Autore: Piergiorgio Martinelli

anime fonderia

Anime da fonderia: cosa sono, caratteristiche e tipologie

Le anime da fonderia sono particolari oggetti prodotti in materiale refrattario, solitamente sabbia silicea o quarzifera con l’aggiunta di leganti, cioè miscele chimiche che aderiscono ai grani per fornire resistenza meccanica all’anima.

Le anime da fonderia servono ad ottenere cavità, fori o forme particolari come cave o rientranze, nelle fusioni in alluminio.

In alcune tipologie di fusioni, le anime consentono di ottenere forme in sottosquadro che non potrebbero essere ottenute senza il loro utilizzo. Senza le anime non si potrebbero produrre svariate tipologie di oggetti che oggi troviamo sul mercato.

macchina spara anime

Anime da fonderia: caratteristiche

Le anime da fonderia in sabbia devono avere alcune caratteristiche fondamentali per poter assolvere a pieno il loro compito, quali:

  1. Resistenza meccanica, fondamentale per evitare danni durante:

a) fase di trasporto dal fornitore alla fonderia

b) fase di ramolaggio cioè la fase in cui vengono posizionate le anime nella forma

c) fase di colata: nonostante venga a contatto con il metallo liquido a temperature elevate, deve mantenere la sua geometria senza flettersi o rompersi.

Nel caso la resistenza meccanica fornita dal legante non bastasse, si devono aggiungere all’anima delle armature per aumentarne la resistenza. Le armature sono costituite principalmente da filo o tondini in ferro.

  1. Permeabilità: a contatto con il metallo liquido l’anima produce sostanze gassose, a causa della decomposizione delle resine, che devono defluire rapidamente per non rimanere intrappolate nella fusione creando le soffiature nel getto, che aumenterebbe il numero degli scarti di produzione.
  2. Resistenza all’umidità
  3. Cedevolezza: durante la fase di solidificazione del metallo, cioè durante la fase del passaggio dallo stato liquido allo stato solido chiamata anche “fase del ritiro”, è importante che l’anima eviti tensioni nel getto che portino alla deformazione o alla rottura dello stesso.
  4. Sgretolabilità: quando la fusione è solida l’anima deve essere rotta facilmente meccanicamente o termicamente durante la sterratura, che è l’operazione che precede le fasi di taglio delle matarozze e della sbavatura della fusione.

Anime da fonderia: come vengono prodotte

Le anime da fonderia vengono prodotte utilizzando innanzitutto una forma di ciò che si vuole ottenere alla quale viene aggiunta la sabbia, precedentemente mischiata con la resina e/o reagente.

Il contenuto dei leganti può variare dall’1 al 5% mente il restante 95-99% è sabbia.

In base al prodotto finale e alla lavorazione eseguita in fonderia, viene scelta la sabbia e la percentuale di resina che meglio soddisfano il processo produttivo.

Le anime da fonderia possono essere prodotte sia manualmente che meccanicamente tramite le macchine spara anime. Queste ne velocizzano il processo produttivo, in particolar modo sulle medie e grandi produzioni.

La formatura manuale è limitata a numeri ridotti che non giustificherebbero i tempi di attrezzaggio macchina o nella produzione di anime molto pesanti o casse d’anima di grandi dimensioni che non trovano spazio nella spara anime.

La macchina spara anime realizza le fasi di formatura, gasaggio ed estrazione anime in automatico con ciclo singolo o continuo, riducendo notevolmente i tempi di produzione e mantenendo la stessa qualità produttiva ciclo dopo ciclo.

La cassa d’anima non è altro che un contenitore con lo stampo in negativo (parte cava) della forma che si vuole ottenere.

cassa d'anima in legno divisa in due metà

Anime da fonderia: tipologie

In base al meccanismo di indurimento, al tipo di legante impiegato e agli impianti o alle attrezzature utilizzati per la produzione, si possono distinguere diverse tipologie di anime da fonderia.

Anime in CO2

Il processo di produzione anime da fonderia in CO2 consiste nel mescolare una sabbia silicea con un agglomerante a base di silicato di sodio.

Dopo aver sagomato opportunamente la miscela in cassa d’anima, per ottenere Ie anime desiderate, si procede aII’indurimento mediante un flusso di CO2.

La misceIa di sabbia e Iegante aI siIicato, sottoposta a fIusso di gas CO2, indurisce con formazione di carbonato di sodio e geI di siIice; I’indurimento avviene per reazione chimica e fisica.

Anime in Cold-Box o Ashland

La produzione di anime da fonderia con questa tecnologia viene chiamata anche “processo a freddo” dato che le casse d’anima non vengono riscaldate e quindi possono essere prodotte in legno oppure in resina.

La sabbia viene impastata in appositi macchinari con le resine liquide che reagiscono nello stampo con il passaggio di un catalizzatore gassoso a temperatura ambiente. Con questo metodo si possono ottenere anime di qualsiasi dimensione, da pochi grammi a oltre 1 quintale.

I vantaggi di questa tipologia di anime sono:

  • attrezzature più economiche in quanto realizzabili in legno o resina
  • contenimento dei tempi e dei costi per campionature e preserie
  • materia prima più economica
  • il materiale risulta rigenerabile
Anime in Cold-Box o Ashland

Anime in Shell Moulding

Questo processo viene chiamato anche “processo a caldo” perché la cassa d’anima, solitamente in acciaio, viene riscaldata a una temperatura di circa 300°C.

Con questo processo si utilizza una sabbia pre-rivestita, ovvero ogni singolo granello di sabbia è stato rivestito di resina che, a contatto con il calore dello stampo caldo nel quale viene versata, si ammorbidisce e si lega ai granelli vicini.

