L’influenza dei dettagli della composizione chimica per le performance di estrusi di qualità

La ricerca di prestazioni finali sempre più spinte dei componenti estrusi spinge i produttori al miglioramento delle leghe utilizzate sperimentando variazioni di composizione degli elementi minori e l’ottimizzazione dei trattamenti termici e termomeccanici

by Giuseppe Giordano

Ogni nuova applicazione dell’alluminio presuppone in genere una approfondita analisi della composizione chimica della lega utilizzabile e delle prestazioni ottenibili, insieme naturalmente ad altre considerazioni sulle condizioni di produzione e di trattamento termico e meccanico dei semilavorati plastici previsti per l’impiego specifico, estrusi, laminati o forgiati. Di solito per la scelta della lega ottimale si fa riferimento ad una precisa famiglia di composizione, ad esempio la serie 2000 o la serie 6000, ma per applicazioni molto innovative è comunque consigliabile confrontare leghe di più famiglie per poter sfruttare la diversità. Prendere in considerazione ad esempio per una determinata applicazione sia una lega da trattamento termico sia una lega da incrudimento consente di confrontare prestazioni molto diverse in particolare in termini di riserva plastica, propagazione delle cricche, assorbimento di energia, resistenza alla corrosione, saldabilità, risposta ai trattamenti superficiali, ecc.
E’ chiaro che l’innovazione nelle composizioni delle leghe è veramente sostanziale quando si definiscono nuovi alliganti o nuove combinazioni di essi, oppure quando si indirizzano verso consumi industriali sistemi di leghe che rappresentavano poco più di una curiosità scientifica. Moderata ma più frequente l’ ottimizzazione che si progetta quando per il raggiungimento di una predeterminata combinazione di prestazioni si ritiene necessario variare la composizione della lega rispetto a quanto stabilito dalle normative internazionali, cercando di sfruttare le proprietà degli elementi minori e diverse condizioni di trattamento, sia termico che termomeccanico indotte dalla presenza dei microalliganti. Queste forme di ottimizzazione all’interno dei limiti di norma sono state negli ultimi anni utilizzate dai maggiori produttori per definire leghe speciali per i settori più esigenti come l’automotive, l’aeronautica, il ferroviario. Non sempre queste leghe “ottimizzate” dispongono di tutti i requisiti per l’attribuzione di un posto come nuova lega nel sistema degli Enti di classificazione e normativa ed in questo caso non sono distinte da una denominazione ufficiale, ma sono individuate, anche per semplici e comprensibili motivi di marketing, con nomi di fantasia registrati, quasi a sottolineare l’impegno di ricerca che è dietro ogni anche modesta variazione dalle composizioni standard.
L’identificazione di una lega con un nome che non ha legami con sistemi di norme non è una novità, ma anzi un ritorno ad abitudini tipiche di periodi in cui si sono avuti importanti progressi nella conoscenza scientifica dei materiali, basta ricordare denominazioni di leghe che hanno fatto storia come Anticorodal, Avional ed Ergal.
In questo articolo presenteremo alcuni esempi di sostituzione e/o di miglioramento e innovazione di leghe, attraverso variazioni di composizione e/o di ottimizzazione dei trattamenti termici e termomeccanici. Tale esemplificazione intende avere anche un carattere metodologico, suggerendo il ricorso a precise tecniche di valutazione degli effetti degli aggiustamenti compositivi e di modifica dei trattamenti termici o meccanici.

