Alluminio

L’alluminio è un elemento chimico appartenente al 3° periodo della tavola periodica degli elementi ed al gruppo IIIA (dei metalli terrosi) con numero atomico 13; ha una configurazione elettronica Ne 3s23p. Il suo simbolo è Al ed è identificato dal numero CAS.7429-90-5. Il nome alluminio deriva dal nome antico utilizzato per identificare l’allume (solfato alluminoso di potassio), quale era alumen (dal latino sale amaro).

L’alluminio ha soltanto un isotopo naturale: l’aluminium-27 (27Al), che non è radioattivo; ad ogni modo possono essere preparati artificialmente isotopi radioattivi con numeri di massa compresi tra 24 e 30.

Caratteristiche e proprietà

Riciclabilità

L’alluminio può essere riciclato al 100% e infinite volte senza perdere le sue caratteristiche originali che rimangono invariate all’infinito, anche a seguito di numerose fasi di riciclo, ovvero quando dall’essere alluminio primario il metallo acquista la definizione di “alluminio da riciclo” o “alluminio secondario”.

Leggerezza

A parità di volume, l’alluminio pesa circa 1/3 del rame e dell’acciaio. Anche per questa ragione, buona parte dei mezzi di trasporto di moderna progettazione sono costruiti utilizzando alte percentuali di alluminio: lo shuttle è fatto in alluminio fino al 90% e, mediamente, l’80% del peso di un aereo da trasporto è dato dall’alluminio. Lo stesso dicasi, in percentuali diverse, per le navi, gli yacht, i treni ad alta velocità, i tram e i vagoni delle metropolitane, le automobili: diverse case automobilistiche realizzano telai e carrozzerie al 100% con alluminio e, se negli anni ‘50-’60 in un’automobile c’erano mediamente 40 kg di alluminio, oggi ce ne sono circa 70.

Resistenza alla corrosione

L’alluminio si ossida immediatamente a contatto con l’aria (ha infatti una grande affinità con l’ossigeno e forma uno strato protettivo di ossido sulla superficie quando esposto all’aria) creando una protezione superficiale che lo rende resistente all’acqua e ad alcune sostanze chimiche. Questa caratteristica lo rende il metallo più utilizzato dall’industria dei trasporti, dell’edilizia e delle costruzioni.

Duttilità e malleabilità

L’alluminio è facilmente lavorabile e adatto a subire processi di lavorazione sia ad alte che a basse temperature. Anche per questa ragione si presta a essere utilizzato per la fabbricazione di contenitori e di imballaggi.

Alta conducibilità elettrica, termica e sonora

A parità di peso è un conduttore migliore del rame. I cavi di alluminio conducono corrente elettrica due volte di più rispetto a quelli di rame di pari peso. La conducibilità elettrica specifica dell’alluminio lo rende indispensabile per l’elettronica e le applicazioni elettriche.

L’alluminio permette la trasmissione di energia anche su lunghe distanze, non a caso sono in alluminio la maggior parte dei conduttori ad alto voltaggio, ma è in alluminio anche la base filettata delle lampadine. Questo metallo vanta inoltre un’elevata conducibilità termica, per questo è utilizzato nella costruzione di radiatori e contenitori termici, apparecchiature termocondizionanti e contenitori di cottura per alimenti. Infine, esso si distingue per la rilevante risonanza sonora, motivo per cui viene utilizzato nella costruzione di strumenti come il violino, il piano, eccetera.

Capacità riflettente

Diffonde e riflette la luce riducendo la dispersione della luminosità dalla sorgente di luce e favorendo quindi il risparmio energetico.

Amagnetismo

L’alluminio non ha affinità magnetica, pertanto questa caratteristica lo rende ideale per la schermatura di antenne e dischi di computer e ne permette l’utilizzo per la costruzione di apparecchi come radio, radar e stereo.

