L’idrogeno è l’unico gas con un’apprezzabile solubilità nell’alluminio liquido. Tuttavia, ha una bassa solubilità nell’alluminio solido. Pertanto, durante solidificazione verrà rigettato sul fronte di solidificazione, accumulandosi tra i rami delle dendriti e dando origine a porosità. L’aggiunta di elementi in lega nell’alluminio cambia la solubilità dell’idrogeno. Alcuni elementi, quali silicio, zinco, rame e manganese, la diminuiscono, altri, invece, come magnesio, titanio, nichel e litio, la aumentano. La forma della curva, però, non cambia (Figura 1). Le porosità da idrogeno, quindi, si concentrano maggiormente nelle zone che solidificano per ultime, quali i montanti, le materozze o le zone del getto ad elevato spessore. Va comunque sottolineato che se la quantità di idrogeno in lega è eccessiva, tutto il getto sarà interessato dalla presenza di difetti, compresa la zona corticale e sub-corticale, apparentemente sana. L’asportazione di tale strato di metallo a seguito delle necessarie lavorazioni meccaniche di finitura può rendere visibili questi difetti. In alcuni casi, quando il difetto è minimo ed è più una questione estetica che funzionale, i getti possono essere recuperati mediante stuccatura, ma nei casi più gravi l’unica soluzione è lo scarto definitivo, con conseguente aggravio dei costi. Normalmente le porosità da idrogeno hanno una morfologia tondeggiante a seguito della pressione interna dovuta al gas (Figura 2) e sono molto piccole (microporosità). Sebbene meno pericolose di quelle da ritiro, che hanno una morfologia più frastagliata, un’eccessiva presenza di cavità da gas non influenza solo
la qualità estetica del componente, ma riduce la resistenza meccanica, all’urto, alla corrosione e a fatica.
Le possibili cause delle porosità da idrogeno
Una prima causa dell’aumento del tenore di idrogeno nelle leghe di Al può essere l’ambiente esterno. L’atmosfera contiene umidità ed è la principale fonte di idrogeno, soprattutto in estate. Pertanto, nell’arco della produzione di serie di un componente, in funzione delle condizioni ambientali (ad esempio, una giornata particolarmente umida e piovosa) la qualità del bagno metallico in termini di tenore di idrogeno può cambiare notevolmente. A titolo di esempio in Figura 3 è riportato uno studio che mostra il monitoraggio del tenore di idrogeno in una settimana caratterizzata da una giornata particolarmente umida. La maggior parte dell’idrogeno disciolto in soluzione, infatti, ha origine dalla dissociazione del vapore acqueo in corrispondenza della superficie del ba- gno di lega liquida. La reazione è la seguente:
2Al+3H2O → Al2O3+6H
L’ossigeno genera ossidi che verranno eliminati attraverso la scorifica, ma l’idrogeno viene assorbito dal bagno. Inoltre, all’aumentare della temperatura della lega, la solubilità dell’idrogeno aumenta. Nello specifico, raddoppia ogni 110 °C e superati i 930 °C la pellicola di ossido perde la sua natura protettiva, consentendo al vapore acqueo di penetrare fino al metallo sottostante. Tale temperatura è ben lontana dalle normali condizioni di lavoro ma è importante che anche solo localmente non si raggiunga mai questo valore, per esempio durante la fusione o in prossimità dei bruciatori. Anche i prodotti di combustione contengono dal 10 al 20% di vapore acqueo. Per questo motivo, al fine di ridurre l’idrogeno sviluppato da questa sorgente, si raccomanda l’utilizzo di una fiamma leggermente ossidante.
Un’altra possibile causa è da ricercarsi nell’errata taratura dei bruciatori a fiamma piatta: l’eccessiva presenza di aria nella miscela comburente può infatti favorire l’assorbimento di idrogeno. Tale causa, in ogni caso, risulta poco frequente poiché i bruciatori vengono tarati direttamente in azienda e affinché l’assorbimento di gas risulti considerevole, la staratura deve essere davvero eccessiva [3]. I bruciatori, però, possono influenzare negativamente la qualità della lega quando vengono chiamati a operare con una potenza eccessiva. Questo può accadere nel momento in cui non venga effettuata un’adeguata pulizia del metallo all’interno del bacino di raccolta del forno fusorio. Infatti, lo strato di scoria che ricopre la lega la protegge dal contatto diretto con l’atmosfera del forno, ma quando il suo spessore diventa considerevole funge da isolante termico. Di conseguenza, la termocoppia posizionata nel bacino di attesa rileverà una temperatura della lega più bassa di quella effettiva, chiamando il bruciatore a incrementare il riscaldo. Raggiunta una temperatura molto elevata, la scoria cederà calore alla lega sottostante, portandone la temperatura a valori molto alti, favorendo così l’assorbimento di idrogeno. A questo proposito, si consiglia la scorifica del metallo contenuto nei forni fusori da un minimo di una fino anche a tre volte al giorno in funzione della frequenza di spillaggio.
