LEGHE D'ALLUMINIO

L’alluminio puro trova impiego soprattutto nell’elettrotecnica e nell’industria chimica ma, a causa delle sue scadenti proprieta' meccaniche, per le altre applicazioni quasi sempre vengono impiegate le leghe. Gran parte degli elementi metallici sono solubili nell’alluminio, ma solo alcuni, silicio, magnesio, rame, zinco, manganese e litio, sono i principali costituenti delle leghe commerciali. Talvolta sono aggiunte, per scopi particolari, piccole percentuali di nichel, titanio, zirconio, cromo, bismuto, piombo, cadmio ed anche stagno e ferro, quest’ultimo peraltro sempre presente come impurezza. Ogni elemento possiede il suo particolare effetto, per esempio:

  • il silicio: migliora la colabilita' e riduce il coefficiente di dilatazione;

  • il magnesio: aumenta la resistenza alla corrosione in ambiente alcalino e in mare;

  • il manganese: aumenta la resistenza meccanica e alla corrosione;

  • il rame: accresce la resistenza meccanica, soprattutto a caldo;

  • lo zinco: soprattutto se associato al magnesio, conferisce una elevata resistenza meccanica.
LEGHE PRINCIPALI
  • Alluminio - rame
    . Il rame e' un elemento in lega molto importante per l’alluminio, vista la sua apprezzabile solubilita' ed il suo effetto rinforzante. Molte leghe commerciali (serie 2XXX) contengono rame come principale elemento in lega, in concentrazioni variabili dall’1 al 10% in peso; e' spesso usato in combinazione con magnesio per ottenere un migliore comportamento meccanico. Il sistema alluminio - rame possiede un eutettico Al-AlCu2 alla temperatura di 548 °C e alla composizione 33% di Cu in peso. L’indurimento avviene per precipitazione. Le leghe binari Al-Cu non sono molto usate commercialmente. Con l’aggiunta di elementi quali Mg, Mn, Si, Ni, Li, esse vengono usate spesso per applicazioni strutturali sugli aerei e in generale dove occorrono buone caratteristiche meccaniche e leggerezza.

  • Alluminio - magnesio. Il magnesio mostra una buona solubilita' nell’alluminio (seconda solo allo zinco) e , per questo, leghe con concentrazioni minori del 7% non mostrano una apprezzabile precipitazione (tuttavia se sono presenti altri elementi questa percentuale diminuisce), ma e' possibile comunque ottenere un discreto effetto indurente tramite la lavorazione a freddo, visto che il magnesio permette di conservare un’ottima duttilita'. Il magnesio fornisce inoltre un’eccellente resistenza alla corrosione e una buona saldabilita': queste caratteristiche vengono sfruttate nella costruzione delle carrozzerie in alluminio. L’eutettico Al-Mg2Al3 si ha ad una concentrazione di 35% di Mg in peso ad una temperatura di 450 °C. Per causare la precipitazione di Mg2Al3 (fase b), che ha un reticolo f.c.c., la lega deve essere trattata a temperature tra 200 e 300 °C e per un tempo dipendente dalla temperatura scelta. La precipitazione avviene preferenzialmente sui piani {100}, seguita da quella sui piani {120}. La precipitazione puo' essere continua o discontinua, a seconda della temperatura di tempra adottata; quella continua genera una struttura di tipo "Wiedmastatten", la cui dimensione principale decresce all’aumentare della temperatura di tempra e mostra un limitato effetto indurente. La modalita' di formazione della fase b e' importante anche per la resistenza alla corrosione: per ottimizzarla, essa deve presentarsi in particelle discrete priva di struttura tipo network a bordo grano, da evitare anche perche' riduce drasticamente la duttilita'.

  • Alluminio - silicio. L’importanza del silicio e' dovuta all’aumento di fluidita' e alla riduzione del coefficiente di dilatazione termica conferito dall’aggiunta di piccole quantita' di alligante, proprieta' molto utile nei getti e nelle saldature. Il sistema Al-Si forma un eutettico alla temperatura di 577 °C ad una percentuale di silicio dell’11.7% in peso; poiche' questo sistema non forma composti intermetallici, il silicio precipita direttamente dalla matrice della soluzione solida primaria. La durezza delle particelle di silicio conferisce infine una buona resistenza all’usura. Nell’uso commerciale a questo sistema vengono aggiunti altri elementi in lega quali per esempio il rame e il magnesio.

