Metallografia dell'alluminio - Preparazione dei campioni

Metallografia dell'alluminio e delle leghe di alluminio Panoramica e Preparativa

La metallografia dell’alluminio consiste nello studio e nell’analisi della microstruttura dell’alluminio e delle sue leghe, generalmente mediante osservazione al microscopio di campioni opportunamente lucidati e attaccati chimicamente. Questa procedura rappresenta una fase fondamentale nei test e nel controllo qualità dell’alluminio, in quanto permette di evidenziare dettagli quali dimensione dei grani, distribuzione delle fasi e la presenza di difetti o impurità microscopiche. La conoscenza approfondita della metallografia dell’alluminio consente all’industria di garantire che i materiali soddisfino gli standard richiesti in termini di resistenza, durabilità e prestazioni.

Per affrontare questi aspetti in modo efficace, questa pagina è suddivisa in due parti:

Panoramica – Fondamenti e aspetti chiave
Questa sezione offre una breve introduzione alle proprietà più importanti dei materiali in alluminio e alla loro rilevanza nella metallografia. È ideale per gli utenti che desiderano un rapido orientamento o una comprensione di base.

Panoramica

Approfondimenti e indicazioni pratiche
Questa sezione offre un’analisi approfondita dell’alluminio e delle sue leghe dal punto di vista metallografico. Oltre a fornire indicazioni pratiche per la selezione delle tecniche di levigatura e lucidatura più idonee, approfondisce le caratteristiche fondamentali del materiale e le relative implicazioni nella preparazione dei campioni. Esempi applicativi dettagliati e indicazioni metodologiche contribuiscono a colmare il divario tra teoria e pratica di laboratorio.

Approfondimenti

Panoramica – Fondamenti e aspetti chiave

L’alluminio è un metallo leggero e argentato, noto per l’eccellente duttilità, la conducibilità termica ed elettrica e la resistenza naturale alla corrosione dovuta alla sottile pellicola di ossido che si forma sulla sua superficie. Tuttavia, l’alluminio puro (generalmente con una purezza superiore al 99%, identificato come serie 1xxx) è relativamente tenero e poco resistente; per questo motivo, viene solitamente legato ad altri elementi per formare leghe di alluminio. I principali elementi di lega sono rame, magnesio, silicio, zinco e manganese, ciascuno dei quali conferisce alle leghe proprietà specifiche, ad esempio:

2xxx (Al-Cu): Elevata resistenza, impiegata nel settore aerospaziale
6xxx (Al-Mg-Si): Resistenza media, altamente modellabile
7xxx (Al-Zn-Mg-Cu): Elevata resistenza, utilizzato nel settore aerospaziale e dei trasporti

Queste aggiunte di elementi di lega e i trattamenti termici (come la tempra T6) generano precipitati di rinforzo e modificano la struttura dei grani del metallo, aspetti che la metallografia dell’alluminio consente di evidenziare e analizzare.

Applicazioni dell'alluminio nell'industria

Aerospace

Le leghe di alluminio ad alte prestazioni richiedono la metallografia per confermare l’indurimento per precipitazione, l’integrità del rivestimento e l’uniformità della dimensione dei grani. Leghe ad alta resistenza, come 2024 o 7075, vengono impiegate per strutture aeronautiche, ali e componenti spaziali grazie all’elevato rapporto resistenza/peso. La metallografia consente di verificare l’affinamento dei grani e la presenza di precipitati di rinforzo dopo i trattamenti termici. In seguito a operazioni di forgiatura o laminazione di una lega aerospaziale, l’analisi metallografica permette di assicurare la corretta tessitura fibrosa o il flusso dei grani nel componente. Inoltre, l’introduzione di nuove leghe alluminio-litio o di compositi avanzati viene validata tramite metallografia e tecniche di testing correlate, garantendo la conformità ai rigorosi standard aerospaziali.

Esempio: Nell’alluminio di qualità aeronautica, l’esame metallografico consente di verificare che la fase di precipitazione desiderata (ad esempio Al₂Cu nella serie 2xxx o MgZn₂ nella serie 7xxx) sia correttamente distribuita, indicando che la lega ha raggiunto le proprietà meccaniche richieste.

Automotive

Impiegate in motori, ruote e componenti strutturali, le leghe di alluminio trovano largo utilizzo in motori, testate cilindri, carter trasmissioni, ruote e telai strutturali per ridurre il peso complessivo. Leghe speciali per alte temperature e leghe di alluminio da fusione (come le leghe Al-Si per getti) devono essere prive di porosità e presentare microstrutture raffinate per garantire la durata nel tempo.

La microstruttura di ruote in lega, blocchi motore, pistoni e pannelli per carrozzeria riveste particolare importanza. Una sezione metallografica di un blocco motore in alluminio pressofuso può mettere in evidenza porosità o cavità da ritiro che, se eccessive, possono causare cedimenti del componente. Nel settore dei veicoli elettrici e dei trasporti su rotaia (ad esempio treni ad alta velocità), dove l’alluminio è impiegato per strutture leggere, la metallografia consente di verificare che estrusi e getti presentino qualità costante.

