Le leghe di alluminio, dette anche leghe leggere, sono leghe ottenute principalmente con la combinazione tra alluminio e rame, zinco, manganese, silicio, o magnesio.
Le principali caratteristiche di queste leghe sono:
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.[1]
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[2][3] e l'ASTM
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[4]. I principali campi di applicazione sono:
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[1], 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.
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:
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 di alluminio per lavorazione plastica - limiti di composizione (% peso)
| Lega | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Cr | Zn | V | Ti | Bi | Ga | Pb | Zr | altri metalli | Al | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ognuno | totale | |||||||||||||||
| 1060 | 0,25 | 0,35 | 0,05 | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,05 | 0,05 | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 99,6 min | |
| 1100 | 0,95 Si+Fe | 0,05-0,20 | 0,05 | 0,10 | 0,05 | 0,15 | 99,0 min | |||||||||
| 2014 | 0,50-1,20 | 0,7 | 3,9-5,0 | 0,40-1,2 | 0,20-0,8 | 0,10 | 0,25 | 0,15 | 0,05 | 0,15 | ||||||
| 2024 | 0,50 | 0,50 | 3,8-4,9 | 0,30-0,9 | 1,2-1,8 | 0,10 | 0,25 | 0,15 | 0,05 | 0,15 | ||||||
| 2219 | 0,20 | 0,30 | 5,8-6,8 | 0,20-0,40 | 0,02 | 0,10 | 0,05-0,15 | 0,02-0,10 | 0,10-0,25 | 0,05 | 0,15 | |||||
| 3003 | 0,60 | 0,70 | 0,05-0,20 | 1,0-1,5 | 0,10 | 0,05 | 0,15 | |||||||||
| 3004 | 0,30 | 0,70 | 0,25 | 1,0-1,5 | 0,8-1,3 | 0,25 | 0,05 | 0,15 | ||||||||
| 3102 | 0,40 | 0,70 | 0,10 | 0,05-0,40 | 0,30 | 0,10 | 0,05 | 0,15 | ||||||||
| 5052 | 0,25 | 0,40 | 0,10 | 0,10 | 2,2-2,8 | 0,15-0,35 | 0,10 | 0,05 | 0,15 | |||||||
| 5083 | 0,40 | 0,40 | 0,10 | 0,40-1,0 | 4,0-4,9 | 0,05-0,25 | 0,25 | 0,15 | 0,05 | 0,15 | ||||||
| 5086 | 0,40 | 0,50 | 0,10 | 0,20-0,7 | 3,5-4,5 | 0,05-0,25 | 0,25 | 0,15 | 0,05 | 0,15 | ||||||
| 5154 | 0,25 | 0,40 | 0,10 | 0,10 | 3,1-3,9 | 0,15-0,35 | 0,20 | 0,20 | 0,05 | 0,15 | ||||||
| 5454 | 0,25 | 0,40 | 0,10 | 0,50-1,0 | 2,4-3,0 | 0,05-0,20 | 0,25 | 0,20 | 0,05 | 0,15 | ||||||
| 5456 | 0,25 | 0,40 | 0,10 | 0,50-1,0 | 4,7-5,5 | 0,05-0,20 | 0,25 | 0,20 | 0,05 | 0,15 | ||||||