Le anime così ottenute possono essere vuote, meccanicamente relativamente robuste, con una superficie molto compatta e liscia, ideale per anime medio piccole da pochi grammi fino a 20 Kg.

Con questa tipologia di anime si possono avere i seguenti vantaggi:

  • ottenere getti con forma complessa e sezioni sottili
  • ottenere anime vuote e quindi agevolare l’evacuazione dei gas evitando porosità nei getti
  • riduzione del materiale da smaltire e/o rigenerare
  • finitura compatta, liscia e quindi a bassa rugosità

La produzione di anime da fonderia in Shell Moulding ha come svantaggio il costo della cassa anima piuttosto importante ma che può essere giustificato se ci sono produzione di medie o grandi quantità.

Anime con processo Cordis o Inorganico

Il processo inorganico utilizza, come legante della sabbia, un silicato, tipo vetro liquido. Il tutto, una volta miscelato, viene riversato in uno stampo metallico riscaldato con delle resistenze elettriche.

L’indurimento della sabbia, piuttosto lungo, avviene attraverso l’estrazione del solvente acquoso contenuto nel silicato, quindi non viene introdotto alcun inquinante nell’ambiente aereo sia all’interno degli stabilimenti, che all’esterno con un impatto ambientale nullo.

Essendo il legante inorganico, a contatto con il metallo fuso, non si sviluppano né fumi né gas o altri componenti volatili che potrebbero compromettere il getto.

I vantaggi di questa tipologia di anime sono:

  • eliminazione dello sviluppo di gas in fusione
  • buono scambio termico con il metallo di fusione
  • ottima sterrabilità con semplice vibrazione
  • riduzione impatto ambientale

Questo processo produttivo è abbastanza recente. Viene utilizzato esclusivamente per la realizzazione di particolari del settore automotive. Ha come svantaggio l’elevato costo delle attrezzature.

Anime con processo Cordis o Inorganico
Credit: zetakern.it
Fusione alluminio

Fusioni in alluminio in terra e in pressofusione: le principali differenze

Le fusioni in alluminio in terra presentano molti vantaggi rispetto ad altre tecnologie di produzione.

Colata in terra e pressofusione: differenze

La fusione in alluminio in terra ha saputo mantenere nel corso dei secoli il ruolo di leader incontrastato in alcuni settori ed è alla base di molteplici progetti di sviluppo in svariati settori produttivi.

Oggi esistono anche altri processi di fonderia, ma per la giusta scelta bisogna conoscere i vantaggi e gli svantaggi della tecnologia prescelta al fine di ottenere fusioni di qualità con il corretto valore economico.

Esistono svariati “processi di colata”, ma tutti questi si possono suddividere in due macro-categorie:

  • Processi in forma transitoria: colata in terra o in sabbia a verde, Shell moulding, colata in polistirene espanso (schiuma persa), microfusione (cera persa), colata in gesso e colata in ceramica.

Vengono chiamati processi in forma transitoria in quanto la forma utilizzata per formare il pezzo viene distrutta al termine del processo per estrarre il pezzo. Il modello utilizzato per creare la forma viene riutilizzato infinite volte, è solo il negativo della forma che si vuol realizzare che viene distrutto.

  • Processi in forma permanente: Colata in conchiglia, colata in bassa pressione, Colata sotto vuoto, Pressofusione, Colata centrifuga.

Vengono chiamati in forma permanente perché la forma (in questo caso lo stampo) viene riutilizzata per numerosi cicli produttivi.

In questo articolo metteremo due tecnologie di fusione a confronto: la fusione in alluminio in terra (detta anche in sabbia a verde) e la pressofusione in alluminio.

Fusioni in alluminio in terra (o in sabbia a verde)

Fusione in alluminio in terra

Quella della colata in terra è la classica e più antica lavorazione di fonderia.

Partendo dal modello, sempre diviso in due metà (mezza inferiore e mezza superiore) si produrrà un negativo di esso utilizzando una terra speciale, chiamata terra da fonderia.

Sopra al modello viene posta la staffa che è un contenitore per la terra da fonderia che consente di pressare la terra senza che la forma si rovini durante l’intero processo di produzione.

Il metallo fuso viene colato nello stampo di terra che alla fine del processo, quando si sarà solidificato, verrà distrutto per estrarre il pezzo.

Il modello può essere costruito in diversi materiali come: legno, resina o alluminio. Oggi il materiale più utilizzato è la resina a media o alta densità. Il modello può essere utilizzato per produrre migliaia di forme in terra.

Processo di produzione delle fusioni in alluminio in terra

Processo di produzione delle fusioni in alluminio in terra

È uno dei processi dotati di maggiore versatilità e può essere realizzato praticamente con ogni tipo di metallo o lega.

La gamma di pezzi ottenibili tramite processi di fonderia può variare molto: da oggetti più piccoli e di geometria decisamente semplice, come lingotti, a prodotti decisamente più ingombranti e di elevata complessità, come motori navali.

Va precisato che in caso di oggetti particolarmente complessi e ingombranti, la scelta di realizzazione tramite fonderia è praticamente “obbligata”.

Possiamo così sintetizzare i vantaggi della fusione in alluminio in terra:

  • Versatilità di produzione
  • Possibilità di produrre forme complesse
  • Possibilità di utilizzo di leghe differenti
  • Economicità del modello

Fusioni in alluminio in pressofusione

La colata in pressofusione, conosciuta anche come colata in pressione, è un metodo di colata che prevede il versamento dell’alluminio liquido in una camera a pressione per riempire la forma (detta anche stampo) ad alta velocità.

Il metallo, tenuto a una temperatura poco più alta di quella di fusione, viene spinto e pressato dal pistone nella forma metallica dove solidifica rapidamente.

Il liquido metallico viene “pressato” nella cavità ad alta velocità ed in tempi brevi, per alcuni pezzi meno di anche meno di 5 secondi, è pronto per essere estratto il pezzo.