Esempio: La verifica che le particelle di silicio in una lega Al-Si siano fini e uniformemente modificate — risultato ottenuto spesso mediante l’aggiunta di modificanti come lo stronzio durante la fusione — è fondamentale. Inoltre, in questo ambito l’analisi dell’alluminio può includere prove di durezza sui componenti del motore (per verificare la corretta esecuzione dei trattamenti termici) insieme all’esame microstrutturale.

Additive Manufacturing

L’alluminio stampato in 3D presenta microstrutture peculiari, come grani cellulari molto fini e confini tra le vasche di fusione. Un’applicazione in forte espansione è l’impiego di leghe di alluminio nella manifattura additiva. I componenti in alluminio realizzati tramite stampa 3D (spesso a partire da polveri di leghe come AlSi10Mg) possono mostrare microstrutture uniche, dovute alla rapida solidificazione, tra cui grani cellulari estremamente fini e confini ben distinti tra le aree di fusione. La metallografia assume un ruolo centrale in questo ambito emergente, permettendo di esaminare la qualità dei legami tra gli strati, la porosità e le caratteristiche microstrutturali dei pezzi stampati.

Elettronica e Difesa

Nelle leghe Al-Li e nei dissipatori di calore in alluminio, la metallografia è fondamentale per verificare l’omogeneità e la qualità dei legami. In alcune applicazioni per la difesa, le leghe di alluminio vengono impiegate in veicoli blindati o involucri ad alta resistenza e leggerezza. Leghe speciali contenenti litio (leghe Al-Li) sono state sviluppate per ridurre ulteriormente il peso in ambito aerospaziale e militare; queste leghe richiedono un’accurata analisi metallografica per accertare la presenza e la distribuzione uniforme delle nuove fasi, come i precipitati Al₃Li. In tutti questi settori, la metallografia dell’alluminio costituisce un collegamento essenziale tra scienza dei materiali e ingegneria applicata, consentendo agli ingegneri di “leggere” la storia interna di un componente — sia per confermare il successo di un processo produttivo, sia per diagnosticare un’insufficiente prestazione.

È importante sottolineare che la metallografia è spesso affiancata da altre prove (meccaniche, analisi chimiche, ecc.), ma rappresenta la principale evidenza visiva della struttura del materiale, non accessibile tramite altri metodi. Molte aziende dispongono di laboratori interni o si avvalgono di laboratori specializzati per eseguire analisi metallografiche su campioni di alluminio nell’ambito delle procedure di assicurazione qualità.

Il processo di metallografia dell'alluminio

Taglio

Per ridurre al minimo i danni, è preferibile utilizzare mole abrasive da taglio progettate per metalli non ferrosi con un adeguato raffreddamento.

Inglobamento

L'inglobamento a caldo con resina fenolica è un processo standard; l'inglobamento a freddo con resina epossidica viene utilizzato per campioni delicati o sensibili al calore.

Pre-Levigatura / Lucidatura

Carta abrasiva al carburo di silicio e sospensioni diamantate, utilizzate in sequenza dalla grana più grossa alla più fine, consentono di preparare il campione fino a ottenere una finitura a specchio.

Analisi

Il materiale viene caratterizzato mediante, ad esempio, prove di durezza o analisi al microscopio.

Attacco Elettrolitico

Il campione viene trattato con reattivi di attacco per migliorare il contrasto superficiale.

Troncatrici

Presse inglobatrici

Pre-levigatrici, pulitrici e attacco elettrolitico

Durometro

Consumabili

Approfondimenti e indicazioni pratiche

L’alluminio trova applicazione in quasi tutti i settori dell’economia e della vita moderna. Secondo le statistiche più recenti, la produzione globale di alluminio primario è quasi raddoppiata nell’ultimo decennio, rappresentando un incremento senza precedenti per un materiale industriale. Tale sviluppo è attribuibile alle caratteristiche distintive dell’alluminio, come il basso peso specifico — pari a circa un terzo di quello dell’acciaio — che lo rende particolarmente interessante per la realizzazione di strutture leggere a risparmio energetico. Un ulteriore vantaggio risiede nell’ampia varietà di processi produttivi applicabili alle leghe di alluminio, tra cui fusione, formatura, estrusione e forgiatura.

Le possibilità di lavorazione sono altrettanto versatili: lavorazioni meccaniche, imbutitura profonda, stiratura, piegatura e tranciatura consentono di adattare l’alluminio a molteplici esigenze applicative. L’alluminio e le sue leghe presentano un’eccellente resistenza alla corrosione, ulteriormente migliorabile tramite anodizzazione e diverse tecniche di rivestimento. Questi materiali offrono un ampio intervallo di resistenze meccaniche, da 70 a 800 MPa. Inoltre, l’alluminio è atossico, caratteristica che ne favorisce l’impiego negli imballaggi alimentari, e presenta sia un’elevata conducibilità elettrica sia un’ottima conducibilità termica.