Leghe di alluminio

L’alluminio si ricava, quasi esclusivamente, dalla bauxite, terra rosso-bruna composta essenzialmente da ossidi idrati di alluminio ed ossidi di ferro, silicio e titanio. La metallurgia dell’alluminio può essere divisa in due fasi: produzione di allumina pura per via chimica ed elettrolisi della miscela fusa di allumina e criolite (fluoruri di sodio ed alluminio) per la
produzione di alluminio.

Il processo generalmente utilizzato per la produzione di allumina è il processo Bayer che si basa sulla reazione della bauxite con una soluzione concentrata di soda caustica, a pressione e temperatura relativamente elevate. La bauxite frantumata ed essiccata viene ridotta in polvere; questa viene portata alle condizioni di reazione (temperatura di 180÷200 °C e pressione di 150÷200 MPa = 15÷20 atm) in apposite autoclavi. In queste condizioni l’alluminio solubilizza come alluminato sodico; le scorie sono costituite da ossidi di ferro, silicio, titanio (“fanghi rossi”).

La soluzione di alluminato sodico, diluita e filtrata, viene fatta stazionare in decompositori per circa 100 ore. In questo tempo avviene la formazione (innescata con l’introduzione di cristalli di idrossido d’alluminio) di idrossido di alluminio per reazione di idrolisi. L’idrossido di alluminio viene separato e “cotto” in forni rotativi a circa 1200 °C, l’idrossido di sodio (soda caustica) viene reintrodotto nel ciclo produttivo. L’allumina cosi ottenuta ha una purezza >99,5%. Per ottenere l’alluminio è necessario sottoporre ad elettrolisi l’allumina prodotta in precedenza. il processo di elettrolisi prevede lo scioglimento dell’allumina in criolite fusa, al fine di ridurre la temperatura della cella elettrolitica a valori accettabili (circa 970 °C). Durante l’elettrolisi il metallo si deposita sul fondo della vasca (catodo) e l’ossigeno si sviluppa all’anodo (elettrodo di carbone) che si consuma per combustione. L’alluminio così prodotto (detto di “prima fusione”) ha un titolo di circa il 99,5%, con impurezze costituite da ferro e silicio. Il metallo fuso può essere colato immediatamente in pani o inviato a forni di attesa per la produzione di leghe.

L’alluminio puro ha scarse caratteristiche meccaniche e si ossida con estrema facilità, con la formazione di una pellicola compatta di ossido. L’ossido è altamente stabile e non attacca il metallo sottostante, agendo come passivante. L’eventuale presenza di impurezze di varia natura pregiudica la formazione della pellicola compatta di ossido, con conseguente maggiore predisposizione all’ossidazione profonda. L’alluminio presenta, però, interessanti caratteristiche
tecnologiche (malleabilità, duttilità, imbutibilità) che si concretizzano con una notevole facilità di lavorazione plastica a freddo e a caldo; particolare notevole risulta essere la conservazione di queste caratteristiche anche per le leghe di alluminio.

Le limitate caratteristiche meccaniche dell’alluminio di prima fusione possono essere notevolmente incrementate mediante l’aggiunta di elementi di lega. I principali leganti dell’alluminio sono: rame, silicio, manganese, magnesio, zinco; possono essere aggiunti singolarmente per formare leghe binarie ma più spesso vengono aggiunti in “gruppo” per formare leghe più complesse. Per modificare o migliorare le caratteristiche fisiche o tecnologiche si aggiungono eventuali elementi correttivi (ferro, titanio, nichel).