Sostituzione vantaggiosa di un lega con un’altra della stessa famiglia: 7075 vs 7068
La lega ENAW 7075 è una “storica” lega per applicazioni aeronautiche che richiedono elevate caratteristiche tensili.
Lega alluminio-zinco-magnesio-rame, la 7075 è utilizzata anche per applicazioni di meccanica sofisticata, in virtù dell’ottima lavorabilità all’utensile. Normalmente è utilizzata nello stato T6 (T651 per le piastre), che fornisce la massima resistenza meccanica, ma può influenzare la resistenza alla tensocorrosione. Nel campo degli estrusi è utilizzata per la produzione di tubi e barre.
La lega 7068 è anch’essa una lega Al-Zn-Mg-Cu, oggi ampiamente utilizzata per la produzione di componenti ai quali sono richieste eccellenti proprietà meccaniche. Anche la 7068 presenta un’ottima lavorabilità dimostrata, al di là degli usi in aeronautica, dal suo impiego per realizzare componenti di attrezzi sportivi, come racchette, frecce e moschettoni.
Dall’esame delle Tabelle 1 e 2 è evidente che la lega 7068 debba essere considerata una valida sostituta migliorativa della 7075 in molte applicazioni. La 7068 è più pura con ridotti tenori di Fe, Si e Cr, e ciò porta ad una maggiore concentrazione degli alliganti principali. Di conseguenza il loro effetto è maggiore sulle caratteristiche tensili, come mostrato in Tabella 2 da cui si evidenzia per la 7068 un livello di Rm e Rp0,2 superiore di circa il 20% senza perdita nei valori di allungamento a rottura.
Oltre alla composizione chimica, la 7068 è stata ottimizzata anche con una nuova formulazione dei trattamenti termici di tempra e precipitazione indurente con invecchiamento artificiale, come riportato nella pubblicazione di M. Rosso et altri citata in bibliografia.
La sequenza di trattamento per leghe di questo tipo è:
Solubilizzazione a circa 470 °C – Tempra in acqua a temperatura ambiente – formazione di zone GP – formazione di precipitati semi coerenti MgZn – formazione di precipitati incoerenti MgZn2
Questo schema di precipitazione indurente può essere ottenuto con diversi trattamenti termici e termomeccanici. Tra i vari trattamenti termici studiati per le leghe della serie 7xxx, vi sono trattamenti T6 a singolo stadio di invecchiamento, trattamenti T7X a due stadi di invecchiamento ed inoltre trattamenti a tre stadi di invecchiamento RRA (retrogression and reaging). Nel lavoro citato è stato studiato l’effetto di due diversi trattamenti termici T6, indicati come T6-A e T6-B, brevemente descritti nella tabella 3.
L’obiettivo è stato quello di individuare dei parametri per il trattamento termico, tali da consentire di incrementare la resistenza meccanica della lega. Il trattamento termico T6-A consente di ottenere valori di durezza simili a quelli raggiunti grazie al trattamento T6-B ma proprietà di resistenza meccanica superiori di circa il 10% (vedi Tabella 4). Questo poiché a causa di un tempo di invecchiamento superiore (24 ore contro le 15 del T6-A), i precipitati del T6-B sono soggetti ad un fenomeno di coalescenza. In ogni caso, gli esami microstrutturali hanno mostrato la presenza di grani accresciuti e grossolani che potrebbero essere evitati con l’aggiunta in composizione di anti ricristallizanti quali lo zirconio.