La preparazione metallografica dell’alluminio è fondamentale per diversi motivi:

Controllo qualità: La metallografia è fondamentale nei processi di controllo qualità per individuare difetti quali porosità, segregazioni, cricche o formazione impropria di fasi che potrebbero compromettere le prestazioni del materiale.

Ottimizzazione dei processi: Attraverso l’analisi degli effetti dei diversi processi di lavorazione (ad esempio, fusione, laminazione, trattamenti termici) sull’alluminio, la metallografia consente di ottimizzare i parametri produttivi per ottenere le proprietà meccaniche e fisiche desiderate.

Analisi delle rotture In caso di cedimento del materiale, l’esame metallografico offre informazioni sui meccanismi di rottura — come fatica, corrosione o fragilizzazione — supportando l’analisi delle cause alla radice.

Ricerca e Sviluppo: Gli studi metallografici contribuiscono allo sviluppo di nuove leghe di alluminio e tecniche di lavorazione, facilitando la correlazione tra composizione, processi, microstruttura e proprietà. Data la morbidezza e duttilità dell’alluminio, è necessaria una preparazione estremamente accurata per evitare l’introduzione di artefatti — quali graffi, strisciamenti o deformazioni — che potrebbero mascherare o alterare le reali caratteristiche microstrutturali.

Nella sezione seguente verranno illustrati gli aspetti più rilevanti della preparazione metallografica dell’alluminio e delle sue leghe.

Microstruttura di una lega di alluminio dopo lucidatura finale – 100:1

Microstruttura di una lega di alluminio fuso dopo la lucidatura finale – 25:1

Microstruttura di una lega di alluminio lavorata dopo attacco elettrolitico – 100:1

Taglio

Il taglio dell’alluminio puro e delle sue leghe rappresenta una sfida a causa della morbidezza di questo materiale. I dischi da taglio più idonei per tali applicazioni sono quelli dotati di particelle abrasive in carburo di silicio (SiC). In particolare, i dischi da taglio con carburo di silicio e un legante più duro garantiscono i risultati migliori. Poiché il carburo di silicio presenta una durezza inferiore rispetto all’ossido di alluminio, questi dischi rappresentano la scelta ottimale per il taglio di materiali teneri come l’alluminio puro.

Barra di alluminio puro fissata nella troncatrice QCUT 250 M.

Inglobamento

I campioni di alluminio possono essere inglobati tramite inglobamento a caldo, a freddo o con tecniche di polimerizzazione UV. Per i campioni sensibili alla temperatura o alla pressione, come quelli verniciati, sottili o rivestiti, si raccomanda l’inglobamento a freddo o la polimerizzazione UV per evitare possibili danni. L’inglobamento UV rappresenta il metodo più rapido per i campioni di alluminio puro quando la ritenzione dei bordi non è un requisito fondamentale.

QMOUNT – La pressa inglobatrice a UV di QATM

QPRESS 40 – La più innovativa pressa inglobatrice a caldo di QATM

Inglobamento a UV

Dispositivo	Consumabile	Tempo di indurimento	Stampo
QMOUNT	Qprep UV 50	1 min.	QMOULD clear, ø 40 mm

Il campione di alluminio dopo l’inglobamento UV per solo 1 minuto.

Inglobamento a freddo - First option

Consumabile	Rapporto di miscelazione / Volume	Tempo di indurimento	Stampo	Attrezzatura aggiuntiva
KEM 20	Polvere : Liquido 2 : 1	15 min.	QMOULD clear/white Ø 40 mm	Bicchiere di miscelazione Cucchiaio di miscelazione Stick di miscelazione Unità di pressione 95016569
Notes
Per ottenere una trasparenza ottimale, il processo completo di indurimento deve essere effettuato nell’unità di pressione 95016569.

Inglobamento a freddo - Second option

Consumabile	Rapporto di miscelazione / Peso	Tempo di indurimento	Stampo	Attrezzatura aggiuntiva
Qpox 92	Resina : indurente 20 g : 4,6 g	8 Ore	PP, Ø 40 mm	Bicchiere di miscelazione Bilancia Stick di miscelazione Unità di infiltrazione M6500001
Notes
Il processo di inglobamento con Qpox 92 deve essere eseguito sotto vuoto. A tale scopo, utilizzare l’unità di infiltrazione.

Campioni PoDFA di alluminio da fonderia inglobati a freddo in KEM 20

Inglobamento a caldo - First option

Dispositivo	Consumabile	Tempo di riscaldamento	Temperatura	Pressione	Tempo di raffreddamento
QPRESS 40	Bakelite black	4:45 min.	200 °C	250 bar	3:30 min.
Materiale d’apporto o consumabili aggiuntivi	Potenza termica	Modalità di pressione	Potenza di raffreddamento	Pistone con ø 40 mm
-	100 %	Modalità a 1 livello	100 %	Pistone con ø 40 mm
Note
Sbavare e pulire i campioni prima dell’inglobamento.