| 6005 | 0,6-0,90 | 0,35 | 0,10 | 0,10 | 0,40-0,6 | 0,10 | 0,10 | 0,10 | 0,05 | 0,15 | ||||||
| 6005A | 0,50-0,90 | 0,35 | 0,30 | 0,50 | 0,40-0,7 | 0,30 | 0,20 | 0,10 | 0,05 | 0,15 | ||||||
| 6060 | 0,30-0,60 | 0,10-0,30 | 0,10 | 0,10 | 0,35-0,6 | 0,5 | 0,15 | 0,10 | 0,05 | 0,15 | ||||||
| 6061 | 0,40-0,80 | 0,70 | 0,15-0,40 | 0,15 | 0,8-1,2 | 0,04-0,35 | 0,25 | 0,15 | 0,05 | 0,15 | ||||||
| 6063 | 0,20-0,6 | 0,35 | 0,10 | 0,10 | 0,45-0,9 | 0,10 | 0,10 | 0,10 | 0,05 | 0,15 | ||||||
| 6066 | 0,90-1,80 | 0,50 | 0,70-1,20 | 0,60-1,10 | 0,80-1,40 | 0,40 | 0,25 | 0,20 | 0,05 | 0,15 | ||||||
| 6070 | 1,00-1,70 | 0,50 | 0,15-0,40 | 0,40-1,00 | 0,50-1,20 | 0,10 | 0,25 | 0,15 | 0,05 | 0,15 | ||||||
| 6082 | 0,70-1,30 | 0,50 | 0,10 | 0,40-1,00 | 0,60-1,20 | 0,25 | 0,20 | 0,10 | 0,05 | 0,15 | ||||||
| 6105 | 0,60-1,00 | 0,35 | 0,10 | 0,10 | 0,45-0,80 | 0,10 | 0,10 | 0,10 | 0,05 | 0,15 | ||||||
| 6162 | 0,40-0,80 | 0,50 | 0,20 | 0,10 | 0,70-1,10 | 0,10 | 0,25 | 0,10 | 0,05 | 0,15 | ||||||
| 6262 | 0,40-0,8 | 0,70 | 0,15-0,40 | 0,15 | 0,80-1,20 | 0,04-0,14 | 0,25 | 0,15 | 0,40-0,70 | 0,40-0,70 | 0,05 | 0,15 | ||||
| 6351 | 0,70-1,30 | 0,50 | 0,10 | 0,40-0,80 | 0,40-0,80 | 0,20 | 0,20 | 0,05 | 0,15 | |||||||
| 6463 | 0,20-0,60 | 0,15 | 0,20 | 0,05 | 0,45-0,90 | 0,05 | 0,05 | 0,15 | ||||||||
| 7005 | 0,35 | 0,40 | 0,10 | 0,20-0,7 | 1,00-1,80 | 0,06-0,20 | 4,0-5,0 | 0,01-0,06 | 0,08-0,20 | 0,05 | 0,15 | |||||
| 7072 | 0,70 Si+Fe | 0,10 | 0,10 | 0,10 | 0,80-1,30 | 0,05 | 0,15 | |||||||||
| 7075 | 0,40 | 0,50 | 1,20-2,00 | 0,30 | 2,10-2,90 | 0,18-0,28 | 5,10-6,10 | 0,20 | 0,05 | 0,15 | ||||||
| 7116 | 0,15 | 0,30 | 0,50-1,10 | 0,05 | 0,80-1,40 | 4,20-5,20 | 0,05 | 0,05 | 0,03 | 0,05 | 0,15 | |||||
| 7129 | 0,15 | 0,30 | 0,50-0,9 | 0,10 | 1,30-2,00 | 0,10 | 4,20-5,20 | 0,05 | 0,05 | 0,03 | 0,05 | 0,15 | ||||
| 7178 | 0,40 | 0,50 | 1,60-2,40 | 0,30 | 2,40-3,10 | 0,18-0,28 | 6,30-7,30 | 0,20 | 0,05 | 0,15 | ||||||
Il limite "altri metalli" si applica a tutti gli altri elementi, sia quelli compresi in tabella sia quelli non menzionati e per i quali non sono indicati altri limiti. La lega 6005A ha un altro limite non specificato in tabella: il titolo di manganese più cromo deve essere compreso nell'intervallo 0.12-0.50.