La forma metallica, chiamata anche stampo, è costruita perlopiù in ghisa o in acciaio. Questa è suddivisa in due metà che verranno a chiudersi sotto l’impulso della macchina creando lo stampo completo che andrà sottopressione.

Forma o “stampo” per pressofusione

La tecnologia della pressofusione dei metalli inizia la sua storia nella seconda metà dell’Ottocento negli Stati Uniti d’America. Da allora questo processo produttivo ha raggiunto notevoli processi tecnologici.

Esistono due tipologie di macchine per pressofusione:

1) Camera calda: il serbatoio contenente il metallo fuso si trova all’interno di una fornace funzionante. Garantisce produzioni elevate e maggior qualità (visto il rapido prelievo dal serbatoio) in quanto il metallo fuso si presenta con una composizione più omogenea.

2) Camera fredda: il metallo è fuso in un forno vicino alla macchina, caricato nella camera fredda manualmente o tramite robot pronto per essere iniettato nello stampo. La macchina a camera fredda ha un tempo di raffreddamento minore della fusione, quindi un ciclo più veloce.

La pressofusione consente di ottenere fusioni molto precise. Nella maggior parte dei casi le parti pressofuse possono essere utilizzate direttamente per l’assemblaggio senza ulteriori lavorazioni meccaniche.

I vantaggi della pressofusione

  • Ottima finitura superficiale
  • Eccellente precisione dimensionale
  • La riduzione delle porosità e delle impurità
  • La precisione degli spessori soprattutto sottili
  • Raffreddamento rapido, che conferisce una granulometria fine e buone proprietà meccaniche al pezzo
  • Maggior velocità di produzione

Gli svantaggi della pressofusione

  • Limitazione nella geometria del componente, che deve essere estratto con facilità dallo stampo
  • Costo elevato dello stampo, da armonizzare con grandissime serie
  • Ridotto numero di leghe di alluminio utilizzabili
terra da fonderia

Terra da fonderia: l’inizio del ciclo produttivo

La terra da fonderia ricopre un ruolo fondamentale nella realizzazione e nella sanità delle fusioni in alluminio in sabbia a verde.

Cos’è la terra da fonderia?

terra da fonderia

Durante il processo produttivo delle fusioni in sabbia a verde, più comunemente chiamate fusioni in terra, la terra o sabbia di formatura ricopre un ruolo centrale.

Il termine “a verde” sta ad indicare l’impiego di leganti inorganici argillosi.

La terra da fonderia è composta da sabbia silicea, leganti (chiamati anche agglomeranti) e acqua.

Viene utilizzata per la preparazione delle forme transitorie, ovvero dei contenitori in cui verrà colato l’alluminio fuso per la realizzazione di fusioni o getti.

La qualità della terra con cui si forma la staffa è uno degli elementi più importanti per la buona riuscita dell’intero processo, infatti una terra non buona può causare scarti di interi lotti di fusioni.

Un’attenta e costante gestione dei controlli si rivela di conseguenza fondamentale, soprattutto in fonderie dove la produzione è differenziata, sia in formatura (manuale o a macchina) che in tipologia, con anime in sabbia o senza.

Principali proprietà di una buona terra da fonderia

Una terra non idonea può generare difetti superficiali o profondi che possono essere molto vistosi rischiando di compromettere la qualità della fusione.

Per essere una buona terra da fonderia deve presentare le seguenti caratteristiche:

  • Plasticità: per adattarsi alle forme del modello, anche le più sottili e complesse.
  • Permeabilità: per consentire l’uscita dei gas che si formano durante il processo di colata (CO, N2, H2), l’aria e l’umidità nella forma evitando difetti più o meno gravi all’interno del getto.
  • Refrattarietà: per resistere alle alte temperature di colata.
  • Finezza: per dare al getto superfici lisce.

Composizione della terra da fonderia

Le terre da fonderia sono composte da:

  • Sabbia silicea: generalmente composta da SiO2 (quarzo) per il 90/99% mentre la rimanente parte è costituita da Al2O3, FeO, CaO+MgO ed alcali.

    Si presenta sotto forma di granuli con un colore che va dal giallastro all’avorio. I granuli possono essere di varie granulometrie dalla più fine (0,1 mm) alla più grande (0,8 mm).

    In base alla granulometria si avrà una pelle delle fusione in alluminio più liscia o più rugosa.

    I depositi di sabbie naturali sono il risultato di processi di sedimentazione geologica e fenomeni di erosione atmosferica. La sabbia silicea vergine che sarà utilizzata in fonderia viene lavata dagli estrattori per ridurre al minimo la polverosità.
  • Legante argilloso o bentonite: con il termine “bentonite” si indica il nome commerciale di una serie di argille naturali caratterizzate dalla capacità di assorbire acqua rigonfiando.

    Il componente principale della bentonite è la montmorillonite, un minerale argilloso. Allo stato naturale la bentonite grezza è una roccia tenera, friabile ed untuosa dal colore variabile.

    Una bentonite di buona qualità permetterà l’assorbimento di una maggiore quantità di acqua, contribuendo così a mantenere elevata la coesione della forma.
  • Acqua: conferisce al legante argilloso il caratteristico potere legante.

    Viene aggiunta in una percentuale compresa tra il 2 e il 4% in base alla forma del modello e al tipo di formatura.

    Solitamente la formatura manuale richiede una % di acqua superiore rispetto alla formatura a macchina.

Preparazione della terra da fonderia

preparazione terra da fonderia

Questi materiali sono miscelati all’interno di molazze per il tempo impostato, quindi scaricati sui nastri trasportatori che porteranno la terra all’impianto per la formatura delle staffe.

