Alluminio

L’alluminio, entrato nell’uso pratico in epoca recente, ha acquisito una posizione prominente tra i metalli di uso industriale e architettonico. I suoi impieghi sono i più diversi: l’alluminio, infatti, è il metallo più diffuso dopo il ferro. È impiegato nella costruzione di veicoli, in edilizia, nella meccanica, per imballaggi, sia puro sia in lega.

La produzione dell’alluminio richiede l’utilizzo d’ingenti quantitativi di energia elettrica (dai 17 ai 20 kW/kg) con ovvie ripercussioni sui costi finali dei manufatti. Si stima che i costi dell’energia elettrica nell’intera produzione rappresentino più di un terzo del costo totale. Negli ultimi anni si sono affermate tecnologie di riciclaggio dell’alluminio usato, con ottimi risultati e notevoli benefici di natura sia ambientale sia economica. Infatti, la lavorazione dell’alluminio riciclato richiede una quantità di energia il 90-95% minore di quella necessaria per produrlo dal minerale.

Il potere riflettente per la radiazione visibile è del 90%. E’ usato pertanto nell’interno di lampade e nei collettori solari. Il poter riflettente anche per le radiazioni all’infrarosso è molto alto, circa il 97%: superfici di alluminio sono impiegate per l’isolamento del calore radiante.

Particelle sotto forma di fiocchi sono utilizzate come pigmento conferendo alle pitture un ottimo potere ricoprente e impermeabilità al rivestimento. L’alluminio allo stato puro trova applicazione solo nell’industria chimica ed elettrotecnica, mentre più diffuso utilizzo hanno le sue leghe.

Proprietà delle leghe

L’alluminio puro è caratterizzato da un modulo elastico pari a 69.000 MPa e da carichi di rottura e di snervamento rispettivamente pari a circa 200 MPa e 40 MPa. Poiché questi valori sono spesso inferiori a quelli richiesti alla maggior parte delle applicazioni, l’alluminio è usato in lega con altri elementi, in modo da migliorarne le caratteristiche meccaniche. Selezionando fra esse è possibile scegliere la lega che meglio soddisfa le richieste e le esigenze di esercizio.

Le caratteristiche che rendono interessanti le leghe di alluminio sono:

  • leggerezza;
  • conducibilità termica;
  • conducibilità elettrica;
  • resistenza alla corrosione;
  • possibilità di effettuare trattamenti superficiali;
  • facilità di messa in opera;
  • il riciclaggio dei rottami;
  • ampia gamma di semilavorati;
  • ampia gamma di leghe.

Gli elementi che entrano in lega con l’alluminio sono numerosi, ma solo un numero limitato è utilizzato per le leghe commerciali. In funzione dell’elemento alligante aggiunto in percentuale maggiore si distinguono 9 famiglie di leghe. La norma EN 573-AW le classifica.

Gli elementi alliganti più comuni sono Cu, Si, Zn, Pb, Mn e Mg. Elementi come Cr e V sono aggiunti per modificare le caratteristiche microstrutturali, come la finezza del grano cristallino o aumentare la temperatura di ricristallizzazione.

L’effetto di ciascun elemento alligante è legato alla percentuale con cui è aggiunto. Esiste, in ogni modo, una percentuale di saturazione oltre la quale alcune proprietà non variano più in modo sensibile. In breve, gli effetti dei vari elementi di lega sono:

  • manganese, aumenta la tenacità;
  • magnesio, aumenta la resistenza alla corrosione, la saldabilità e la resistenza meccanica;
  • magnesio + silicio, aumenta la resistenza meccanica, la formabilità e la resistenza alla corrosione;
  • silicio, abbassa il punto di fusione e aumenta la resistenza all’usura;
  • rame, aumenta la resistenza meccanica ma riduce la resistenza alla corrosione e la saldabilità;
  • zinco, aumenta molto la resistenza meccanica se in combinazione con altri elementi;
  • piombo, aumenta la lavorabilità all’utensile.

Alle basse temperature, le leghe di alluminio non presentano la transizione duttile-fragile, ma un miglioramento complessivo delle caratteristiche meccaniche. Infatti, resistenza a rottura e rigidezza aumentano con il diminuire della temperatura, mentre l’allungamento tende a rimanere costante.

Alle alte temperature, invece, si osservano decadimenti irreversibili di alcune caratteristiche meccaniche, soprattutto per leghe che sono state sottoposte a trattamenti termici o deformazione plastica.

