LE LEGHE DI ALLUMINIO

 

Raramente l'alluminio è commercializzato perfettamente puro a causa della sua scarsa resistenza meccanica. Normalmente al contrario, richiede l'aggiunta di piccole quantità di altri metalli che ne esaltino determinate caratteristiche.

Alcuni elementi aggiunti ne evidenziano la resistenza meccanica o la resistenza alla corrosione, mentre altri ne sottolineano particolarmente la sua lavorabilità, duttilità, saldabilità e resistenza alle alte temperature.

Qualunque sia la lega il contenuto di alluminio è comunque normalmente superiore al 90%.

Gli elementi che si possono aggiungere in lega all'alluminio si possono distinguere in

- leganti, cioè quegli elementi che caratterizzano la lega, ossia ne determinano e definiscono le caratteristiche (meccaniche, fisiche, ecc.) e le peculiarità. Essi sono: Cu, Si, Mg, Zn, Mn, Li;

- correttivi, cioè elementi che modificano o migliorano le proprietà strutturali, fisiche o tecnologiche come l'affinazione del grano, la neutralizzazione di alcune impurità nocive, l'innalzamento della temperatura critica di ricristallizzazione, il miglioramento della lavorabilità all'utensile, l'incremento di resistenza ad elevata temperatura. Essi sono: Mn, Fe, Ni, Ti, Sn, Cr, B, Zr.

I vari elementi destinati alla preparazione di leghe binarie o complesse con l'alluminio possono essere aggiunti a quest'ultimo sostanzialmente in due modi:

- per introduzione diretta dell'elemento nell'alluminio. Questo metodo è impiegato per quegli elementi che presentano punto di fusione inferiore o uguale a quello dell'alluminio, ossia Sn, Zn, Mg. Oltre a questi, è impiegato anche per il Si che, pur presentando un punto di fusione assai più elevato (1414°C), viene introdotto, e rapidamente si discioglie, in alluminio surriscaldato (800-850°C);

- per introduzione nell'alluminio fuso di una lega generalmente binaria precedentemente realizzata contenente il legante nella massima percentuale possibile, compatibilmente con la temperatura di fusione conseguente. Questa lega è detta lega madre. Questo metodo viene applicato per tutti gli altri elementi che, pur disciogliendosi egualmente nell'alluminio fuso, in ragione principalmente della loro elevata temperatura di fusione, presentano una velocità di dissoluzione troppo bassa.

Nello specifico si ha che magnesio e manganese esaltano la rigidità e la malleabilità: le leghe delle serie 3000 e 5000, utilizzate per le lattine per bevande, ad esempio, contengono, appunto, varie percentuali di questi due elementi.

Le leghe contenenti magnesio e silicio, ossia quelle della serie 6000, sono, per contro, molto resistenti alla corrosione ed adatte, quindi, alla costruzione di porte e finestre e di prodotti estrusi, in sintesi in edilizia dove estetica, leggerezza, resistenza alla corrosione, adattabilità alle finiture più svariate sono elementi importantissimi.

Rame e zinco esaltano la resistenza meccanica: le leghe della serie 2000 sono utilizzate per impieghi a caldo; le leghe della serie 7000 hanno il massimo della resistenza meccanica. In particolare poiché lo Zn da alcuni problemi (minima resistenza a caldo, scarsa resistenza a corrosione, tendenza alla fessurazione spontanea per instabilità della lega) è stata messa a punto una lega con elevati tenori di Zn (13%) con la presenza, però, di circa il 3% di Cu che, assieme al Mg, costituiscono la lega Al-Zn-Mg-Cu che tra le leghe d'alluminio possiede non solo le più elevate prestazioni paragonabili a quelle degli acciai, ma anche un'altra importante caratteristica che è quella dell'autotemprabilità, il che le rende interessanti nel campo delle saldature.

Il magnesio aumenta la resistenza alla corrosione in ambienti alcalini o in ambiente marino.

Le leghe Al-Mg presentano una buona resistenza a caldo (non quanto le leghe Al-Cu, però) ed hanno particolari doti di duttilità e lavorabilità, per cui si prestano particolarmente alle giunzioni mediante saldatura. Fino a tenori del 10% il Mg produce un generale aumento delle caratteristiche meccaniche, anche se condiziona negativamente il processo fusorio, diminuisce la colabilità della lega ed aumenta la fragilità di ritiro. Tutto ciò a causa del fatto che il Mg aumenta l'ossidabilità della lega, per cui i getti possono più facilmente inglobare gli ossidi.