Ottimizzazione di estrusi in leghe Al-Mg-Si
Le leghe Al-Mg-Si della famiglia 6000 possono aumentare le proprie caratteristiche meccaniche attraverso tre procedimenti:
A – aumento della percentuale in peso degli alliganti principali;
B – precipitazione indurente dopo tempra di solubilizzazione e invecchiamento naturale;
C – precipitazione indurente dopo tempra di solubilizzazione ed invecchiamento artificiale.
ll sistema ternario Al-Mg-Si è basato su una composizione pseudobinaria Al-Mg2Si%, il precipitato all’equilibrio ha un rapporto atomico 1:2 che tradotto in rapporto in peso vale 1,73:1, visti i diversi pesi atomici di silicio e magnesio. Le diverse leghe commerciali hanno concentrazioni di Si e Mg che variano ampiamente come esemplificato nella tabella 5, dove sono riportati alcuni dati essenziali relativi alle composizioni chimiche previste dalla norma EN 573/3 per alcune delle leghe 6xxx più utilizzate. In figura 3 sono rappresentate le differenze e i limiti di tenore di Si e Mg di alcune leghe 6xxx.
E’ di particolare interesse notare come all’interno dei limiti di composizione della lega 6060 (di gran lunga la lega più utilizzata in estrusione di profili con medie caratteristiche meccaniche) sia possibile individuare tre versioni (più la versione base) con composizioni per le quali il tenore di Mg2Si è compreso tra 0,56 e 0,91%. Le quattro versioni della lega 6060 formano un insieme di materiali in grado di offrire elevata estrudibilità (sia in termini di velocità di estrusione sia per l’ottenimento di pareti di profilo sottili ) e caratteristiche tensili dei profilati estrusi ben diversificate. La Tabella 6 mostra le differenze di caratteristiche tensili di estrusi nelle quattro versioni di lega con i tenori di Mg2Si riportati.
Un caso particolare di notevole interesse di ottimizzazione di leghe 6xxx è stato sviluppato recentemente da Constellium nella ricerca delle migliori leghe per lo sviluppo di assorbitori di energia per automobili in caso d’urto. La scelta delle leghe 6xxx è legata prioritariamente alla elevata estrudibilità delle leghe Al-Mg-Si anche in forme complesse. D’altro lato, però, le caratteristiche tensili medie tipiche delle leghe comuni della famiglia 6xxx, non consentono di raggiungere livelli elevati di assorbimento di energia prima della rottura. Un obiettivo della ricerca è stato lo sviluppo di leghe 6xxx con caratteristiche tensili più elevate di quelle delle leghe prodotte con sistemi e trattamenti tradizionali. Parallelamente sono state sviluppate dalla stessa Constellium leghe sempre 6xxx ma con elevata riserva plastica e perciò capaci di assorbire energia. Le linee di azioni innovative sono state le due seguenti:
Leghe denominate HSA6 che sottoposte a specifici trattamenti termici e meccanici possano raggiungere caratteristiche tensili ben superiori a quelle mostrate dalle tradizionali leghe 6xxx più alto resistenziali come la già ricordata 6082. La Figura 5 mostra come il livello di caratteristiche tensili ottenibili con le nuove leghe e con il nuovo ciclo di elaborazione sia sensibilmente maggiore rispetto a quello delle leghe convenzionali.
2 – Leghe 6xxx denominate Securalex, con composizione e trattamento ottimizzati per avere un materiale in grado di assorbire grandi quantità di energia in caso di urto, si confrontano con la tipica lega per car body (6016 T6) nella realizzazione di assorbitori d’urto. Si noti che gli obiettivi dichiarati per le leghe Securalex sono gli stessi previsti per le leghe alto resistenziali.
L’attività di ricerca per le leghe di entrambe le classi si è concentrata su diversi punti. In particolare:
1. ottimizzazione della composizione chimica della lega;
2. scelta delle condizioni di tempra e di invecchiamento per conseguire gli obiettivi di microstruttura sopraddetti;
3. sviluppo di trattamenti termo meccanici (TMA) specifici per la composizione di lega;
4. ottimizzazione del disegno degli assorbitori di energia reso possibile da quanto ottenuto in 1 e 2.
La figura 6 mostra gli effetti sul valore del carico di rottura della lega HSA6 delle scelte di composizione e di trattamento.
Come già ricordato, un’ulteriore spinta all’incremento delle caratteristiche meccaniche di leghe medio-resistenziali e verso il miglioramento dell’estrudibilità, viene dalla qualità microstrutturale del materiale dopo omogeneizzazione e da quella della precipitazione indurente dopo tempra ed invecchiamento. Senza entrare nei dettagli microstrutturali, si può notare che le più elevate caratteristiche meccaniche dopo l’invecchiamento artificiale si otterranno quando si forma una microstruttura caratterizzata da precipitati di Mg2Si finemente dispersi e dotati di elevata coerenza cristallografica con la matrice di alluminio (vedi figura 7). Tale struttura è, appunto, il risultato del processo di invecchiamento. Inizialmente i precipitati hanno forma aciculare e sono di piccola dimensione (al di sotto di 0,1 micron), nel corso del processo d’invecchiamento i precipitati crescono in lunghezza più che in diametro ed infine al massimo del trattamento di bonifica si ha una struttura di precipitazione nella quale il precipitato indurente è omogeneamente distribuito (vedi figura 8).
Il principale meccanismo di indurimento per precipitazione consiste, come noto, in un aumento della difficoltà nel moto delle dislocazioni a seguito della distribuzione di particelle all’interno dei grani. È opportuno evitare la formazione dei precipitati a bordo grano, dal momento che questo si comporta già come una barriera al moto delle dislocazioni. Ovviamente, va ricercata una omogenea distribuzione dei precipitati per evitare concentrazioni diverse nelle varie zone del profilo e perciò diversità di caratteristiche meccaniche. Infine il livello di coerenza tra i precipitati (Figura 7) e la soluzione solida determina l’intensità di interazione tra dislocazione e precipitati.