La molazza è una vasca metallica dove ruotano due pale montate su un cilindro rotante posto nell’asse centrale della vasca, anch’essa rorante e dotata di un rasatore sul fondo della vasca.

La terra immessa nella vasca dall’alto tramite nastri trasportatori viene energicamente pressata, mescolata e umidificata con acqua.

I tempi di molazzatura dovranno essere tali da consentire un’adeguata e omogenea miscelazione della bentonite e dell’acqua con la sabbia silicea.

Alla fine della molazzatura la terra viene scaricata lateralmente su nastri trasportatori per raggiungere la zona di formatura.

Oltre a consentire un miglior controllo della qualità di produzione, la macchina consente anche un miglioramento delle performance ambientali.

Controlli sulle terre da fonderia

I controlli che normalmente vengono eseguiti si basano sull’analisi delle caratteristiche chimico-fisiche della terra prima del suo utilizzo per realizzare le forme transitorie dove verrà introdotto il metallo fuso.

Per ovviare a scarti di produzione dovuti alla bassa qualità della terra si devono eseguire test prima dello scarico della molazza e dopo lo scarico della molazza.

Il controllo del campione di terra si suddivide in:

  • Caratteristiche tecnologiche (umidità, compattabilità, resistenza al taglio longitudinale a verde ecc.).
  • Analisi chimico-fisica (perdita alla calcinazione, perdita al lavaggio argilla attiva).
  • Analisi granulometrica dello scheletro siliceo (controllo con setacci di varie misure).

Come determinare l’umidità

Si introduce un campione di 20 g di terra o sabbia a verde in una stufa riscaldata a 110°C.

Dopo l’essiccamento, si effettua la pesata sul campione che è stato lasciato raffreddare nell’essiccatore fino alla temperatura ambiente.

Il contenuto di umidità è dato dalla differenza delle due pesate prima e dopo l’essiccazione, espresso in percentuale rispetto alla massa del campione originario.

L’interpretazione delle prove sulla sabbia da fonderia vengono eseguite per:

  • Collaudare ovvero verificare se la terra ha le caratteristiche richieste.
  • Mantenere o correggere le percentuali dei prodotti che la costituiscono.
  • Diagnosticare alcune problematiche sorte o che potrebbero sorgere nel caso di utilizzo della terra non buona.

Una volta raggiunta la solidificazione completa del getto di alluminio, la staffa viene posata sul distaffatore per separare la sabbia dalla staffa ed estrarre il getto di alluminio.

La sabbia viene recuperata tramite nastri trasportatori posti al di sotto del distaffatore che la convoglieranno nei silos di stoccaggio per il raffreddamento e per il prossimo utilizzo.

Alluminio tra storia, trasformazione e utilizzo

La storia dell’alluminio

L’alluminio viene identificato per la prima volta nel 1807 nell’allume dallo scienziato inglese Humphry Davy, che ipotizzò che l’”alum” fosse il sale di un metallo ancora sconosciuto a cui diede il nome di “alumium”, successivamente modificato in “aluminium”.

Solo nel 1825 il fisico danese Hans Cristian Oersted riuscì a produrre alcune gocce di alluminio, e fu un suo discepolo tedesco Freidirich Wohler a dimostrare molte delle proprietà del metallo.

Agli inizi del XIX secolo l’alluminio era considerato più prezioso dell’oro ed ebbe un breve successo in gioielleria e nella posateria.

Napoleone III riservava un servizio da tavola in alluminio per gli ospiti più importanti. Gli altri dovevano accontentarsi di posate d’oro.

Le sue proprietà meravigliarono già nel 1857 lo scrittore Charles Dickens che scriveva:

“Cosa ne pensate di un metallo bianco come l’argento, inalterabile come l’oro, di facile fusione come il rame, duro come l’acciaio, che è malleabile, duttile e che ha la singolare proprietà di essere più luminoso del vetro?
Tale metallo esiste e in considerevoli quantità sulla superficie terrestre”.

Composizione dell’alluminio

È presente in numerosi minerali ed in natura è sempre combinato con altri elementi come silicio, zolfo e ossigeno. L’alluminio è il terzo elemento più diffuso nella crosta terrestre (8,2%), dopo ossigeno (45,5%) e silicio (25,8%).

Viene identificato con il simbolo chimico “Al”.

Il minerale con il più alto contenuto di alluminio è la bauxite, un’argilla granulosa o rocciosa con colori che vanno dal grigio al rossastro ed è un miscuglio risultante da processi di alterazione di rocce e gessi contenenti idrossido di alluminio.

La bauxite prende il suo nome da Les Baux, una cittadina francese situata sui Pirenei, dove venne identificata per la prima volta.

L’alluminio ha poco più di cento anni, ciò nonostante è da considerarsi un metallo “recente” se paragonato al ferro e all’acciaio che hanno segnato le tappe fondamentali della civilizzazione dell’uomo e soprattutto della rivoluzione industriale.

L’alluminio è riuscito in poco tempo ad imporsi nella società industriale portandosi al secondo posto dopo l’acciaio.

Dove si trovano i principali paesi estrattori di bauxite:

  • Cina
  • India
  • Russia
  • Australia
  • Canada
  • Brasile
  • Stati Uniti
  • Francia

Oggi l’alluminio è spinto da una crescente domanda in Cina, seguita da Medio Oriente e India.

L’alluminio primario (dalla natura)

Come accennato in precedenza, l’alluminio si trova in natura all’interno della bauxite, un’argilla granulosa o rocciosa situata in cave a cielo aperto, che contiene una quantità di allumina che varia dal 30 al 55% mentre la restante parte che la compone è formata principalmente da silice (ovvero biossido di silicio, SiO2), ossidi di ferro e diossido di titanio.

L’allumina o ossido di alluminio (Al2O3) è la materia prima chiave per la produzione di alluminio e si presenta sotto forma di una polvere bianca.