  • Alluminio - manganese. Le leghe Al-Mn formano un eutettico alla temperatura di 658 °C e per una composizione del 2% in manganese; la fase intermetallica che si separa e' MnAl6. Questo sistema si trova raramente in equilibrio e il manganese, che ha una solubilita' molto ridotta nell’alluminio, non e' portato in soluzione solida nella percentuale prevista dal diagramma di stato, e cosi' MnAl6 appare come micro costituente anche per percentuali molto basse di manganese; infatti e' usato in percentuali di poco superiori all’1% in peso nelle leghe non trattabili termicamente e in quantita' maggiori nelle leghe trattabili al calore. In generale il vantaggio conferito dal manganese e' quello di aumentare la resistenza meccanica delle leghe lavorate e di ridurre la sensibilita' alla corrosione intergranulare ed alla stress corrosion, ma l’eventuale presenza di composti intermetallici causa una diminuzione di duttilita'.

  • Alluminio - litio. Il sistema Al-Li permette di ottenere densita' molto basse e allo stesso tempo elevati moduli elastici. Infatti e' l’unico elemento (oltre al berillio) che riduce la densita' e che contemporaneamente aumenta il modulo elastico dell’alluminio: ogni aumento percentuale (in peso) di litio, diminuisce la densita' dell’alluminio di circa il 3% e aumenta il suo modulo elastico del 6%. Queste leghe, tuttavia, non sono del tutto mature tecnologicamente e mostrano una bassa duttilita'. La composizione eutettica si ha per il 9.9% Li (in peso) e per una temperatura di 602 °C. L’effetto indurente deriva dalla precipitazione, soprattutto del composto intermetallico metastabile Al3Li.

  • Alluminio - zinco. Lo zinco e' l’elemento che ha la solubilita' piu' elevata nell’alluminio, e con esso forma un eutettico ad una concentrazione del 95% in peso di Zn alla temperatura di 382 °C: cosi', per quasi tutte le composizioni, si ha solidificazione di una soluzione solida primaria; al calare della temperatura il suo campo di stabilita' crolla e si ha precipitazione di zinco. Generalmente le leghe binari Al-Zn non vengono usate, ma vengono preferite leghe Al-Zn-Mg, impiegate nelle costruzioni aeronautiche.

  • Alluminio - rame - litio. L’aggiunta di rame al sistema Al-Li riduce significativamente la solubilita' del litio attorno all’1.5% in peso di litio alla temperatura di 515 °C (senza Cu si era a 2.55% a 500 °C). Nella zona del diagramma di stato ad alta concentrazione di Al, vi sono tre composti in equilibrio con l’allumino; a seconda delle composizioni e delle temperature e' possibile variare la quantita' delle diverse fasi presenti per ottimizzare le particolari caratteristiche meccaniche desiderate.

  • Alluminio - magnesio - silicio. Questo sistema costituisce la classe principale di leghe per i pezzi lavorati a caldo e per quelli ricavati da fusione. Esse riescono a combinare alcune caratteristiche favorevoli: buone resistenze meccaniche, sensibilita' relativamente bassa alla tempra, buona resistenza alla corrosione. L’indurimento avviene soprattutto per precipitazione del composto Mg2Si. Per ottenere prodotti estrusi con questa lega normalmente si mantengono Mg e Si al di sotto dell’1.5% in peso. Il silicio, infine, aumenta la fluidita' del fuso e riduce il coefficiente di dilatazione, come gia' detto anche per le leghe Al-Si.

  • Alluminio - rame - magnesio. Le leghe commerciali contenenti magnesio e rame come maggiori alliganti contengono generalmente anche sufficiente silicio da conferire loro caratteristiche di leghe quaternarie piuttosto che ternarie. Peraltro le principali reazioni di rinforzo da precipitazione sono quelle del sistema Al-Cu-Mg. Normalmente l’alligante piu' abbondante e' il rame, e la matrice subisce indurimento per precipitazione delle fasi intermetalliche CuAl2 e CuMgAl2. La reazione di precipitazione coinvolgente il silicio, con formazione del composto intermetallico Mg2Si, avviene solo per certe composizioni e comunque da' un contributo minoritario all’effetto rinforzante.

  • Alluminio - magnesio - litio. L’aggiunta di magnesio al sistema binario Al-Li porta ad una diminuzione di densita' e ad un certo aumento dei moduli elastici della lega. In particolare il magnesio contribuisce al rinforzo in due modi: aggiunge una componente alla soluzione solida e riduce la solubilita' del litio nell’alluminio, aumentando (a parita' di altri fattori) la frazione volumica del precipitato Al3Li.

  • Alluminio - magnesio - zinco e alluminio - rame - magnesio - zinco Questi sistemi formano una classe importante di leghe trattabili termicamente e, per il sistema quaternario, possono sopportare gli sforzi piu' alti di qualunque altra lega di alluminio commerciale (eccetto quelle rinforzate per dispersione di particolato ceramico). In molti casi lo zinco e' il maggior elemento alligante. Il rinforzo avviene per precipitazione di composti intermetallici come MgZn2, Mg3Zn3Al2, Mg5Al3 o CuMgAl2.