I vari elementi di lega possono essere aggiunti direttamente all’alluminio fuso o tramite la formazione di una lega binaria alla massima concentrazione del legante (lega madre) che viene introdotta nell’alluminio fuso. Esaminiamo, brevemente, le caratteristiche che conferiscono alla lega di alluminio i seguenti elementi di lega:

  • Rame (Cu): forma leghe trattabili termicamente (bonificabili). Con l’aumentare della percentuale si ottiene un aumento della resistenza meccanica e della durezza; la resistenza meccanica si mantiene soddisfacente fino a temperature di circa 100 °C. Anche se in piccole percentuali influisce pesantemente, in modo negativo, sulla resistenza alla corrosione. Nelle leghe da fonderia è presente in percentuali tra il 4% e il 10%; nelle leghe da lavorazione plastica non supera il 6%.
  • Silicio (Si): non produce leghe bonificabili. Aumenta resistenza meccanica e durezza senza ridurre sensibilmente la duttilità della lega. Non influisce in modo rilevante sulla resistenza alla corrosione; aumenta notevolmente le caratteristiche di colabilità ed è perciò destinato a formare leghe da fonderia. Le percentuali variano tra il 2 ed il 15%.
  • Magnesio (Mg): aumenta notevolmente le doti di resistenza alla corrosione, permettendo di superare (in alcuni ambienti) le caratteristiche dell’alluminio puro. Consente di aumentare le caratteristiche meccaniche se presente in percentuale massima del 10%. Influisce negativamente sulla fusione, aumentando l’ossidabilità delle leghe di alluminio. Nelle leghe da lavorazione plastica è presente in percentuali comprese tra 1 e 5%; nelle leghe da fonderia tra il 3 ed il 10%.
  • Zinco (Zn): aumenta resistenza meccanica e durezza ma abbassa la resistenza a caldo e la resistenza alla corrosione. L’aggiunta di circa il 3% di rame, in una lega con il 10-12% di zinco, riduce al minimo questi difetti. Lo zinco influisce grandemente sulle doti di temprabilità delle leghe leggere, permettendo di ottenere, con leghe Al-Zn-Cu-Mg bonificate, resistenze comparabili agli acciai.
  • Manganese (Mn): contrasta gli effetti indesiderati del ferro ed aumenta la resistenza alla corrosione.

Come si nota da quanto sopra esposto è la presenza di alcuni elementi di lega che rende “bonificabili” le leghe di alluminio, con un sostanziale aumento delle caratteristiche meccaniche.

Classificazione delle leghe di alluminio

Le leghe leggere vengono, in prima istanza, classificate in funzione della trasformazione tecnologica cui sono destinate: lavorazione plastica o fonderia. A tale suddivisione si aggiungono anche altri criteri di classificazione: in base alla composizione chimica ed in funzione alla attitudine al trattamento di bonifica.

Secondo la classificazione chimica, le leghe sono suddivise in base al legante principale; avremo, perciò, i seguenti gruppi di leghe:

  • Leghe Al-Cu (e derivate: Al-Cu-Si, Al-Cu-Mg, etc.): caratterizzate da buona resistenza meccanica, mantenuta fino a circa 100 °C, e bonificabile.
  • Leghe Al-Zn (e derivate: Al-Zn-Mg-Cu): caratterizzate da buona resistenza a freddo e lavorabilità, bonificabile.
  • Leghe Al-Si (e derivate): caratterizzate da buona colabilità.
  • Leghe Al-Mg (e derivate): caratterizzate da buona resistenza alla corrosione e attitudine alle lavorazioni plastiche e all’utensile.
  • Leghe Al-Sn: caratterizzate da proprietà antifrizione.
  • Leghe Al-Mn-Ni: caratterizzate da elevate caratteristiche alle alte temperature.
  • Leghe Al-Mn e Al-Mn-Mg: caratterizzate da buone proprietà e lavorabilità per
  • deformazione plastica.

Dei vari gruppi sopracitati, nel campo delle costruzioni aeronautiche, si fa uso principalmente di leghe Al-Cu e Al-Zn e relative leghe derivate. In funzione all’attitudine al trattamento di bonifica si hanno leghe bonificabili e leghe non bonificabili. Il trattamento di bonifica viene attuato in due fasi: tempra strutturale ed invecchiamento. Questo trattamento permette di incrementare notevolmente le caratteristiche meccaniche della lega. Nel caso di leghe non bonificabili si possono avere aumenti delle caratteristiche meccaniche tramite incrudimento.