Per l’estrazione di allumina dalla Bauxite si utilizza il Processo Bayer. 

Ideato nel 1887 da Karl Bayer questo processo si suddivide in tre fasi:

  • Fase di digestione: in un bagno della bauxite all’interno di una soluzione di idrossido di sodio ad una temperatura attorno ai 175°C. Questa operazione converte l’allumina in Al(OH)4-.

Gli altri componenti della bauxite non possono essere dissolti nel bagno idrossilico; vengono perciò filtrati e scartati quali impurità solide prendendo il nome di Fango Rosso, che presenta seri problemi di smaltimento.

  • Fase di precipitazione: in questa fase il bagno idrossilico viene raffreddato, consentendo all’idrossido di alluminio di precipitare sotto forma di solidi bianco.

  • Fase di calcinazione: a questo punto l’idrossido di alluminio viene scaldato ad una temperatura che supera i 1000°C e qui inizia la decomposizione chimica in Allumina.

Una volta ottenuta l’allumina, questa viene trasferita agli impianti di riduzione chiamati Smelters, solitamente situati vicino alle cave di estrazione. 

Estrazione dell’alluminio

Estrazione dell’alluminio dall’allumina tramite il processo elettrolitico Hall-Hèroult 

L’atomo di alluminio nell’allumina è legato all’ossigeno e deve essere scisso mediante elettrolisi per ottenere il metallo.

Questo processo avviene in grandi linee di produzione e richiede molta energia e di conseguenza molta elettricità. 

È nel 1886, quando l’elettricità è resa più accessibile con la dinamo, che il francese Paul-Louis Toussaint Héroult, e l’americano Charles Martin Hall brevettano, all’insaputa l’uno dell’altro, un processo di produzione, ancora attuale, che sfrutta l’elettrolisi

Grazie alla loro scoperta, l’alluminio, inizia a essere prodotto in grandi quantitativi che ne abbattono i costi e lo trasformano in uno dei metalli più usati al mondo. 

La trasformazione di allumina in alluminio liquido avviene alla temperatura di 950°C in un bagno fluorinato, attraversato da una corrente elettrica ad alta intensità.  

Il processo elettrolitico avviene nelle celle elettrolitiche dove i catodi di carbonio formano il fondo della cella e della e agiscono come elettrodi negativi. 

Con tale procedimento si ottiene una miscela liquida omogenea fin da 940÷980 °C.

Il catodo (negativo) è costituito da uno strato uniforme di carbone che ricopre il fondo della cella, l’anodo (positivo) da barre di carbone immerse nella miscela liquida. 

Al passaggio della corrente continua, al catodo avviene la formazione di alluminio metallico.

Il metallo è poi solidificato in pani con impresso il grado di purezza, cioè il titolo, che è compreso tra il 99,0% e il 99,7%.

Al polo positivo si forma ossigeno gassoso che reagisce con il carbone delle barre, consumandole.

Si sviluppano ossido, anidride carbonica e calore che contribuisce a mantenere alta la temperatura della miscela. 

L’alluminio secondario (da riciclo)

L’alluminio ottenuto attraverso il riciclo dei rottami rappresenta un vantaggio non solo in termini economici, ma anche in termini ambientali. 

Infatti i rottami di alluminio derivano dalla raccolta di tutti gli scarti di produzione che, anziché essere considerati rifiuti, divengono una preziosa materia prima completamente riutilizzabile, permettendo il risparmio di risorse naturali e l’eliminazione dei rifiuti solidi.

L’alluminio può essere utilizzato ripetutamente senza comprometterne la qualità, garantendo quindi un risparmio di energia, è un materiale che non viene consumato ma semplicemente utilizzato per l’intera durata del servizio di un prodotto.

Dalla riconversione dei rottami, che sarebbero destinati ad accrescere il pericoloso degrado della natura, si determina la produzione di alluminio secondario con ottime proprietà metallurgiche

Una volta raccolto il materiale viene classificato e verificato nella corrispondenza di standard internazionali prefissati. 

Al fine di garantire la qualità del prodotto le raffinerie, durante tutto il processo di trasformazione e alla fine del ciclo, con l’utilizzo d’impianto specifici altamente sofisticati e tecnologicamente all’avanguardia ne garantiscono la qualità classificandoli in leghe di alluminio in base alle percentuali chimiche dei materiali contenuti.

L’alluminio secondario è impiegato da numerosissime aziende per la fabbricazione dei più svariati materiali di basso, medio e largo consumo.

Proprietà dell’alluminio

Leggerezza: Le ottime caratteristiche fisico meccaniche, legate al minor peso a parità di volume, hanno consentito alle leghe di alluminio di sostituire in gran parte l’utilizzo dei materiali ferrosi.

A parità di volume l’alluminio pesa 2,70 kg/dm3, pari un terzo dell’acciaio (7,9 kg/dm3) e del rame (8,93 kg/dm3).

Resistenza alla corrosione: Quando l’alluminio viene esposto all’aria e all’umidità si forma uno strato di ossido che protegge la superficie da ulteriore ossidazione.

Questo strato di ossido autoprotettivo conferisce all’alluminio la resistenza che ha contro il deterioramento dovuto agli agenti atmosferici o alle atmosfere industriali. 

Essendo resistente agli agenti atmosferici, è particolarmente ideale per la fabbricazione di parti destinate ad essere esposte in ambienti molto aggressivi e caratterizzati da una forte concentrazione salina, come nell’industria navale.

Conducibilità termica ed elettrica: l’alluminio garantisce una conduttività termica elevata, circa tre volte superiore a quella dell’acciaio; una proprietà che rende l’alluminio un materiale importante sia per il raffreddamento che per il riscaldamento (adatto quindi per gli scambiatori di calore, per esempio).