Di fondamentale importanza è anche la pulizia delle pareti dei forni dal corindone, siano essi fusori o di attesa. Infatti, uno strato eccessivo di corindone riduce l’irraggiamento delle pareti, pregiudicando il corretto scambio termico tra fiamma e lega. In tale condizione, la termocoppia registrerà una temperatura inferiore a quella effettiva e la conseguente accensione del bruciatore eleverà drasticamente la temperatura della lega. Un fatto che potrebbe verificarsi nel caso dei forni di attesa è che sebbene la lega in siviera presenti una buona qualità, non appena si troverà nel bacino interno, nelle condizioni del forno appena descritte, tenderà ad assorbire una notevole quantità di idrogeno [3]. Per tale motivo è consigliata la rimozione settimanale del corindone dalle pareti dei forni. Restando all’interno dell’ambito fusorio, i forni nuovi e, più in generale, i rivestimenti refrattari nuovi, contengono sempre umidità. Per tale motivo è importante preriscaldare i forni nuovi o quelli rimasti inattivi per diversi giorni.
Per quanto riguarda i sali utilizzati per i trattamenti di igiene metallurgica, se non vengono stoccati adeguatamente sono una possibile fonte di umidità, data la loro natura igroscopica. Per questo se ne consiglia lo stoccaggio in un ambiente asciutto, come ad esempio nelle vicinanze dei forni fusori.
Un’altra causa della presenza di idrogeno in lega è da ricercarsi nell’utilizzo di carica umida o parzialmente corrosa. La presenza in lega di elementi inquinanti, quali ferro, cromo, zinco, piombo, rame e nichel, solitamente presenti nelle leghe secondarie, può favorire una veloce ossidazione superficiale dei lingotti, anche dopo brevi periodi di stoccaggio in ambienti umidi. Una volta che i lingotti vengono a contatto con la lega liquida, lo strato ossidato si decompone apportando idrogeno al bagno secondo la seguente reazione:
Al(OH)3(s) +Al → Al2O(3(s))+3H
Pertanto, si consiglia sempre il preriscaldo della carica prima di procedere con la fusione. In questo modo si eviterà anche il verificarsi di improvvise esplosioni che potrebbero compromettere l’incolumità degli operatori, oltre che la durata delle attrezzature. È altresì consigliato il preriscaldo di tutti gli attrezzi da fonderia, quali mestoli, canaline, tazze, siviere e degasatori.
Va poi posta particolare attenzione al trattamento di modifica del Si eutettico con il sodio in quanto, per effetto dell’elevata tensione di vapore, l’aggiunta nel bagno di tale elemento dà origine alla formazione di bolle gassose [3]. Di conseguenza, leghe modificate con sodio necessiteranno di un degasaggio più spinto. Tuttavia, la relazione tra l’utilizzo del sodio metallico e lo sviluppo di cavità da gas si manifesta non tanto durante il trattamento di degasaggio, ma quando si aggiunge il sodio direttamente nel forno di mantenimento, e quindi dopo il trattamento di degasaggio. Il sodio, infatti, è un elemento particolarmente evanescente e già dopo 30-40 minuti il tenore all’interno della lega risulta notevolmente ridotto, facendo perdere efficacia al precedente trattamento di modifica eseguito in siviera. L’aggiunta di sodio direttamente nei forni di attesa aggrava la qualità della lega, pertanto tale pratica andrebbe evitata.
La presenza di cavità da gas, però, non è causata solo dall’errata gestione della lega o da un non adeguato trattamento di degasaggio, ma anche dall’utilizzo di anime fredde o di anime contenenti elevati tenori di umidità. Si consigliano dunque lo stoccaggio delle anime in ambienti privi di umidità e il loro preriscaldo a una temperatura di circa 80 °C prima di procedere con l’utilizzo. Fondamentale è anche la corretta progettazione degli sfiati in modo che i gas che si sviluppano all’interno dello stampo, compresi quelli generati dalla reazione tra i leganti delle anime ed il metallo liquido, vengano evacuati correttamente. Per verificare lo sviluppo di gas durante la produzione dei getti si potrebbe misurare il tenore di idrogeno prima e dopo la colata. Quindi verrà effettuata una prima misura del tenore di idrogeno nella lega presente all’interno del forno di mantenimento e, successivamente, verrà effettuata una seconda misura del tenore di idrogeno direttamente all’interno del getto, avendo sempre cura di considerare, però, che il valore ottenuto non tiene conto del solo idrogeno ma anche del ritiro.
