Procedimenti di tixoformatura di leghe metalliche per componenti automobilistici

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1.1 – TERMINOLOGIA 
 
Prima di iniziare la trattazione � necessario introdurre la terminologia usata. 
La parola �METALLO� sar� usata per descrivere sia un elemento metallico 
puro che le sue leghe con altri elementi. 
Quando un metallo, nell�accezione sopradescritta, che si trova nello stato 
solido � riscaldato sino ad una temperatura superiore di quella della sua linea 
del solido nel suo diagramma di stato, esso comincia a fondere ed inizia a 
formarsi al suo interno una componente liquida. Questo particolare stato del 
metallo � chiamato �STATO CEDEVOLE� ed il metallo che si trova in 
questo stato � detto �METALLO  CEDEVOLE�. 
Quando invece un metallo che si trova nello stato di fusione, cio� nello stato 
liquido, � raffreddato fino ad una temperatura inferiore a quella della sua linea 
del liquido nel suo diagramma di stato, cominciano a formarsi al suo interno 
alcuni grani solidificati. Questo stato del metallo � descritto come �STATO 
SEMI-SOLIDO� ed il metallo � detto �METALLO SEMI-SOLIDO�. 
In aggiunta a ci� la parola �TIXO�, che deriva da  �tixotropia� � usata per 
descrivere contemporaneamente entrambi gli stati cedevole e semi-solido in 
cui il metallo si trova. Nella fig. 1.1 vediamo il diagramma di stato di una lega 
metallica Magnesio-Alluminio, con l�indicazione delle linee di separazione 
dello stato liquido e dello stato solido e del campo di temperatura dello stato 
tixotropico. 
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Fig. 1.1 – Diagramma di stato di una lega Magnesio - Alluminio 
 
 
Il termine Tixotropia trae la sua etimologia dalle parole greche thixis (tocco) e 
tropos (cambiamento); esso descrive la capacit�, che ha un certo materiale, di 
mutare la sua struttura interna e di comportarsi alla stregua di un fluido, 
quando vengono applicate al materiale stesso forze deformanti dall�esterno. Il 
fenomeno della Tixotropia, che in origine era riferito ai cambiamenti 
reversibili del passaggio da un fluido scorrevole ad un gel elastico  
quasi-solido, fu scoperto nel 1923 da Schalek e Szegvari nello studio di 
sistemi non metallici. L�essenza della loro scoperta fu quella della notevole 
propriet� dei gel acquosi di ossido di ferro di divenire completamente liquidi 
semplicemente se sottoposti ad una leggera agitazione, fino ad un tale grado 
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20 
30 40 
200 
300 
400 
500 
600 
650 
T
e
m
p
e
r
a 
t
u
r
a 
 
�C 
 
                     %  Al 
α 
α + β 
α + Liquido 
Tipica temperatura per processi di  
formatura tixotropici : 560 – 580 °C 
437 �C 
Composizione della lega 9 % Al 
Temperatura di stampaggio normale > 700 �C
Linea del solido 
Linea del liquido 
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che il gel liquefatto era molto difficilmente distinguibile dalla soluzione 
originale. Da ci� si comprende come il fenomeno della �Tixotropia� si 
riferisce alla propriet� che hanno i metalli nello stato semi-solido di divenire 
maggiormente fluidi se sottoposti ad un�energia d�agitazione. 
I procedimenti per la formatura dei metalli che si trovano nello stato 
cedevole/semi-solido, o tixotropico, sono spesso indicati con la sigla SSF 
(Semi-solid forming), che vuol dire �formatura di metalli semi-solidi�. 
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1.2 – COMPORTAMENTO DEI METALLI AL VARIARE DELLA  
          TEMPERATURA 
 