Campioni di alluminio puro inglobati a caldo in EPO-Black

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Alluminio puro

L’alluminio puro è un metallo leggero con una densità di circa 2,7 g/cm³ e un punto di fusione di 660°C. Se la purezza dell’alluminio supera il 99%, viene classificato come alluminio puro. La sua struttura cristallografica è cubica a facce centrate (FCC). Si distingue per l’aspetto brillante e argenteo e per l’eccellente resistenza alla corrosione, dovuta alla rapida formazione di uno strato protettivo di ossido stabile sulla superficie. L’alluminio puro è altamente duttile e malleabile, il che consente di trafilare fili o laminare fogli sottili. Presenta una resistenza a trazione relativamente bassa nella sua forma pura (circa 90 MPa in stato ricotto), ma può essere notevolmente rafforzato tramite legatura o incrudimento a freddo. L’alluminio puro è anche un eccellente conduttore di calore ed elettricità, è non magnetico e non tossico. Nel gruppo delle leghe da lavorazione plastica, il gruppo 1xxx rappresenta l’alluminio puro, come EN AW 1050A. L’alluminio puro viene generalmente utilizzato in applicazioni non portanti, tra cui la produzione di cavi, lattine, componenti elettronici, fogli, fili, articoli per la casa e materiali da imballaggio.

Pre-levigatura / Lucidatura

Tra i vari consumabili disponibili, la carta al carburo di silicio (SiC) è la scelta più indicata per la preparazione di campioni di alluminio puro. A causa della naturale morbidezza dell’alluminio puro, il materiale è molto suscettibile a deformazioni durante la preparazione. L’utilizzo di consumabili aggressivi, come i dischi diamantati per la pre-levigatura, può introdurre artefatti e compromettere l’integrità microstrutturale del campione. Se il sezionamento è stato eseguito correttamente, la pre-levigatura iniziale può essere effettuata con carta SiC di grana P600, seguita da una seconda fase con carta SiC di grana P1200; dopo circa due minuti di pre-levigatura, il campione è pronto per la fase di lucidatura.

Per la lucidatura dell’alluminio puro si raccomanda l’utilizzo di panni morbidi, al fine di minimizzare la deformazione superficiale. Il panno Sigma, in seta di media durezza, è adatto per le prime fasi di lucidatura. Per la lucidatura a 1 µm si consiglia il panno Zeta, sintetico morbido a pelo corto. Per la lucidatura finale è preferibile il panno OMEGA, sintetico morbido e resistente agli agenti chimici. La sequenza completa delle fasi di pre-levigatura e lucidatura è riassunta nella tabella.

La superficie del campione dopo la lucidatura finale, priva di graffi e deformazioni

Attacco elettrolitico

L’obiettivo dell’attacco chimico su campioni di alluminio puro è quello di mettere selettivamente in evidenza le caratteristiche microstrutturali, come i bordi dei grani, la dimensione dei grani e le eventuali impurità, che altrimenti risulterebbero indistinguibili nello stato lucidato e non attaccato. L’attacco chimico aumenta il contrasto tra le diverse componenti microstrutturali attaccando in modo preferenziale specifiche aree del campione, consentendo così un’analisi dettagliata di dimensione, forma e distribuzione dei grani tramite microscopia ottica o elettronica. Questo processo è fondamentale per un’analisi metallografica accurata e per la caratterizzazione dell’alluminio puro. Esistono principalmente due processi per attaccare chimicamente i campioni di alluminio puro. Il primo è il metodo tradizionale di immersione nell’attaccante, per il quale è possibile utilizzare l’idrossido di sodio fornito da QATM. Il secondo metodo è l’attacco elettrolitico. L’attacco elettrolitico dell’alluminio puro è una tecnica metallografica che consente di evidenziare la microstruttura applicando una corrente elettrica in una soluzione elettrolitica appropriata. Durante il processo, il campione di alluminio agisce come anodo e si verifica una dissoluzione selettiva in corrispondenza dei bordi dei grani e di altre caratteristiche microstrutturali. Questa tecnica permette un attacco controllato e uniforme, riducendo al minimo i danni meccanici e migliorando la visibilità dei dettagli più fini, come bordi dei grani e inclusioni. L’attacco elettrolitico risulta particolarmente efficace per l’alluminio puro grazie alla sua morbidezza e alla tendenza a deformarsi durante la lucidatura meccanica, assicurando osservazioni microstrutturali più chiare e riproducibili.

QETCH 1000 è un dispositivo completamente automatico per la lucidatura e l’attacco elettrolitico, dotato di un’interfaccia intuitiva con touch screen. L’unità di lucidatura e attacco è separata dall’unità di controllo, consentendo così l’utilizzo della QETCH 1000 anche all’interno di una cappa aspirante da laboratorio. La funzione di scansione visualizza in tempo reale la curva di tensione del materiale, permettendo di ottenere rapidamente risultati di lucidatura senza alterazioni strutturali. La gestione dell’unità di lucidatura e attacco è stata notevolmente semplificata grazie ai serbatoi elettrolitici intercambiabili da 1 litro. È possibile sostituire facilmente diversi elettroliti e conservarli in modo sicuro grazie al coperchio. La pulizia dell’unità avviene tramite un apposito programma di lavaggio con acqua.

