Altre leghe di metalli non ferrosi
Sebbene per scienza dei materiali si intendano comunemente gli acciai e leghe di alluminio e rame, molte applicazioni tecniche fondamentali si basano su leghe di metalli non ferrosi più specializzate. Queste leghe consentono di progettare giunti a frizione con usura controllata, creare giunti saldati resistenti e durevoli, realizzare di elementi di sicurezza che funzionano per fusione e raggiuntere un’elevata resistenza alla corrosione o un rapporto resistenza/peso eccezionalmente favorevole.
Questo studio prende in esame sei gruppi di materiali: leghe per cuscinetti, leghe per saldatura, leghe a basso punto di fusione, zinco e sue leghe, titanio e sue leghe e leghe di metalli preziosi. La tabella mostra come la scelta della composizione e della microstruttura si traduca in specifici requisiti operativi: dalla lubrificazione e “rodaggio” alla resistenza chimica e al mantenimento delle proprietà a temperature elevate.
Questo articolo è basato sul libro di testo “Metaloznawstwo” del professor Stanisław Rudnik. Il seguente contenuto è solo una panoramica generale dell’argomento. Per chi fosse interessato all’argomento, consigliamo vivamente di approfondire la letteratura.
Leghe per cuscinetti
Le leghe per cuscinetti sono utilizzate per realizzare gusci di cuscinetti in cuscinetti a strisciamento, dove la superficie del guscio del cuscinetto interagisce direttamente con il perno dell’albero. Il materiale del guscio del cuscinetto deve quindi garantire un basso coefficiente di attrito, ridurre l’usura di entrambe le superfici di attrito e, allo stesso tempo, resistere a elevate pressioni unitarie. È molto importante che il guscio del cuscinetto sia meno duro del perno, in modo che eventuali danni si verifichino nell’elemento più facile da sostituire e non sull’albero. Anche la resistenza allo scuffing è importante: il guscio del cuscinetto deve essere sufficientemente plastico da adattarsi alle microirregolarità del perno, ma allo stesso tempo non deve essere troppo morbido per non aderire alla superficie del perno alla temperatura di esercizio.
In pratica, questi requisiti sono integrati da proprietà tecnologiche e operative: la lega deve essere facilmente fusibile (per facilitare la fusione delle coppe), ma il suo punto di fusione non deve essere troppo basso, in modo che la coppa non si ammorbidisca quando viene riscaldata durante il funzionamento. Altri fattori importanti sono la buona adesione della lega al materiale del guscio del cuscinetto, un’adeguata conducibilità termica (dissipazione del calore da attrito), la resistenza alla corrosione e il costo più basso possibile.
Le migliori proprietà si ottengono con una lega con una struttura in cui inclusioni dure di dimensioni e quantità appropriate sono distribuite uniformemente in una matrice relativamente morbida e duttile. La matrice morbida facilita l’adattamento alla forma del perno senza un’intensa abrasione, mentre i componenti duri riducono la tendenza della matrice ad aderire e favoriscono la formazione di spazi capillari in cui può rimanere un sottile strato di olio lubrificante. Il nodo di attrito funziona quindi in modo più stabile e le condizioni di lubrificazione sono più facili da “mantenere” anche durante sovraccarichi temporanei.
Il materiale più economico per i cuscinetti è spesso la ghisa perlitica grigia. Può sopportare pressioni unitarie elevate, ma a causa della sua abrasione relativamente elevata, non è adatta per motori ad alta velocità. La presenza di grafite ha un effetto benefico: la grafite frantumata mescolata al grasso forma un sottile strato sulla superficie che riduce l’abrasione. Tuttavia, nelle applicazioni che richiedono parametri migliori, vengono utilizzate più comunemente leghe morbide e facilmente fusibili a base di stagno o piombo.