Designazioni convenzionali UNI

Per la designazione convenzionale delle leghe di alluminio l’ente italiano di unificazione (UNI) prevede una prima classificazione in leghe per getti e leghe da lavorazione plastica, individuate, rispettivamente, dal simbolo G o P. Questo simbolo è seguito da una simbologia correlata ai vari leganti, ai vari elementi correttivi ed alla loro percentuale. Le leghe, come visto sopra, sono suddivise in gruppi caratterizzati dall’elemento preponderante; la presenza di altri elementi individua la singola lega. I vari elementi vengono indicati con il simbolo chimico.

Designazione di leghe per getti (fonderia)

La designazione di una lega per getti prevede, nell’ordine:

  • la lettera G seguita da un trattino;
  • il simbolo chimico dell’alluminio, seguito da quello dell’elemento principale che caratterizza il gruppo;
  • un numero che indica la percentuale dell’elemento di lega principale;
  • i simboli di altri eventuali elementi di lega, caratterizzanti il genere;
  • eventuali indicazioni relative allo stato di fornitura;
  • il richiamo alla tabella UNI in cui la lega è descritta.
EtichettaIndicazioni relative allo stato di fornitura
-Ttempra di soluzione, con raffreddamento in acqua (10÷30 °C)
-TStempra di soluzione, dipendente dal raffreddamento nella forma di sabbia
-TCtempra di soluzione, dipendente dal raffreddamento nella forma in metallo (effetto conchiglia)
-TBtempra di soluzione, con raffreddamento in acqua bollente
-TOtempra di soluzione, con raffreddamento in olio
-TAtempra di soluzione, con raffreddamento in aria soffiata
-Ninvecchiamento naturale, dopo tempra di soluzione comunque ottenuta
-Ainvecchiamento artificiale a temperatura >50 °C, dopo tempra di soluzione, comunque ottenuta
-Sstabilizzazione dimensionale
-Rricottura
-Bbonifica (indicazione generica per tempra di soluzione seguita da invecchiamento naturale o artificiale)

Ad esempio, l’indicazione G-AlCu4NiMgTi-TA individua una lega di alluminio, da fonderia, contenente il 4% di rame, corretta con Ni, Mg e Ti, temprata ed invecchiata artificialmente (si presti attenzione alle lettere maiuscole/minuscole).

Designazione leghe da lavorazione plastica

La designazione delle leghe da lavorazione plastica è simile a quella già vista per le leghe da fonderia e prevede, nell’ordine:

  • la lettera P seguita da un trattino;
  • il simbolo chimico dell’alluminio, seguito da quello dell’elemento principale che caratterizza il gruppo;
  • un numero che indica la percentuale dell’elemento di lega principale;
  • i simboli di altri eventuali elementi di lega, caratterizzanti il genere;
  • eventuali indicazioni relative allo stato di fornitura;
  • il richiamo alla tabella UNI in cui la lega è descritta.

Oltre alle indicazioni di fornitura già citate nella tabella soprastante (escluse, ovviamente, le indicazioni Tc e Ts), può essere indicato il grado di incrudimento segnalato dalla lettera H, seguita da un numero di due cifre che indica il grado percentuale di incrudimento.

Ad esempio, l’indicazione P-AlSi1Mg-TAH20 individua una lega di alluminio, da lavorazione plastica, con 1% di silicio, contenente Mg, temprata in acqua, invecchiata artificialmente ed incrudita al 20%.

Designazioni secondo sistemi non UNI (A.A.)

