Cos'è l'alluminio fuso? Proprietà, gradi e usi industriali

Prodotti di precisione in alluminio pressofuso

Tra le numerose forme di alluminio utilizzate in ambito industriale, l'alluminio fuso è una delle più diffuse nella produzione moderna. L'alluminio fuso presenta un equilibrio unico di proprietà meccaniche, diverso da quello dell'alluminio lavorato, forgiato o ricavato da billette. Gli ingegneri scelgono l'alluminio fuso soprattutto per la realizzazione di forme complesse che richiedono resistenza moderata e peso ridotto. Si tratta di una tecnica molto conveniente se confrontata con altre operazioni di formatura più costose.

Per utilizzarlo al meglio, è necessario comprendere come viene prodotto e come si confronta con altri metalli ingegneristici concorrenti, come la ghisa e l'alluminio battuto. 

Cos'è l'alluminio fuso?

L'alluminio fuso è un prodotto ottenuto fondendo le leghe di alluminio, versandole in uno stampo e solidificandole per formare un componente rigido. La fusione produce il pezzo direttamente dal metallo liquido. Per questo motivo si differenzia dagli altri metodi che modellano il metallo mediante laminazione, forgiatura o estrusione.

Componente automobilistico in alluminio pressofuso

Aspetto dell'alluminio fuso

In generale, le leghe di alluminio fuse contengono anche silicio, magnesio o rame per migliorarne le proprietà meccaniche, come ad esempio aumentare la fluidità, ridurre il ritiro, controllare la resistenza, ecc.

Le seguenti informazioni sull'alluminio pressofuso vi forniranno una solida base per comprenderne il posizionamento nel settore, soprattutto se confrontato con quello dei suoi concorrenti.

• Si produce versando alluminio fuso in stampi
• Può formare geometrie interne ed esterne complesse
• Ha una temperatura di fusione inferiore rispetto ai metalli ferrosi
• Ha una densità inferiore rispetto all'acciaio e alla ghisa.

Come molti altri metalli impiegati nell'ingegneria, anche questo è costituito da una famiglia di leghe disponibili in diverse qualità, il che offre un'ampia gamma di proprietà.

Come viene realizzato l'alluminio pressofuso?

Osservando il processo di produzione dell'alluminio fuso, si possono notare le seguenti fasi principali.

• I lingotti di lega di alluminio vengono fusi in un forno
• Vengono aggiunti elementi di lega (secondo necessità) per raggiungere la composizione desiderata.
• Il metallo fuso viene versato o iniettato in uno stampo
• Il metallo si solidifica e si raffredda
• Il calco viene rimosso e pulito
• Possono seguire il trattamento termico e la lavorazione meccanica

La struttura granulare e le proprietà meccaniche dell'alluminio fuso sono determinate principalmente dalla velocità di raffreddamento e dal tipo di stampo. Se si desiderano grani più fini e una maggiore resistenza, è possibile ottenerli utilizzando velocità di raffreddamento più elevate.

Alluminio pressofuso contro alluminio tradizionale (lavorato a caldo).

L'alluminio lavorato è un tipo di alluminio che viene modellato mediante laminazione, estrusione, forgiatura o altri processi di deformazione. D'altra parte, viene modellato mediante solidificazione del metallo in uno stampo, come discusso in precedenza. Le principali differenze tra alluminio fuso e alluminio lavorato sono:

Tabella 1: Confronto delle proprietà dell'alluminio fuso rispetto all'alluminio lavorato

Come si evince dalla tabella sopra riportata, la fusione è la scelta ideale quando la geometria del pezzo è complessa e si richiede una forma quasi definitiva. L'alluminio forgiato, invece, è necessario quando si necessitano maggiore duttilità, resistenza alla fatica o sezioni sottili. Per saperne di più:Alluminio contro alluminio fuso

Spiegazione dei processi di fusione dell'alluminio

Ci sono diversi processi di lavorazione dell'alluminioDifferiscono principalmente per costo, precisione, finitura superficiale e proprietà meccaniche.

