Trattamento termico dell'alluminio pressofuso: i risultati di una ricerca universitaria sull'ottimizzazione dei getti HPDC in lega AlSi10Mg riciclata

Introduzione: sostenibilità e leghe di alluminio riciclato nell'automotive

La riduzione del potenziale di riscaldamento globale dei veicoli è diventata una priorità crescente per lo sviluppo dell'industria automobilistica. I produttori puntano a diminuire le emissioni di gas serra attraverso la transizione verso i veicoli elettrici a batteria, la riduzione della massa dei veicoli e l'adozione di materiali sostenibili.

In questo contesto, la domanda di leghe di alluminio è aumentata significativamente grazie alla loro leggerezza, che consente di ridurre la massa dei veicoli, diminuire le emissioni di CO₂, aumentare l'autonomia e abbassare i costi di carburante. L'uso di leghe leggere riciclate è essenziale per migliorare la sostenibilità complessiva, riducendo la necessità di nuove materie prime — un processo ad alta intensità energetica e inquinante.

Le leghe di alluminio riciclato offrono oggi elevate proprietà meccaniche, paragonabili a quelle delle leghe primarie, pur richiedendo solo il 5% dell'energia necessaria per produrre alluminio dal minerale. Tuttavia, il loro utilizzo presenta alcune sfide: impurità come il ferro possono compromettere le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione, aspetto particolarmente critico per componenti di sicurezza. Il ferro può formare composti intermetallici aghiformi o lamellari, influenzando negativamente la resistenza e la durata dei componenti. Per migliorare la qualità della colata, il manganese viene spesso aggiunto per modificare la morfologia di questi composti, sebbene ciò introduca il rischio di formazione di "sludge".

Una lega ampiamente utilizzata per produrre componenti leggeri e ad alta resistenza per l'industria automobilistica è la lega AlSi10MnMg, largamente impiegata nei processi di pressofusione HPDC grazie alla sua eccellente colabilità, alle elevate proprietà meccaniche e alla notevole resistenza alla corrosione.

Il ruolo del trattamento termico dell'alluminio pressofuso

Il trattamento termico dell'alluminio pressofuso riveste un ruolo critico nella produzione di componenti in alluminio, richiedendo una quantità significativa di energia e incidendo sugli impatti ambientali dei getti. I getti prodotti con leghe Al-Si-Mg sono tradizionalmente sottoposti a trattamenti termici come T5, T6, T7 e ricottura.

Il trattamento T6, composto da tre fasi di lunga durata, richiede un notevole consumo energetico — alte temperature e tempi prolungati nelle fasi di solubilizzazione e invecchiamento — e costi logistici significativi. Per ragioni di sostenibilità ambientale ed economica, le aziende del settore automobilistico stanno cercando di sostituire il T6 con trattamenti alternativi come il T5 (invecchiamento artificiale) e la distensione ad alta temperatura, con l'obiettivo di trovare il miglior compromesso tra resistenza meccanica e allungamento a rottura.

Per aumentare la resistenza alla corrosione ambientale, i componenti automobilistici vengono solitamente sottoposti a verniciatura, anodizzazione e rivestimenti, in particolare l'e-coating, una tecnologia di post-processo altamente efficiente ed ecologica ampiamente utilizzata nell'industria automobilistica per il rivestimento di telai e componenti.

Obiettivo della ricerca e metodologia

Una recente ricerca condotta presso l'Università di Brescia si concentra sulla comprensione e l'ottimizzazione dei trattamenti termici per migliorare le proprietà meccaniche, elettriche e termiche delle leghe di alluminio ad alto contenuto di materiale riciclato. L'analisi è condotta su un componente strutturale automobilistico realizzato con lega riciclata AlSi10MnMg prodotta mediante pressofusione HPDC.

La caratterizzazione del materiale ha incluso un'ampia gamma di analisi: microscopia ottica ed elettronica, prove di durezza Brinell, prove di trazione a temperatura ambiente e ad alta temperatura (130°C), prove di flessione, test di rivettatura SPR, prove di conducibilità elettrica e termica.

Risultati delle prove di durezza Brinell

Le temperature di invecchiamento più basse testate (150°C, 170°C e 190°C) hanno mostrato un aumento graduale della durezza con l'aumentare del tempo di trattamento fino a 180 minuti. Questo comportamento è attribuito alla progressiva precipitazione di fasi dure nel materiale, quando gli elementi in soluzione diffondono e formano particelle di fase secondaria (Mg3Si) all'interno della matrice metallica, aumentando la durezza. Il plateau osservato a queste temperature è causato dal fenomeno di sovrainvecchiamento, che si verifica quando i precipitati crescono eccessivamente e iniziano a coalescere.

