Punto di fusione: cos'è, valori e guida tecnica alla scelta materiali

Il punto di fusione è una delle proprietà più consultate nella scelta di un materiale, ma anche una delle più fraintese. Viene spesso confuso con la temperatura massima di esercizio o con il rammollimento. Inoltre, talvolta si confrontano parametri diversi, come il punto di fusione dei metalli e l’HDT dei polimeri, come se fossero equivalenti.

Comprendere questa grandezza aiuta a scegliere il materiale corretto, prevederne il comportamento durante la lavorazione e progettare in modo più affidabile. In questa guida vedremo che cos’è il punto di fusione, come si misura e quali sono i valori dei principali materiali industriali.

Cos'è il punto di fusione

Il punto di fusione (abbreviato Tm o mp) è la temperatura alla quale un materiale passa dallo stato solido allo stato liquido, a una determinata pressione. Durante il processo assorbe energia sotto forma di calore latente e, nelle sostanze pure, la temperatura resta pressoché costante fino al completamento della fusione.

Nei materiali cristallini puri, come metalli, ghiaccio e sali, questo valore è preciso e riproducibile. L’acqua fonde a 0 °C, l’alluminio puro a circa 660,3 °C e il ferro puro a circa 1.538 °C, alla pressione atmosferica standard.

Nelle leghe metalliche, invece, il passaggio avviene generalmente in un intervallo compreso tra il solidus, che ne indica l’inizio, e il liquidus, oltre il quale il materiale è completamente liquido. Un acciaio al carbonio, per esempio, può iniziare a fondere intorno a 1.425 °C e completare il processo verso 1.530 °C, in base alla composizione.

Per i polimeri la distinzione è più marcata:

• i polimeri semicristallini hanno un punto di fusione definito, corrispondente alla fusione della fase cristallina;
• i polimeri amorfi non hanno un vero punto di fusione: Con l’aumento della temperatura rammolliscono progressivamente e attraversano la temperatura di transizione vetrosa (Tg).

Come si misura il punto di fusione

I metodi di misura variano in base al tipo di materiale.

Metalli e leghe

Per i metalli, la temperatura di fusione può essere determinata mediante analisi termica (curve di riscaldamento e raffreddamento) oppure con la calorimetria differenziale a scansione (DSC). Questa tecnica misura il flusso di calore assorbito dal campione e rileva il picco endotermico associato alla fusione.

Nelle leghe, che fondono generalmente in un intervallo, la DSC consente di individuare la temperatura di solidus (inizio della fusione) e quella di liquidus (fusione completa). Questi valori sono particolarmente importanti nei processi di fonderia, saldatura e trattamento termico.

Polimeri

Per i polimeri semicristallini si utilizza comunemente la DSC, secondo ISO 11357 o ASTM D3418. Il campione viene riscaldato a velocità controllata (tipicamente 10 °C/min) e si registra il picco endotermico prodotto dalla fusione della fase cristallina. La temperatura al vertice del picco viene generalmente indicata come Tm.

Per valutare il comportamento dei polimeri alle alte temperature si considerano anche altri parametri:

• HDT (Heat Deflection Temperature), secondo ISO 75 o ASTM D648: indica la temperatura alla quale un provino raggiunge una deformazione prestabilita sotto carico. Viene misurata comunemente a 0,45 MPa o 1,8 MPa e fornisce un’indicazione della capacità del materiale di mantenere la rigidità in determinate condizioni.

• Temperatura Vicat, secondo ISO 306: corrisponde alla temperatura alla quale un penetratore standardizzato affonda di 1 mm nel provino sottoposto a un determinato carico.

• Tg (temperatura di transizione vetrosa): identifica l’intervallo in cui la fase amorfa passa da uno stato rigido e vetroso a uno più morbido e mobile.

Punto di fusione e temperatura di esercizio: non sono la stessa cosa

Confondere questi due valori è uno degli errori più comuni e potenzialmente più costosi. Il punto di fusione indica la temperatura alla quale il materiale passa allo stato liquido, mentre la temperatura massima di esercizio è il limite entro cui un componente può funzionare mantenendo prestazioni e affidabilità adeguate. Quest’ultima è quindi sempre molto più bassa.

