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L'alluminio e le sue leghe

ALLUMINIO E SUE LEGHE

L'alluminio è il più abbondante costituente metallico delle rocce terrestri; si ritrova generalmente come silicato, sia solo sia mescolato con altri metalli come il sodio, il potassio, il ferro, il calcio e il magnesio, ma mai allo stato libero. Il processo di estrazione dai silicati è tuttavia complesso ed estremamente costoso, pertanto la bauxite, un ossido di alluminio (Al2O3), rappresenta la più importante fonte commerciale del metallo e dei suoi composti.

PROPRIETÀ CHIMICHE

L'alluminio è un metallo leggero e argenteo; fonde a 660 C, bolle a 2467 C. Dal punto di vista chimico è estremamente reattivo, possiede elevata elettropositività ed è quindi un forte agente riducente. A contatto con l'aria, si ricopre rapidamente di un velo di ossido trasparente e molto resistente, che protegge la superficie dall'effetto di agenti corrosivi e dalla formazione di ruggine.

USI GENERALI

L'alluminio è un metallo particolarmente leggero, di costo modesto, duttile e malleabile, e con buone caratteristiche di resistenza alla corrosione. Per questo motivo è utilizzato nell'industria meccanica, aeronautica, e automobilistica, per la fabbricazione di parti di aerei, di vagoni ferroviari e di veicoli a motore. Inoltre presenta notevole resistenza alla corrosione per effetto dell'acqua salata e trova quindi impiego anche nell'industria navale, per la produzione di scafi per le barche e altri mezzi acquatici. L'elevata conducibilità termica rende l'alluminio un materiale adatto alla fabbricazione di utensili da cucina, e ne permette l'impiego nei motori a combustione interna. Caratterizzato da buona conducibilità elettrica, esso viene spesso utilizzato in sostituzione del rame nella trasmissione di elevati voltaggi a lunghe distanze. L'alluminio sta diventando sempre più importante anche dal punto di vista architettonico, sia per scopi industriali sia ornamentali. Fogli di alluminio spessi 0,018 cm, ormai diffusi in tutte le case, vengono utilizzati per conservare cibo e altre sostanze. Grazie alla leggerezza, alla facilità di plasmatura e alla compatibilità con cibi e bevande, l'alluminio viene largamente impiegato nella fabbricazione di contenitori, imballaggi e lattine. Importante è pure l'uso di alluminio sotto forma di leghe che presentano migliori caratteristiche meccaniche rispetto al metallo puro.

Le sue PROPRIETÀ sono:

• Leggerezza ρ = 2700 kg/m3

PROPRIETÀ MECCANICHE

A% HB Rm (N/mm2)

Ricotto 30 ÷ 50 20 ÷ 30 60 ÷ 100

Incrudito 5 ÷ 20 30 ÷ 50 100 ÷ 180

• Ottima fusibilità

• Malleabilità e duttilità a caldo e a freddo

• Ottima truciolabilità

• Buona resistenza alla corrosione

• Scarsa resistenza meccanica

Per la scarsa resistenza meccanica è poco usato allo stato puro. Viene usato in lega con altri elementi: rame, silicio, magnesio, zinco che ne migliorano le proprietà. Le leghe dell’alluminio, chiamate leghe leggere, sono suddivise in leghe da fonderia e leghe da lavorazione plastica.

La sempre maggiore importanza delle leghe leggere nelle costruzioni meccaniche è motivato dai seguenti fattori:

• leggerezza che deve possedere il particolare da costruire;

• facilità di lavorazione per fusione, deformazione plastica, asportazione di truciolo;

• possibilità di utilizzo sia come materiali definiti: getti in terra, in conchiglia, stampati a caldo e a freddo materiali indefiniti: laminati, trafilati, estrusi

• possibilità di protezione superficiale.

A questi vantaggi si oppongono i seguenti svantaggi:

• resistenza meccanica, durezza, resilienza inferiori, in generale, alle leghe siderurgiche.

INFLUENZA DEGLI ELEMENTI PRESENTI NELLE LEGHE LEGGERE

ELEMENTO Simbolo chimico Effetti sull’ALLUMINIO

RAME Cu Aumenta in proporzione alla quantità la resistenza meccanica e la durezza. Migliora la lavorabilità alle macchine utensili.