Per le sole leghe da lavorazione plastica si fa spesso riferimento alla classificazione dell’Aluminum Association (A.A.); è un sistema molto diffuso, soprattutto nell’ambito delle costruzioni aeronautiche. Questo sistema di designazione prevede l’individuazione della lega con un numero di 4 cifre; la 1a cifra identifica il gruppo della lega, come da prospetto seguente:

  1. Caratterizza l’alluminio tecnico (Almin = 99,5%)
  2. Caratterizza le leghe del gruppo Al-Cu (Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg-Si)
  3. Caratterizza le leghe del gruppo Al-Mn (Al-Mn, Al-Mn-Mg, Al-Mn-Si)
  4. Caratterizza le leghe del gruppo Al-Si
  5. Caratterizza le leghe del gruppo Al-Mg
  6. Caratterizza le leghe del gruppo Al-Mg2Si
  7. Caratterizza le leghe del gruppo Al-MgZn2

La 2a cifra definisce le eventuali varianti alla lega originaria, cui è riservato il numero 0. Le ultime due cifre individuano le singole leghe nell’ambito del gruppo; fanno eccezione i materiali del 1° gruppo per i quali le ultime due cifre indiano il grado di purezza dell’alluminio (per esempio, 1050 corrisponde ad un alluminio tecnico con il 99,50% di alluminio). Si noti che la designazione A.A. permette solo di classificare le leghe in base alla loro composizione chimica; non consente, in alcun modo, di conoscere le loro caratteristiche meccaniche/tecnologiche che sono descritte nelle specifiche Federali o MIL.

In accordo con le norme A.A. i trattamenti di incrudimento vengono indicati, di seguito alla designazione della lega, con le sigle riportate nel prospetto seguente:

EtichettaIndicazioni relative allo stato di fornitura
-Oricotto ricristallizzato (solo per materiali da lavorazione plastica)
-H12incrudito, rinvenuto a 1/4 di durezza
-H14incrudito, rinvenuto a 1/2 di durezza
-H16incrudito, rinvenuto a 3/4 di durezza
-H22incrudito, rinvenuto a durezza completa
-H24incrudito e parzialmente ricotto, rinvenuto a 1/4 di durezza
-H26incrudito e parzialmente ricotto, rinvenuto a 1/2 di durezza
-H28incrudito e parzialmente ricotto, rinvenuto a 3/4 di durezza
-H32incrudito e stabilizzato, rinvenuto ad 1/4 di durezza
-H34incrudito e stabilizzato, rinvenuto ad 1/2 di durezza
-H36incrudito e stabilizzato, rinvenuto ad 3/4 di durezza
-H38incrudito e stabilizzato, rinvenuto a durezza completa
-H112come fabbricato, con specifici limiti alle proprietà meccaniche
-Fper leghe da lavorazione plastica, come fabbricate, senza limiti specifici alle proprietà meccaniche

Il trattamento di incrudimento aumenta le caratteristiche meccaniche delle leghe non bonificabili, ovvero, se eseguito subito dopo la tempra, prima dell’invecchiamento, somma i suoi effetti a quelli della bonifica (ovviamente per le leghe bonificabili).

Trattamenti termici delle leghe leggere di alluminio

Le leghe leggere di alluminio trattabili termicamente sono quelle in cui sono presenti i composti di Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Zn che sono i leganti fondamentali delle leghe da trattamento termico. I trattamenti termici eseguiti sulle leghe leggere sono:

  • Tempra strutturale (solution heat treatment)
  • Invecchiamento o riprecipitazione (precipitation heat treatment)
  • Ricottura (annealing) di vario tipo.
  • I primi due, effettuati in successione, costituiscono il trattamento di bonifica.

Tempra strutturale

Il materiale viene riscaldato e mantenuto a temperatura adeguata (in linea di massima tra i 480 ed i 530 °C) per un tempo sufficiente a solubilizzare tutti gli elementi di lega. Si forma, così, un reticolo cristallino stabile, proprio di queste temperature. Raffreddando rapidamente in acqua il materiale, si “blocca” questa struttura cristallina anche a temperatura ambiente.

Invecchiamento o riprecipitazione

Le condizioni di solubilizzazione degli elementi di lega nell’alluminio sono, di fatto, instabili a temperatura ambiente e i vari componenti tendono a separarsi “riprecipitando”, per portarsi in condizioni di stabilità. Questo fenomeno, detto di invecchiamento, avviene abbastanza lentamente a temperatura ambiente (parecchi giorni); in questo periodo il materiale ha una struttura in evoluzione.