La microstruttura dell’alluminio puro nell’area del bordo dopo attacco con Barker – 25:1

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La microstruttura dell’alluminio puro nell’area centrale dopo attacco con Barker – 25:1

Leghe di alluminio lavorate

Il sistema di classificazione utilizzato a livello internazionale distingue tra leghe da lavorazione plastica [DIN EN 573] e leghe da fonderia [DIN EN 1780]. Le leghe da lavorazione plastica sono leghe di alluminio che vengono colate in lingotti o nastri mediante colata continua e sono utilizzate esclusivamente per la produzione di prodotti laminati, estrusi e trafilati. Al contrario, le leghe da fonderia vengono impiegate esclusivamente per la realizzazione di getti sagomati, grazie alle loro migliori proprietà di riempimento dello stampo e alla resistenza alla fessurazione a caldo. La designazione standard delle leghe di alluminio si basa sul seguente sistema:

Il prefisso EN, seguito da uno spazio
La lettera A per indicare l’alluminio
Una lettera che identifica il processo produttivo:
W per alluminio da lavorazione plastica e C per alluminio da fonderia
In modo opzionale, B per lingotti di alluminio non legato e legato, e M per leghe madri
Un trattino
Quattro cifre (per le leghe da lavorazione plastica) e cinque cifre (per le leghe da fonderia) che definiscono la composizione della lega, oppure il simbolo chimico Al seguito dai simboli degli elementi principali di lega e dalla loro composizione nominale media in percentuale in peso (wt.%).

I diversi sistemi di designazione per le leghe di alluminio da lavorazione plastica e da fonderia, così come i rispettivi stati metallurgici, richiedono una presentazione separata e dettagliata per ciascuna categoria. Per le leghe da lavorazione plastica, le quattro cifre nella descrizione identificano il gruppo della lega, che è caratterizzato da uno o più elementi principali di lega. I gruppi di lega si distinguono inoltre per la loro induribilità o non induribilità (le leghe non induribili sono anche definite “a indurimento naturale” o “a incrudimento”).

Gruppo	Tipo di lega	Esempio	Induribilità
1XXX	Alluminio puro	EN AW-1050A EN AW-1070A	Non induribile
2XXX	AlCu	EN AW-2219 EN AW-2024	Induribile
3XXX	AlMn	EN AW-3105 EN AW-3003	Non induribile
4XXX	Al Si	EN AW-4032 EN AW-4046	Non induribile
5XXX	Al Mg	EN AW-5005 EN AW-5182	Non induribile
6XXX	Al MgSi	EN AW-6061 EN AW-6082	Induribile
7XXX	Al ZnMg	EN AW-7075 EN AW-7020	Induribile
8XXX	Altri	EN AW-8006 EN AW-8011A	Non induribile
9XXX	Da non usare	-	-

Le analisi metallografiche più importanti per le leghe di alluminio da lavorazione plastica includono:

Le analisi metallografiche più importanti per le leghe di alluminio da lavorazione plastica includono:

Misurazione della dimensione dei grani: Determinare la dimensione dei grani fornisce indicazioni sulle proprietà meccaniche della lega, come resistenza e duttilità, ed è fondamentale per il controllo qualità e l’ottimizzazione dei processi.

AsValutazione delle particelle di seconda fase e delle inclusioni: L’identificazione e la caratterizzazione delle fasi intermetalliche, dei precipitati e delle inclusioni non metalliche consentono di valutare la purezza della lega, le prestazioni meccaniche e la resistenza alla corrosione.

Esame della microstruttura e della texture: L’osservazione della distribuzione, dimensione e orientazione dei grani e delle fasi fornisce informazioni sui processi di deformazione, sulla ricristallizzazione e sugli effetti dei trattamenti termomeccanici.

Valutazione delle caratteristiche dei bordi di grano: L’analisi dei tipi e della distribuzione dei bordi di grano aiuta a comprendere la suscettibilità della lega a fenomeni come la corrosione intergranulare e la fessurazione.

Rilevamento dei difetti: L’identificazione di difetti di colata o di lavorazione, come porosità, cricche o segregazioni, è fondamentale per garantire l’integrità e le prestazioni della lega da lavorazione plastica.

Analisi degli strati e dei rivestimenti: Nelle leghe rivestite o sottoposte a trattamenti superficiali, la metallografia viene utilizzata per valutare lo spessore, l’adesione e l’uniformità dei rivestimenti.

