IT201800010025A1 - Procedimento per il trattamento superficiale di metalli mediante bagno chimico. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo: “Procedimento per il trattamento superficiale di metalli mediante bagno chimico”

DESCRIZIONE

Settore tecnico

La presente invenzione si colloca, in generale, nel settore delle lavorazioni su metalli; in particolare, l’invenzione si riferisce a un procedimento per il trattamento superficiale di semilavorati in alluminio, o in lega di alluminio, mediante bagno chimico.

Tecnica nota

È noto l’utilizzo, in campo aeronautico, di procedimenti per il trattamento superficiale di parti metalliche mediante fresatura chimica.

La fresatura chimica è un processo che consiste nel trattare la superficie del componente mediante immersione in una soluzione acquosa di soda caustica, che aggredisce il metallo e ne asporta gli strati superficiali. Con questa tecnica, è possibile generare cavità o contorni a livelli diversi di profondità.

Lo spessore dello strato rimosso dipenderà principalmente dalla velocità di asportazione (variabile in funzione della composizione chimica della soluzione, ovvero della concentrazione di soda), nonché del tempo di permanenza del semilavorato a contatto con la soluzione.

Tali parametri influenzano altresì la finitura superficiale del pezzo trattato. In particolare, maggiore sarà la velocità di asportazione, minore risulterà la qualità della superficie risultante (perché risulterà generalmente inferiore la capacità di controllare il processo di erosione, essendo quest’ultimo troppo rapido).

Specialmente per il trattamento di componenti in alluminio, la velocità di asportazione diviene un parametro critico, insieme al modo in cui il componente interagisce chimicamente con la soluzione corrosiva.

Tuttavia, nel caso della fresatura chimica tradizionale, non è possibile controllare tali fattori in maniera adeguata, né è sufficiente diluire la soluzione, diminuendo semplicemente la concentrazione di soda, perché si otterrebbe comunque un risultato grossolano in termini di finitura superficiale del pezzo.

Di conseguenza, l’incontrollato potere corrosivo della soluzione comporta, da una parte, tassi di asportazione troppo elevati, e dall’altra un deperimento delle proprietà estetiche e meccaniche del pezzo, tale per cui, ad esempio, la fresatura chimica non viene utilizzata per componenti strutturali.

Tali limitazioni, comprensibilmente, pregiudicano la possibilità di estendere questa tecnica ad un novero più ampio di applicazioni, anche per quanto concerne contesti diversi da quello aeronautico (ad esempio, il campo automobilistico).

Sintesi dell’invenzione

Uno scopo della presente invenzione è di ovviare ai suddetti problemi.

Per ottenere tale risultato, un procedimento secondo la presente invenzione impiega una soluzione acquosa di soda caustica in cui sia preventivamente disciolto un determinato quantitativo di alluminio metallico (convenientemente in forma solida), mantenuto in sospensione mediante aggiunta di complessanti, tramite i quali la concentrazione di alluminio in sospensione permane entro un intervallo prestabilito.

L’alluminio in sospensione ha l’effetto di catalizzare la soda, regolandone l’azione aggressiva sul semilavorato da sottoporre a trattamento superficiale. Gli agenti complessanti impediscono la precipitazione dell’alluminio sotto forma di idrossido di alluminio, e consentono alla soluzione di espletare l’azione corrosiva in maniera controllata.

Infatti, si è riscontrato in maniera sorprendente che la presenza in soluzione di una determinata concentrazione di alluminio regola in maniera ottimale la dinamica di asportazione del materiale dalla superficie del semilavorato. In particolare, si è rilevato che questo fattore influenza grandemente la velocità di asportazione (che risulta, come meglio si apprezzerà nel prosieguo della descrizione, mediamente di uno o due ordini di grandezza inferiore, rispetto alla velocità ottenibile con le tradizionali tecniche di fresatura chimica), nonché il conseguente grado di finitura superficiale (di gran lunga migliore rispetto ai pezzi trattati con un processo di fresatura chimica convenzionale).