Un metallo diventa malleabile, e la sua tensione di flusso diminuisce, 
all�aumentare della sua temperatura. Tale caratteristica � largamente utilizzata 
in vari procedimenti di formatura a caldo. Ma anche se la tensione di flusso di 
un metallo caldo � molto pi� bassa di quella di un metallo freddo la forza 
necessaria per la deformazione di un pezzo in un processo a caldo � di solito 
molto grande ed anche la pressione agente sulle superfici dell�utensile � 
piuttosto alta. A causa di ci� non � semplice ottenere un prodotto finito con le 
richieste tolleranze dimensionali. Inoltre si devono risolvere vari problemi 
riguardanti la qualit� superficiale dell�utensile e la sua vita operativa.  
Un metallo fonde completamente quando � riscaldato ad una temperatura 
maggiore di quella della sua linea del liquido nel suo diagramma di stato. Il 
metallo fuso ha la capacit� di riempire una cavit� quando � riversato in uno 
stampo. 
Un metallo solidifica quando la sua temperatura scende al di sotto di quella 
della sua linea del solido nel suo diagramma di stato; in questo modo si 
ottiene un prodotto solido finito con la stessa forma e dimensioni dello 
stampo.  
L�ottima propriet� del metallo fuso di adattare la sua forma a quella dello 
stampo � largamente utilizzata in svariati processi di stampaggio. Nello 
stampaggio i principali obiettivi ingegneristici  da raggiungere sono 
l�appropriato controllo del flusso del metallo fuso nella cavit� dello stampo, la 
prevenzione di difetti interni quale ad esempio la porosit�, il miglioramento 
delle tolleranze geometriche e l�aumento della qualit� superficiale. 
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Le scarse propriet� meccaniche dei prodotti finiti causate dalla crescita di 
dendriti, ossia di aggregati di piccoli cristalli raggruppati in file ramificate, 
all�interno del metallo durante la sua solidificazione, rappresentano inoltre un 
problema che deve essere risolto a priori dell�applicazione del processo di 
formatura. 
 
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1.3 – IMPIEGHI ED OBIETTIVI 
 
Negli ultimi anni svariati processi di formatura di metalli cedevoli,  
semi-solidi, o tixometalli, hanno raggiunto una sempre maggiore diffusione. 
Tali processi sono largamente utilizzati per la fabbricazione di parti 
meccaniche, anche strutturali, d�automobili e di strumenti elettrici ed 
elettronici. Ad esempio telai, cuscinetti, piantane, dischi, ruote ed altre parti 
meccaniche per sistemi di frenatura e guida, cilindri per accumulazione di 
pressione e valvole per sistemi di alimentazione, componenti di telai e 
giunture per scocche di automobili, teste e steli di pistoni per motori a 
combustione interna. Tali componenti sono costruiti in leghe d�alluminio con 
processi di thixocasting e di thixoforging. 
Col progredire della tecnologia le richieste dei clienti inerenti alla qualit� dei 
prodotti stanno diventando sempre pi� stringenti. Sono, infatti, richieste una 
maggiore precisione dimensionale, una migliore qualit� superficiale, propriet� 
meccaniche uniformi, resistenza maggiore, spessore dei pezzi sempre pi� 
sottili, una maggiore complessit� geometrica e una pi� grande flessibilit� 
funzionale. Inoltre si richiedono una maggiore attenzione ai problemi 
ambientali, una maggiore capacit� produttiva ed una drastica riduzione dei 
costi di fabbricazione. 
Per poter rispondere a tali requisiti sono necessari estensivi miglioramenti 
tecnologici dei processi di formatura, delle macchine, degli stampi e degli 
utensili. Per raggiungere tali miglioramenti � indispensabile  una migliore 
comprensione delle caratteristiche dei metalli cedevoli e semi-solidi. 
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2. PROPRIETÀ MECCANICHE E METALLOGRAFICHE DEI 
METALLI CEDEVOLI/SEMI-SOLIDI 
 
 
2.1 – INTRODUZIONE 
 
Esamineremo ora gli aspetti teorici, dei metalli che si trovano nello stato 
cedevole/semi-solido e le loro caratteristiche meccaniche. 
 
Un metallo cedevole ed un metallo semi-solido hanno un aspetto simile 
poich� entrambi includono ai loro interni componenti liquidi e solidi. A causa 
di tale similarit� spesso soltanto l�espressione  �semi-solido� � largamente 
usata per indicare entrambi i tipi di metalli.  Ciononostante un metallo che 
inizia a fondere ha delle peculiari propriet� meccaniche largamente differenti 
da quelle di un metallo che inizia a solidificare. Generalmente il metallo 
cedevole include un alto numero di componenti solidi e tende a deformarsi 
come un �pezzo d�argilla� o un �sorbetto�, mentre il metallo semi-solido 
include un alto numero di componenti liquidi e scorre come un fluido  
non-Newtoniano. 
Nella fig. 2.1 vediamo schematicamente rappresentate tali differenze 
strutturali fra i metalli cedevoli e quelli semi-solidi.  
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Fig. 2.1 � Differenze di componenti solidi e liquidi in metalli cedevoli e semi-solidi 
 
