Caratterizzazione di leghe di alluminio da fonderia per impieghi motoristici

L'alluminio e le sue leghe sono fra i materiali più importanti nell’ambito dell'ingegneria meccanica e trovano spazio in tutti i principali settori dell’industria aerospaziale e motoristica. La loro versatilità è legata principalmente all’elevata resistenza specifica indotta dal trattamento termico, all’ottima resistenza alla corrosione e all’elevata conducibilità elettrica e termica. Purtroppo l’effetto di rinforzo indotto del trattamento termico viene ad essere compromesso nel caso di applicazioni delle leghe a temperature superiori ai 200°C. Negli ultimi anni, al fine di aumentare l’efficienza e la potenza dei motori endotermici, le temperature a cui questi sono sottoposti si sono innalzate. Per tale ragione si stanno sviluppando e studiando leghe che, attraverso l’aggiunta di opportuni elementi, possano mantenere alte proprietà meccaniche anche a temperature superiori ai 200°C. L’obiettivo della presente ricerca è valutare l’influenza della microstruttura sulle proprietà meccaniche in temperatura di due leghe di alluminio per applicazioni in fonderia, C355 e A354, aventi come elementi principali di lega Si, Cu e Mg.

Produzione di compositi a matrice di alluminio con rinforzo particellare nanometrico

Le leghe di alluminio da fonderia rivestono un ruolo fondamentale in ambito industriale e in particolare il settore dei trasporti ha notevolmente incrementato il loro impiego per la realizzazione di componenti strutturali. Al fine di aumentare ulteriormente la resistenza specifica, tali leghe possono essere impiegate come matrici per lo sviluppo di compositi (Metal Matrix Composites, MMCs), le cui fasi di rinforzo possono avere diversa composizione, forma e dimensione. In particolare, nel caso di rinforzo particellare, più le particelle sono piccole e finemente disperse nella matrice, più elevato può essere l’incremento delle prestazioni meccaniche. In quest’ottica, la ricerca ha portato allo sviluppo dapprima di compositi caratterizzati da un rinforzo micrometrico e, in anni recenti, si sta concentrando sul rinforzo nanometrico (Metal Matrix Nano Composites, MMNCs). I nano-compositi possono essere ottenuti attraverso metodologie differenti: tecniche in situ, in cui il rinforzo viene generato all’interno della matrice attraverso opportune reazioni chimiche, e tecniche ex situ, in cui i dispersoidi vengono inseriti nella matrice fusa, una volta già formati. Sebbene l’incremento prestazionale ottenibile da tali materiali sia stato dimostrato, è necessario far fronte ad alcune problematiche connesse a ciascuna tecnologia produttiva quali, ad esempio, il controllo dei parametri di processo, per quanto riguarda le tecniche in situ, e l’ottenimento di una efficace dispersione delle nano-particelle all’interno della matrice, nel caso delle metodologie ex-situ. Lo scopo della presente attività di tesi è lo studio di fattibilità, basato anche su un’ampia indagine bibliografica, e l’implementazione di metodologie produttive, su scala di laboratorio, volte allo sviluppo di MMNCs a matrice in lega di alluminio (A356, Al-Si-Mg). L’interesse è stato posto in primo luogo sul processo in situ di gas bubbling, mirato all’ottenimento di rinforzo d’allumina, indotto dalla reazione tra matrice metallica e gas ossidante (in questo caso aria secca industriale). In secondo luogo, dal punto di vista delle tecniche ex situ, è stato approfondito l’aspetto della dispersione delle particelle di rinforzo nel fuso, prestando particolare attenzione alla tecnica di trattamento ultrasonico del metallo.