Con un procedimento secondo l’invenzione, le proprietà meccaniche del materiale non vengono compromesse, ed è pure possibile trattare il semilavorato in maniera perfettamente uniforme, anche quando il componente abbia una forma complessa, o si richieda di eseguire lavorazioni estremamente precise, per esempio per realizzare particolari di piccole dimensioni, e/o su parti del pezzo di difficile accesso.

Inoltre, la resa estetica del pezzo trattato mediante il presente procedimento è pari a quella che si otterrebbe con le tecniche tradizionali di asportazione meccanica, levigatura e lucidatura, ma con costi sensibilmente ridotti. Tra l’altro, l’uniformità della superficie del componente lavorato agevola eventuali operazioni successive di verniciatura e/o saldatura.

Peraltro, è possibile utilizzare agenti complessanti quali gluconati e/o sorbitolo. Tali agenti sono del tutto ecologici e facilmente smaltibili, e il loro utilizzo evita pure che il bagno sprigioni gas tossici, con benefiche ricadute economiche e ambientali.

I suddetti ed altri scopi e vantaggi sono raggiunti, secondo un aspetto dell’invenzione, da un procedimento per il trattamento superficiale di semilavorati in alluminio, o in lega di alluminio, mediante contatto o immersione con una soluzione chimica, avente le caratteristiche definite nella rivendicazione 1. Forme di attuazione preferenziali dell’invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti.

Descrizione dettagliata

Prima di spiegare nel dettaglio una pluralità di forme di attuazione dell’invenzione, va chiarito che l’invenzione non è limitata nella sua applicazione ai dettagli realizzativi presentati nella seguente descrizione o illustrati nei disegni. L’invenzione è in grado di assumere altre forme di attuazione e di essere realizzata praticamente in diversi modi. Si deve anche intendere che la fraseologia e la terminologia hanno scopo descrittivo e non vanno intese come limitative.

Un procedimento per il trattamento di semilavorati in alluminio comprende la fase di predisporre una soluzione acquosa di idrossido di sodio (NaOH) ad una concentrazione compresa tra 70 g/l e 200 g/l e alluminio metallico disciolto ad una concentrazione compresa tra 40 g/l e 150 g/l. Per semilavorato in alluminio si intende un prodotto contenente alluminio (in forma monolitica o legata con altri metalli), in modo che l’alluminio sia aggredibile da tale soluzione.

Alla soluzione viene aggiunto un agente complessante dell’alluminio ad una concentrazione compresa tra 20 g/l a 100g/l.

Il semilavorato viene posto a contatto con la soluzione, per il tempo necessario ad effettuare il trattamento superficiale desiderato. Durante tale periodo, la temperatura di detta soluzione viene mantenuta in un intervallo compreso tra 40°C e 100°C, e la concentrazione di alluminio disciolto in tale soluzione viene mantenuta in un intervallo compreso tra 20 g/l e 180 g/l.

La temperatura influisce sulla velocità di asportazione del materiale, mentre la presenza dell’agente complessante consente di mantenere l’alluminio in soluzione. Si è riscontrato che l’azione combinata della temperatura, mantenuta entro l’intervallo suindicato, e una concentrazione di alluminio disciolto nella soluzione nei valori di cui sopra, produce una finitura superficiale di sorprendente qualità, se raffrontata ai risultati ottenibili mediante le tecniche tradizionali (come si dimostrerà nel seguito).

Preferibilmente, gli agenti complessanti comprendono gluconati e/o sorbitolo. In questo modo, il bagno chimico di trattamento risulterà ecologico e sicuro, dato il mancato sprigionamento di gas tossici.