Il manganese, così come il cromo, aumenta la resistenza alla corrosione della lega. In più il manganese offre pure buone doti di formabilità utilizzata nella fabbricazione di lamiere da profondo stampaggio;

Titanio, scandio e anche il cromo, possono essere aggiunti come correttivo in percentuali assai limitate (0.1-0.4%) per la loro azione energica di affinante del grano.

Il nichel trova impiego nelle leghe d'alluminio espressamente per il sensibile miglioramento della resistenza a caldo cui dà luogo. A questo scopo, spesso viene aggiunto, in percentuali che al massimo giungono al 3%, associato al Mn, per leghe destinate ad impieghi particolarmente severi in relazione alla temperatura di esercizio.

Il ferro è sempre presente nelle leghe di alluminio come impurità ed è generalmente indesiderato. La sua presenza in lega, tuttavia, ha effetti positivi sulla resistenza meccanica particolarmente ad elevata temperatura. Per quanto riguarda le proprietà tecnologiche il ferro esplica una favorevole azione affinante del grano e diminuisce la fragilità del ritiro dei getti. Tuttavia ha scarsa resistenza a corrosione e ciò ne limita l'uso a leghe in cui questa caratteristica non riveste particolare importanza come nelle leghe Al-Cu, Al-Zn o derivate.

Lo stagno viene utilizzato per ottenere leghe del tutto particolari caratterizzate da basso coefficiente di attrito. In tali leghe antifrizione comunemente indicate col nome Lubral, lo stagno è normalmente presente in tenori di circa il 6%.

sono utilizzate mentre cromo e titanio ne migliorano la compattezza.

Recenti ricerche sull'abbinamento alluminio con particelle ceramiche promettono la creazione di composti estremamente interessanti per la resistenza all'usura dei pezzi soggetti a sollecitazioni continue e prolungate.

Parti componenti aeroplani sono costruite con leghe ad alta resistenza meccanica contenenti quali principali alliganti rame, magnesio, zinco e silicio.

L'industria aerospaziale impiega già oggi le nuove leghe alluminio-litio che determinano, a pari resistenza, componenti con peso estremamente ridotto.

L'industria automobilistica adotta, invece, leghe contenenti rame e silicio che sono resistenti ed al contempo lavorabili.

Come gli altri metalli le leghe di alluminio si compattano ed induriscono sotto gli effetti delle varie lavorazioni (laminazione, forgiatura, estrusione, imbutitura, ecc.) che subiscono per essere trasformate in prodotti finiti. Tali lavorazioni modificano lo stato tensionale nel pezzo e le forme originali del grano del metallo affinandone la struttura: tale fenomeno va sotto il nome di incrudimento.

Affinché si possa ripristinare la duttilità iniziale, il prodotto delle lavorazioni sopra menzionate deve essere assoggettato a vari trattamenti termici: per rilassare le tensioni indotte dalle lavorazioni e per renderlo più "morbido" il pezzo viene portato e tenuto ad alta temperatura per lungo tempo. Questa operazione va sotto il nome di "ricottura".

L'alternanza delle lavorazioni a freddo e ricottura sono utilizzate per dare al prodotto finito le caratteristiche fisico meccaniche richieste dall'utilizzo.

Alcune leghe d'alluminio denominate da trattamento termico danno i valori più elevati quando siano portate a temperatura elevata seguita da un rapido raffreddamento in acqua o in aria (rispettivamente "tempra artificiale" o "tempra naturale") e successivo "invecchiamento" a temperatura media. In particolare la scoperta di tale trattamento termico ha reso possibile l'utilizzo delle cosiddette "leghe leggere" a base di alluminio per destinazioni costruttive e strutturali che fino ad allora erano prerogativa degli acciai in quanto subordinate al raggiungimento di certi valori del carico di rottura decisamente superiori a quelli, molto bassi, dell'alluminio puro.

 

Fig. 1:Diagramma generico di invecchiamento

 

In generale condizione necessaria ma non sufficiente affinché una lega sia invecchiabile è che siano interessate ad una variazione di solubilità in fase solida e pertanto, con riferimento al seguente diagramma:

possono risultare invecchiabili le leghe comprese tra la composizione X1 e X2.

 

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