Il miglior gruppo di leghe per cuscinetti è costituito dalle leghe di stagno-antimonio-rame, note come babbitt. Il rame e l’antimonio aumentano la resistenza di queste leghe con una leggera riduzione della plasticità, quindi è fondamentale bilanciarli. Per il contenuto di rame comunemente riscontrato del 3-6%, la massima resistenza si ottiene con circa il 9-10% di Sb, e le composizioni che non superano il 10-12% di Sb e il 6-7% di Cu sono considerate particolarmente favorevoli. Questo gruppo comprende, tra gli altri, SnSb8Cu3 e SnSb11Cu6. La matrice è una soluzione di antimonio e rame nello stagno (morbida e duttile, sebbene più dura dello stagno puro) e su questo sfondo sono presenti cristalli cubici del composto SnSb e cristalli Cu6Sn5 a forma di stelle e aghi. Le fasi dure fungono da “trasportatori” di carico e stabilizzano le condizioni di attrito, ma i babbitt sono costosi, quindi vengono utilizzati principalmente nei cuscinetti che operano con carichi e velocità elevati.
Un’alternativa più economica è rappresentata dalle leghe di stagno-piombo-antimonio, in cui parte dello stagno è sostituito dal piombo. La matrice morbida di queste leghe è un eutettico triplo con un alto contenuto di piombo, e la struttura contiene ancora cristalli cubici di SnSb. In pratica, spesso viene aggiunto rame per ridurre la segregazione derivante dalle differenze di densità dei componenti; il rame forma quindi composti Cu2Sb duri a forma di ago. Un esempio è la lega PbSn16Sb16Cu2, che è più economica del babbitt ma di solito funziona in condizioni meno impegnative (carichi e velocità inferiori).
Il terzo gruppo è costituito da leghe di piombo con metalli alcalini come calcio, bario o stronzio. Questi elementi formano composti duri con il piombo (ad esempio Pb3Ca, Pb3Ba) distribuiti in una matrice morbida di piombo quasi puro; a volte viene aggiunta anche una piccola quantità di sodio per aumentare la durezza. Il vantaggio è il basso costo e una buona qualità, che ne favorisce un ampio utilizzo, soprattutto nelle ferrovie. Tra i limiti troviamo la bassa resistenza alla corrosione atmosferica e la combustione degli elementi di lega durante la rifusione. Nei cuscinetti che operano in condizioni particolarmente difficili (alte pressioni e velocità) vengono utilizzati anche bronzi allo stagno o bronzi al piombo.
Leghe per saldatura
La saldatura è il processo di unione dei metalli utilizzando un metallo aggiuntivo (la lega per saldatura) che viene fuso, scorre e riempie lo spazio di giunzione. Il punto di fusione della lega per saldatura deve essere inferiore di quello dei metalli da unire, in modo da non provocarne la fusione. Una buona lega per saldatura deve bagnare bene le superfici saldate, dissolversi in misura limitata nei metalli da unire, presentare una buona fluidità allo stato liquido e il suo intervallo di solidificazione non deve essere troppo ampio, poiché ciò rende difficile ottenere un giunto omogeneo e stretto.
A causa del loro punto di fusione, esistono leghe per saldatura morbide (fino a 450 °C) e leghe per saldatura dure (oltre 450 °C). Le leghe per saldatura morbide hanno una bassa durezza e una bassa resistenza alla trazione (circa 50-70 MPa), ma sono duttili, motivo per cui garantiscono una buona tenuta, anche se di solito non sono progettate per sopportare carichi pesanti. Le più comuni sono le leghe per saldatura stagno-piombo, in cui un importante punto di riferimento è la composizione eutettica del 61,9% di Sn e un punto di fusione di 183 °C.