Secondo l'ente IADS (International Alloy Designation System) le leghe da fonderia sono così classificate:
.0=lega per getti
.1=lega per lingotti
La designazione europea EN-1780-1 classifica così le leghe:
|
 Lo stesso argomento in dettaglio: Indurimento per precipitazione. |
L'indurimento per precipitazione, chiamato anche PH (Precipitation hardening) è un trattamento termico volto ad aumentare la durezza delle leghe e a migliorare altre proprietà, come la resistenza a corrosione.[8] Il miglioramento di queste proprietà avviene attraverso la formazione di precipitati dispersi nella matrice metallica, vale a dire formando particelle di una fase diversa da quella della matrice, immerse in essa stessa. In letteratura si fa anche riferimento al termine "indurimento per invecchiamento", poiché le proprietà meccaniche della lega trattata si sviluppano nel tempo. L'invecchiamento può essere ottenuto in maniera artificiale, mantenendo la lega a temperature più alte di quella ambientale (tipicamente dell'ordine del centinaio di gradi Celsius per le leghe di alluminio), accelerando la formazione dei precipitati. L'indurimento per precipitazione prevede due diverse fasi di trattamento termico:
Le leghe di alluminio vengono lavorate mediante vari metodi:
Meno impiegata per queste leghe è la tecnica della fusione (anche se ultimamente sta trovando un certo successo la fusione in cera persa, che permette l'ottenimento di strutture molto integrate, e dunque il risparmio di assemblaggi laboriosi).
Ad alte temperature l'alluminio si lega con l'ossigeno formando l'allumina, un ossido refrattario. Di conseguenza, i metodi di saldatura tradizionali non offrono risultati soddisfacenti, comportando per questo materiale il ricorso a tecniche quali la TIG, la MIG detta comunemente saldatura a filo continuo, la saldatura per attrito (FSW - Friction Stir Welding), la saldatura laser. A causa di introduzione di zone termicamente alterate e di imperfezioni nel cordone di saldatura come inclusioni, porosità e altre, oltre che dell'inevitabile alterazione delle proprietà meccaniche della lega, ogni qualvolta si progettano giunzioni strutturali in qualche modo critiche in lega di alluminio, si deve rinunciare alla saldatura a favore di tecnologie più affidabili come la chiodatura, la bullonatura o l'incollaggio.
Le leghe di alluminio possiedono proprietà meccaniche inferiori rispetto ad un acciaio o ad una lega di titanio. Per contro, il basso peso specifico delle prime garantisce in linea generale un risparmio in peso sul componente. Le proprietà meccaniche della lega possono essere migliorate con trattamenti di lavorazione a freddo, oppure aggiungendo elementi come rame, magnesio, silicio, manganese e zinco, e l'indurimento per precipitazione sopra descritto. La seguente tabella dà un'idea delle proprietà tipiche di alcune leghe di alluminio di uso strutturale:
| Denominazione lega | densità | carico di rottura | carico di snervamento | modulo elastico | note |
| 2024-T3 | 2.780 kg/dm3 | 483 MPa | 345 MPa | 73,1 GPa | buone proprietà meccaniche, buona resistenza a fatica |
| 7075-T6 | 2.810 kg/dm3 | 572 MPa | 503 MPa | 71,7 GPa | elevate proprietà meccaniche, suscettibile a tensocorrosione |
| 7175-T66 | 2.800 kg/dm3 | 590 MPa | 520 MPa | 72 GPa | miglior controllo sul tenore delle impurità rispetto alla 7075, aumentano le proprietà meccaniche e i costi |
| 2090-T3 | 2.590 kg/dm3 | 320 MPa | 210 MPa | 76 GPa | 1,9-2,6% di Li, elevata rigidezza e bassa densità, costi elevati |
| 6061-O | 2.700 kg/dm3 | 124 MPa | 55,2 MPa | 68,9 GPa | basse proprietà meccaniche, buona saldabilità |
La tabella seguente invece riporta, a titolo comparativo, le proprietà tipiche approssimative di alcuni acciai e leghe di titanio:
| Denominazione lega | densità | carico di rottura | carico di snervamento | modulo elastico | note |
| Acciaio maraging tipico | 8.000 kg/dm3 | 1.200 MPa | 800 MPa | 200 GPa | acciaio "martensitic aging" ad alta resistenza |
| acciaio a basso tenore di carbonio | 7.850 kg/dm3 | 700 MPa | 400 MPa | 200 GPa | può essere ulteriormente trattato per migliorarne le proprietà |
| acciaio ad alto carbonio, temprato e rinvenuto | 7.800 kg/dm3 | 1.700 MPa | 1.500 MPa | 205 GPa | acciaio ad altissima resistenza, ma molto fragile |
| Titanio Ti-6Al-4Va | 4.400 kg/dm3 | 1.200 MPa | 1.100 MPa | 114 GPa | il titanio più usato per applicazioni strutturali |
| composito in fibra di carbonio | 1.500 kg/dm3 | fino a 4.000 MPa | proprietà indicative, dipendono molto dalla realizzazione specifica del componente |
Quando in ambito strutturale si sceglie di sostituire l'acciaio con una lega leggera, è da considerare il fatto che i moduli elastici dei due materiali sono differenti. Un esempio di criticità in questo senso si ha nel caso della sostituzione della struttura tubolare di un telaio di bicicletta con una di identiche dimensioni, ma realizzata in lega leggera. La maggiore flessibilità di quest'ultima, se non corretta, causerebbe un disallineamento della trasmissione e uno spreco delle forze muscolari di spinta, che verrebbero in parte assorbite e sprecate. Se per recuperare la rigidezza si aumenta la geometria del tubo, il peso varia proporzionalmente, annullando la scelta adottata. In questo caso si deve ricorrere al ridimensionamento dell'elemento tubolare. Nel caso del telaio per bicicletta, agendo sul diametro dei tubi e non sullo spessore delle pareti del tubo. In questo modo, la rigidezza necessaria può essere nuovamente raggiunta o addirittura migliorata senza compromettere il risparmio di peso. Dal punto di vista matematico in un tubo, a parità di spessore delle pareti, la rigidezza aumenta con il cubo del diametro, mentre la massa aumenta solo in proporzione diretta.
Di conseguenza, un tubo in lega leggera che abbia il doppio del diametro di un tubo di acciaio e lo stesso spessore delle pareti, avrà una rigidezza maggiore all'incirca di un rapporto 8 a 3, ma peserà solo i 2/3. Naturalmente, bisogna garantire una rigidezza flessionale adeguata per ogni direzione di flessione, affinché non si verifichi il fenomeno dell'instabilità a carico di punta. Infatti, nel caso della bicicletta sono presenti altre forze non dirette lungo l'asse longitudinale del tubo, che potrebbero provocare questo fenomeno nei tubolari che compongono il telaio.
Le proprietà di una lega di alluminio variano considerevolmente in funzione degli elementi che la costituiscono, del tenore delle impurezze presenti e dei trattamenti (meccanici e termici) applicati al materiale. Questa variabilità unita al periodo di apprendimento che è stato necessario per comprendere le modalità di impiego, ha consegnato alle leghe leggere per un certo periodo di tempo una cattiva reputazione. Per esempio, il gran numero di casi di rotture incorse a strutture di alluminio per biciclette negli anni settanta diffuse nell'ambiente perplessità sull'utilizzo in questione. Al contrario, l'uso diffuso di componenti in lega di alluminio nei settori ad alte prestazioni delle industrie aerospaziale e automobilistiche, dove gli stress meccanici sono attentamente studiati e tenuti in considerazione nella progettazione, non ha portato a diminuzioni dell'affidabilità. Ciò ha costituito la dimostrazione che componenti in alluminio per uso ciclistico correttamente progettati non sono intrinsecamente inaffidabili. Il tempo e le esperienze hanno dato prova sul campo di questi concetti.