A temperature di invecchiamento più elevate (210°C e 230°C), il fenomeno di sovrainvecchiamento si manifesta più rapidamente, già dopo 2 ore, suggerendo che l'aumento della temperatura accelera il processo ma provoca anche una diminuzione della durezza massima ottenibile.

A temperature di ricottura elevate, la durezza tende a diminuire con l'aumentare del tempo di trattamento, fenomeno legato alla ricristallizzazione del materiale e alla crescita dei grani. Sebbene i trattamenti di ricottura mostrino una riduzione della durezza, possono migliorare altre proprietà come la duttilità e la riduzione delle tensioni interne.

Sulla base di questi risultati, le condizioni selezionate per un'indagine più approfondita sono state:

• Condizione allo stato di produzione (as-produced), studiata come riferimento;
• Simulazione di e-coating a 163°C per 20 minuti;
• Invecchiamento a 170°C per 180 minuti, combinazione ottimale per raggiungere la durezza massima;
• Invecchiamento a 210°C per 180 minuti;
• Ricottura a 380°C per 180 minuti, per ottenere la durezza minima e favorire il massimo allungamento.
   

Microstruttura dopo i trattamenti termici

L'analisi microscopica ha evidenziato comportamenti molto differenti in funzione del trattamento applicato.

Per le condizioni di e-coating (163°C per 20 minuti), invecchiamento a 170°C e invecchiamento a 210°C, la microstruttura non mostra alterazioni significative rispetto alla condizione as-produced: le dendriti di alluminio, le particelle intermetalliche e il silicio eutettico mantengono morfologia e distribuzione sostanzialmente invariate. Eventuali miglioramenti delle proprietà meccaniche in queste condizioni sono attribuibili alla precipitazione di particelle di Mg3Si, non rilevabili a questi livelli di ingrandimento.

Il trattamento di ricottura a 380°C per 3 ore produce invece un cambiamento microstrutturale radicale: le dendriti di alluminio diventano più fini e si osserva chiaramente la sferoidizzazione delle particelle di silicio eutettico, che assumono una forma più sferica e regolare rispetto alla condizione iniziale. Questo fenomeno è direttamente responsabile del significativo miglioramento della duttilità osservato nelle prove meccaniche successive.

Prove di trazione a temperatura ambiente e ad alta temperatura

Le prove di trazione a temperatura ambiente hanno evidenziato andamenti coerenti con i risultati delle prove di durezza. L'invecchiamento a 170°C per 180 minuti ha prodotto i valori più elevati di resistenza, con un incremento significativo del limite di snervamento rispetto alla condizione as-produced, a fronte però di una riduzione dell'allungamento. L'invecchiamento a 210°C ha mostrato resistenze leggermente inferiori rispetto a 170°C ma comunque superiori alla condizione as-produced. La ricottura a 380°C ha invece prodotto i valori più bassi di resistenza e snervamento, compensati però da un allungamento nettamente superiore a tutte le altre condizioni.

Nelle prove ad alta temperatura (150°C), il materiale mantiene quasi tutta la sua resistenza a trazione originale, subendo solo una lieve riduzione dell'UTS medio. La condizione a 380°C per 180 minuti si dimostra il più efficace nell'aumentare la duttilità, portando l'allungamento al 25%, con un miglioramento del +61,3% rispetto alla stessa prova condotta a temperatura ambiente.

L'analisi della superficie di frattura ha evidenziato superfici miste caratterizzate da dimples e piani di clivaggio per le condizioni as-produced, e-coating e T5. Nei campioni ricotti a 380°C per 3 ore, i dimples sono generalmente più grandi, quasi rotondi e più profondi, indicando una maggiore deformabilità e una microstruttura più grossolana.

Prove di flessione

Le prove di flessione hanno fornito dati quantitativi precisi sugli angoli di piega medi raggiunti da ciascuna condizione. Secondo le norme automobilistiche relative alla produzione di auto premium, l'angolo di piega desiderato per leghe Al-Si con spessori superiori a 2 mm deve essere superiore a 50°.

I risultati mostrano una gerarchia chiara tra i trattamenti:

• As-produced: angolo medio di 26,9°, allungamento 7,6%;
• E-coating 163°C - 20 min: angolo medio di 23,5°, allungamento 6,6%;
• Invecchiamento 170°C - 3h: angolo medio di 15,8°, allungamento 5,8%;
• Invecchiamento 210°C - 3h: angolo medio di 19,1°, allungamento 5,5%;
• Ricottura 380°C - 3h: angolo medio di 52,1°, allungamento 15,5%.