La lega di stagno-piombo è coperta dalla norma PN-76/M-69400 e le singole leghe sono contrassegnate con le lettere LC e un numero corrispondente al contenuto medio di stagno in percentuale. Le varianti con l’aggiunta di antimonio presentano la lettera “A” alla fine della denominazione, ad esempio LC30A contiene circa il 30% di Sn, il 68% di Pb e il 2% di Sb. La lega LC60 (60% Sn e 40% Pb) ha una composizione vicina all’eutettico, quindi è la più facile da fondere e ha un intervallo di solidificazione molto ristretto, di circa 7 °C. All’aumentare del contenuto di piombo, aumenta l’intervallo di solidificazione; in un legante con il 20% di Sn e l’80% di Pb, può superare i 100 °C, il che favorisce la formazione di pori e compromette la tenuta e la resistenza del giunto. A temperatura ambiente, la durezza e la resistenza delle leghe Sn-Pb aumentano con il contenuto di stagno, e i valori più elevati si ottengono solitamente con leghe con il 50-80% di Sn; d’altra parte, le leghe con un contenuto di stagno molto basso (5-10%) sono meno rare ma hanno proprietà inferiori.
Le saldature dure funzionano a temperature di fusione molto più elevate (da circa 400 °C fino a 2000 °C) e vengono utilizzate quando è richiesta un’elevata resistenza del giunto. La resistenza dei giunti realizzati con saldature dure può essere di circa 200-700 MPa. In pratica, esistono tre gruppi principali: saldature a base di rame, saldature a base di argento e saldature speciali. Il rame ha buone proprietà di saldatura e viene utilizzato per unire acciaio, ghisa e leghe di rame, ma il suo alto punto di fusione richiede una saldatura a temperature di 1100-1200 °C, il che aumenta il consumo di energia e può compromettere le proprietà dei componenti saldati a causa dei cambiamenti strutturali durante il riscaldamento. Per questo motivo, oltre al rame puro, sono ampiamente utilizzate le sue leghe. Le leghe di argento (coperte, tra l’altro, dalla norma PN-80/M-69411) sono importanti, tra l’altro, nell’ingegneria elettrica, e le più significative sono le leghe Ag-Cu-Zn con buone proprietà meccaniche e resistenza alla corrosione, che consentono l’unione di acciaio, leghe di rame, metalli preziosi e carburi sinterizzati. Le saldature speciali includono, tra le altre, saldature a base di oro e platino (ad esempio, gioielleria, odontoiatria), saldature a base di alluminio (giunzione di leghe leggere) e saldature a base di magnesio (giunzione di leghe di magnesio).
Leghe a basso punto di fusione
Le leghe a basso punto di fusione (facilmente fusibili) sono leghe con un punto di fusione inferiore a quello dello stagno, cioè inferiore a 232 °C. Sono costituite da metalli con un basso punto di fusione, principalmente piombo, stagno e bismuto, nonché, in quantità minori, cadmio, antimonio, zinco, indio e altri additivi. La composizione è selezionata in modo da formare eutettici con il punto di fusione più basso possibile, il che consente di “impostare” con precisione il punto di fusione dell’elemento fusibile.
Un buon esempio dell’effetto della multicomponenza è il sistema Sn-Pb-Cd-Bi-In, in cui la lega eutettica può avere un punto di fusione di circa 47 °C. In pratica, le leghe a basso punto di fusione utilizzate nel nostro paese sono elencate nella norma PN-71/H-87203. Tra le leghe elencate in questa norma, uno dei punti di fusione più bassi (circa 70 °C) è quello della lega BiPb25Sn12Cd12, nota come lega di Wood, con una composizione del 25% di Pb, 12% di Sn, 12% di Cd e 51% di Bi.
Le applicazioni derivano direttamente dalla funzione: le leghe a basso punto di fusione sono utilizzate per fusibili e inserti di sicurezza, componenti di sistemi antincendio e di allarme, nella fusione di precisione, nonché nell’industria delle apparecchiature mediche e ortopediche, dove le basse temperature di processo sono spesso fondamentali per garantire la sicurezza e la precisione.
Zinco e sue leghe
Lo zinco è un metallo bianco-azzurro con un peso specifico di circa 70 kN/m³. Ha un basso punto di fusione (419,4 °C) e un basso punto di ebollizione (907 °C). La sua resistenza alla trazione è moderata (Rm circa 150 MPa) con un elevato allungamento (A10 circa 50%), ma a temperatura ambiente lo zinco è fragile. Solo quando viene riscaldato oltre i 100-150 °C diventa malleabile e può essere laminato in fogli sottili e trafilato in filo.