La differenza tra metalli cedevoli e semisoli diviene piccola quando essi 
raggiungono lo stesso campo di temperatura; in tale caso entrambi i metalli 
includono una proporzione simile di componenti liquidi e solidi ed hanno 
fondamentalmente le stesse propriet� meccaniche. 
Il componente liquido in un metallo cedevole si forma attraverso la parziale 
fusione dei grani solidi. Tale fusione parziale inizia sui bordi dei grani solidi 
ed � l� che di solito � presente il componente liquido. I grani solidi sono 
dunque separati tra loro dalla componente liquida come si vede nella  
fig. 2.1. Il componente solido in un metallo semi-solido si forma attraverso la 
parziale solidificazione del metallo fuso. Quando il metallo � raffreddato la 
solidificazione inizia sulla parete del crogiuolo dove i dendriti iniziano a 
crescere. Se si applica a questo punto un�agitazione meccanica o 
elettromagnetica nel metallo parzialmente solidificato i dendriti si frantumano 
in grani solidi (o particelle) e si disperdono nel rimanente metallo fuso. 
Componente solido 
Componente liquido 
Alta frazione solida : 
METALLO CEDEVOLE 
Bassa frazione solida : 
METALLO SEMISOLIDO
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2.2 – PROPRIETÀ MECCANICHE PECULIARI DEI METALLI 
         CEDEVOLI/SEMI-SOLIDI      
 
Possiamo riassumere nei seguenti nove punti le principali propriet� 
meccaniche dei metalli cedevoli/semi-solidi, propriet� che differenziano tali 
metalli da quelli che si trovano nello stato solido o fuso: 
1) A causa del componente liquido che si trova sui bordi dei grani solidi la 
forza di legame tra questi grani � molto bassa e talvolta raggiunge lo 
zero. Per tale motivo la deformazione ed il flusso del metallo cedevole 
iniziano anche sotto l�azione di forze esterne molto deboli. 
2) Quando la FRAZIONE SOLIDA (f
s
), che � definita come il peso in 
percentuale del componente solido, � pressappoco inferiore al 60% il 
metallo cedevole fluisce come una �malta liquida� anche solo sotto 
l�effetto della forza di gravit�. Quando invece la frazione solida si trova 
approssimativamente nel campo del 60-95 %  il metallo cedevole si 
deforma o fluisce come un �pezzo di argilla� o un �sorbetto�. Quando 
poi la frazione solida � maggiore del 95 % il metallo cedevole si 
deforma esattamente come un metallo solido. 
3) Quando la frazione solida � pi� bassa del 90% il metallo cedevole pu� 
essere agitato e miscelato con altri materiali come ad esempio particelle 
ceramiche, fibre ceramiche e fibre di grafite in maniera tale da formare 
varie miscele cedevoli composte di metalli ed altri materiali; tale 
procedura � schematicamente illustrata nella fig. 2.2.  
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Fig. 2.2 � Aggiunta di particelle di rinforzo e agitazione della miscela 
 
4) Se il metallo cedevole � simultaneamente agitato e raffreddato i grani 
solidi sono separati dalla forza di agitazione e fissano la loro forma 
indipendentemente gli uni dagli altri senza unirsi tra loro. In questo 
modo il metallo cedevole pu� presentarsi sotto forma di particelle e/o 
polvere. 
5) Due parti di metallo cedevole possono essere unite tra loro utilizzando 
una caratteristica peculiare delle loro componenti liquide. Quando le 
loro interfacce sono pressate l�una contro l�altra, come illustrato nella 
fig. 2.3, le componenti liquide incluse nelle due parti penetrano e si 
diffondono all�interfaccia e solidificano insieme; grazie a tale mutua 
penetrazione delle componenti liquide ed alla solidificazione in un 
unico corpo si realizza l�unione  tra metalli cedevoli. 
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Fig. 2.3 � Unione di metalli cedevoli 
 