Inoltre, l’intervallo di resistenza delle diverse leghe di alluminio da lavorazione plastica è riportato nelle tabelle sottostanti:

Serie della lega	Composizione della lega	Metodo di indurimento	Intervallo di resistenza a trazione (MPa)	Intervallo di resistenza a trazione (ksi)
1XXX	Al	Lavorazione a freddo	70-175	10-25
2XXX	Al-Cu-Mg (1-2.5 % Cu) Al-Cu-Mg-Si (3-6% Cu)	Trattamento termico Trattamento termico	170-310 380-520	25-45 55-75
3XXX	Al-Mn-Mg	Lavorazione a freddo	140-280	20-40
4XXX	Al Si	Lavorazione a freddo + trattamento termico	105-350	15-50
5XXX	Al-Mg(1-2.5% Mg) Al-Mg-Mn (3-6% Mg)	Lavorazione a freddo Lavorazione a freddo	140-280 280-380	20-40 40-55
6XXX	Al-Mg-Si	Trattamento termico	150-380	22-55
7XXX	Al-Zn-Mg Al-Zn-Mg-Cu	Trattamento termico	380-520 520-620	55-75 75-90
8XXX	Al-Li-Cu-Mg	Trattamento termico	280-560	40-80

Pre-levigatura / Lucidatura

Microstruttura di una lega Al-Si dopo lucidatura finale – 200:1

I precipitati nella lega Al-ZnMg a maggiore ingrandimento

Microstruttura di una lega Al-ZnMg dopo lucidatura finale – 100:1

Lo stesso campione di alluminio estruso dopo attacco elettrolitico con reattivo Barker

La microstruttura di EN AW-2017A dopo attacco elettrolitico con reattivo Barker

Microstruttura di una lega Al-ZnMg dopo attacco con idrossido di sodio al 7,5% – 100:1

Microstruttura di un campione di alluminio estruso dopo attacco con Kroll – 25:1

Lega di alluminio da fonderia

La norma DIN EN 1780 regola la classificazione dei getti e delle leghe da fonderia:2002 (l’associazione americana dell’alluminio, AA, adotta un diverso sistema di classificazione), che utilizza un sistema di designazione a cinque cifre come descritto di seguito.

La prima cifra indica l’elemento principale di lega.

Gruppo	Tipo di lega
1XXX	Alluminio puro
2XXX	Rame
3XXX	-
4XXX	Silicone
5XXX	Magnesio
6XXX	-
7XXX	Zinco
8XXX	Stagno
9XXX	Lega madre

La seconda cifra indica il tipo di lega.

Tipo di lega	Elementi principali	Esempio	Induribilità (MPa)
21XXX	Al Cu	EN AC-21100	Induribile
411XXX	Al SiMgTi	EN AC-41000	Induribile
42XXX	Al Si7Mg	EN AC-42200	Induribile
43XXX	Al Si10Mg	EN AC-43200	Induribile
44XXX	Al Si	EN AC-44000	Non induribile
45XXX	Al Si5Cu	EN AC-45000	Parzialmente induribile
47XXX	Al Si (Cu)	EN AC-47000	Non induribile
48XXX	Al SiCuNiMg	EN AC-48000	Non induribile
51XXX	Al Mg	EN AC-51100	Non induribile
71XXX	Al ZnMg	EN AC-71100	Induribile

La prima cifra indica l’elemento principale di lega.
La seconda cifra indica il tipo di lega.
La terza cifra è arbitraria e indica una composizione speciale della lega.
La quarta cifra è generalmente 0.
La quinta cifra è sempre 0 per le leghe CEN, ma non è mai 0 per le leghe aerospaziali AECMA.
Queste cifre sono seguite da una lettera che indica il processo di fusione, ad esempio S per la fusione in sabbia, K per la fusione a gravità, D per la pressofusione e L per la fusione a cera persa.

Successivamente, le lettere e i numeri che seguono specificano lo stato della lega, come illustrato nella tabella sottostante:

Designazione dello stato metallurgico	Significato
F	Stato grezzo di fusione
T1	Raffreddamento controllato dopo la colata e invecchiamento naturale
T4	Trattato in soluzione e invecchiato naturalmente
T5	Trattato per distensione
T6	Trattato in soluzione e invecchiato artificialmente
T64	Trattato in soluzione e non completamente invecchiato artificialmente (in fase di sottoinvecchiamento)
T7	Trattato in soluzione e sovra-indurito (invecchiato artificialmente, stato stabilizzato)
0	Ricottura delicata

Le proprietà fisiche dell’alluminio puro a 20°C sono riportate nella tabella sottostante:

Proprietà	Valore (unità)
Numero di ordine	13
Peso atomico (massa atomica relativa)	26,9815385 (g/mol)
Struttura atomica	FCC
Costante di reticolo	0.40496 (Nm)
Raggio atomico	0.1431 (Nm)
Densità	2.6989 × 10^-9 (kg/m³)
Modulo di elasticità	66.6 (kN/mm²)
Modulo di taglio	25.0 (kN/mm²)
Coefficiente di Poisson (ν)	0.35
Conducibilità termica	235 (W/m · K)
Temperatura di fusione	660.2 (°C)
Entalpia di fusione	390 (kJ/kg)
Temperatura di ebollizione	2470 (°C)
Entalpia di vaporizzazione	11.4 (MJ/kg)
Capacità termica specifica (cp)	31 (MJ/kg)
Conducibilità elettrica	37.67 (m/Ω · mm²)
Resistenza elettrica specifica	26.55 (nΩ m)