Similarmente, l'uso delle leghe di alluminio nelle applicazioni automobilistiche, particolarmente nelle parti dei motori che devono resistere in condizioni difficili, ha avuto un grande sviluppo nel corso del tempo. Un ingegnere dell'Audi, commentando il motore V12 da oltre 500 hp (370 kW), di un'auto da corsa della Auto Union degli anni trenta che è stata recentemente restaurata dalla Audi, ha dichiarato che la lega di alluminio con la quale è stato costruito il motore oggi sarebbe usata solo per arredi da giardino e simili.[senza fonte]
È comunque da sottolineare il fatto che a seconda della destinazione di utilizzo (per ragioni direttamente riconducibili al prezzo e all'affidabilità dei singoli prodotti finiti in lega) le leghe più pregiate, a parità di composizione e designazione, sono quelle impiegate in campo aerospaziale. La differenza apparentemente paradossale che si può riscontrare nei comportamenti meccanici di prodotti destinati a settori differenti ma identici da un punto di vista designativo e di composizione chimica è principalmente dovuta ai metodi di fusione e solidificazione delle differenti partite di lega. Di conseguenza un prodotto destinato all'industria aerospaziale, può avere costi decuplicati (o anche più) rispetto allo stesso pezzo destinato ad esempio all'industria automobilistica anche di alto livello.
Le leghe di alluminio, a causa della loro bassa densità, già dagli anni '20 sono state utilizzate in campo aeronautico, nella composizione Al-Cu-Mg. Negli anni '40, con l'aumentare delle velocità di volo, e quindi dei carichi agenti sulle strutture, fu necessario introdurre delle leghe leggere che avessero proprietà meccaniche decisamente migliori delle precedenti. In questi anni cominciarono ad essere utilizzate le leghe Al-Zn, che però soffrivano di problemi di tensocorrosione e di scarsa resistenza a fatica. Il problema permase fino agli anni '60, quando l'introduzione del trattamento termico T73 (sovrainvecchiamento), migliorò di molto la situazione. Il dimensionamento a fatica delle leghe di alluminio è tuttora uno dei requisiti cogenti previsti dalle normative internazionali in materia. I pannelli di fusoliera o di ventre d'ala di un aeroplano sono tipici esempi di strutture dimensionate a fatica, mentre i pannelli di dorso d'ala, e la struttura sottostante, sono dimensionati affinché non vadano in instabilità. La recente introduzione delle leghe Al-Li, ancora più leggere e con prestazioni superiori in termini di rigidezza e resistenza a fatica a parità di peso, sembra aver trovato larghi consensi. L'alto costo dell'utilizzo del litio, a causa della sua elevata reattività chimica, viene compensato dal risparmio sul peso della struttura a vantaggio dei costi operativi (ad es. un aeromobile più pesante consuma più carburante, o equivalentemente trasporta meno carico pagante). Il limite di solubilità del litio nella lega può essere oltrepassato con tecniche, che naturalmente aumentano i costi di produzione del materiale, come la solidificazione rapida o la metallurgia delle polveri (sinterizzazione).
Le leghe di alluminio non soffrono di corrosione di tipo generalizzato, ma di fenomeni come la tensocorrosione, la corrosione localizzata (pitting), la corrosione per sfregamento (fretting) e quella galvanica. Tipicamente la protezione dalla corrosione si consegue mediante anodizzazione o l'applicazione di clad o di vernici protettive (primer). Spesso come rivestimento protettivo su una lega di alluminio viene utilizzato l'alluminio puro. In tale caso la lega viene indicata con il suo numero seguito dalla dicitura Alclad, ad esempio 2024 Alclad. Per garantire la resistenza a corrosione dello strato di alluminio esterno, si deve ricorrere a placcatura a freddo.
Le leghe di alluminio elencate
Di seguito sono richiamate le leghe di alluminio che hanno impiego aeronautico. [10] Leghe di maggior impiego:
Nella lista sono comprese leghe per uso aerospaziale ancora in produzione, ma meno utilizzate.
Queste leghe sono utilizzate nella cantieristica navale e in tutte le altre applicazioni dove è richiesta resistenza all'ambiente salino e saldabilità.[11]