Alluminio colato in sabbia

Componenti di fusione in sabbia

Nella fusione in sabbia, si compatta la sabbia attorno a un modello per formare uno stampo. Successivamente, si rimuove il modello e si versa l'alluminio fuso nella cavità di sabbia. Il materiale si solidifica gradualmente assumendo la forma del modello. È importante sottolineare che lo stampo di sabbia si rompe dopo la solidificazione. Pertanto, la fusione in sabbia dell'alluminio è un metodo monouso.

• Le principali caratteristiche e i vantaggi della fusione in sabbia sono:
• Basso costo degli utensili
• Adatto per componenti di grandi dimensioni
• Finitura superficiale più ruvida
• Tolleranze dimensionali più ampie

L'alluminio fuso in sabbia è ampiamente utilizzato per la produzione di blocchi motore, alloggiamenti per pompe e numerosi involucri industriali.

Die Casting alluminio

Schema del processo di pressofusione

Pressofusione di alluminio Un'altra tecnica diffusa per la formatura dell'alluminio è quella di forzare l'alluminio fuso in uno stampo di acciaio temprato, chiamato anche "matrice". La pressione di forzatura è molto elevata rispetto ad altri metodi. Successivamente, il materiale viene lasciato solidificare e infine espulso.

Lo stampo di fusione può essere riutilizzato per molti cicli. Pertanto, la pressofusione si adatta meglio alla produzione di massa rispetto alla fusione in sabbia. I principali vantaggi offerti dalla pressofusione sono:

• Finiture superficiali lisce e di alta qualità 
• Capacità di rispettare tolleranze ristrette 
• Adatto per pareti sottili e alti tassi di produzione

Uno dei principali svantaggi della pressofusione è l'elevato costo iniziale degli stampi, dovuto al materiale d'acciaio. Pertanto, questo metodo può risultare costoso nelle produzioni su piccola scala. I prodotti più comuni realizzati con la pressofusione di alluminio sono carter per trasmissioni, contenitori per componenti elettronici, telai per elettrodomestici, ecc.

Colata in stampo permanente

Nella fusione in stampo permanente, si versa l'alluminio in uno stampo metallico riutilizzabile, solitamente in acciaio o ferro. La differenza rispetto alla pressofusione sta nel fatto che questo processo avviene per gravità o a pressioni molto basse.

La fusione in stampo permanente è nota per produrre getti con una finitura superficiale più pulita e liscia rispetto alla fusione in sabbia. È quindi la tecnica ideale per produzioni di media entità. Rispetto alla fusione in sabbia, i principali svantaggi sono i costi di attrezzaggio più elevati e le limitazioni geometriche.

Casting di investimento

Qui si realizza una copia in cera del pezzo e la si riveste con ceramica per formare un guscio rigido. Successivamente, la cera viene fusa. Infine, l'alluminio viene versato nel guscio di ceramica. Come nella fusione in sabbia, anche qui la ceramica viene rotta dopo che il metallo si è solidificato. Si tratta quindi di un processo monouso, ma noto per essere un metodo molto preciso per la produzione di pezzi di precisione. La microfusione è solitamente più lenta e costosa (il costo per singolo pezzo è molto elevato) rispetto sia alla fusione in sabbia che alla fusione in stampo permanente.

Leghe e gradi di alluminio fuso

Pila di billette di alluminio industriali

Sul mercato sono disponibili diverse leghe di alluminio fuso. Queste vengono raggruppate in serie numerate (come 3xx.x, 4xx.x) principalmente in base all'elemento di lega dominante. La "x" indica che si tratta di una lega da fusione (non da lavorazione). La classificazione si basa sull'elemento di lega principale perché quest'ultimo influenza in modo determinante la colabilità, la resistenza, la resistenza alla corrosione e la risposta al trattamento termico dell'alluminio fuso.

Serie di leghe di alluminio comuni fuse

Tabella 2: Serie comuni di leghe di alluminio fuso e relative proprietà

La serie 3xx.x è la tipologia più diffusa e utilizzata per applicazioni generiche. È una delle migliori leghe di alluminio per la lavorazione meccanica. Questa serie bilancia le proprietà meccaniche per ottenere: 

• Facile lancio (buona fluidità)
• Buona resistenza dopo il trattamento termico (specialmente 356/357)
• Buona resistenza alla corrosione (in condizioni ambientali normali) 

Pertanto, è adatto a qualsiasi applicazione, dalle fusioni per il settore automobilistico a quelle industriali generiche, ad eccezione di applicazioni ad alte prestazioni.

