Le leghe di alluminio, dette anche leghe leggere, sono leghe ottenute principalmente con la combinazione tra alluminio e rame, zinco, manganese, silicio, o magnesio.
Peculiarità Le principali caratteristiche di queste leghe sono:
bassa densità: il peso normale è tra i più bassi dei materiali strutturali (2,7 g/cm³ contro i 7,9 g/cm³ dell'acciaio) elevata duttilità a causa della loro struttura cristallina cubico F (a facce centrate): questa proprietà rende possibile realizzare fogli sottilissimi di alluminio, come ciascuno di noi può sperimentare nelle applicazioni alimentari. A basse temperature, per la loro struttura cristallina, le leghe di alluminio sono comunque duttili. elevata conduttività termica ed elettrica: questa caratteristica rende alcune leghe di alluminio adatte alla realizzazione di pentole da cucina, o materiale elettrico. basso punto di fusione (circa 660 °C): la temperatura di fusione limita le applicazioni strutturali dell'alluminio a temperature d'esercizio massime di 200-300 °C (300 °C per leghe appositamente studiate). resistenza a corrosione in ambiente atmosferico: le leghe leggere resistono bene alla corrosione generalizzata, ma soffrono di alcuni altri tipi di corrosione, e per questo vengono trattate con procedimenti come l'anodizzazione o l'applicazione di vernice protettiva (primer). Se non trattata in maniera particolare, la superficie di un oggetto in lega d'alluminio appare lucida, essendo assenti fenomeni di corrosione generalizzata, a differenza degli acciai ferritici. Le leghe di alluminio possono sviluppare rapidi fenomeni di corrosione galvanica se poste a contatto con l'acciaio inossidabile o con il titanio e le sue leghe.
L'impiego delle leghe d'alluminio nell'industria è sempre cresciuto con il passare degli anni. Nel 2000 le leghe di alluminio hanno superato la plastica come terzo materiale più usato nella costruzione di automobili, nel 2006 l'acciaio come secondo materiale più usato. Per questo i processi produttivi sono divenuti molto più efficienti: negli ultimi 50 anni, la quantità media di energia elettrica per fabbricare un chilogrammo di alluminio è diminuita da 26 kWh a circa 15 kWh. L'industria USA dell'alluminio è la più importante al mondo in termini di produttività: produce ogni anno beni e materiali grezzi in alluminio per 39,1 miliardi di dollari.
La composizione delle leghe di alluminio è catalogata e gestita dalla Aluminum Association. Molte organizzazioni pubblicano standard più specifici per la produzione di leghe di alluminio, inclusa l'organizzazione per la standardizzazione Society of Automotive Engineers (società degli ingegneri automobilistici) e in particolare il suo sottogruppo per gli standard aerospaziali e l'ASTM
Campi di applicazione Le leghe di alluminio trovano impiego in numerosi rami dell'ingegneria strutturale. Si possono classificare mediante il sistema numerico definito dall'ANSI oppure secondo i criteri definiti dalle norme DIN e ISO che stabiliscono nomenclature che permettono di riconoscere gli elementi principali costituenti. La scelta della lega da impiegare necessita di considerazioni sulla resistenza statica, duttilità, lavorabilità, saldabilità e resistenza alla corrosione, e altri aspetti quali le caratteristiche meccaniche alle temperature di impiego. Una breve panoramica storica sulle leghe e sulle tecnologie di fabbricazione è riportata nella bibliografia. I principali campi di applicazione sono:
campo aeronautico: a causa dell'importanza che riveste il peso strutturale, le leghe leggere sono estesamente utilizzate proprio per il favorevole rapporto proprietà meccaniche/peso che esse posseggono. Ancor oggi, nonostante i recenti sviluppi Boeing facciano pensare ad un utilizzo sempre più massiccio dei materiali compositi (vedi B787), le leghe d'alluminio trovano largo impiego. Per avere un'idea della questione, si pensi che, fino a dieci anni fa, più dell'80% della struttura di un aeroplano era costituita in lega leggera. applicazioni motoristiche: soprattutto nelle parti tiepide (fino ai 250 °C) del motore, e recentemente anche nelle parti calde, la soluzione in lega di alluminio consente risparmi in peso. campo ferroviario: con l'aumentare delle velocità di crociera dei moderni treni (i cosiddetti treni ad alta velocità), anche il campo ferroviario, che da sempre si era affidato all'acciaio, ha cominciato ad utilizzare le leghe d'alluminio in numerose applicazioni, anche strutturali, al fine di diminuire il peso. costruzione di telai di biciclette: attraverso l'utilizzo delle leghe leggere è possibile costruire telai più rigidi e meno pesanti. serbatoi e tubi in pressione, applicazioni criogeniche: l'elevata duttilità delle leghe d'alluminio anche a bassa temperatura, e la loro buona resistenza a corrosione, ne fanno materiale di impiego in questo campo. accessori da cucina: per queste applicazioni le leghe di alluminio sono considerate migliori rispetto al rame e all'acciaio. A livello professionale i cuochi apprezzano particolarmente le elevati doti di conducibilità del calore e considerano un compromesso accettabile le lievemente minori caratteristiche di igiene, durata meccanica e resistenza alla corrosione rispetto agli altri materiali.
infissi e altre applicazioni domestiche: famosi gli infissi in alluminio anodizzato e più recentemente in alluminio verniciato con essiccatura a forno.