Lo zinco è resistente alle atmosfere secche, ma in presenza di vapore acqueo e anidride carbonica si ricopre di un rivestimento bianco di carbonato di zinco alcalino, che funge da strato protettivo e limita l’ulteriore corrosione. Lo zinco si dissolve in acidi diluiti e alcali. L’uso industriale più importante dello zinco è nella protezione dell’acciaio: i rivestimenti di zinco (zincatura) sono vantaggiosi perché, anche in caso di perdite locali, lo zinco agisce come un anodo protettivo. Poiché ha un potenziale elettrochimico inferiore a quello del ferro, lo zinco si dissolve e l’acciaio è quindi protetto dalla corrosione.
Lo zinco è anche utilizzato come materiale per prodotti semilavorati (ad esempio nell’edilizia) ed è un componente importante di molte altre leghe metalliche. Esistono alcune leghe in cui lo zinco è il componente principale, le più importanti delle quali sono le leghe di zinco con alluminio, rame e magnesio, note come zamak. Si dividono in leghe da fusione e leghe da lavorazione. Oltre allo zinco, contengono solitamente fino al 30% di Al, fino al 6% di Cu e piccole quantità di Mg; le differenze tra le varietà derivano dal loro uso previsto e dalla tecnologia di produzione.
Le leghe lavorate raggiungono una resistenza maggiore (circa 280-320 MPa) con una migliore plasticità (A5 circa 5%). Le leghe da fusione hanno una resistenza di 150-300 MPa, ma una plasticità molto bassa (A5 circa 1%), tipica dei getti, in particolare dei getti a pressione. Nonostante la loro plasticità limitata, le leghe di zinco fuso sono ampiamente utilizzate nell’industria meccanica (carrozzerie, telai, coperture), nell’industria automobilistica (carburatori, leve, maniglie delle porte) e nell’industria elettrotecnica (alloggiamenti di dispositivi). Le leghe lavorabili plasticamente possono sostituire le leghe di rame più costose quando l’economia e una tecnologia più semplice sono importanti.
Il titanio e le sue leghe
Il titanio è uno degli elementi più abbondanti nella crosta terrestre, ma la sua produzione industriale su larga scala si è sviluppata solo a partire dal 1948. È un metallo bianco-argenteo, simile all’acciaio inossidabile, con un peso specifico basso di circa 44,1 kN/m³ (quasi la metà di quello del ferro). Per questo motivo il suo rapporto resistenza/densità è particolarmente vantaggioso, il che si traduce in applicazioni in cui ogni chilogrammo conta.
Il titanio si presenta in due forme allotropiche: Tiα (stabile a basse temperature, reticolo esagonale compatto) e Tiβ (stabile a temperature più elevate, reticolo regolare centrato spazialmente). La temperatura di transizione allotropica è di 882 °C. Questo materiale è caratterizzato da un’elevata resistenza alla corrosione, paragonabile a quella degli acciai austenitici al cromo-nichel. A temperature fino a circa 500 °C, il titanio è praticamente insensibile all’aria; solo a temperature più elevate si forma sulla sua superficie un sottile strato ben aderente di ossidi e nitruri, che protegge il metallo dagli effetti dell’ossigeno e dell’azoto, purché la temperatura non superi i 560 °C circa. Al di sopra di questo intervallo, l’attività chimica del titanio aumenta in modo significativo.