Valutazione dell'effetto del mezzo temprante sulle tensioni residue e proprieta meccaniche della lega di alluminio Al-Si7-Mg

L’alluminio, grazie alla sua bassa temperatura di fusione e all’elevata fluidità di molte leghe, è uno dei metalli più versatili in fonderia. Per ottenere il massimo delle proprietà resistenziali, le leghe che lo permettono sono sottoposte a trattamento termico. Questo, però, in componenti geometricamente complessi può far insorgere tensioni residue che inficeranno la resistenza del materiale durante la sua messa in esercizio. Gli obiettivi della presente ricerca sono stati: la valutazione dell’incidenza del mezzo temprante usato durante il trattamento termico sulle tensioni residue che si sviluppano nella lega AlSi7Mg e la definizione di come questo potesse essere modificato per ridurre le tensioni senza peggiorare le proprietà resistenziali del materiale. Per tale ragione sono state eseguite prove di trattamento termico, analisi microstrutturali e test di durezza su campioni estratti direttamente da getti colati in sabbia.

Analisi del processo di estrusione di leghe leggere con il software Qform: validazione e previsione della microstruttura

Il gruppo di tecnologie e sistemi di lavorazione del Dipartimento di Ingegneria Industriale, D.I.N, dell’Università di Bologna ha compiuto in collaborazione con il Dipartimento IUL della TU di Dortmund, negli ultimi anni, due campagne sperimentali effettuando processi di estrusione di leghe di alluminio. Nella prima, utilizzando leghe AA6060 e il metodo della visioplasticità, sono stati raccolti dati volti a ricavare le condizioni di attrito di tali processi, tramite confronto con valori ottenuti in simulazioni agli elementi finiti. Nella seconda, utilizzando invece una lega AA6082, è stata valutata la microstruttura al fine di permettere, tramite programmi agli elementi finiti, la determinazione di correlazioni fra variabili che prevedano la dimensione della microstruttura della lega stessa a seguito di lavorazioni per deformazione plastica. Basandosi quindi su queste prove sperimentali e utilizzando il software “QuantorForm versione 7.2.4”, è stato svolto il lavoro di tesi finalizzato a conseguire i seguenti obiettivi: • individuare il modello di attrito che si sviluppa nei processi di estrusione analizzati per la lega di alluminio AA6060; • determinare i parametri di settaggio ottimale del software, confrontando i risultati ottenuti nelle simulazioni con quelli sperimentali; • determinare le curve che descrivono la dimensione di un grano cristallino di AA6082 in funzione della deformazione; • implementare come subroutine in Qform, tramite l’utilizzo del linguaggio “Lua”, il modello di microstruttura ottenuto.

Rassegna critica sulla produzione di alluminio secondario

Questo elaborato si pone l’obiettivo di analizzare lo sviluppo, le potenzialità e le problematiche dell’alluminio secondario e di confrontarlo con l’alluminio primario cercando di capire se la soluzione del riciclo possa progressivamente sostituire la produzione a partire dal minerale. Attraverso l’analisi dei fronti energetico, logistico, ambientale ed economico si giunge ad un quadro completo che da la possibilità di evidenziare vantaggi e svantaggi di un investimento nell’ industria produttrice di alluminio primario piuttosto che secondario. Mediante la descrizione delle modalità di pre-trattamento e dei processi di raffinazione del rottame vengono messi in luce i campi che necessitano di ulteriore sviluppo. Risulta quindi possibile avere un quadro complessivo delle due tipologie di produzione e capire il perché del progressivo interesse nel rottame.

Influenza delle condizioni di fornitura sul comportamento meccanico della lega di alluminio EN AW-5052 H39

ABSTRACT Il lavoro di tesi si basa sullo studio commissionato dall’azienda Pelliconi S.p.A di Ozzano dell'Emilia, specializzata nella produzione di tappi metallici per bottiglie. Questi tappi sono prodotti a partire da fogli sottili in lega di alluminio EN AW-5052 H39 e si necessita una ottimizzazione tecnico-economica nel settore della fornitura. L’obiettivo di questa tesi è analizzare le condizioni di fornitura della lega di alluminio EN AW-5052 H39 fornita da tre differenti fornitori (tra cui quello di riferimento) per stabilire quale di essi fornisca la lega più adatta al processo aziendale. L'elaborato è diviso in due parti, una compilativa ed una sperimentale. Nella prima, ci si occupa dei riferimenti normativi riguardanti le proprietà meccaniche delle leghe oggetto dello studio. Nella seconda, si introducono i materiali ed i metodi sperimentali utilizzati e si discutono i risultati ottenuti. A conclusione dello studio, si può affermare che, contrariamente a quanto imposto dalle specifiche aziendali e dalle normative sugli stati metallurgici di fornitura, tutti i laminati forniti mutano le loro proprietà a seguito del processo di laccatura subito dalle lamiere nel ciclo produttivo. Fra i tre fornitori, uno in particolare risulta fornire un materiale particolarmente suscettibile di variazione di proprietà a seguito di tale processo. Le ragioni di tale variazione sono legate alla composizione chimica ed alla microstruttura di questo laminato e dunque alle condizioni di fornitura del produttore.

