Come e perché gli elementi di lega vengono aggiunti all'alluminio

Conoscere le leghe: i segreti per ottenere saldature di alluminio perfette

L'alluminio puro non viene solitamente utilizzato per applicazioni strutturali. Per produrre un alluminio dotato di una resistenza adeguata alla fabbricazione di componenti strutturali, è necessario aggiungere altri elementi all'alluminio. Quali sono quindi gli elementi da poter aggiungere a queste leghe di alluminio? L'aggiunta di questi elementi ha qualche effetto sulle prestazioni del materiale? In quali applicazioni vengono utilizzate queste leghe?

Perché l'alluminio puro non è adatto alle applicazioni strutturali

La scelta dell'alluminio puro (serie di leghe 1xxx) per la fabbricazione strutturale sarebbe molto insolita a causa delle sue caratteristiche di resistenza. Sebbene le leghe della serie 1xxx siano in alluminio quasi puro, rispondono all'incrudimento, soprattutto se contengono quantità apprezzabili di impurità come ferro e silicio. Tuttavia, anche allo stato incrudito, le leghe della serie 1xxx hanno una resistenza molto bassa rispetto alle altre serie di leghe di alluminio. Quando le leghe della serie 1xxx vengono scelte per un'applicazione strutturale, spesso vengono selezionate per la loro superiore resistenza alla corrosione e/o per la loro elevata conduttività elettrica. Le applicazioni più comuni per le leghe della serie 1xxx sono fogli di alluminio, condotti sbarra elettrici, filo per metallizzazione, serbatoi chimici e sistemi di condotti.

Come e perché gli elementi di lega vengono aggiunti all'alluminio

L'aggiunta di elementi di lega all'alluminio è il metodo principale utilizzato per produrre una selezione di materiali diversi che possono essere impiegati in un vasto assortimento di applicazioni strutturali.

Se consideriamo le sette serie di leghe di alluminio designate utilizzate per le leghe per lavorazioni plastiche, possiamo immediatamente identificare i principali elementi di lega impiegati per produrre ciascuna delle serie di leghe. Possiamo quindi esaminare gli effetti di ciascuno di questi elementi sull'alluminio. Abbiamo inoltre aggiunto alcuni altri elementi di uso comune e i loro effetti sull'alluminio.

Serie	Elemento di lega primario
1xxx	Alluminio - 99,00% o superiore
2xxx	Rame
3xxx	Manganese
4xxx	Silicio
5xxx	Magnesio
6xxx	Magnesio e silicio
7xxx	Zinco

I principali effetti degli elementi di lega in alluminio sono i seguenti:

Rame (Cu) 2xxx - Le leghe di alluminio-rame contengono generalmente tra il 2 e il 10% di rame, con aggiunte di altri elementi in percentuali minori. Il rame fornisce aumenti sostanziali della resistenza e facilita l'indurimento per precipitazione. L'introduzione del rame nell'alluminio può anche ridurre la duttilità e la resistenza alla corrosione. La suscettibilità alla fessurazione di solidificazione delle leghe di alluminio-rame è maggiore. Di conseguenza, alcune di queste leghe possono rappresentare le leghe di alluminio più difficili da saldare. Queste leghe includono alcune delle leghe di alluminio trattabili termicamente dotate di maggiore resistenza. Le applicazioni più comuni per le leghe della serie 2xxx sono quelle dei settori aerospaziale, dei veicoli militari e delle alette per razzi.

Manganese (Mn) 3xxx - L'aggiunta di manganese all'alluminio aumenta leggermente la resistenza attraverso il rafforzamento della soluzione. Migliora inoltre l'incrudimento senza ridurre sensibilmente la duttilità o la resistenza alla corrosione. Si tratta di materiali a resistenza moderata non trattabili termicamente che mantengono la resistenza a temperature elevate e sono raramente utilizzati per applicazioni strutturali di grande entità. Le applicazioni più comuni per le leghe della serie 3xxx sono utensili da cucina, radiatori, condensatori di climatizzatori, evaporatori, scambiatori di calore e sistemi di condotti associati.

Silicio (Si) 4xxx - L'aggiunta di silicio all'alluminio riduce la temperatura di fusione e migliora la fluidità. Il silicio da solo nell'alluminio produce una lega non trattabile termicamente. Tuttavia, in combinazione con il magnesio, produce una lega trattabile termicamente a indurimento per precipitazione. Di conseguenza, all'interno della serie 4xxx sono presenti sia leghe trattabili termicamente sia leghe non trattabili termicamente. Le aggiunte di silicio all'alluminio sono comunemente utilizzate per la produzione di fusioni. Le applicazioni più comuni per le leghe della serie 4xxx sono i fili d'apporto per la saldatura per fusione e la brasatura dell'alluminio.

Magnesio (Mg) 5xxx - L'aggiunta di magnesio all'alluminio aumenta la resistenza attraverso il rafforzamento della soluzione solida e migliora la capacità di incrudimento. Queste sono le leghe di alluminio non trattabili termicamente più resistenti e sono, quindi, ampiamente utilizzate per applicazioni strutturali. Le leghe della serie 5xxx sono prodotte principalmente sotto forma di lamiere e lastre e solo occasionalmente sotto forma di estrusioni, perché tendono a indurirsi rapidamente e sono quindi difficili e costose da estrudere. Alcune applicazioni comuni per le leghe della serie 5xxx sono carrozzerie di autocarri e treni, edifici, veicoli blindati, costruzione di navi e imbarcazioni, cisterne chimiche, recipienti in pressione e serbatoi criogenici.