Diminuisce la resistenza alla corrosione.

MAGNESIO Mg Aumenta la resistenza meccanica e la durezza.

Migliora la lavorabilità alle macchine utensili, la duttilità e la resistenza alla corrosione. Aumenta il ritiro dei getti.

SILICIO Si Aumenta la resistenza meccanica.

Forte diminuzione della lavorabilità alle macchine utensili.

Diminuisce di poco la resistenza alla corrosione.

MANGANESE Mn Aumenta la resistenza meccanica e la resilienza.

Migliora la duttilità e la resistenza alla corrosione.

ZINCO Zn Aumenta la resistenza meccanica e la deformabilità.

Forte diminuzione della resistenza alla corrosione.

Aumenta la fragilità a caldo. Rende la lega autotemprante.

FERRO Fe Aumenta le proprietà meccaniche anche a caldo.

Riduce la fragilità a caldo.

Favorisce il distacco dallo stampo dei prezzi pressofusi.

La NUOVA DESIGNAZIONE delle leghe leggere prevede

Per le leghe da fonderia (UNI EN 178-2)

il prefisso EN

la lettera A che indica alluminio la lettera C che indica per getti il simbolo chimico dell’alluminio Al

i simboli degli elementi in lega seguiti, ognuno, da numeri che esprimono il tenore, in

percentuale in massa, riportati in ordine decrescente.

Esempi: EN AC-Al Mg 7,5 Fe EN AC-Al Si 13 EN AC- Al Cu 10 Ni Si Mg

Per le leghe da lavorazione plastica (UNI EN 573-2)

il prefisso EN

la lettera A che indica alluminio la lettera W che indica prodotti semilavorati il simbolo chimico dell’alluminio Al

i simboli degli elementi in lega seguiti, ognuno, da numeri che esprimono il tenore, in

percentuale in massa, riportati in ordine decrescente.

Esempi: EN AW-Al Zn 5 Mg 1,5 EN AW-Al Cu 4 Si Mg EN AW- Al Mg 5

LEGHE LEGGERE DA FONDERIA

Presentano elevata fusibilità e colabilità e un basso coefficiente di ritiro che le rendono particolarmente adatte alla produzione di getti.

Leghe alluminio-rame (Cu = 3 ÷ 12%)

Il rame aumenta la resistenza meccanica e la resistenza al calore

Rm = 200 ÷ 350 N/mm2 HB = 80 ÷ 120

Suoi nomi commerciali sono TERMAFOND, ALCUFOND; vengono usate per pistoni, ruote di autoveicoli.

Designazione

Vecchia (UNI 3039) Nuova

G-Al Cu 10 EN AC-Al Cu 10

Lega leggera da fonderia con 10% di rame (termafond) con buona resistenza al calore

Leghe alluminio-magnesio (Mg = 3 ÷ 10%)

Il rame aumenta la resistenza meccanica ma soprattutto la resistenza alla corrosione

Rm = 180 ÷ 250 N/mm2 HB = 60 ÷ 80

Suo nome commerciale: CORROFOND.

Designazione

Vecchia Nuova

G-Al Mg 7 EN AC-Al Mg 7

Lega leggera da fonderia con 7% di magnesio (corrofond) con buona resistenza alla corrosione

Leghe alluminio-silicio (Si = 4,5 ÷ 20%)

Il silicio aumenta la fluidità della lega allo stato liquido e la rende adatta alla produzione di getti di forma complessa e con piccoli spessori

Rm = 160 ÷ 200 N/mm2 HB = 50 ÷ 60

Suo nome commerciale: SILUMIN.

Designazione

Vecchia Nuova

G-Al Si 13 EN AC-Al Si 13

Lega leggera da fonderia con 13% di silicio (silumin) con elevata colabilità, adatta per getti di forma complessa

LEGHE LEGGERE DA LAVORAZIONE PLASTICA

Sono utilizzate per produzione di barre, tubi, profilati, fili, lamiere ottenuti mediante lavorazione per deformazione plastica: laminazione, trafilatura, estrusione, stampaggio.

Leghe alluminio-rame (Cu = 3 ÷ 5%)

Hanno una buona resistenza meccanica dopo bonifica

Rm = 400 ÷ 500 N/mm2 HB = 100 ÷ 140

Suoi nomi commerciali sono AVIONAL, DURALLUMINIO, RECIDAL; vengono usate nell’industria aeronautica e per motoveicoli leggeri.