Le proprietà meccaniche del titanio dipendono in larga misura dalla sua purezza. Il titanio molto puro è estremamente duttile e ha parametri simili a quelli del ferro puro: Rm circa 250-300 MPa, R0,2 circa 100-150 MPa, A10 circa 50% e Z circa 70%. Gli additivi aumentano la resistenza a scapito della plasticità, motivo per cui, nella pratica ingegneristica, la purezza e la classe di lega vengono selezionate in base alle esigenze. Grazie alla loro resistenza alla corrosione e all’elevata resistenza al peso, il titanio e le sue leghe sono utilizzati nei veicoli, negli aerei, nella costruzione navale e nelle attrezzature chimiche, anche se il loro prezzo elevato rimane un ostacolo.
Nelle leghe di titanio basate su entrambe le varietà allotropiche, esistono soluzioni solide di α e β. Poiché la fase β è stabile alle alte temperature e la fase α alle basse temperature, diventa possibile il trattamento termico basato sulle trasformazioni di fase. Il meccanismo della trasformazione β→α dipende dalla temperatura: a temperature più elevate è diffusivo e porta a una struttura granulare, mentre in caso di significativo sottoraffreddamento, a causa della bassa mobilità degli atomi, può verificarsi una trasformazione martensitica non diffusiva, che porta a una struttura aghiforme (martensitica) spesso denominata α’.
Le leghe di titanio utilizzate nella pratica si dividono in leghe monofase α, monofase β e bifase α+β. Tra le leghe troviamo, ma non solo, le leghe di titanio con alluminio, che è l’unico additivo che stabilizza la fase α; l’alluminio aumenta la resistenza e, grazie alla sua bassa densità, ha un effetto positivo sul peso specifico della lega. Le leghe β sono relativamente meno comuni, mentre le più importanti sono le leghe bifase α+β, contenenti additivi che stabilizzano la fase β, come vanadio, molibdeno, stagno, ferro, cromo o magnesio. Di solito sono più resistenti delle leghe monofase, facilmente lavorabili con tecniche plastiche e suscettibili al trattamento termico; il Rm tipico è di circa 900-1200 MPa e, nell’intervallo di temperatura fino a 500 °C, la loro resistenza per unità di densità è talvolta più favorevole rispetto all’acciaio.
Sebbene la trasformazione martensitica suggerisca la possibilità di un indurimento classico, in pratica non è comunemente utilizzata perché l’effetto sulle proprietà meccaniche è talvolta trascurabile. Per le leghe bifase α+β, il trattamento termico comporta tipicamente supersaturazione e invecchiamento: la supersaturazione comporta il riscaldamento a una temperatura alla quale la fase β è stabile, seguito da un rapido raffreddamento per mantenere questa struttura. Durante l’invecchiamento, la fase β si decompone parzialmente in una miscela α+β, che consente di modellare la resistenza e la plasticità.
Leghe di metalli preziosi
I metalli preziosi sono, ad esempio, argento e platino e le loro leghe. Si distinguono per la loro elevata resistenza alla corrosione in condizioni atmosferiche, in acqua e in numerosi ambienti chimici. Allo stesso tempo, questi metalli hanno una resistenza relativamente bassa con ottime proprietà plastiche, motivo per cui nelle applicazioni esposte ad abrasione e deformazione (ad esempio gioielli, elementi dentali) sono più spesso utilizzati sotto forma di leghe piuttosto che come metalli tecnicamente puri.
I dati meccanici dei metalli puri mostrano questa specificità: l’oro ha un Rm di circa 130 MPa, un limite di snervamento di circa 50 MPa e una durezza di circa 20 HB con una riduzione di circa il 95% e un allungamento di circa il 55%. L’argento ha un Rm di circa 160 MPa e una durezza di circa 25 HB, con una plasticità molto elevata (Z circa 95%, A10 circa 60%). Il platino raggiunge un Rm di circa 150 MPa e una durezza di circa 50 HB, anch’esso con un’elevata plasticità (Z circa 90%, A10 circa 50%).
