SOLUBILITA’ DELL’ IDROGENO

 Solubilità nell’alluminio puro

L’idrogeno e’ l’unico gas con una rilevante solubilità  nell’alluminio fuso. Sfortunatamente e’ facilmente solubile e abbondante, con il risultato che tutto l’alluminio fuso contiene una fastidiosa quantità d’idrogeno.
 Questo gas gioca il ruolo principale nello sviluppo dei difetti dovuti alla porosità dei getti e del considerevole sforzo nel controllare la sua presenza e la conseguente necessità di rimuoverlo.

 La natura del problema idrogeno nell’alluminio,  e’ molto evidente nella FIGURA 1, dove si vede che la solubilità dell’idrogeno ha tre distinte caratteristiche: 

1. Una forte dipendenza dalla temperatura nello stato liquido, implicando che l’aumento                           
   di temperatura aumenta l’idrogeno, infatti, la solubilità dell’idrogeno raddoppia ogni 110* C di aumento di temperatura.
2. Bassa solubilità nell’alluminio solido.
3. Grande variazione della solubilità in corrispondenza del punto di fusione.

Questi due ultimi fattori dimostrano che la grande quantità d’idrogeno presente nel liquido non riesce a dissolversi durante la solidificazione e raffreddamento. L’idrogeno accumulato nel liquido causa la formazione di porosità.

Solubilità nelle leghe d’alluminio

L’aggiunta di elementi nell’alluminio cambia la solubilità dell’idrogeno. Alcuni elementi come il silicio, zinco, rame e manganese diminuiscono la solubilità, così come magnesio, titanio, nichel e litio la incrementano

Nella FIGURA 2 vediamo la solubilità per le leghe 356 e 319.

 Sorgente d’idrogeno
 

La maggior parte d’idrogeno presente nell’alluminio, deriva dalla reazione del vapore acqueo sulla superficie dell’alluminio secondo la reazione: 

         2Al + 3H2O ----> Al2O3 + 6H 

Questa reazione e’ molto presente alle temperature operative di fonderia ed evidenzia che tutto il vapore acqueo che viene in contatto con l’alluminio liquido partecipa a questa reazione. Lo strato di ossido (pelle) che si forma sopra i bagni protegge in parte da questa reazione. E’ importante notare che, intorno a 930* C il film di ossido perde la sua natura protettiva e il vapore acqueo può penetrare fino al metallo sottostante. Sebbene questa temperatura sia lontana dalle normali temperature di fusione, sarà importante evitare che, alcune zone della superficie raggiungano questi valori (per esempio durante la fusione).

 L’Atmosfera

L’atmosfera e’ una delle più importanti fonti di vapore acqueo. Per esempio l’aria a 26* C e 65 % di umidità relativa, contiene almeno 16 g/m3 di acqua.

 Flussi

I flussi di fonderia sono sali igroscopici che assorbono acqua dall’atmosfera. Aggiunti al metallo, causano un notevole incremento di gas. I flussi dovranno essere stoccati in sicurezza e preriscaldati a circa 100* C per evitare che assorbano acqua. Questi riassorbono acqua, pertanto dovranno essere usati subito dopo il preriscaldo. Alcuni flussi contengono acqua di cristallizzazione contenuta all’interno dei propri cristalli. In questo caso e’ molto più difficile rimuovere l’umidità’ e si arriva a riscaldarli a 200* C e oltre.

 Crogioli

I crogioli nuovi contengono sempre umidità. L’alluminio fuso in un crogiolo nuovo, e’ sempre più gasato di quello fuso in un crogiolo vecchio. Si raccomanda, infatti, un adeguato preriscaldo.

 Combustibile

Il prodotto della combustione contiene da 10 % a 20 % di vapore acqueo. Il gas naturale produce più di 2 m3 di vapore acqueo per ogni metro cubo di gas bruciato. Per ridurre l’idrogeno sviluppato da questa sorgente, si raccomanda una regolazione della fiamma leggermente ossidante.

 Refrattari

Come i crogioli, i refrattari nuovi contengono umidità.

 Attrezzi di fonderia

Gli attrezzi in genere come canali tazze se non sufficientemente preriscaldati, sono un’importante fonte d’idrogeno.