Designazione

Vecchia (UNI 3565) Nuova

P-Al Cu 4 Mg Mn EN AW-Al Cu 4 Mg Mn

Lega leggera da lavorazione plastica con 4% di rame e presenze di magnesio e manganese (avional) con buona resistenza meccanica (Rm = 400 ÷ 500 N/mm2)

Leghe alluminio-zinco (Zn = 5 ÷ 8%)

Lo zinco aumenta molto la resistenza meccanica dopo bonofica; buona la resistenza alla corrosione.

Rm = 500 ÷ 700 N/mm2 HB = 150 ÷ 200

Suo nome commerciale è ERGAL

Designazione

Vecchia Nuova

P-Al Zn 7,8 Mg 2,5 Cu EN AW-Al Zn 7,8 Mg 2,5 Cu

Lega leggera da lavorazione plastica con 7,8% di zinco, 2,5% di magnesio e presenze di rame

(ergal) con ottima resistenza meccanica (Rm = 500 ÷ 700 N/mm2)

Altre leghe da lavorazione plastica sono:

leghe Al Mn nome commerciale ALUMAN utilizzate per parti strutturali poco sollecitate leghe Al Mg nome commerciale PERALUMAN utilizzate per parti strutturali poco sollecitate; sono resistenti alla corrosione in ambiente marino

leghe Al Si Mg nome commerciale ANTICORODAL utilizzate per parti strutturali quando contengono poco silicio, per pistoni fucinati o stampati a caldo quando contengono molto silicio

leghe Al Zn Mg Cu nome commerciale ERGAL impiegate nelle costruzioni avio-auto-moto

RAME E SUE LEGHE

Le fonti principali di rame sono la calcopirite (Cu Fe S2, solfato misto di rame e ferro) e la calcosina (Cu2 S solfato di rame).

PRODUZIONE DEL RAME

La bassa concentrazione di rame nei minerali da cui viene estratto impone diversi stadi di lavorazione. I minerali vengono frantumati e macinati prima di essere introdotti nella camera di flottazione, dove il rame si separa dal resto dei frammenti, che precipitano. La polvere arricchita di rame passa nel forno a riverbero dove buona parte delle impurità viene rimossa sotto forma di gas. Si ottiene una miscela di rame e ferro, detta metallina, sopra la quale galleggiano delle scorie che vengono eliminate, mentre il resto della fusione raggiunge un convertitore. Il rame fuso viene colato in stampi e ulteriormente purificato per elettrolisi prima di essere usato per produrre utensili o cavi elettrici.

USI

Il rame fonde a circa 1083 °C, bolle a circa 2595 °C. È caratterizzato da elevata conducibilità termica ed elettrica, buona resistenza alla corrosione, malleabilità, duttilità, ma anche bellezza, e trova quindi moltissime applicazioni. Allo stato puro viene utilizzato prevalentemente per condutture elettriche. Sottili fili conduttori estremamente resistenti sono impiegati sia come cavi esterni sia per gli impianti elettrici domestici, in lampade e dispositivi come generatori, relè, elettromagneti e strumenti per telecomunicazioni.

Il rame puro è molto tenero e per essere lavorato deve essere indurito; al contrario le leghe di rame, sono dure e resistenti, hanno elevata resistenza elettrica e di conseguenza non possono essere utilizzate come materiale conduttore.

Le sue PROPRIETÀ sono:

• Massa volumica ρ = 8800 kg/m3

PROPRIETÀ MECCANICHE

A% HB Rm (N/mm2)

Ricotto 30 ÷ 45 40 ÷ 60 200 ÷ 250

Incrudito 5 ÷ 20 60 ÷ 90 300 ÷ 450

• Scarsa fusibilità

• Malleabilità e duttilità a caldo e a freddo

• Buona saldabilità

• Buona resistenza alla corrosione

• Media resistenza meccanica

Viene usato in lega con altri elementi: zinco, stagno, alluminio che ne migliorano le proprietà. Fra le leghe più usate nell’industria meccanica si distinguono gli ottoni, i bronzi, i cuprallumini.