Per i metalli, la temperatura di esercizio è limitata dal creep (deformazione progressiva sotto carico nel tempo) e dall'ossidazione, che si manifestano a temperature inferiori della fusione. Un acciaio al carbonio fonde a ~1.500 °C ma perde resistenza strutturale prima dei 500 °C.

Per i polimeri, il dato di riferimento è l'HDT, non il punto di fusione. Un PEEK può avere una Tm di circa 343 °C, ma un’HDT a 1,8 MPa di circa 152 °C nel caso di un componente stampato in FDM e ricotto. Analogamente, un PA12 può avere una Tm di circa 187 °C e un’HDT a 1,8 MPa vicina a 95 °C.

La regola pratica per il progettista è semplice: non dimensionare mai un componente sulla base del solo punto di fusione. Usare sempre l'HDT (per i polimeri) o i dati di resistenza a caldo (per i metalli) per definire la temperatura massima di esercizio.

Valori del punto di fusione per i principali materiali industriali

Metalli e leghe

Polimeri (semicristallini)

Polimeri amorfi (senza punto di fusione definito)

Per i polimeri amorfi non esiste un punto di fusione: la Tg e la Vicat sono i riferimenti per la stabilità termica.

Il punto di fusione nei processi produttivi

Il punto di fusione è un parametro fondamentale non solo nella scelta del materiale, ma anche nella definizione dei processi con cui viene trasformato.

Nella stampa 3D

Nei processi additivi, le temperature di fusione e rammollimento contribuiscono a definire le condizioni operative:

• Nella MJF la polvere di PA12 viene preriscaldata fino a una temperatura prossima alla fusione (circa 175 °C). Gli agenti depositati sul letto di polvere favoriscono poi l’assorbimento dell’energia e la fusione selettiva delle aree da consolidare.
• Nella FDM il filamento viene estruso a temperature superiori alla Tm. La camera deve essere controllata termicamente per limitare i gradienti che possono provocare warping e delaminazione.
• Nella SLM/DMLS (stampa 3D metallica) il laser genera localmente un bagno di fusione nella polvere, che solidifica rapidamente formando il componente strato dopo strato.

Nella lavorazione CNC

Nelle lavorazioni per asportazione di truciolo, la temperatura nella zona di contatto tra utensile e pezzo deve essere mantenuta sotto controllo. Un eccessivo riscaldamento può causare rammollimento, alterazioni metallurgiche o degradazione del materiale.

Il fenomeno è particolarmente critico nei polimeri, che hanno generalmente una bassa conducibilità termica. Il calore tende quindi a concentrarsi vicino al tagliente, provocando fusione locale, adesione del truciolo all’utensile e un peggioramento della finitura superficiale.

Nella saldatura

Le temperature di fusione del materiale base e del materiale d’apporto influenzano la scelta dei parametri di saldatura, tra cui corrente, velocità, gas protettivo e preriscaldo. Un acciaio inox austenitico (Tm ~1.450 °C) richiede parametri diversi da un alluminio (Tm ~600 °C) e da un titanio (Tm ~1.650 °C).

Nella fusione e nella fonderia

In fonderia, il parametro più rilevante è la temperatura di liquidus, alla quale si aggiunge un adeguato surriscaldamento per garantire la fluidità del metallo durante la colata. Questi valori contribuiscono a determinare le caratteristiche del forno, della siviera e dell’intero processo.

Conclusione

Il punto di fusione è una proprietà fondamentale per comprendere come un materiale viene trasformato, ma non coincide con la sua temperatura massima di esercizio. Nei metalli puri corrisponde a un valore definito, mentre nelle leghe la fusione avviene generalmente in un intervallo compreso tra solidus e liquidus. Nei polimeri semicristallini è associato alla fusione della fase cristallina, mentre nei polimeri amorfi non esiste un vero punto di fusione.

Per dimensionare correttamente un componente occorre quindi considerare l’HDT, la Tg, la temperatura Vicat, le proprietà meccaniche a caldo e le condizioni effettive di utilizzo.

Conoscere la differenza tra questi parametri consente di scegliere il materiale più adatto, prevenire errori di progettazione e confrontarsi con fornitori e laboratori in modo più preciso.

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Domande frequenti sul punto di fusione