Magnesio e silicio (Mg₂Si) 6xxx - L'aggiunta di magnesio e silicio all'alluminio produce il composto siliciuro di magnesio (Mg₂Si). La formazione di questo composto conferisce alla serie 6xxx la sua trattabilità termica. Le leghe della serie 6xxx vengono estruse in modo semplice ed economico. Per questo motivo, le leghe 6xxx si trovano molto spesso in un'ampia selezione di forme estruse. Queste leghe costituiscono un importante sistema complementare alla lega della serie 5xxx. La lega della serie 5xxx viene utilizzata sotto forma di lamiere e le leghe 6xxx sono spesso unite alla lamiera in una forma estrusa. Alcune delle applicazioni comuni per le leghe della serie 6xxx sono corrimano, alberi di trasmissione, sezioni di telai automotive, telai di biciclette, mobili da giardino tubolari, impalcature, sostegni e rinforzi utilizzati su autocarri, imbarcazioni e molte altre tipologie di costruzioni strutturali.

Zinco (Zn) 7xxx - L'aggiunta di zinco all'alluminio (insieme ad alcuni altri elementi, principalmente magnesio e/o rame) produce leghe di alluminio trattabili termicamente dotate della massima resistenza. Sostanzialmente, lo zinco aumenta la resistenza e consente l'indurimento per precipitazione. Alcune di queste leghe possono essere soggette a tensocorrosione e per questo motivo, in genere, non sono saldate per fusione. Altre leghe di questa serie sono spesso saldate per fusione con risultati eccellenti. Alcune delle comuni applicazioni delle leghe della serie 7xxx sono relative ai settori aerospaziale, veicoli blindati, mazze da baseball e telai di biciclette.

Ferro (Fe) - Il ferro è l'impurità più comune che si trova nell'alluminio ed è intenzionalmente aggiunto ad alcune leghe pure (serie 1xxx) per fornire un lieve aumento della resistenza.

Cromo (Cr) - Il cromo viene aggiunto all'alluminio per controllare la struttura granulare e per prevenire l'aumento della grana nelle leghe di alluminio-magnesio. Aiuta anche a prevenire la ricristallizzazione nelle leghe di alluminio-magnesio-silicio o alluminio-magnesio-zinco durante il trattamento termico. Il cromo riduce anche la suscettibilità alla tensocorrosione e migliora la tenacità.

Nichel (Ni) - Il nichel viene aggiunto alle leghe di alluminio-rame e alluminio-silicio per migliorare la durezza e la resistenza a temperature elevate e per ridurre il coefficiente di espansione.

Titanio (Ti) - Il titanio viene aggiunto all'alluminio principalmente come raffinatore della grana. L'effetto di raffinazione della grana del titanio è potenziato se il boro è presente nella massa fusa o se viene aggiunto come lega madre contenente boro in gran parte combinato come TiB2. Il titanio viene aggiunto di frequente al filo d'apporto per saldatura in alluminio poiché affina la struttura della saldatura e aiuta a prevenirne la fessurazione.

Zirconio (Zr) - Lo zirconio viene aggiunto all'alluminio per formare un precipitato fine di particelle intermetalliche che inibiscono la ricristallizzazione.

Litio (Li) - L'aggiunta di litio all'alluminio può aumentare sostanzialmente la resistenza e il modulo di Young e fornire un indurimento per precipitazione; diminuisce inoltre la densità.

Piombo (Pb) e bismuto (Bi) - Piombo e bismuto vengono aggiunti all'alluminio per favorire la formazione dei trucioli e migliorare la lavorabilità. Spesso queste leghe a facile lavorabilità non sono saldabili perché il piombo e il bismuto producono costituenti a basso punto di fusione e possono produrre scarse proprietà meccaniche e/o un'elevata sensibilità alla fessurazione durante la solidificazione.

Riepilogo

Attualmente, nel settore vengono utilizzate molte leghe di alluminio. Presso l'Aluminium Association sono attualmente registrate oltre 400 leghe per lavorazioni plastiche e oltre 200 leghe da colata. Una delle considerazioni più importanti nell'ambito della saldatura dell'alluminio è l'identificazione del tipo di lega a base di alluminio da saldare. Se il tipo di materiale di base del componente da saldare non è disponibile tramite una fonte affidabile, può essere difficile selezionare una procedura di saldatura adeguata.

Esistono alcune linee guida generali, come quelle riportate in precedenza, sul tipo di alluminio da utilizzare preferibilmente in specifiche applicazioni. Tuttavia, è molto importante tenere presente che ipotesi errate sulla chimica di una lega di alluminio possono avere effetti molto gravi sulle prestazioni della saldatura. È altamente raccomandabile effettuare un'identificazione positiva del tipo di alluminio, quindi sviluppare e testare le procedure di saldatura per verificarne le prestazioni.