Studio e sviluppo di tecniche per la produzione di nanocompositi a matrice di alluminio

Foundry aluminum alloys play a fundamental role in several industrial fields, as they are employed in the production of several components in a wide range of applications. Moreover, these alloys can be employed as matrix for the development of Metal Matrix Composites (MMC), whose reinforcing phases may have different composition, shape and dimension. Ceramic particle reinforced MMCs are particular interesting due to their isotropic properties and their high temperature resistance. For this kind of composites, usually, decreasing the size of the reinforcing phase leads to the increase of mechanical properties. For this reason, in the last 30 years, the research has developed micro-reinforced composites at first, characterized by low ductility, and more recently nano-reinforced ones (the so called metal matrix nanocomposite, MMNCs). The nanocomposites can be obtained through several production routes: they can be divided in in-situ techniques, where the reinforcing phase is generated during the composite production through appropriate chemical reactions, and ex situ techniques, where ceramic dispersoids are added to the matrix once already formed. The enhancement in mechanical properties of MMNCs is proved by several studies; nevertheless, it is necessary to address some issues related to each processing route, as the control of process parameters and the effort to obtain an effective dispersion of the nanoparticles in the matrix, which sometimes actually restrict the use of these materials at industrial level. In this work of thesis, a feasibility study and implementation of production processes for Aluminum and AlSi7Mg based-MMNCs was conducted. The attention was focused on the in-situ process of gas bubbling, with the aim to obtain an aluminum oxide reinforcing phase, generated by the chemical reaction between the molten matrix and industrial dry air injected in the melt. Moreover, for what concerns the ex-situ techniques, stir casting process was studied and applied to introduce alumina nanoparticles in the same matrix alloys. The obtained samples were characterized through optical and electronic microscopy, then by micro-hardness tests, in order to evaluate possible improvements in mechanical properties of the materials.

Caratterizzazione tribologica in regime lubrificato di laminati d’alluminio

Il presente elaborato si focalizza sulla tribologia delle leghe di alluminio nell’ambito dei processi di laminazione a freddo. Si analizzano in primo luogo la meccanica sollecitativa, i campi deformativi e le velocità del processo produttivo. Viene descritto dunque il fenomeno dell’attrito e i relativi meccanismi, per poi procedere con la contestualizzazione di tali concetti nell’ambito della tribologia della laminazione. Contestualmente si identificano le caratteristiche e i requisiti dei lubrificanti impiegati in questo settore industriale. Si procede infine con indagini tribologiche di tipo pin-on-disk su diverse tipologie di lubrificanti e in differenti regimi di temperatura. È possibile in questo modo valutare l’effetto dei fluidi lubrificanti sul coefficiente d’attrito e sull’addensamento dei detriti di usura.

Caratterizzazione sperimentale dell'ossido di stronzio per l'assorbimento del diossido di carbonio da correnti gassose ad alta temperatura e considerazioni sulla sua applicazione industriale in processi CCS