Convenientemente, le concentrazioni di soda caustica e alluminio sono mantenute negli intervalli desiderati mediante titolazione della soluzione acquosa e aggiunta a tale soluzione di additivi complessanti dell’alluminio in una concentrazione compresa tra 20 g/l a 100g/l. In questo modo, è possibile mantenere nel tempo le concentrazioni di soda e allumino in sospensione nelle giuste proporzioni, evitando la precipitazione di quest’ultimo.

Convenientemente, il contatto tra la soluzione e il semilavorato avviene mediante immersione del semilavorato in una vasca contenente la soluzione.

Può altresì essere prevista la fase di predisporre una mascheratura sul semilavorato, prima del contatto con la soluzione, in modo che quest’ultima aggredisca le sole parti non mascherate del pezzo.

Preferibilmente, le dimensioni e/o lo stato di finitura del semilavorato a contatto con detta soluzione vengono controllati periodicamente, per verificare lo stato di avanzamento della lavorazione, in riferimento al risultato atteso.

Opzionalmente, può essere presente la fase di filtrare la soluzione con un filtro (di per sé noto) configurato in modo tale da catalizzare l’alluminio disciolto e dissociare quest’ultimo dalla soluzione.

Uno dei vantaggi conseguiti, oltre alla migliore resa estetica e alla possibilità di effettuare lavorazioni che non incidono negativamente sulle proprietà meccaniche del materiale, riguarda l’efficace rimozione dell’allumina (Al2O3) che si viene a formare per componenti ricavati mediante fusione, e successiva solidificazione. Infatti, in tecnica nota si ricorre tradizionalmente all’asportazione meccanica dell’allumina, con il risultato di provocare tensioni residue nel componente, e di rendere necessario un ulteriore trattamento termico per la loro rimozione. Un procedimento secondo la presente invenzione permette di evitare questo passaggio, in quanto consente di rimuovere efficacemente l’allumina generata, peraltro in maniera perfettamente uniforme.

Per quel che concerne le fusioni a bassa pressione, per la realizzazione delle quali si ottengono fusioni con sabbia legata ad alluminio, è interessante rilevare come tale sabbia possa essere asportata con assoluta facilità. Lo stesso vale per l’alluminio e le sue leghe.

Inoltre, la capacità di rimuovere piccole quantità di materiale, riducendo lo spessore del componente, rende il procedimento secondo l’invenzione un tipo di lavorazione largamente appetibile in campo automotive, soprattutto nel settore di veicoli sportivi e da competizione, in cui il fattore peso è importante, e difficilmente potrebbe realizzarsi una lavorazione sufficientemente precisa (e che non infici le proprietà meccaniche del pezzo) mediante un comune processo per asportazione di truciolo o di formatura, né ricorrendo alla tradizionale fresatura chimica, che darebbe luogo a risultati troppo grossolani.

Per queste ragioni, attraverso un procedimento secondo la presente invenzione è possibile trattare ad esempio particolari strutturali, che non sarebbero lavorabili correttamente con le tradizionali tecniche di fresatura chimica.

Sono stati descritti diversi aspetti e forme di realizzazione di un procedimento per il trattamento superficiale di semilavorati in alluminio, o in lega di alluminio, mediante bagno chimico, secondo l’invenzione. Si intende che ciascuna forma di realizzazione può essere combinata con qualsiasi altra forma di realizzazione. L’invenzione, inoltre, non è limitata alle forme di realizzazione descritte, ma potrà essere variata entro l’ambito definito dalle rivendicazioni annesse.

Validazione sperimentale dell’invenzione

Sono state effettuate delle prove comparative tra provini in lega di alluminio trattati sia secondo un tradizionale procedimento di fresatura chimica, che secondo un procedimento in accordo alla presente invenzione.

In particolare, i provini sono stati realizzati con la lega di alluminio identificata come lega AL 6014 (Al-Mg-Si).