 Un metodo per calcolare indirettamente il livello d’idrogeno e’ dato dalla seguente formula:

                                              ml H2/100 g di Al = 100 (1/Ds – 1/Dt)

                                             dove       Ds = densità del campione

                                                             Dt = densità teorica della lega 

Ds = colare un campione e calcolare la densità mediante il principio di Archimede.

Dt = calcolare la densità matematicamente utilizzando l’analisi chimica della lega, oppure misurare la densità con lo stesso principio di Archimede dopo un perfetto degasaggio.
 

DEGASAGGIO DELLE LEGHE DI ALLUMINIO FUSO 

Vediamo quali sono i metodi per rimuovere l’idrogeno dalle leghe d’alluminio liquido.

Le tecniche di degasaggio dipendono dal livello d’idrogeno consentito nella propria produzione. In alcune applicazioni, come nelle fusioni aerospaziali, le proprietà meccaniche devono essere tassativamente garantite. I costi del metallo sono soltanto una piccolissima parte rispetto al valore finale della fusione.

Con altre produzioni, come molte fusioni commerciali, la normale porosità dispersa non crea problemi. E’ soggettivo quindi stabilire il livello d’idrogeno consentito.

 Metodi

Esistono diversi processi per degasare l’alluminio e le sue leghe che possono essere riassunti in tre metodi:

·        Degasaggio naturale.

·        Degasaggio mediante gas inerte o reattivo.

·        Degasaggio sottovuoto.

Degasaggio naturale

Un bagno d’alluminio liquido perderà idrogeno se e’ molto gasato.

Questo metodo e’ molto lento e richiede qualche ora per avere un risultato rilevante. E’ certamente troppo lento perché sia praticato con regolarità. Il degasaggio naturale e’ possibile se le temperature sono basse e se l’atmosfera sopra il bagno e’ secca.

Degasaggio sottovuoto

L’eliminazione della pressione atmosferica sopra il metallo favorisce la formazione di bolle d’idrogeno che sono rimosse attraverso una pompa. I tempi sono ragionevoli e possono essere accorciati insufflando contemporaneamente azoto nel metallo attraverso un tubo.

 Degasaggio con gas

Questo e’ il trattamento con gas inerte, gas reattivo o una combinazione di questi.

La differenza tra le varie tecniche, risiede nel tipo di gas, come è introdotto e come si formano le bolle. L’efficacia dipende dal tipo di bolla che a sua volta dipende da come si forma nel metallo. L’efficacia, inoltre dipende dal tipo di gas usato. Naturalmente i gas dovranno essere esenti da vapore acqueo o essi introdurranno idrogeno nel metallo. Di solito si usa azoto o argon anidri(secchi).
 

Nelle foto sopra, si vede la diversa dispersione del gas di trattamento ottenuta con un semplice tubo e con un sistema ruotante e diffusore appositamente studiato. Il rotore introduce il gas di trattamento sottoforma di piccole bolle che sono disperse uniformemente nella massa di metallo. Le tante piccole bolle sono vicinissime tra loro e gli atomi d’idrogeno vengono facilmente in contatto con esse. Le piccole bolle, inoltre, risalgono in superficie più lentamente di quelle grandi con la conseguenza che avranno un tempo di contatto più lungo con il metallo durante il quale possono assorbire l’idrogeno. La giusta dimensione delle bolle si ottiene variando la velocità di rotazione dell’asta in funzione di risultati ottenuti durante la fase di collaudo in fonderia. Questa velocità varia secondo il tipo di lega, della quantità di metallo da trattare e della forma del crogiolo o siviera.

Dei vari modi per introdurre agenti degasanti, questo e’, indubbiamente il più efficace.

Una discreta riduzione delle dimensioni delle bolle, si ottiene mediante l’utilizzo di setti porosi. Con questo metodo, il volume del metallo che viene in contatto con il gas, e’ abbastanza limitato e localizzato solo in prossimità dei setti porosi stessi.
 

Metodo di aggiunta d’idrogeno

In alcuni casi e’ necessario aggiungere idrogeno nel metallo per ottenere una micro porosità diffusa che evita i macro ritiri. Questo processo si attua nel caso in cui il degasaggio ha ridotto troppo il contenuto d’idrogeno.