Nella progettazione, bisogna anche tener conto del fatto che una lega di alluminio in media costa 2-3 volte un acciaio, nonostante esso sia il secondo elemento metallico più abbondante sulla crosta terrestre dopo il silicio, a causa del complesso processo di raffinazione della bauxite, il minerale dal quale si ricava l'alluminio, e del costo intrinseco degli elementi di lega sommato ai procedimenti termici necessari a migliorare le caratteristiche meccaniche del materiale.
Classificazione delle leghe leggere Lo standard ASTM, designa le leghe di alluminio sulla base di due metodi differenti, a seconda che si tratti di leghe da utilizzare per la lavorazione plastica o di leghe da fonderia. Lo standard di classificazione ASTM delle leghe leggere da deformazione plastica è praticamente coincidente con quello della Aluminum Association, sigla AA.
Le prime sono classificate con un numero a quattro cifre seguito da un trattino, una lettera che identifica il tipo di trattamento termico e un numero composto fino a quattro cifre che identifica la specifica tempra e invecchiamento.
La lettera che identifica il tipo di trattamento termico può ad esempio essere: F - grezzo di estrusione. H - incrudito per deformazione a freddo. O - ricotto. W- solubilizzato. T3 - solubilizzato a caldo, lavorato a freddo e invecchiato naturalmente. T6 - solubilizzato, temprato e invecchiato artificialmente.
Ad esempio una lega 2024-T3 identifica una lega solubilizzata a caldo, lavorata a freddo e invecchiata naturalmente.
Le leghe di alluminio per fonderia, invece, sono designate con un numero a 4 o 5 cifre con punto decimale. La cifra nella posizione delle centinaia indica i componenti della lega, mentre la cifra dopo il punto decimale indica il formato (profilati o lingotti).
Leghe per lavorazioni plastiche
gruppo 1000 (Alluminio): individua l'alluminio puro con un minimo del 99% di contenuto in peso. Sono possibili trattamenti per incrudimento per migliorare le caratteristiche di resistenza a scapito della duttilità e ottenendo un aumento della durezza. Nonostante la notevole affinità con l'ossigeno l'alluminio puro possiede una buona resistenza alla corrosione grazie alla formazione di uno strato superficiale compatto (byfilm) di ossido protettivo. Diversamente dalle normali leghe, inoltre, si evita la formazione di seconde fasi, in quanto vi è carenza di leganti. gruppo 2000 (leghe Al - rame) dette Avional: possono essere sottoposte al trattamento termico di indurimento per precipitazione in grado di migliorare le proprietà meccaniche di resistenza. In precedenza venivano chiamate duralluminio. Sono tra le più comuni leghe per uso aerospaziale, soprattutto ove è richiesta buona o ottima resistenza a fatica. gruppo 3000 (leghe Al - manganese): possono essere lavorate per incrudimento. Usate per utensileria da cucina, recipienti e tubi in pressione. gruppo 4000 (leghe Al - silicio): leghe con una percentuale di silicio compresa tra 4,5% e 20%, per la produzione di pistoni, con una percentuale di silicio pari o superiore al 13% la lega è adatta per getti di forma complessa. L'unica unificata è la UNI EN AW-4032 (AlSi12,5MgCuNi). gruppo 5000 (leghe Al - magnesio) dette Peraluman: Trattabili con lavorazioni di deformazione a freddo per aumentarne la durezza. Unitamente a una buona resistenza alla corrosione, mostrano doti di buona lavorabilità e saldabilità. Si utilizzano ad esempio in serbatoi per carburante, o rivetti esposti ad ambiente particolarmente corrosivo, produzione di componenti meccanici (anche nell'industria alimentare), stampi per materie plastiche, modelli per fonderia e nel campo navale. gruppo 6000 (leghe Al – silicio e magnesio) dette Anticorodal: hanno una ottima lavorabilità con le macchine utensili e possono essere sottoposte al trattamento termico di indurimento per precipitazione, ma non si possono ottenere le caratteristiche che le leghe dei gruppi 2000 e 7000 possono raggiungere. Sono leghe con buona saldabilità, e dunque vengono usate nel campo navale, ferroviario e nella costruzione di infissi di alluminio. In genere tutte le leghe 6000 sono estrudibili con tecnica detta "a ponte" e quindi sono idonei alla produzione di profili a una o più cavità. gruppo 7000 (leghe Al – zinco e magnesio) dette Ergal: sono le leghe molto utilizzate in campo aerospaziale, nelle applicazioni strutturali di forza e sono in grado di raggiungere le migliori caratteristiche meccaniche tra tutte le leghe di alluminio. Le leghe 7000 si suddividono in due sottogruppi: con rame e senza rame in lega; quelle contenenti rame, hanno prestazioni meccaniche molto elevate ma non sono saldabili; le altre invece sono caratterizzate dal notevole potere autotemprante, che le rende particolarmente idonee alla realizzazione di telai saldati, e dalla possibilità di essere estruse a ponte. gruppo 8000 (leghe miste): tra queste importanti sono le leghe Al-Li (come la 8090), di minor densità (2,5 - 2,6 g/cm³ in base alla percentuale di litio presente in lega), molto resistenti a fatica, mantengono una buona resistenza statica anche dopo danneggiamento da impatto, e rimangono molto tenaci anche a bassa temperatura. gruppo 9000 (Serie sperimentale)
Leghe di alluminio per lavorazione plastica - limiti di composizione (% peso)