Guida all'anodizzazione dell'alluminio: come la composizione chimica della lega influisce sulle finiture CNC

Qualsiasi pezzo inserito in una vasca di anodizzazione è sottoposto allo stesso processo elettrochimico, indipendentemente dal suo utilizzo. Il fatto che il pezzo in alluminio anodizzato risulti pulito, fragile o essiccabile viene determinato ancora prima che il pezzo raggiunga la linea di produzione. Tutto ciò è definito nel disegno di specificazione della lega, che indica il materiale o il grado di metallo richiesto per il componente. Tali informazioni sono incluse nella distinta base (BOM), nelle note generali o nel cartiglio. Ad esempio, due pezzi immersi in un bagno di anodizzazione, con la stessa corrente e contemporaneamente, possono produrre rivestimenti notevolmente diversi. Ad esempio, se uno è in 7075-T6 e l’altro in 6061-T6, potrebbero presentare variazioni di colore o una discrepanza estetica.

La guida si concentrerà in particolare su tale variabile: in che modo la composizione chimica delle leghe di alluminio influisce sui risultati dell’anodizzazione. Inoltre, ne valuterà l’impatto sui pezzi pressofusi e lavorati con macchine CNC, tenendo conto di caratteristiche quali le tolleranze dimensionali, la scelta della lega e le indicazioni riportate sui disegni tecnici.

Perché lo stesso processo di anodizzazione produce risultati diversi su leghe diverse?

Quando si parla di anodizzazione delle leghe di alluminio, la questione non riguarda la possibilità di sottoporre il materiale a questo trattamento, bensì il suo comportamento durante e dopo il processo. L’anodizzazione produce uno strato di ossido di alluminio sulla superficie dell’alluminio attraverso una reazione elettrochimica, creando una pellicola protettiva resistente conforme a norme tecniche quali la ASTM B580 ^[1]. Se l’alluminio è puro, si ossida in modo pulito e uniforme. Tuttavia, nel caso degli elementi di lega, l’effetto è evidente poiché essi si segregano all’interfaccia metallo-ossido man mano che il film si forma. Ciascun elemento produce effetti strutturali e ottici distinti sullo strato risultante.

Sul materiale in lega contenente 6061 si forma uno strato di ossido uniforme, con spessore e tonalità prevedibili. Le leghe ad alta resistenza con elevato contenuto di rame producono un rivestimento più scuro e non uniforme.

Comprendere questo aspetto aiuta le industrie a determinare in che modo i materiali influenzano i risultati dell'anodizzazione. Ciò consente di stabilire lo scopo del rispetto delle specifiche e come gestire i risultati inattesi.

• Rame: presenta una evidente dominante gialla in una pellicola trasparente di tipo II, anche con un rapporto 1% in peso.
• Zinco: man mano che si deposita sotto lo strato di ossido, assume un colore blu.
• Ferro e manganese: provocano un’alterazione del colore che va dal giallo al brunastrino.
• Silicio: compromette l’uniformità della crescita dell’ossido e produce finiture scure e irregolari, poiché le aree ricche di silicio rimangono incastonate sulla superficie. Ciò avviene a circa 8-9% o oltre; in questi casi non si verifica alcuna conversione in ossido.

Pertanto, due leghe con parametri di anodizzazione simili – tempo, temperature e concentrazione del bagno – darebbero al serbatoio un aspetto completamente diverso.

Confronto tra i processi di anodizzazione delle leghe di alluminio.

Il confronto tra le leghe di alluminio si riduce spesso a una scelta tra aspetto estetico e resistenza.

Per gli ordini interni di lavorazione CNC nella nostra officina, quando i disegni dei clienti specificano finiture anodizzate ad alta visibilità (rossi, blu e tinte saturate), la progettazione si concentra sull’alloy 6063-T5 O 6061-T6 anziché sul 7075. Lo zinco e il rame presenti nel 7075 diffondono la luce e attenuano la saturazione dei colori anche con tecniche di anodizzazione altamente qualificate.

Perché i modelli 2024 e 7075 risultano più scuri o meno uniformi dopo l’anodizzazione?

L'ossido che si forma durante l'anodizzazione è poroso e il colorante viene assorbito al suo interno, creando colori diversi. Il colore è dovuto agli elementi di lega quali Cu, Zn, Mg e Si, che influenzano il film di ossido di alluminio. Nel caso delle leghe lavorate, la loro percentuale in peso può modificare drasticamente la tonalità dello strato di ossido. Per le leghe fuse, se il contenuto di impurità è troppo elevato, alcuni colori diventano impossibili da ottenere.

Ad esempio, in leghe come la 2024 e la 7075, le impurità producono un colore grigio scuro dopo l’anodizzazione a causa dell’elevato contenuto di rame nella 2024 e dell’elevato contenuto di zinco nella 7075. Le particelle intermetalliche presenti nella lega 2024, ricca di rame, sono più porose e meno uniformi. Pertanto, questa lega è adatta per componenti aerospaziali per i quali è specificata l’anodizzazione con acido cromico di Tipo I anziché di Tipo II. Il Tipo I è spesso il processo preferito per preservare la resistenza alla fatica originale del materiale, grazie alle minori sollecitazioni e alla maggiore tolleranza nei pezzi fusi.

Il tipo III crea una superficie adatta agli ambienti più difficili. Tuttavia, il rivestimento duro di tipo III non viene applicato al rame né a leghe con un contenuto di silicio superiore a 5% o 8%, né a leghe con porosità superiore a 5%.

La lega 7075 è nota per la sua incredibile resistenza, ma il suo contenuto di zinco e rame complica il processo di anodizzazione, causando irregolarità nello strato di ossido. Si distingue nelle applicazioni soggette a forti sollecitazioni che richiedono resistenza, in particolare nei componenti esposti a forte usura, nonché nei materiali militari e strutturali.