I provini, ottenuti mediante laminazione, sono stati immersi in una soluzione secondo la presente invenzione, comprendente soda caustica (ad una concentrazione di 70 g/l), alluminio (ad una concentrazione iniziale di 40 g/l), e sorbitolo (ad una concentrazione di 40 g/l), per un tempo totale di 1 ora e 45 minuti, suddivisi per 7 intervalli di 15 minuti ciascuno. Al termine di ciascun intervallo, il provino veniva estratto dalla soluzione per verificare il progresso della lavorazione, e quindi immerso nuovamente per l’intervallo di tempo successivo. Durante l’intera procedura, la temperatura della soluzione è stata mantenuta costante a 50°C, e la concentrazione di alluminio disciolto in tale soluzione è stata mantenuta a 40 g/l.

Nelle suddette condizioni, è stato rilevato un valore di velocità di asportazione compreso in un intervallo tra 0,00124 mm/min e 0,00129 mm/min. Inoltre, il valore della rugosità superficiale del provino, al termine del trattamento, è risultato compreso in un intervallo tra 0,81 µm e 1,02 µm.

Secondo modalità analoghe, provini della stessa lega AL 6014 sono stati immersi in una soluzione di soda caustica ad una concentrazione di 120 g/l, tradizionalmente impiegata nella fresatura chimica di componenti in ambito aeronautico. I risultati della lavorazione, in termini di velocità di asportazione e rugosità superficiale, sono risultati significativamente peggiori, in quanto si è riscontrata una velocità di asportazione compresa tra 0,05 mm/min e 0,12 mm/min, e una rugosità superficiale compresa tra 2,00 µm e 3,80 µm.

I risultati evidenziano come la velocità di asportazione, nel caso di un procedimento secondo la presente invenzione, sia mediamente uno o due ordini di grandezza inferiore, rispetto alla velocità di asportazione ottenibile con le tradizionali tecniche di fresatura chimica. Ciò consente di avere un controllo decisamente maggiore del progresso della lavorazione, e quindi della qualità finale del manufatto. Invero, i risultati dimostrano che sussiste una significativa differenza tra la rugosità superficiale ottenibile mediante un procedimento secondo la presente invenzione, e la finitura ottenibile con una sessione di fresatura chimica tradizionale.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per il trattamento superficiale di semilavorati in alluminio o in lega di alluminio, comprendente le fasi di: a) predisporre una soluzione acquosa di idrossido di sodio (NaOH) in una concentrazione compresa tra 70 g/l e 200 g/l e alluminio metallico disciolto in una concentrazione compresa tra 40 g/l e 150 g/l; b) aggiungere a detta soluzione un agente complessante dell’alluminio in concentrazione compresa tra 20 g/l a 100g/l; c) porre il semilavorato a contatto con la soluzione, per il tempo necessario ad effettuare il trattamento superficiale desiderato; e d) durante la fase (c), mantenere la temperatura di detta soluzione in un intervallo compreso tra 40°C e 100°C, e mantenere la concentrazione di alluminio disciolto in detta soluzione nell’intervallo compreso tra 40 g/l e 150 g/l.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui i complessanti aggiunti nella fase (b) comprendono gluconati e/o sorbitolo.
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui le concentrazioni di soda caustica e alluminio sono mantenute negli intervalli indicati nella fase (a) mediante titolazione della soluzione acquosa e aggiunta a detta soluzione di additivi complessanti dell’alluminio in concentrazione compresa tra 20 g/l a 100g/l.
4. 4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la fase (b) viene attuata mediante immersione del semilavorato in una vasca contenente la soluzione.
5. 5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente la fase di predisporre una mascheratura sul semilavorato, prima del contatto di quest’ultimo con la soluzione.
6. 6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente la fase di controllare periodicamente le dimensioni e/o lo stato di finitura del semilavorato a contatto con detta soluzione.
7. 7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente la fase di filtrare la soluzione con un filtro configurato in modo tale da catalizzare l’alluminio disciolto e dissociare quest’ultimo da detta soluzione.