Corrosione

L’alluminio allo stato puro ha un ottimo comportamento alla corrosione e richiede minor protezione rispetto ad altri metalli. Quando la superficie di un pezzo di alluminio, appena formato, è esposta all’atmosfera si ricopre subito con un sottile strato di ossido. Questo si riforma con rapidità se danneggiato.

Un’importante caratteristica di questo ossido è che il valore del rapporto di Pilling-Bedworth è circa 1,3. Lo strato superficiale si troverà, quindi, in uno stato di compressione. Il film non solo ricopre il materiale con continuità ma, per questo motivo, possiede anche la capacità di non rompersi quando il substrato subisce piccole deformazioni. A temperatura smbiente lo strato protettivo ha uno spessore di 2-3 nm ed è prodotto in meno di un giorno. L’alluminio, molte volte, è rinforzato con altri elementi quali rame, zinco, nichel; elementi che rendono però la lega più suscettibile di corrosione.

Il principale fattore che ne influenza il comportamento è il tipo di atmosfera: rurale, urbana, industriale, marina.

Le forme di corrosione più usuali sono:

Corrosione per pitting

È la morfologia di corrosione più comune per l’alluminio negli ambienti naturali e industriali.

Corrosione intergranulare

In seguito alla segregazione degli elementi alliganti, segregati al raffreddamento del fuso al contorno dei grani, si possono determinare pile di corrosione.

Corrosione interstiziale

Si manifesta quando le condizioni di progettazione o di montaggio comportano la formazione d’interstizi tra due parti di alluminio o tra alluminio e altri metalli, creando le condizioni per la formazione di una cella elettrolitica dovuta a ristagno di elettroliti. Può avere effetti molto marcati e portare in breve tempo alla dissoluzione del metallo nelle zone circostanti l’interstizio.

Corrosione filiforme

Questa forma di attacco si manifesta sotto la superficie degli strati di vernici. La corrosione avanza sotto “pelle”. Suscettibili a questo tipo di corrosione sono i rivestimenti permeabili all’umidità. Anche se il substrato metallico risente poco di questo tipo di attacco, l’aspetto estetico del manufatto è insoddisfacente, soprattutto quando l’alluminio è usato come materiale di rivestimento.

Corrosione galvanica

Tenendo conto che la corrosione dipende molto dall’ambiente, si è riscontrato che solo l’accoppiamento alluminio-rame e alluminio-grafite ha un importante effetto sulla corrosione galvanica dell’alluminio. Piombo, acciaio inossidabile, titanio e stagno hanno effetto solo in ambienti molto aggressivi (marini o acidi).

Ambienti chimici aggressivi

A causa della natura anfotera dell’alluminio, il film di ossido (Alz03) è solubile a temperatura ambiente a pH inferiori a 3 o superiori a 9. In conseguenza, in tali ambienti, si avrà una corrosione generalizzata con velocità pressoché costante.

Protezione

Per la maggior parte delle applicazioni comuni l’alluminio può essere usato senza particolari precauzioni. Tuttavia, per assicurare la massima resistenza alla corrosione, nei casi in cui si verificassero condizioni atte all’instaurarsi di processi corrosivi, è importante soprattutto un’adeguata progettazione. Saranno perciò di particolare importanza:

  • una corretta scelta della lega in relazione all’ambiente e alle condizioni di servizio;
  • una scelta e un controllo dei processi di fabbricazione;
  • la progettazione accurata per evitare la realizzazione di geometrie pericolose (interstizi o accoppiamenti galvanici).

In secondo luogo si possono prendere in esame diversi trattamenti di protezione, di varia natura ed efficacia.

Trattamenti fisici

Spray metallico

Consiste nello spruzzare zinco metallico sulla superficie. L’adesione dello spray è buona, purché la superficie del manufatto sia stata ben preparata. Tuttavia la resistenza meccanica di tale strato è scarsa e, perciò, è spesso soggetto a rotture e abrasioni meccaniche, con graduale perdita di efficienza.

Sigillanti

Sono utilizzati per prevenire la corrosione interstiziale, nei casi in cui sia molto difficile prevenirla. Sono miscele di composti organici e inorganici che evitano il contatto dell’alluminio con l’umidità e, quindi, la presenza sul metallo di un componente essenziale (acqua) per la corrosione elettrochimica. Tra i sigillanti più usati si ricordano schiume in poliuretano, gomma butile, neoprene.

Trattamento con vernici

Queste presentano una vasta gamma di tipologie, colore e finitura superficiale, con discrete proprietà di protezione dalla corrosione.

Trattamenti chimici ed elettrochimici

Inibitori

Sono aggiunti alle soluzioni utilizzate per la pulizia superficiale allo scopo di stabilizzare l’interfaccia tra il metallo e l’ambiente circostante, così da inibire il processo corrosivo. In genere sono a base di cromati, borati e fluorosilicati.