Solo la ricottura a 380°C per 3 ore supera la soglia richiesta di 50°, con il valore più alto tra tutte le condizioni testate e la deviazione standard più bassa (1,7°), a testimonianza di una maggiore consistenza e ripetibilità dei risultati. Tutti gli altri trattamenti rimangono significativamente al di sotto della soglia normativa, confermando come questo trattamento sia l'unico idoneo per applicazioni automotive che richiedono elevata duttilità e resistenza alla piegatura.

Il trattamento di ricottura ha migliorato significativamente la microstruttura, alleviando le tensioni interne derivanti dal processo HPDC, sferoidizzando le particelle di silicio e aumentando la capacità di deformazione plastica del materiale, con conseguente migliore assorbimento di energia e distribuzione più uniforme delle tensioni.

Test di rivettatura SPR

L'ispezione visiva del test di rivettatura SPR ha dato esito negativo per le condizioni as-produced, e-coating e invecchiamento T5, nelle quali sono state osservate cricche, rivelando significativi problemi di processo. Il trattamento di ricottura a 380°C ha migliorato significativamente la microstruttura, aumentando la duttilità e riducendo la propagazione delle cricche grazie alla riduzione delle tensioni interne e alla sferoidizzazione delle particelle di silicio. Tra le cinque condizioni testate, è l'unica a soddisfare completamente gli standard automobilistici, mostrando assenza di cricche o deformazioni ed elevata duttilità durante la fase di rivettatura.

Conducibilità elettrica e termica

I valori di conducibilità elettrica ottenuti rientrano nell'intervallo standard riportato in letteratura per la lega in esame (16-25 MS/m). A basse temperature di invecchiamento (170°C), la conducibilità elettrica è aumentata del 4% rispetto alla condizione as-produced. A temperature più elevate, le particelle di silicio tendono a crescere riducendosi in numero, aumentando la conducibilità del 18% a 210°C per 3 ore e del 30% a 380°C per 3 ore. Il processo di sferoidizzazione del silicio osservato a queste condizioni ha contribuito ulteriormente a migliorare la conducibilità riducendo la diffusione degli elettroni.

Per la conducibilità termica, si è osservato un aumento con l'aumentare della temperatura: a 35°C la conducibilità termica era di circa 117 W/(mK), aumentando a circa 129 W/(mK) a 150°C, con alcune fluttuazioni non lineari lungo la curva.

Conclusioni e raccomandazioni applicative

Sulla base dei risultati ottenuti, è possibile definire le seguenti raccomandazioni per i getti HPDC in alluminio in funzione dei requisiti applicativi:

• Condizione as-produced: consigliata quando l'obiettivo principale è ridurre i costi di produzione e l'impatto ambientale, mantenendo buoni livelli prestazionali tipici delle leghe AlSi10MnMg prodotte tramite HPDC. Ideale per applicazioni con requisiti prestazionali meno severi.
• E-coating a 163°C per 20 minuti: non induce variazioni significative nelle proprietà meccaniche, ma può essere applicato quando le specifiche automotive richiedono maggiore resistenza alla corrosione. Risulta idoneo anche per pezzi già sottoposti a precedente trattamento termico.
• Invecchiamento a 170°C per 3 ore: raccomandato per applicazioni che richiedono elevato limite di snervamento, migliorando significativamente le proprietà meccaniche senza compromettere altre caratteristiche critiche. Particolarmente adatto a componenti che devono mantenere l'integrità strutturale sotto carichi elevati, ma non richiedono rivettatura o elevata duttilità.
• Ricottura a 380°C per 3 ore: offre la combinazione più vantaggiosa tra proprietà meccaniche, conducibilità elettrica e termica, duttilità e robustezza dei giunti. Con un angolo di piega medio di 52,1° e un allungamento del 15,5%, è l'unico trattamento che soddisfa gli standard automotive premium per la flessione ed è l'unico a garantire assenza di cricche nei test di rivettatura. Particolarmente adatta ad applicazioni come involucri batteria per auto elettriche, scambiatori di calore, carter di trasmissione, pompe olio e coperchi testata, tipicamente prodotti in leghe Al-Si mediante pressofusione HPDC.

Fonte: Università di Brescia e In Fonderia – Il magazine dell’industria fusoria italiana