Del granulato di ossido di stronzio (anche nella formula carbonato) è stato testato come nuovo possibile materiale di utilizzo per la cattura ad alta temperatura di diossido di carbonio da effluenti gassosi di scarto. Sono stati condotti diversi esperimenti con strumentazioni già preposte, quali test termogravimetrici, microscopia elettronica (SEM) e Xray (XRD). Mentre per la sperimentazione in quantità più rilevanti di materiale è stato costruito un impianto a letto fisso ex novo. Le prove TG hanno evidenziato una capacità media di sorbente parti a circa il 5% in massa di ossido, a temperature tra i 1100°C e i 1200°C, in situazione di regime (dopo numerosi cicli di carb/calc), con una buona conservazione nel tempo delle proprietà adsorbitive, mentre per le prove a letto fisso, si è registrato un calo di valori variabile tra il 3 e il 4%, con un netto miglioramento nel caso di calcinazione in vapore surriscaldato fino al 5%. Il trattamento in vapore ha sortito l’importante effetto di calcinazione del diossido di carbonio dal sorbente, quindi facilmente separabile dal flusso in uscita, misurato tramite cattura in una soluzione di idrossido di bario. Importanti fenomeni di sintering e densificazione hanno portato ad occludere completamente la camera di reazione sviluppando notevoli sovrappressioni interne. Tali fenomeni sono stati approfonditi tramite analisi SEM e XRD. Si è constatato un aumento notevole della grandezza dei granuli in caso di trattamento in vapore con la formazione di legami stabili e con conservazione della porosità. Nel caso di trattamento senza vapore surriscaldato i granuli hanno sinterizzato tramite formazione di legami, ma sempre con conservazione della macroporosità. Il lavoro di tesi è stato inquadrato nel contesto tecnologico al riguardo le tecniche CCS esistenti ed in progetto, con un attento studio bibliografico riguardo lo stato dell’arte, impianti esistenti, costi, metodi di cattura usati, metodologie di trasporto dei gas, metodologie di stoccaggio esistenti e in progetto. Si sono considerati alcuni aspetti economici per sviluppare un modello previsionale di spesa per una possibile applicazione di cattura per un impianto di produzione energetica. Con la progettazione e dimensionamento di un sistema integrato di adsorbimento tramite l’accoppiamento di 2 reattori dedicati ai cicli di carbonatazione e calcinazione del materiale sorbente. Infine si sono considerati gli aspetti salienti dello stoccaggio del diossido di carbonio in reservoir tramite le tecniche di EOR e EGR (Enhanced Oil/Gas Recovery) utilizzando la stessa CO2 come fluido spiazzante degli idrocarburi in posto. Concludendo il lavoro di tesi e di sperimentazione ha contribuito in modo tangibile allo scopo prefissato, andando a caratterizzare un nuovo materiale per la cattura di diossido di carbonio da effluenti gassosi ad alta temperatura, ed andando a verificare un’importante fenomeno rigenerativo non previsto delle capacità sorbitive dei materiali sottoposti a test.

Catalizzatori per la reazione di Water Gas Shift a media ed alta temperatura

L’H2 è un vettore energetico di elevato interesse, utilizzato nell’industria chimica per la produzione di NH3 e CH3OH, oltre che per le reazioni di idrogenazione ed HDS. Un importante processo nella produzione di H2 è la reazione di Water Gas Shift (WGS), usata nel trattamento delle correnti uscenti dal reattore di Steam Reforming (SR) del metano: CO + H2O  CO2 + H2 ∆H0298K = -41,2 KJ/mol. Sulla base di precedenti lavori, sono stati sviluppati nuovi catalizzatori per la reazione WGS ad alta temperatura (HTS), alternativi ai tradizionali sistemi a base di Fe/Cr, in considerazione dei vincoli economici (elevati valori del rapporto vapore/gas secco o S/DG) ed ambientali (formazione di CrVI) di questi sistemi. Partendo da sistemi Cu/Zn/Al con un basso contenuto di rame, ottenuti da precursori tipo idrotalcite (HT), stato studiato l’effetto dell’aggiunta di piccole quantità di alcuni promotori sull’attività e stabilità dei catalizzatori ottenuti, osservando un effetto positivo sulle caratteristiche fisiche, come l’aumento dell’area superficiale e della dispersione della fase attiva. I campioni contenenti i promotori erano inoltre caratterizzati da una maggiore stabilità termica e, in alcuni casi, da un’attività catalitica superiore a quella del catalizzatore di riferimento privo di promotori. L’aggiunta di piccole quantità di alcali alla formulazione con la migliore attività portava ad un ulteriore aumento di attività e di stabilità, attribuibile ad una minore formazione di coke sulla superficie. I sistemi più interessanti potevano operare anche a bassi valori del rapporto S/DG, interessanti dal punto di vista industriale. Lo studio dell’adsorbimento di CO mediante FT-IR ha permesso di ipotizzare la possibile natura della fase attiva nei sistemi. Infine, lo studio è stato esteso a sistemi per la reazione di WGS a media temperatura (MTS), osservando anche in questo caso un positivo effetto legato all’aggiunta di promotori, con un aumento dell’attività catalitica e della stabilità con il tempo di reazione.