Se il materiale non viene posto in forno per l’invecchiamento artificiale entro 2 ore dalla tempra, è necessario attendere almeno 2 giorni prima di procedere all’invecchiamento artificiale.

La riprecipitazione può essere sensibilmente rallentata conservando i materiali in frigorifero a temperature inferiori a 0 °C.

La tempra strutturale può limitare in qualche modo le deformazioni plastiche attuabili (a causa dell’aumento di durezza); si possono, tuttavia, aumentare le caratteristiche meccaniche del materiale eseguendo la deformazione plastica subito dopo la tempra strutturale, prima che inizi la riprecipitazione. In questo modo si sovrappongono agli effetti della bonifica quelli della lavorazione plastica, con evidenti benefici. Come esempio di quanto esposto si considerino i ribattini in lega 2024 che, dopo essere stati temprati, vengono conservati in congelatore a – 5 °C fino al momento della messa in opera che deve avvenire entro 15-20’ dall’uscita dal congelatore. I ribattini acquisiscono il 100% delle loro caratteristiche dopo 4 giorni dall’installazione (96 ore).

Ricottura

La ricottura sulle leghe di alluminio può essere eseguita secondo vari metodi, in relazione ai risultati che si vogliono ottenere.

  • Ricottura di distensione. Si prefigge l’eliminazione o la riduzione delle tensioni interne che si creano durante la colata in acqua, nel corso del ciclo produttivo di semilavorati in leghe da lavorazione plastica. Si esegue mantenendo per un tempo adeguato il materiale a circa 300 C; in queste condizioni non si verificano variazioni nella struttura cristallina del materiale.
  • Ricottura di omogeneizzazione. Elimina gli effetti di precedenti trattamenti termici e di bonifica e riporta nelle condizioni ideali una lega in cui si siano formate alterazioni indesiderate nella struttura cristallina. La ricottura di omogeneizzazione si esegue a temperature piuttosto alte (circa 540÷560 °C), prossime al punto di fusione, e per tempi abbastanza lunghi; il raffreddamento è lento, in modo da ottenere la struttura cristallina come da diagramma di stato.
  • Ricottura di ricristallizzazione. Le lavorazioni plastiche a caldo e, soprattutto, quelle a freddo provocano un incrudimento del materiale (con deformazioni della struttura cristallina) tale da ostacolare ulteriori lavorazioni. La ricottura di ricristallizazzione permette di riassestare la struttura cristallina del materiale, eliminando completamente lo stato di incrudimento iniziale.
  • Ricottura di eterogenizzazione (o di precipitazione). È un trattamento poco diffuso, applicato principalmente alle leghe Al-Mg che abbiano subito riscaldamenti, anche localizzati (durante la lavorazione) a temperature dell’ordine dei 400 °C. Si ottiene l’eliminazione degli effetti di incrudimento derivanti da precedenti lavorazioni plastiche.
  • Ricottura di stabilizzazione. Molte leghe leggere, soprattutto quelle bonificabili, non riassorbono completamente la dilatazione che sopportano per effetto dell’aumento di temperatura a cui sono state sottoposte nel ciclo di bonifica. Rimane una dilatazione residua di circa lo 0,3% che, pur essendo di piccola entità, è molto spesso non trascurabile. La ricottura di stabilizzazione rimedia a questa situazione; viene eseguita con un riscaldamento a 240-270 °C per un tempo adeguato, seguito da un raffreddamento in aria. È evidente che questo trattamento, se eseguito su leghe già bonificate, comporta una diminuzione delle caratteristiche meccaniche già raggiunte del materiale.

I materiali placcati devono essere ricotti con particolare attenzione, al fine di ridurre al massimo il tempo di permanenza ad alta temperatura, poiché alcuni elementi di lega tendono a diffondersi nello stato placcato riducendone la resistenza alla corrosione.