6) Il metallo semi-solido � un fluido viscoso e la sua viscosit� � maggiore 
di quella di un metallo fuso a causa della presenza al suo interno dei 
grani solidi. 
7) La viscosit� di un metallo semi-solido � influenzata dal numero e dalle 
dimensioni dei grani solidi dispersi al suo interno, e tali caratteristiche 
dei grani solidi sono determinate dalla velocit� di raffreddamento e 
dalla velocit� di scorrimento associati all�azione di agitazione. 
8) Le dimensioni dei grani solidi diminuiscono all�aumentare della 
velocit� di scorrimento associata all�azione d�agitazione. D�altra parte i 
grani solidi aumentano durante l�agitazione. Perci� sia il controllo della 
temperatura che il controllo della velocit� di agitazione sono i 
parametri fondamentali per poter ottenere la grandezza voluta dei grani 
solidi e l�appropriata viscosit� del metallo semi-solido. 
9) � d�importanza fondamentale per il metallo semi-solido ottenere una 
bassa viscosit� ed un�alta frazione solida. La bassa viscosit� � 
necessaria per ottenere una buona fluidit� che � indispensabile per il 
corretto riempimento della cavit� dello stampo. L�alta frazione solida � 
necessaria per prevenire vari difetti, ottenere una buona struttura 
interna ed un�ottima qualit� del prodotto di fusione finito. 
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2.3– DEFORMAZIONI MACROSCOPICHE DEI METALLI  
        SEMI-SOLIDI 
 
In genere la deformazione macroscopica di un metallo nello stato solido � 
caratterizzata non soltanto dalla deformazione microscopica e rotazione 
assoluta dei singoli grani che compongono il metallo ma anche  dal loro 
scorrimento relativo. Nel metallo solido gli attriti meccanici tra i grani 
interagiscono tra loro e ostacolano la deformazione dei grani stessi che non 
sono perci� liberi di ruotare o spostarsi liberamente. Se le interazioni 
meccaniche e gli attriti tra i grani sono diminuiti grazie alla fusione dei bordi 
dei grani solidi, questi possono liberamente ruotare e scorrere gli uni rispetto 
agli altri  e conseguentemente la deformazione macroscopica del metallo 
cedevole pu� avvenire anche con l�applicazione di una forza esterna molto 
piccola rispetto a quella necessaria per deformare un metallo nello stato 
solido; tale situazione � schematicamente illustrata nella fig. 2.4.   
 
 
Fig. 2.4 � Scorrimento mutuo dei grani solidi in un metallo semi-solido 
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All�avanzare della fusione parziale dei bordi dei grani solidi il meccanismo 
della deformazione del metallo cedevole si differenzia drasticamente da 
quello del metallo solido: diminuiscono rapidamente gli attriti tra i grani 
solidi e la resistenza meccanica della struttura multi-grano. Quando il volume 
della componente liquida ha raggiunto il valore adeguato affinch� i grani 
solidi possano ruotare, scorrere e disporsi indipendentemente gli uni dagli 
altri il metallo cedevole inizia a scorrere come una �malta fusa�. Quando il 
metallo cedevole si deforma la componente liquida tende a fluire attraverso 
gli spazi che si creano tra i grani solidi. La componente liquida scorre 
separatamente dai grani solidi; tale movimento � simile a quello di un liquido 
viscoso che attraversa un labirinto. Al diminuire della frazione solida la 
componente liquida fluisce sempre pi� liberamente tra gli spazi createsi tra i 
grani solidi e, in alcuni casi particolari, essa scorre al di fuori del metallo 
cedevole attraversando gli spazi ed i canali che si formano tra la parte interna 
del metallo e la sua superficie libera, come schematicamente illustrato nella 
fig. 2.5. 
 
 
Fig. 2.5 � Fuoriuscita del componente liquido 
 
Comunque quando la frazione solida � maggiore del livello per il quale pu� 
verificarsi la fuoriuscita dal metallo cedevole della componente liquida, tale 
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componente tende ad essere intrappolata dagli  spazi infinitesimi  che si 
formano tra i grani solidi. In questo stato l�attrito tra i grani solidi non � molto 
ridotto e quindi la tensione di flusso non diminuisce in maniera rimarchevole. 
� importante notare che, anche se i grani solidi a contatto tra loro creano 
attrito, la loro forza d�interconnessione s�indebolisce fino ad un livello molto 
basso a causa della presenza della componente liquida sui bordi dei grani 
stessi. Ci� vuol dire che il metallo cedevole, anche nel caso in cui la frazione 
solida � alta, ha di solito un�elongazione molto bassa.