Analisi del trasferimento di composti fenolici in campioni non stabilizzati di succo d?uva (vitis vinifera l.) biologico mediante tecniche di macerazione alternative

Il seguente elaborato prende le mosse da un progetto, denominato Nutrid’Uva, promosso e attivamente concretizzato dall’azienda bresciana “Cascina Belmonte” di concerto con il laboratorio del Campus di Scienze Alimentari di Cesena (Università di Bologna). In particolare, si è voluta sperimentare l’applicazione di processi innovativi per la produzione di succo d’uva bio e bevande a base di succo d’uva bio proveniente da uve biologiche coltivate nell’areale della Valténesi (sponda occidentale del Garda), stabilizzati mediante l’uso di alte pressioni idrostatiche e senza trattamento termico. In questi termini, il presente lavoro ha l’obiettivo di: delineare il quadro generale in cui si inserisce il progetto, arricchendolo con spunti tratti dalle pratiche di processo seguite in loco; determinare il contenuto delle classi polifenoliche presenti nei campioni di alcuni succhi sottoposti a differenti tecnologie di macerazione in confronto all’abituale processo di lavorazione aziendale (vitigni ibridi diretti produttori, Barbera, Merlot, Cabernet). Si è proceduto dunque attraverso l’analisi spettrofotometrica delle principali classi di composti fenolici e dell’attività antiossidante.

Il ruolo del substrato di rame nella sintesi di grafene cresciuto per deposizione chimica da fase vapore

La Chemical Vapor Deposition (CVD) permette la crescita di sottili strati di grafene con aree di decine di centimetri quadrati in maniera continua ed uniforme. Questa tecnica utilizza un substrato metallico, solitamente rame, riscaldato oltre i 1000 °C, sulla cui superficie il carbonio cristallizza sotto forma di grafene in un’atmosfera attiva di metano ed idrogeno. Durante la crescita, sulla superficie del rame si decompone il metano utilizzato come sorgente di carbonio. La morfologia e la composizione della superficie del rame diventano quindi elementi critici del processo per garantire la sintesi di grafene di alta qualità e purezza. In questo manoscritto si documenta l’attività sperimentale svolta presso i laboratori dell’Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi del CNR di Bologna sulla caratterizzazione della superficie del substrato di rame utilizzato per la sintesi del grafene per CVD. L’obiettivo di questa attività è stato la caratterizzazione della morfologia superficiale del foglio metallico con misure di rugosità e di dimensione dei grani cristallini, seguendo l’evoluzione di queste caratteristiche durante i passaggi del processo di sintesi. Le misure di rugosità sono state effettuate utilizzando tecniche di profilometria ottica interferometrica, che hanno permesso di misurare l’effetto di livellamento successivo all' introduzione di un etching chimico nel processo consolidato utilizzato presso i laboratori dell’IMM di Bologna. Nell'ultima parte di questo manoscritto si è invece studiato, con tecniche di microscopia ottica ed elettronica a scansione, l’effetto di diverse concentrazioni di argon e idrogeno durante il trattamento termico di annealing del rame sulla riorganizzazione dei suoi grani cristallini. L’analisi preliminare effettuata ha permesso di individuare un intervallo ottimale dei parametri di annealing e di crescita del grafene, suggerendo importanti direzioni per migliorare il processo di sintesi attualmente utilizzato.