L’alluminio è un buon conduttore elettrico, secondo solo al rame.

Riciclabilità: l’alluminio può essere riciclato al 100% ed infinite volte senza perdere le sue caratteristiche originali.

 Attualmente il 60% dell’alluminio in circolazione proviene dal riciclo.

Estetica: L’alluminio è il simbolo del design più ricercato del nostro tempo. 

Infatti, beni e oggetti di straordinaria bellezza che possono essere di uso quotidiano, opere d’arte, nel settore della tecnologia o dell’architettura sono fatti di alluminio.

Le applicazioni dell’alluminio

L’alluminio e le sue leghe presentano notevoli proprietà fisico-chimiche, trovano ampia applicazione nella meccanica in generale e nei settori automobilistico, navale, motoristico, strutturale, imballaggi, casalinghi, ecc.

L’alluminio è molto utilizzato anche nel campo dell’oleodinamica, grazie alle particolari caratteristiche di tenuta a pressione per parti di pompe anche complesse, così come nella produzione dei compressori.

Leghe di alluminio: tutto ciò che devi sapere

Le leghe di alluminio non sono tutte uguali, in base ai tipi di alluminio scopriamo insieme le caratteristiche meccaniche, chimiche e fisiche.

Le leghe di alluminio

Tra i principali scopi dell’uomo c’è la continua ricerca di produttività e funzionalità spingendolo sempre più nello studio, nella progettazione e nella realizzazione di qualcosa di nuovo sempre più funzionale per le esigenze del mondo che avanza.

Ha iniziato a modificare i processi produttivi per la sua sopravvivenza partendo dalle coltivazioni e dall’allevamento per massimizzare la produzione, fino ad arrivare ai grandi progressi tecnologici ed industriali degli ultimi 70 anni.

Nonostante l’alluminio sia un materiale giovane (con meno di 200 anni di storia) ha suscitato notevoli interessi e svariati impieghi portando ricercatori e produttori a modificare le caratteristiche chimiche e meccaniche per adattare l’alluminio ai più svariati campi d’impiego così da sfruttare le sue molteplici caratteristiche.

Oggi sul mercato sono disponibili una infinità di leghe di alluminio e altre continuano a nascere per soddisfare le richieste sempre più esigenti.

Ma scegliere la lega più adatta al proprio progetto non è cosa semplice perché a volte dietro alla presunta lega perfetta esistono delle difficoltà nel processo di fusione in fonderia o durante i processi dei vari trattamenti successivi, non ultimo la lavorazione meccanica.

Partiamo dall’inizio…

L’alluminio con purezza pari o superiore al 99% si presenta con limitata resistenza meccanica, buona duttilità, ovvero buona capacità di sopportare deformazioni plastiche, buona conducibilità sia termica che elettrica, eccellente resistenza alla corrosione ed elevata attitudine alla finitura superficiale.

Tutte queste caratteristiche non sarebbero bastate a far raggiungere all’alluminio la sua fama odierna.

L’alluminio raggiunge le sue più grandi performance nel suo utilizzo in fonderia quando viene unito ad altri materiali che vengono chiamati “alliganti” ovvero quando in esso viene disciolto un altro componente chimico, generalmente un metallo, per formare una lega.

Leghe d’alluminio: gli alliganti

La creazione di una lega con un altro metallo cambia le proprietà dell’alluminio, incrementandone la resistenza, la brillantezza, la duttilità, la fluidità e la lavorabilità all’utensile ad esempio.

I principali “alliganti” che vengono uniti all’alluminio per formare le varie leghe sono:

  • il rame (Cu)
  • il magnesio (Mg)
  • il silicio (Si)
  • il manganese (Mn)
  • lo zinco (Zn)
  • il ferro (Fe)

Ognuno di questi materiali, unito all’alluminio, ne conferisce caratteristiche meccanico-fisico che possono soddisfare le più svariate esigenze richieste oggi sul mercato.

Le funzioni dei materiali all’interno della lega

Silicio (Si): E’ il più diffuso legante dell’alluminio migliorando ampiamente le caratteristiche di resistenza e durezza, senza ridurne la duttilità.

La sua presenza diminuisce di poco la resistenza alla corrosione. Le leghe comunemente utilizzate in fonderia hanno contenuti che variano dal 2 al 15%.

Rame (Cu): Aumenta in proporzione alla quantità la resistenza meccanica e la durezza. Migliora la lavorabilità alle macchine utensili.

Diminuisce la resistenza alla corrosione, pur in piccole quantità. In quantità superiori al 12% la lega presenta una spiccata fragilità.

Magnesio (Mg): Conferisce alla lega un buon comportamento alla corrosione, infatti le leghe Al-Mg, in presenza di elementi alcalini o in ambiente marino, hanno caratteristiche anche migliori dell’alluminio puro.

Aumenta la resistenza meccanica e la durezza.

Migliora la lavorabilità alle macchine utensili e la duttilità.

Il magnesio migliora le caratteristiche meccaniche, a fronte di una diminuzione della colabilità della lega e di un aumento della fragilità da ritiro (per aumentarne la colabilità, alle leghe Al-Mg viene aggiunto silicio).

Nelle leghe di alluminio per fonderia la sua quantità può variare tra il 3 e il 10%.

Manganese (Mn): È principalmente impiegato come correttivo nei confronti del ferro, elemento indesiderato, svolgendo la funzione di tampone.

La sua presenza aumenta sensibilmente la tenacità, la duttilità e la resistenza meccanica e quella alla corrosione.

Zinco (Zn): È stato uno dei primi leganti dell’alluminio.

Viene utilizzato per aumentarne la resistenza e la durezza, ma determina una scarsa resistenza alla corrosione a fronte di una buona lavorabilità.