Cercare di ottenere colori più chiari con queste leghe è praticamente impossibile. Per una migliore corrispondenza cromatica, le leghe 5052 e 3003 producono uno strato anodizzato più chiaro.

Perché l'A380 e l'ADC12 sono ancora più difficili da anodizzare?

L'A380 e l'ADC12 sono le leghe di alluminio per pressofusione più diffuse, con proprietà simili. L'ADC12 domina i mercati asiatici, mentre l'A380 è predominante in Nord America. L'anodizzazione di queste leghe è difficile e richiede un controllo di processo estremamente rigoroso. Pertanto, la loro anodizzazione è limitata alla protezione funzionale dalla corrosione e alle finiture nere o grigio scuro.

Questo ostacolo deriva dalla loro composizione chimica. Il materiale in alluminio ADC12, ad esempio, presenta un contenuto di silicio compreso tra 9,6% e 12%, che partecipa in misura minima alla reazione.

L'A380 presenta un contenuto di silicio inferiore (7,5%–9,5%) e un contenuto di rame più elevato, compreso tra 3,0% e 4,0%. Pur essendo altamente fluido, difficilmente eguaglia le eccezionali capacità di riempimento della cavità dell'ADC12.  Per questo motivo, è più adatto per garantire proprietà meccaniche superiori.

Quando l’alluminio si ossida, il silicio, un elemento non conduttivo, rimane sotto forma di scaglie o particelle, formando un “rivestimento polveroso” non compatto. Pertanto, i componenti in alluminio pressofuso devono essere anodizzati per garantire la resistenza alla corrosione, e i team di approvvigionamento dovrebbero aspettarsi colori scuri o naturali (non verniciati) quando specificano l’ADC12/A380. Per una finitura verniciata brillante e uniforme, l’alluminio 6061 o 6063 è più affidabile, anche se il costo unitario è più elevato.

In che modo la scelta della lega influisce sulla selezione tra il tipo II e il tipo III?

Una volta specificata l'anodizzazione su un disegno, è probabile che si debba scegliere tra due tipi. Una scelta sbagliata potrebbe comportare una protezione insufficiente o un costo maggiore.

In che modo i programmatori CNC dovrebbero tenere conto dei tolleranze dimensionali?

Poiché ogni lavoro è diverso, i progettisti seguono delle linee guida generali relative ai margini di lavorazione a seconda del processo di produzione utilizzato. I programmatori CNC stabiliscono i margini dimensionali in base alla regola empirica del 50/50 per i pezzi in alluminio sottoposti ad anodizzazione. Ciò significa che durante il processo, lo strato di ossido si espande per una parte pari al 50% del proprio spessore verso il materiale di base, mentre l’altra parte, pari al 50%, si espande verso l’esterno, aggiungendosi alla superficie originale.

Pertanto, per ottenere le dimensioni corrette, il margine per ciascuna superficie dovrebbe essere esattamente pari alla metà dello spessore totale del rivestimento specificato.

In base alla norma MIL-A-8625, l'ordine di acquisto o il disegno del componente specificano il tipo di rivestimento, lo spessore e il metodo di sigillatura.

Specificando l'anodizzazione sul disegno, è possibile scegliere tra due tipi:

Il tipo II presenta uno spessore del rivestimento compreso tra 0,0002 e 0,001 pollici (5–25 µm). Prevede un margine di espansione verso l'esterno per garantire l'accoppiamento più preciso possibile.

Il rivestimento duro di tipo III ha uno spessore totale compreso tra 0,001 e 0,003 pollici (25–75 µm). È necessario tenere conto di questa tolleranza per garantire il corretto accoppiamento di fori, alberi ed elementi di accoppiamento.

Elementi quali fori filettati, sedi dei cuscinetti e fori per perni con fasce di tolleranza inferiori a circa ±0,001 pollici: mascherarli o tapparli prima dell'anodizzazione, oppure lavorarli meccanicamente in seguito.

Come viene indicato l'anodizzazione dell'alluminio su un disegno tecnico?

Un disegno tecnico deve indicare l'anodizzazione dell'alluminio per specificarne le finiture e l'aspetto ed evitare problemi dimensionali.

1. Standard, tipo e classe di anodizzazione: ad esempio Tipo III (rivestimento duro), standard di riferimento come MIL-A-8625, Classe 2 (colorato).
2. Nota sulle dimensioni: verificare se le dimensioni fornite si riferiscono alla fase precedente o successiva all'anodizzazione.
3. Mascheratura e contatti: per aree che richiedono punti di contatto elettrico o interfacce con tolleranze ristrette.
4. Intervallo di spessore del rivestimento in micron o mil.

Conclusione

L'anodizzazione dell'alluminio è un processo efficace per la finitura dei prodotti in alluminio e per migliorarne le prestazioni e l'aspetto estetico. Comprendere questo processo aiuta a fare la scelta migliore per qualsiasi esigenza, poiché offre una varietà di tipi e colori di anodizzazione. Questa guida ti aiuta a prendere decisioni consapevoli per ottenere prodotti in alluminio anodizzato di alta qualità.

I nostri servizi di anodizzazione garantiscono qualità e precisione in ogni progetto, aiutandovi a raggiungere i vostri obiettivi. Per questo motivo, i nostri team tecnici si impegnano a garantire tolleranze precise e risultati di alto livello in ogni occasione.

Riferimento

[1] ASTM International. (2019). ASTM B580-79(2019) Specifiche standard per i rivestimenti di ossido anodico su alluminio. Banca dati delle norme ASTM. https://www.astm.org/b0580-79r19.html