Alluminio fuso, forgiato e in lamiera: quali sono le differenze?

Le leghe di alluminio combinano un’elevata resistenza specifica, un’eccellente resistenza alla corrosione e una buona lavorabilità. Sono il secondo materiale più utilizzato nell’industria automobilistica dopo l’acciaio. Con l’aumentare dei requisiti di alleggerimento dei veicoli, l’uso dell’alluminio continua a crescere. Nei componenti automobilistici si ricorre sempre più spesso a leghe di alluminio fuse, forgiate e in lamiera.

Le leghe di alluminio pressofuso sono comunemente utilizzate per la realizzazione di supporti e alloggiamenti, tra cui alloggiamenti del cambio, blocchi motore e testate dei cilindri, nonché staffe dei fusi a snodo. I processi di produzione comprendono la pressofusione sotto vuoto, la pressofusione con lavaggio ad ossigeno e la pressofusione a compressione.

Leghe di alluminio pressofuso

Nella pressofusione ad alto vuoto, la cavità metallica viene evacuata prima del riempimento, impedendo teoricamente che il gas si mescoli con il metallo fuso. I pezzi fusi così ottenuti presentano un basso contenuto di gas, un’elevata densità e proprietà meccaniche notevolmente migliorate. Per consentire il successivo trattamento termico e la saldatura, la pressione effettiva del vuoto nella cavità dello stampo deve essere inferiore a 5 kPa. La figura seguente mette a confronto i pezzi fusi con pressofusione ad alto vuoto e quelli con pressofusione a vuoto convenzionale.

Anche la pressofusione con iniezione di ossigeno riduce la porosità. La cavità viene prima riempita di ossigeno. Quando l’alluminio fuso entra, reagisce con l’ossigeno formando particelle di allumina distribuite uniformemente. Queste particelle hanno dimensioni inferiori a 1 μm e rappresentano solo dallo 0,1% allo 0,2% del peso totale, quindi non hanno praticamente alcun effetto sulle lavorazioni successive. Il diagramma seguente illustra il principio.

Nella fusione a pressione, il metallo fuso viene versato direttamente in uno stampo aperto. Lo stampo viene quindi chiuso e viene applicata una pressione statica, che determina la formatura reologica, la solidificazione ad alta pressione e una lieve deformazione plastica, consentendo di ottenere un componente metallico di alta qualità. Il processo si suddivide principalmente in fusione a pressione diretta e indiretta. Nella colata a pressione diretta, la pressione agisce direttamente sul metallo fuso, producendo un marcato effetto di solidificazione ad alta pressione; è generalmente adatta a fusioni di forma semplice. Nella colata a pressione indiretta, la pressione del punzone viene trasmessa al pezzo fuso attraverso il manicotto di iniezione e il biscotto. La pressione applicata è limitata e il processo è relativamente lento, rendendolo adatto alla produzione in serie di parti complesse. La figura seguente mette a confronto i due processi.

Leghe di alluminio forgiate

Le leghe di alluminio forgiate vengono generalmente utilizzate per componenti che richiedono buone prestazioni meccaniche, tra cui elementi critici del telaio quali i bracci di controllo delle sospensioni e i fusi a snodo. Gli attuali metodi di forgiatura comprendono la forgiatura a stampo con materiale liquido, la forgiatura a stampo con materiale semisolido, la forgiatura isotermica e la forgiatura a polvere.

La forgiatura a stampo con liquido viene spesso utilizzata per produrre ruote monoblocco. I prodotti finiti presentano buone proprietà meccaniche e una buona qualità superficiale, ma le attrezzature costose e la complessità del processo mantengono elevati i costi di produzione.

La forgiatura a stampo di materiale semisolido è simile alla forgiatura a stampo di materiale liquido. Una billetta viene riscaldata fino a raggiungere uno stato semisolido, iniettata rapidamente nello stampo e sottoposta a pressione statica, in modo che il flusso del materiale liquido e la deformazione plastica diano forma al pezzo. Rispetto alla forgiatura a stampo in stato liquido, questo processo utilizza una temperatura di formatura inferiore e produce un minor ritiro volumetrico. Il rischio di cavità da ritiro e di collasso è minore, la durata dello stampo è maggiore, l’inclusione di gas è ridotta e la qualità del pezzo finito risulta notevolmente migliorata.

Nella forgiatura isotermica, una billetta riscaldata viene inserita in uno stampo a temperatura controllata e forgiata lentamente a temperatura costante. La temperatura costante e la bassa velocità di forgiatura consentono una ricristallizzazione dinamica più completa, una microstruttura più uniforme e una maggiore duttilità. Un processo avanzato recentemente studiato per la lega di alluminio 6082 combina la forgiatura semisolida e quella isotermica: la billetta viene preforgiata alla temperatura del trattamento di solubilizzazione, sottoposta a preinvecchiamento e infine forgiata isotermicamente a 200 °C. Il processo ha prodotto pezzi accettabili con maggiore durezza e resistenza, grazie al miglioramento dell’indurimento da precipitazione e da dislocazione.

Lamiera di alluminio

Dopo il 2012, le normative più severe in materia di protezione dei pedoni in Europa e in Nord America hanno favorito un ampio ricorso alla lamiera di alluminio per i pannelli esterni delle automobili. Nel 2020, l’alluminio rappresentava 75% delle applicazioni per cofani in Nord America, mentre la sua quota nelle portiere, nei bagagliai e nei tetti superava i 25%. Alcuni modelli Audi, Jaguar, Ford e Tesla utilizzano strutture della carrozzeria prevalentemente in alluminio. Oltre agli processi convenzionali di stampaggio e imbutitura, la formatura a caldo delle lamiere di alluminio ha registrato notevoli progressi ed è oggi un’importante tecnologia di formatura ad alte prestazioni.

La formatura a caldo è stata sviluppata per ovviare alla scarsa duttilità e alla difficoltà di deformazione delle leghe di alluminio ad alta resistenza. Lo stampaggio a caldo è il metodo principale. Uno studio recente ha combinato una rete neurale a retropropagazione con un algoritmo genetico multi-obiettivo per ottimizzare variabili chiave quali la temperatura del grezzo, la velocità di stampaggio e il gioco dello stampo. I componenti ottenuti presentavano resistenze alla trazione comprese tra 300 e 320 MPa, in linea con la resistenza massima della lega di alluminio 6061-T6. I parametri ottimizzati hanno permesso di ottenere pezzi con prestazioni soddisfacenti, buone proprietà meccaniche e un’elevata precisione di formatura.

La formatura a freddo delle lamiere di alluminio viene utilizzata principalmente per i pannelli della carrozzeria automobilistica. La geometria complessa, lo spessore relativo ridotto e gli elevati requisiti di qualità superficiale rendono alcuni pannelli soggetti a formazione di grinze, fessurazioni e ritorno elastico. Durante lo stampaggio a freddo, i ricercatori hanno studiato in che modo i parametri di processo influenzano l’assottigliamento e il ritorno elastico, quindi hanno compensato la superficie dello stampo e regolato i parametri. Queste misure hanno efficacemente ridotto il ritorno elastico, la formazione di grinze e le fessurazioni.