L’oro è resistente alla maggior parte degli acidi e delle basi, motivo per cui viene utilizzato, tra l’altro, per la doratura chimica e galvanica, nelle attrezzature di laboratorio e nelle leghe utilizzate nell’elettronica. L’argento è particolarmente resistente alle basi forti, ma è scarsamente solubile negli acidi organici; grazie alla sua ottima conduttività elettrica, viene utilizzato nei cavi e nei componenti elettrici, nonché per la placcatura in argento. Il platino è altamente resistente agli agenti chimici, anche se si dissolve nell’acqua regia calda; nell’industria chimica è utilizzato sia per la sua resistenza alla corrosione e le sue proprietà catalitiche, sia per la fabbricazione di attrezzature di laboratorio (reti, crogioli, evaporatori).
L’oro e l’argento sono utilizzati principalmente in gioielleria e odontoiatria come leghe perché, allo stato puro, sono troppo morbidi. Il rame e l’argento sono additivi fondamentali nelle leghe d’oro. La fusione dell’oro con l’argento non aumenta in modo significativo la sua durezza, mentre l’aggiunta di rame aumenta la durezza in modo più evidente, anche se a costo di una certa diminuzione della resistenza alla corrosione. Per questo motivo, vengono spesso utilizzate leghe triple Au-Ag-Cu, che bilanciano colore, durezza e resistenza chimica. In Polonia, la finezza dell’oro stabilita per legge corrisponde a un contenuto di Au del 96%, 75% e 58,3%; storicamente, ciò corrispondeva rispettivamente a 23, 18 e 14 carati (l’oro puro è a 24 carati). Le leghe di terza finezza hanno la massima durezza e resistenza all’abrasione, ma hanno anche un colore distintamente rossastro a causa dell’alto contenuto di rame.
I componenti principali delle leghe d’argento sono il rame e lo zinco, e le finezze dell’argento stabilite dalla legge sono 94%, 87,5% e 80% Ag. La finezza più elevata non viene solitamente utilizzata a causa della sua insufficiente durezza, mentre la seconda e la terza finezza sono utilizzate in prodotti artistici, articoli per la tavola e accessori. Da un punto di vista tecnico, è anche importante utilizzare le leghe d’argento come saldature dure, dove combinano buone proprietà meccaniche e resistenza alla corrosione con la bagnabilità. Il platino e le sue leghe sono utilizzati principalmente nell’industria: le leghe Pt-Ir con una durezza di circa 265 HB al 40% di iridio (utilizzate nell’ingegneria elettrica, nell’elettrochimica, in medicina e in gioielleria) sono di grande importanza, mentre le leghe di platino con rodio sono utilizzate come catalizzatori e sotto forma di fili per la produzione di termocoppie.
Altre leghe di metalli non ferrosi – sintesi
I gruppi di leghe discussi dimostrano che in ingegneria spesso non si tratta della resistenza “massima” di un materiale, ma di un insieme di proprietà selezionate con precisione. Le leghe per cuscinetti sono progettate per garantire proprietà di attrito, lubrificazione e rodaggio, motivo per cui la struttura delle inclusioni dure in una matrice morbida è fondamentale. Le leghe per saldatura sono selezionate per controllare la bagnabilità e la solidificazione del giunto: le saldature morbide garantiscono la tenuta, mentre quelle dure consentono la realizzazione di giunti ad alta resistenza.
Le leghe a basso punto di fusione utilizzano il loro basso punto di fusione come caratteristica funzionale nei componenti di sicurezza e nella tecnologia di precisione. Lo zinco e le sue leghe combinano il ruolo di materiale strutturale con la funzione estremamente importante di proteggere l’acciaio dalla corrosione e la possibilità di una produzione economica di pressofusioni. Il titanio e le sue leghe offrono un’elevata resistenza alla corrosione e un’eccellente resistenza al peso, soprattutto nelle varietà α+β trattate termicamente. D’altra parte, i metalli preziosi e le loro leghe sono insostituibili laddove sono determinanti la resistenza chimica, la conduttività o la durezza controllata, pur mantenendo un’elevata plasticità.
Di seguito è riportata una panoramica trasversale dei metalli non ferrosi e delle loro leghe, proprietà e applicazioni (materiale in inglese).