Pre-levigatura / Lucidatura

Tra i vari consumabili disponibili, la carta al carburo di silicio (SiC) rappresenta la scelta più idonea per la preparazione di campioni di alluminio puro. A causa della naturale morbidezza dell’alluminio puro, il materiale è molto suscettibile a deformazioni durante la preparazione dei campioni. L’utilizzo di consumabili aggressivi, come i dischi diamantati per la pre-levigatura, può introdurre artefatti di preparazione e compromettere l’integrità microstrutturale del campione. Se il sezionamento è stato eseguito correttamente, la pre-levigatura iniziale può essere effettuata con carta SiC di grana P600. Si prosegue poi con una seconda fase di pre-levigatura utilizzando carta SiC di grana P1200; dopo circa due minuti di pre-levigatura, il campione è pronto per la fase di lucidatura. Per la lucidatura dell’alluminio puro, si raccomanda l’utilizzo di panni morbidi, in modo da minimizzare la deformazione superficiale. Il panno Sigma, in seta di durezza media, è indicato per le fasi iniziali di lucidatura. Nella fase di lucidatura a 1 µm si consiglia il panno Zeta, un panno sintetico morbido a pelo corto. Per la lucidatura finale è preferibile utilizzare il panno OMEGA, un panno sintetico morbido e resistente agli agenti chimici. La sequenza completa delle fasi di pre-levigatura e lucidatura è riassunta nella tabella.

La microstruttura dendritica di una lega di alluminio da fonderia dopo attacco elettrolitico con reattivo Barker

La microstruttura dendritica di una lega di alluminio da fonderia dopo lucidatura e attacco elettrolitico con QETCH 1000

La microstruttura eutettica tra le dendriti

La microstruttura di una lega Al-Si da fonderia

La microstruttura di una lega di alluminio Al-Si

Metallografia dell'alluminio - FAQ

In cosa consiste la metallografia dell'alluminio e perché la facciamo?

La metallografia dell’alluminio consiste nella preparazione di un campione di alluminio o di una sua lega (mediante taglio, inglobamento, levigatura, lucidatura e attacco chimico) e nella successiva osservazione al microscopio per studiarne la microstruttura. Questo processo permette di analizzare caratteristiche come dimensione dei grani, fasi presenti, distribuzione degli elementi di lega ed eventuali difetti. Queste informazioni sono fondamentali poiché la microstruttura dell’alluminio influisce direttamente sulle sue proprietà (resistenza, duttilità, resistenza alla corrosione, ecc.). Ad esempio, tramite l’analisi metallografica è possibile verificare l’esecuzione corretta di un trattamento termico, osservando la presenza di precipitati di rinforzo. La metallografia viene ampiamente utilizzata per il controllo qualità, al fine di assicurare che i materiali rispettino le specifiche richieste, e per la Failure Analysis, al fine di identificare le cause di eventuali cedimenti a livello microscopico.

In che modo la metallografia dell'alluminio differisce dalla metallografia dell'acciaio?

I principi fondamentali sono analoghi (preparazione di un campione lucidato e attacco chimico), ma la metallografia dell’alluminio presenta sfide e tecniche specifiche rispetto a quella dell’acciaio. L’alluminio, essendo più tenero della maggior parte degli acciai, è maggiormente soggetto a graffi e deformazioni meccaniche durante la preparazione, richiedendo quindi passaggi di levigatura più fini e una lucidatura particolarmente delicata. Inoltre, l’alluminio forma immediatamente uno strato di ossido che può complicare l’attacco chimico, mentre gli acciai non sviluppano tipicamente una pellicola ossidica così rapida dopo la lucidatura. I reattivi per l’attacco dell’alluminio sono diversi (ad esempio, il reattivo di Keller per l’alluminio contro il nital per l’acciaio) e spesso più aggressivi dal punto di vista chimico proprio a causa della presenza dell’ossido.

Dal punto di vista microstrutturale, le leghe di alluminio non presentano le tipiche fasi ferro-carbonio (ferrite/perlite) osservabili negli acciai; si riscontrano invece composti intermetallici o precipitati differenti a seconda della lega analizzata. In sintesi, sebbene l’obiettivo della metallografia sia analogo per tutti i metalli (rivelare la microstruttura), i consumabili, i reattivi di attacco e le strutture risultanti per l’alluminio sono specifici e richiedono procedure dedicate.

Quali sono i test comunemente inclusi nelle analisi dell'alluminio oltre alla metallografia?