Elementi di lega e loro effetti

È possibile modificare o ottenere proprietà aggiuntive dell'alluminio fuso mediante l'aggiunta di elementi di lega. Si possono aggiungere uno o più elementi, nonché variarne la percentuale, per ottenere le proprietà desiderate. Di seguito sono riportati i principali effetti dell'aggiunta degli elementi di lega più comuni.

• SilicioMigliora la fluidità (colabilità) e il riempimento dello stampo. Riduce inoltre i difetti di ritiro.
• MagnesioMigliora la trattabilità termica e la risposta all'indurimento per precipitazione. Aumenta anche la resistenza.
• RameAumenta la resistenza e la durezza, ma riduce la resistenza alla corrosione. Il rame crea micro-coppie galvaniche con l'alluminio, aumentandone la corrosività.
• ZincoMigliora la resistenza e la risposta all'invecchiamento, ma aumenta la tendenza alla fessurazione a caldo.

Leghe fuse trattabili termicamente vs. leghe fuse non trattabili termicamente

Le leghe trattabili termicamente possono essere sottoposte a un trattamento termico di solubilizzazione (dissoluzione delle fasi solubili nella matrice di alluminio) e successivamente a un processo di invecchiamento (per formare precipitati di rinforzo fini). Questo processo conferirà una resistenza allo snervamento e una durezza significativamente superiori.

Tuttavia, non è possibile aumentare la resistenza delle leghe non trattabili termicamente allo stesso modo, poiché durante il trattamento termico di solubilizzazione non si formano precipitati di rinforzo utili. Vengono utilizzate principalmente allo stato grezzo di fusione o, talvolta, solo dopo un trattamento di distensione.

• Leghe di alluminio trattabili termicamente: 356, 357, 206
• Leghe di alluminio non trattabili termicamente: 413, 443, 514, 535

Proprietà meccaniche e fisiche dell'alluminio fuso

Forza, peso e durata

• Densità dell'alluminio: 2.7 g/cm³
• Densità della ghisa: 7.0 – 7.4 g/cm³

Il peso delle comuni leghe di alluminio è generalmente circa un terzo di quello di componenti equivalenti in ghisa. Questa leggerezza è un fattore determinante per numerose applicazioni, tra cui usi speciali nei settori automobilistico e aerospaziale.

Resistenza alla corrosione e all'usura

L'alluminio fuso possiede uno strato di ossido naturale che protegge il metallo interno dalla corrosione. Pertanto, molte leghe di alluminio fuso offrono buone prestazioni in ambienti esterni e leggermente corrosivi. Tuttavia, se è necessario utilizzare questi componenti in ambienti marini o chimici, sono necessarie strategie di protezione dalla corrosione specifiche.

La resistenza all'usura dell'alluminio fuso è considerata moderata. Il livello intrinseco è sufficiente in molti casi, ma quando si verificano contatti di scorrimento o abrasivi, si ricorre all'anodizzazione dura o a rivestimenti superficiali.

Conducibilità termica ed elettrica

Possiede un'elevata conduttività termica, sufficiente a dissipare rapidamente il calore dai componenti. Per questo motivo è ampiamente utilizzato per dissipatori di calore, componenti di motori e involucri di dispositivi elettronici. 

La conduttività elettrica dell'alluminio fuso è inferiore a quella del rame, ma è generalmente sufficiente per molti componenti elettrici.

Ghisa contro alluminio fuso

Lingotti di alluminio grezzo per fusione

Alluminio fuso contro ghisa Sono due dei materiali di fusione più comuni nell'industria manifatturiera e un frequente termine di paragone tra gli ingegneri. Tuttavia, servono a scopi molto diversi e presentano anche molte proprietà differenti.

Tabella 3: Confronto delle principali proprietà tra alluminio e ghisa

Nell'industria, le leghe di alluminio più comuni vengono scelte principalmente per componenti leggeri che dissipano rapidamente il calore. La ghisa viene invece selezionata quando lo smorzamento delle vibrazioni e la resistenza all'usura sono fattori più critici.