Anodizzazione

L’ anodizzazione è il procedimento più usato, mediante il quale si provoca una crescita accelerata dello strato di ossido dell’alluminio: per le sue proprietà anticorrosive, di ancoraggio dei colori e d’isolamento elettrico, l’alluminio ossidato anodicamente si è diffuso nel settore edilizio architettonico.
I ricoprimenti ottenuti per via elettrolitica sono ottimi dal punto di vista meccanico e di resistenza all’abrasione. La natura porosa dei film di ossidi permette la produzione di ricoprimenti colorati tramite la deposizione di pigmenti organici e metallici. Il procedimento di anodizzazione ha funzioni sia protettive sia decorative, ed è anche la base per applicazioni di vernici ed elettrodeposizioni di varia natura che trovano migliore adesione sul substrato creato da questo processo.
Quando una corrente elettrica è fatta circolare in una cella elettrolitica, contenente una soluzione leggermente acida, nella quale l’alluminio funge da anodo, gli anioni migrano verso l’anodo, al quale cedono le cariche elettriche che trasportano, e si depositano su di esso. In tale soluzione acquosa gli anioni sono costituiti in gran parte da ossigeno, il quale si combina con l’alluminio per formare l’ossido.
Le caratteristiche della struttura chimico-fisica dello strato elettro-ossidato dipendono dal tipo di elettrolita impiegato, dalla sua concentrazione, dal tempo di trattamento, mentre la temperatura del bagno, in genere, non influenza le caratteristiche del film.
I manufatti da trattare sono puliti con vapore o emulsioni sgrassanti, con pulizia finale in soluzione alcalina. Quest’ultima fase è necessaria per rimuovere eventuali impurezze di ossidi che si sono potuti depositare durante le lavorazioni precedenti.
La fase successiva è quella di ancoraggio dei manufatti da trattare su appositi supporti che hanno la duplice funzione di sostegno meccanico e di contatto elettrico. Si inizia poi l’elettrolisi.
Quando lo spessore del ricoprimento raggiunge il valore desiderato, si opera una fase di sigillatura della porosità, ottenuta mediante immersione del manufatto in acqua calda o vapore. Ciò provoca un’idratazione dell’allumina superficiale. L’effetto di questa operazione è quello di rendere più compatta e uniforme la superficie, rendendola impermeabile, garantendo una maggior durata e un miglior aspetto superficiale. L’operazione di sigillatura può essere preceduta anche da una fase di colorazione mediante pigmenti.

Elettrocolorazione

Uno dei metodi più efficaci per la colorazione dell’alluminio è quello dell’elettrocolorazione. Il manufatto anodizzato è immerso in una soluzione acida contenente sali metallici, e sottoposto a una corrente alternata. In queste condizioni si formeranno depositi metallici sotto forma di ossidi nella struttura porosa del film ossidato, producendo il colore caratteristico del sale metallico usato.

Saldatura

Fino a cinquanta anni fa, l’alluminio e le sue leghe erano considerati non saldabili a causa delle caratteristiche dell’ossido. L’allumina (Al z03), che ricopre il metallo, ha un elevato punto di fusione. Il problema si riscontrava proprio nella temperatura di fusione: l’interfaccia di ossido tra gli elementi da saldare non ne permetteva l’unione. Solo dopo la seconda guerra mondiale, con il perfezionamento delle tecniche e delle attrezzature di saldatura, è stato possibile risolvere il problema per cui oggi l’alluminio e le sue leghe sono saldabili.

Le metodologie di saldatura più utilizzate sono:

  • TIG in corrente alternata (è un processo di saldatura per fusione che sfrutta l’elevata temperatura prodotta da un arco elettrico che scocca tra un elettrodo infusibile ed il pezzo da saldare)
  • MIG in corrente continua (procedimento di saldatura per fusione che sfrutta l’elevata temperatura prodotta da un arco elettrico che scocca tra un elettrodo fusibile – un filo – e il pezzo da saldare).

Queste tecniche, oltre a rimuovere e disperdere l’ossido hanno la caratteristica di proteggere il fuso, tramite gas inerte, da possibili ossidazioni che porterebbero a pericolose inclusioni nel metallo, abbattendo le caratteristiche meccaniche complessive del giunto stesso. Queste tecniche evitano anche il problema legato all’elevata conducibilità termica dell’alluminio, che ostacola la fusione localizzata del materiale, con surriscaldamento in prossimità del giunto e conseguenti deformazioni.