La DESIGNAZIONE delle leghe del rame prevede:

la lettera P per le leghe da lavorazione plastica, la lettera G per le leghe da fonderia il simbolo del rame Cu

i simboli degli elementi in lega seguiti, ognuno, da numeri arrotondati all’unità che esprimono il

tenore in percentuale.

Es.: P-Cu Al8 Fe3 G-Cu Zn36 Si1 Pb1

OTTONI

Sono leghe del rame contenente zinco in quantità variabile dal 4 al 40%. L’aggiunta di zinco: • abbassa il punto di fusione, la massa volumica, il modulo di elasticità;

• aumenta la durezza e la resistenza meccanica.

In generale sono malleabili, fusibili, con buona resistenza alla corrosione e discrete proprietà meccaniche.

Allo stato ricotto: Rm = 350 ÷ 400 N/mm2 HB = 80 ÷ 100

Allo stato incrudito: Rm = 400 ÷ 600 N/mm2 HB = 100 ÷ 180

C L A S S I F I C A Z I O N E O T T O N I

OTTONI DA

LAVORAZIONE

PLASTICA Sono malleabili a freddo e a caldo. Sono usati per pezzi fucinati, lamiere, barre, bulloneria, tubi per scambiatori di calore. P-Cu Zn37

P-Cu Zn40

OTTONI DA FONDERIA Sono usati per la produzione di articoli idraulici, maniglie, ecc. G-Cu Zn40

G-Cu Zn36

OTTONI

SPECIALI

Al piombo Sono più lavorabili alle macchine utensili, particolarmente malleabili. Sono usati per bulloneria, morsetti, boccole, ecc. P-Cu Zn40 Pb2

P-Cu Zn36 Pb3

G-Cu Zn38 Pb2

Ad alta resistenza Hanno elevata resistenza meccanica Rm = 600 ÷ 700 N/mm2 e buona resistenza alla corrosione.

Sono utilizzati per costruzioni navali. P-Cu Zn28 Sn1

P-Cu Zn32 Mn3 Al2 Fe Ni

BRONZI

Sono leghe del rame contenente stagno in quantità variabile dal 2 al 12% con eventuale presenza di altri elementi (bronzi speciali). Le proprietà della lega dipendono dalla percentuale di stagno: aumentando la percentuale di stagno aumentano la durezza, la resistenza meccanica e la fusibilità, mentre diminuiscono l’allungamento e la malleabilità a freddo.

In generale presentano discrete proprietà meccaniche, più basse rispetto agli ottoni.

Allo stato ricotto: Rm = 200 ÷ 300 N/mm2 HB = 60 ÷ 80

Allo stato incrudito: Rm = 300 ÷ 500 N/mm2 HB = 80 ÷ 140

C L A S S I F I C A Z I O N E B R O N Z I

BRONZI DA

LAVORAZIONE

PLASTICA Contengono stagno in percentuale dal 2 al 8%. Sono malleabili a freddo. Sono usati per lamiere, medaglie, fili, molle. P-Cu Sn7

BRONZI DA FONDERIA Contengono stagno in percentuale dal 10 al 12%. Sono usati per la produzione di getti navali, giranti di pompe, valvole, cuscinetti, ruote dentate. G-Cu Sn12

G-Cu Sn10 Zn2

BRONZI

SPECIALI

Al piombo Il piombo migliora le proprietà antifrizione (resistenza ad usura). Sono usati per supporti, boccole. G-Cu Sn8 Pb15

G-Cu Sn5 Pb20

Allo zinco Lo zinco aumenta la durezza e la fusibilità della lega rendendola adatta alla produzione di getti di forma complessa. Sono utilizzati per valvole, pompe. G-Cu Sn10 Zn2

CUPRALLUMINI

Sono leghe del rame contenente alluminio in quantità variabile dal 4 al 14% con eventuale presenza di altri elementi. Presenta buone proprietà meccaniche anche a caldo (Rm = 400 ÷ 800 N/mm2, HB = 110 ÷ 320, resistenza ad usura), ottima resistenza alla corrosione, buona saldabilità. È fusibile, ma si può fucinare. Si usano per bulloneria, valvole, ruote dentate, eliche navali.

Es.: P-Cu Al8 G-Cu Al9 Fe3

Notizie e proprietà più dettagliate si trovano nei manuali specialistici.


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