Oltre all’esame metallografico, il testing dell’alluminio può includere numerose prove meccaniche e analisi chimiche. Tra le prove meccaniche più comuni vi sono la prova di durezza (ad esempio tramite durometro Vickers, per valutare la resistenza all’indentazione), la prova di trazione (per misurare il carico di snervamento, il carico di rottura e l’allungamento) e la prova d’urto (per valutare la tenacità). La durezza viene spesso determinata sullo stesso campione preparato per la metallografia, in particolare mediante indentazioni di microdurezza che consentono di correlare i valori di durezza alle caratteristiche microstrutturali.

L’analisi chimica, eseguita tramite tecniche spettroscopiche, rappresenta un ulteriore aspetto fondamentale per la verifica della composizione delle leghe. In applicazioni come quelle marine o aerospaziali, vengono inoltre effettuate prove di corrosione esponendo i campioni di alluminio a nebbia salina o umidità per valutare l’efficacia dei rivestimenti protettivi o la resistenza della lega. Le prove di fatica e di creep sono test più specialistici, destinati all’alluminio impiegato in ambienti sottoposti a elevate sollecitazioni. In sintesi, la metallografia fornisce una valutazione visiva interna, mentre le altre prove misurano le caratteristiche prestazionali; insieme, permettono una comprensione completa della qualità e dell’idoneità di un materiale in alluminio.

Quali reagenti vengono utilizzati per rivelare le microstrutture dell'alluminio?

Nella metallografia dell’alluminio vengono impiegati diversi reattivi chimici, selezionati in base al tipo di lega e alle caratteristiche microstrutturali che si desidera mettere in evidenza. Il reattivo universale più diffuso è il reattivo di Keller, costituito tipicamente da acido nitrico, acido cloridrico, acido fluoridrico e acqua in proporzioni definite; esso è efficace per la maggior parte delle leghe di alluminio, sia da lavorazione plastica che da fusione, e consente di evidenziare i bordi dei grani e le seconde fasi. Il reattivo di Kroll (una miscela di acidi nata originariamente per il titanio) può essere adattato per alcune leghe di alluminio, in particolare per quelle contenenti rame, come le leghe alluminio-rame. Il reattivo di Weck viene impiegato per attacchi colorati: dopo l’attacco e l’osservazione in luce polarizzata, consente di visualizzare contrasti cromatici nella microstruttura, utili per distinguere i costituenti o per evidenziare la struttura dei grani in alcune leghe di alluminio.
Un’altra tecnica è rappresentata dal reattivo di Barker, che non viene applicato tramite semplice immersione, ma mediante un processo di anodizzazione elettrolitica. Questo metodo mette in evidenza la struttura dei grani in osservazione con luce polarizzata e viene spesso utilizzato per la misura precisa della dimensione dei grani nell’alluminio. Esistono inoltre reattivi alcalini (come le soluzioni di idrossido di sodio) utilizzati per pre-attaccare l’alluminio e mettere in risalto fenomeni di segregazione o per evidenziare particelle, anche se devono essere impiegati con cautela per evitare un eccessivo attacco della matrice. La scelta del reattivo dipende dal tipo di informazione desiderata: spesso il metallografo sperimenta più reattivi su campioni diversi o esegue attacchi sequenziali (attacco, osservazione, rilucidatura e nuovo attacco con un altro reattivo) per ottenere una visione completa della microstruttura dell’alluminio.

In che modo la prova di durezza è utile nella metallografia dell'alluminio?

La prova di durezza integra la metallografia fornendo dati quantitativi sulle proprietà meccaniche del materiale, che possono essere correlati alle caratteristiche microstrutturali osservate. Nelle leghe di alluminio, la durezza è spesso un indicatore della resistenza meccanica: ad esempio, una lega di alluminio trattata termicamente che ha sviluppato una fitta rete di precipitati fini presenterà generalmente un valore di durezza elevato. In pratica, dopo la preparazione di un campione metallografico, il metallografo può eseguire una serie di indentazioni di microdurezza in diverse aree di interesse — ad esempio lungo una saldatura, dal metallo di apporto, attraverso la zona termicamente alterata, fino al metallo base — per osservare come varia la durezza. Analizzando la microstruttura nelle aree delle impronte, è possibile comprendere le ragioni delle differenze di durezza (ad esempio, una zona più dura potrebbe presentare grani più fini o un maggior numero di precipitati di rinforzo).

La prova di durezza è relativamente rapida e può essere eseguita sullo stesso piccolo campione, rappresentando quindi un modo pratico per integrare l’analisi metallografica con dati numerici. In ambiente produttivo, i controlli di durezza su componenti in alluminio costituiscono una rapida verifica di qualità; qualora i valori riscontrati siano anomali, la metallografia può essere utilizzata per indagare la causa (ad esempio, una durezza insolitamente bassa può indurre a verificare al microscopio se i precipitati si sono dissolti, indicando una sovratemperatura). In sintesi, la combinazione di prova di durezza e metallografia fornisce un quadro completo: una tecnica risponde alla domanda “quanto è duro o resistente?”, l’altra spiega “perché possiede quella durezza” rivelando la struttura sottostante.

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