Alluminio fuso contro alluminio pressofuso

Versare alluminio fuso

La differenza tra alluminio fuso e alluminio pressofuso riguarda i processi di produzione, non i tipi di materiale. L'alluminio pressofuso è alluminio prodotto mediante il metodo della pressofusione. Le principali differenze sono:

• pressofusioneI pezzi risultano avere un'eccellente finitura superficiale. Con questo metodo è possibile produrre componenti a parete sottile con un controllo dimensionale preciso.
• Colata in gravità La fusione in stampo (di sabbia o permanente) generalmente produce pezzi più resistenti e duttili (grazie alla solidificazione più lenta e alla minore porosità). Tuttavia, la loro finitura superficiale di solito non soddisfa gli standard della pressofusione.

È possibile scegliere il processo più adatto in base alle proprie priorità: precisione, aspetto (pressofusione) o prestazioni meccaniche (fusione per gravità).

Alluminio forgiato, fuso o ricavato dal pieno

Potreste aver sentito parlare di alluminio fuso, forgiato e ricavato da billette. Anche questa è una classificazione comune e spesso fonte di confusione per l'alluminio. Non si tratta di "gradi" diversi, ma di differenze nel processo di produzione del metallo di partenza prima della lavorazione. Alluminio forgiato, fuso o ricavato dal pieno presentano molte differenze in termini di proprietà e usi tipici, motivo per cui la scelta di quello giusto è di fondamentale importanza.

Tabella 4: Alluminio forgiato, fuso o ricavato da billetta

Vantaggi dell'utilizzo dell'alluminio pressofuso

Staffe in alluminio pressofuso con finitura

• LeggeroL'alluminio ha una densità inferiore rispetto a molti metalli impiegati nell'ingegneria ed è comunque resistente, sebbene la sua resistenza sia inferiore a quella dell'alluminio forgiato. Pertanto, è possibile ottenere componenti più leggeri senza compromettere le prestazioni strutturali di base.
• Buona resistenza alla corrosioneLo strato di ossido naturale dell'alluminio protegge la superficie dalla corrosione. L'alluminio può essere utilizzato in tutta sicurezza in molti ambienti esterni e industriali comuni senza bisogno di rivestimenti spessi.
• Capacità di formare geometrie complesseÈ possibile realizzare geometrie come nervature, sporgenze e cavità direttamente tramite fusione. Se si tentasse di realizzarle con la lavorazione meccanica del solido, il processo risulterebbe molto lento o estremamente costoso.
• Minori costi di attrezzaggioRispetto agli stampi e alle presse per la forgiatura, gli utensili per la fusione sono generalmente più semplici ed economici, soprattutto per la fusione in sabbia e per produzioni di modesta entità.
• Buona conducibilità termicaL'alluminio fuso è in grado di dissipare rapidamente il calore. Viene ampiamente utilizzato per dissipatori di calore, componenti di motori e alloggiamenti che devono disperdere il calore velocemente.
• riciclabilitàL'alluminio può essere fuso nuovamente e riutilizzato. Pertanto, gli scarti e i componenti a fine vita possono essere reimmessi nel processo produttivo. Grazie a questa opportunità, è possibile recuperare quasi tutto il metallo.

Prodotti e applicazioni comuni in alluminio pressofuso

• Blocchi motore per autoveicoli: Utilizzato principalmente per creare componenti leggeri in grado di resistere al calore e alla pressione interna. Un'altra applicazione comune è rappresentata dai canali di raffreddamento/condotti dell'olio interni.
• Carter del cambio e della trasmissioneÈ possibile ottenere un guscio esterno rigido senza un eccessivo aumento di massa. La pressofusione è il metodo principale utilizzato per la realizzazione di questi involucri, poiché superfici pulite e accoppiamenti precisi sono fondamentali.
• Corpi delle pompeÈ possibile includere percorsi di flusso curvi, elementi di montaggio e porte contemporaneamente in un unico pezzo. In questo modo, non sarà necessario assemblare più parti.
• Dissipatori di caloreL'alluminio disperde bene il calore e può essere formato con precisione in un'unica fusione.
• Alloggiamenti per illuminazioneL'alluminio viene utilizzato per gli alloggiamenti delle lampade poiché protegge i componenti elettronici, resiste alla corrosione esterna e contribuisce a dissipare efficacemente il calore dai LED.
• Staffe strutturaliÈ possibile utilizzarli per ottenere la rigidità necessaria senza ricorrere all'acciaio pesante.
• StoviglieI contenitori in alluminio si riscaldano in modo uniforme e sono facili da spostare e maneggiare grazie al loro peso ridotto. Per questo motivo sono ampiamente utilizzati come utensili da cucina, solitamente con un rivestimento per aumentarne la durata.