Si è cercato di eliminare tali difetti mantenendone i vantaggi mediante l’aggiunta di altri elementi in leghe complesse (leghe Al-Zn-Mg-Cu).

Ferro (Fe): Benché indesiderato, è sempre presente nelle leghe di Al come impurità. La presenza del ferro in quota dell’1% ha effetti positivi sulla resistenza meccanica.

È l’elemento più dannoso nelle leghe di alluminio in quanto i suoi cristalli provocano una disomogeneità nella sua struttura aumentando la fragilità del metallo e diminuendo notevolmente la resistenza alla corrosione.

Titanio (Ti): Aggiunto solitamente nella lega di alluminio come affinante del grano metallico, riducendolo, rendendo il metallo più compatto.

Il quantitativo è solitamente inferiore al 0,25%.

Stronzio (Sr): l’introduzione nella lega fa sì che si formino particelle di silicio globulari e molto fini aumentandone la tenacità e la lavorabilità.

Riduce la tendenza alla formazione delle cavità da ritiro.

Le principali norme

“Le leghe di alluminio vengono regolamentate da norme Italiane, Europee ed Internazionali”.

UNI EN 1706 è la Norma Europea per la designazione di Alluminio e leghe di alluminio – Getti -Composizione chimica e proprietà meccaniche per le leghe da fonderia approvata il 2 marzo 2020 che sostituisce la UNI EN 1706:2010.

Questa norma specifica i limiti, minimi e massimi, di composizione delle varie leghe di alluminio per getti e le proprietà meccaniche delle provette colate a parte per tali leghe.

Secondo la Direttiva Europea 98/34/CE del 22 giugno 1998: La “norma” è la specifica tecnica approvata da un organismo riconosciuto a svolgere attività normativa per applicazione ripetuta o continua, la cui osservanza non sia obbligatoria e che appartenga ad una delle seguenti categorie:

  • Norma Internazionale indicata con la sigla ISO ( International Organization for Standardization): Identifica tutte le norme elaborate dall’organizzazione internazionale per la standardizzazione.

    Sono norme valide in tutto il mondo.

    Queste norme sono un riferimento applicabile in tutto il mondo.

    Ogni Paese può decidere se rafforzarne ulteriormente il ruolo adottandole come proprie norme nazionali, ad esempio in Italia la sigla diventa UNI ISO;

  • Norma Europea indicata con la sigla (EN): Identifica le norme che vengono approvate dall’Organismo di Normazione Europea (CEN – Comité de Normalisation Européen).

    Le norme EN devono essere obbligatoriamente recepite dai Paesi membri CEN e la loro sigla di riferimento diventa, nel caso dell’Italia, UNI EN.

    Queste norme servono a uniformare la normativa tecnica in tutta Europa, quindi non è consentita l’esistenza a livello nazionale di norme che non siano in armonia con il loro contenuto;

  • Norma Nazionale (UNI) che indica la sigla dell’ Ente Nazionale Italiano di Unificazione che elabora e pubblica norme tecniche per tutti i settori industriali, commerciali e del terziario contraddistingue tutte le norme nazionali italiane e nel caso sia l’unica sigla presente, significa che la norma è stata elaborata direttamente dalle Commissioni UNI o dagli Enti Federati.

L’alluminio verde

Prima di parlare dell’alluminio verde è necessario considerare le conseguenze sull’ambiente della produzione dell’alluminio primario.

Il riscaldamento climatico globale è diventato ormai da alcuni anni il principale nemico del pianeta e dell’umanità.

La temperatura terrestre ha visto un aumento pari a 0,7°C rispetto all’era pre-industriale. 

Proseguendo di questo passo raggiungeremo presto i 2°C di aumento, causando, a detta di scienziati e luminari, esiti drammatici e non più controllabili.

Oggi combattere questo fenomeno è fondamentale e anche i produttori di alluminio intendono partecipare a questa importante partita con il loro miglior giocatore… l’alluminio verde.

Alluminio ecosostenibile

Nuovi processi eco-sostenibili stanno dando vita ad una vera e propria trasformazione mondiale dell’industria dell’alluminio.

Tutti i paesi, principali produttori di alluminio, si sono posti l’obbiettivo di ridurre le emissioni in atmosfera entro il 2050 per combattere il cambiamento climatico.

Produrre alluminio primario, partendo dall’allumina, è una delle attività più inquinanti sul pianeta a causa delle ingenti emissioni di CO2. 

L’industria dell’alluminio primario è responsabile del 4% delle emissioni globali di anidride carbonica. 

Il 70% dell’alluminio primario che oggi viene prodotto nel mondo utilizza fonti di energia non rinnovabili.

Infatti, questo processo energivoro, richiede 37 GJ di energia termica e 58 GJ di elettricità per ogni tonnellata prodotta. 1GJ (Giga Joule) è pari a 1.000.000.000 Joule.

Quindi una tonnellata di alluminio genera emissioni dirette in atmosfera per 3,7 tonnellate di CO2 a cui si aggiungono 8,3 tonnellate di CO2 generate dal consumo elettrico per un totale pari a 12 tonnellate in totale. Circa il 75% di tutte le emissioni di gas serra nell’industria globale dell’alluminio vengono da centrali elettriche alimentate a carbone e a gas che forniscono l’energia agli smelter che sono le industrie che trasformano l’allumina in alluminio.

Definizione di alluminio verde

Per essere definito verde, l’alluminio deve aver generato nel suo processo di trasformazione da allumina ad alluminio una quantità di CO2 inferiore a 4 Tonnellate di CO2 per ogni tonnellata di alluminio prodotta.

Questa quota è di 4/5 volte inferiore rispetto alle emissioni generate da un processo alimentato a carbone e meno della metà rispetto all’alluminio prodotto utilizzando una fonte energetica di gas.

Alcuni produttori oggi stanno utilizzando l’energia  proveniente da impianti idroelettrici oppure da impianti che sfruttano l’energia solare.

Tra i principali richiedenti di alluminio verde ci sono le case automobilistiche soprattutto quelle europee.

Infatti, importanti marchi tedeschi sono in prima linea nell’aumentare le iniziative per rendere più “green” non solo i loro veicoli ma anche il sistema con cui li producono.

Produrre un’auto elettrica produce più CO2  che produrre un’auto con motore a combustione.

Le case automobilistiche, infatti, sono sì interessate a produrre auto elettriche ma queste automobili oltre ad avere bassa o nulla soglia di inquinamento, devono montare componenti a basso contenuto di CO2 emesso durante la loro produzione.

A queste aziende si aggiungono produttori di elettronica, imballaggi, elettrodomestici e aziende nel settore delle costruzioni.

Il mercato dell’alluminio green

I governi vogliono introdurre una tassa sul carbonio per “obbligare” le aziende a de-carbonizzarsi entro il 2050.

Questo obiettivo dovrebbe essere visto dai produttori di alluminio green come una grande possibilità, soprattutto per l’Europa, di sviluppare competenze e know-how producendo in casa materiali e componenti in alluminio che oggi dobbiamo importare da altri paesi. Ecco che si formano le basi per creare un nuovo mercato di alluminio.

Sono già diverse le aziende che producono alluminio verde o a basso contenuto di carbonio e i motivi principali sono fondamentalmente due:

  • Alzare i prezzi dell’alluminio sul mercato.

    Infatti, produrre alluminio verde come abbiamo visto costa di più. 
  • Tenere lontana la concorrenza.

    Oggi paesi come l’India e la Cina producono quantità enormi di alluminio primario ma sul totale di questo quantitativo solo una piccola percentuale, si stima il 10%, è a basso contenuto di carbonio.

    La Cina è il 1° produttore al mondo di alluminio (55% sul totale) ma è anche il suo primo consumatore. 

    I paesi più virtuosi in questa statistica sono Russia, Canada e Sud America.

    L’Europa segue questi paesi a poca distanza.

Cos’è l’Emission Trading Sistem (ETS)?

“Emission Trading Sistem” (ETS) è uno strumento amministrativo utilizzato dall’Europa per controllare l’emissione di inquinanti e gas serra a livello internazionale.

L’ETS limita il numero di emissioni consentite in un dato anno e in un determinato settore di produzione.

Chi “produce” CO2 deve acquistare quote di ETF che non sono altro che crediti di carbonio per produrre le emissioni previste in un anno.

Il loro prezzo è aumentato da 4 €/t nel 2010 a 32 €/T inizio 2021.” 

L’alluminio secondario (da riciclo)

L’alluminio secondario è già alluminio verde… ma il quantitativo di rottami è di gran lunga inferiore rispetto alla domanda del mercato a causa della lunga vita dei prodotti che vengono realizzati, di conseguenza l’alluminio mancante deve essere ottenuto tramite la produzione primaria. 

Più della metà dell’alluminio attualmente prodotto in Europa deriva da materie prime riciclate e questo trend è in crescita con 4 milioni di tonnellate prodotte nel 2020.

Poiché il quantitativo di energia necessario per riciclare l’alluminio è pari a circa il 5% dell’energia consumata per la produzione primaria, visto che le fasi energivore come raffinazione della bauxite e processo elettrolitico dell’allumina per produrre alluminio non sono necessarie, l’alluminio da riciclaggio è già verde.

Dopo la selezione, gli imballaggi in alluminio, prima raccolti poi pressati in balle, vengono avviati a riciclo in fonderia.

Sostanzialmente qui il materiale viene pre-trattato a circa 500°C per essere epurato da vernici o altre sostanze aderenti e poi fuso a 800°C per ottenere alluminio liquido da cui si ottengono lingotti e placche destinate a essere lavorate per la produzione di semilavorati e nuovi manufatti.

I rottami di alluminio vanno classificati in nuovi e usati:

  1. nuovi si intendono i rottami che derivano dalla produzione di alluminio primario o dalla produzione di semilavorati e prodotti finiti in alluminio prima che questo venga venduto all’utilizzatore finale. 

Si parla di rifusione: i rottami nuovi sono utilizzati per produrre leghe di qualità.

  1. Usati derivano dalla raccolta e/o dal trattamento di prodotti contenenti alluminio dopo l’uso da parte dei consumatori, ad esempio parti di automobili, parti di macchinari, serramenti, lattine e imballaggi per citarne alcuni.

In questo caso si parla di raffinazione: si aggiungono alliganti durante il processo di fusione per ottenere la componente richiesta dal prodotto finito.

L’alluminio secondario si equivale al primario anche dopo numerosi cicli di vita.

Il riciclo consente:

  • Recupero di un materiale prezioso
  • Risparmio di energia
  • Riduzione delle emissioni serra
  • Riduzione delle attività estrattive
  • Limita gli oneri di smaltimento

Le incessanti richieste da parte dell’ambiente, dei governi e soprattutto la maggior attenzione dei consumatori finali, spingeranno sempre di più le aziende produttrici e trasformatrici verso la riorganizzazione e l’innovazione del processo produttivo abbassando il valore delle emissioni inquinanti nei prodotti finiti per garantire la salvaguardia dell’ambiente.

Da parecchi anni, la fonderia Eurofondalp utilizza per la propria produzione di fusioni di alluminio in sabbia a verde – meglio conosciute come fusioni in terra – alluminio secondario.

Infatti, circa l’80% delle fusioni prodotte in fonderia è realizzata con questo tipo di alluminio, garantendo un’alta qualità e durata dei prodotti ottenuti e mantenendo l’attenzione puntata verso il rispetto per l’ambiente.