Finiture opzionali e post-trattamenti per alluminio pressofuso

Percorso utensile per fresatura CNC

Lavorazione meccanica e trattamento termico

I pezzi ottenuti dalla fusione dell'alluminio sono solitamente molto vicini alla forma finale. Tuttavia, a volte è necessaria la lavorazione meccanica dell'alluminio per raggiungere le proprietà funzionali e gli accoppiamenti desiderati. Le operazioni di post-lavorazione più comuni sono:

• Fresatura CNC per superfici piane, tasche e scanalature
• Tornitura CNC per elementi rotondi e fori
• Foratura e filettatura per elementi di fissaggio e fori filettati

Il trattamento termico viene applicato alle leghe termoresistenti per aumentarne la resistenza, la durezza e la stabilità dimensionale.

Trattamenti superficiali

Puoi decidere se hai bisogno di una finitura superficiale aggiuntiva in base all'ambiente, all'aspetto e alla durata richiesti per il tuo componente. Puoi scegliere una delle seguenti opzioni:

• Anodizzazione: forma uno strato di ossido duro e resistente alla corrosione.
• Verniciatura a polvere: rivestimento colorato durevole con buona resistenza all'usura.
• Pittura – protezione cosmetica e branding
• Rivestimento di conversione: migliora la resistenza alla corrosione e l'adesione della vernice.

Con i trattamenti superficiali sopra descritti è possibile prolungare la durata e migliorare l'aspetto dei componenti.

Fattori da considerare nella scelta di una lega di alluminio fuso

Un lotto di componenti fusi

È fondamentale scegliere la lega in modo strategico, poiché una scelta errata può aumentare i costi fin dall'inizio della produzione e causare errori e danni imprevisti. Pertanto, è necessario scegliere una lega che offra prestazioni affidabili ed economiche per la propria applicazione. I principali fattori da considerare durante il processo di selezione del materiale sono:

• Resistenza meccanica richiesta
• Temperatura e ambiente di esercizio
• lavorabilità
• Metodo di fusione
• Volume di produzione
• Costo

L'opzione migliore è quella di mettersi in contatto e decidere con il supporto di un servizio di lavorazione CNC dell'alluminio esperto per ottenere qualità costante e consulenza professionale.

Servizio di lavorazione CNC in alluminio

Boda offre servizi di lavorazione dell'alluminio personalizzati per metalli ad alte prestazioni come leghe di alluminio temprate e leghe di alluminio personalizzate. Siamo un'azienda certificata ISO che offre prototipazione, produzione su scala industriale e assistenza per il passaggio dal prototipo alla produzione a basso e alto volume. Forniamo inoltre servizi affidabili. servizio di pressofusione di alluminio per arricchire le nostre soluzioni produttive.

Possiamo anche fondere l'alluminio e lavorarlo secondo le specifiche esatte, con tolleranze ristrette per le parti mobili. 

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Conclusione

L'alluminio è un materiale ingegneristico molto pratico per la produzione di componenti leggeri, complessi ed economici. È una lega ideale per numerose applicazioni strutturali, termiche e meccaniche grazie alle sue proprietà bilanciate e alla possibilità di lavorazione di precisione. Una corretta comprensione dei sistemi di leghe, dei processi di fusione e dei limiti vi aiuterà a scegliere la lega più adatta alle vostre applicazioni.

FAQ

Come vengono realizzati i componenti in alluminio pressofuso?

I componenti in alluminio fuso vengono realizzati versando lega di alluminio fuso in stampi per formare forme complesse e quasi complete che richiedono poca o nessuna lavorazione successiva.