Supplementi al Dizionario di Chimica e Chimica Industriale
	Leghe di alluminio

Leghe di alluminio

Come la totalità dei metalli anche l'alluminio non è utilizzato allo stato puro ma legato ad altri componenti a formare leghe Infatti le sue proprietà meccaniche  sono modeste e allora si introducono elementi alliganti quali rame, magnesio, manganese, silicio, zinco che da soli o combinati tra loro migliorano le caratteristiche resistenziali:

• il silicio: migliora la colabilità 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

Altri elementi quali cromo (resistenza a corrosione), zirconio, vanadio sono usati come correttivi (affinazione grano, bloccaggio di impurità...) ;nichel, titanio e zirconio (p. meccaniche),bismuto, piombo, cadmio e stagno,silicio per scopi particolari. Il ferro, é sempre presente come impurezza.

Nomenclatura

Queste leghe sono numerose e per indicarle si adottano diversi sistemi. Il più utilizzato in campo ciclistico è quello detto ASTM, organismo americano che si occupa delle prove sui materiali; ogni lega è caratterizzata da un codice di 4 numeri seguiti da una lettera (H o T) più un numero, ad esempio 7020-T6.

• Il primo numero indica il principale componente legante della lega:
  1) nessun legante
  2) rame
  3) manganese
  4) silicio
  5) magnesio
  6) magnesio + silicio
  7) zinco
  8)Altri elementi...
• Il secondo numero indica se è presente anche un secondo legante (in percentuale minore); 0 per indicare assenza di un secondo legante.
• Le ultime due cifre servono ad identificare le diverse leghe a base dello stesso legante
• La lettera indica il trattamento subito o non dalla lega:
  F grezzo di fabbricazione
  O ricotto
  H incrudito (deformazione plastica a freddo)
  W solubilizzato
  T trattamento termico per ottenere stato stabile diverso da F, O, H
• Il numero che segue indica la natura del trattamento termico.

Nel caso di un tubo identificato come 7020 T6 siamo di fronte ad una lega a base di zinco senza altro legante e classificata al numero 20 nel catalogo ASTM e sottoposto a trattamento termico di tempra e rinvenimento (gettonatissimo in questo ambito!). 

La classe 2000 è utilizzata per telai più economici, mentre le altre rappresentano praticamente l'intero panorama della telaistica in alluminio attualmente sul mercato. Ovviamente il modulo elastico resta lo stesso dell' alluminio puro, dipendendo infatti solamente dal tipo di cella atomica e vale E=70 (GPa).

• Alluminio - rame (2xxx). Il rame è un elemento in lega molto importante per l’alluminio, vista la sua apprezzabile solubilità ed il suo effetto rinforzante. Il  rame costituisce il principale elemento in lega, in concentrazioni variabili dall’1 al 6% in peso. Le leghe binarie Al-Cu non sono molto usate commercialmente: si aggiungono  Mg, Cr, Si, Ti  per realizzare,a seconda delle loro percentuali ,diversi tipi di intermetallici:
  
  • CuAl₂
  • CuMgAl₂
  • MgSi2
  • Cu₂Mg₈Si₅Al₄

  Si capisce allora l' importanza del Mg come elemento fondamentale nella loro realizzazione. Mn e Zn sono da considerarsi impurezze apportate dall' alluminio stesso. In particolare il Fe deteriora le proprietà meccaniche sequestrando rame per la realizzazione di un intermetallico per cui si raccomanda %Fe < 0,5%.
  Esse vengono usate spesso per applicazioni strutturali sugli aerei e in generale dove occorrono buone caratteristiche meccaniche e leggerezza.  
  

• Alluminio - magnesio (5xxx). 
  Esempio utilizzo in campo ciclistico: leghe 5052/5086.
  Contengono magnesio (0,5 - 5,5 %) oltre che Si (0,2%) e Fe (0,5-0,7 %) come impurezza. Le p. meccaniche dipendono fortemente da incrudimento ed eventuale ricottura.  
  Se Mg>3,4% precipita Mg₅Al₈ a bg con problemi di SCC e corrosione inter- granulare. Per limitare il problema, si ricorre al Cr.
  Queste leghe addolciscono a T ambiente dopo incrudimento per deformazione, per cui occorre stabilizzarle con TT a 120-150 °C anche se ciò determina una certa perdita di proprietà meccaniche. 
  

• Alluminio - magnesio - silicio (6xxx).
  Esempio utilizzo in campo ciclistico: leghe 6061/6082.
  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:resistenze meccaniche medie, autotempranti (per spessori ridotti), buona saldabilità,  resistenza alla corrosione e insensibili a problemi di SCC (Stress corrosion cracking). L’indurimento avviene soprattutto per precipitazione del composto Mg₂Si. Si suddividono in due categorie:
  
  • Leghe quasi binarie (es: 6063) con Mg/Si=1,73 e in quantità comprese tra lo 0,8 e l' 1,2%. Sono particolarmente adatte per estrusione ed impieghi decorativi, adattandosi bene a processi di elettrocolorazione (meglio allora se presentano %Si inferiori).
  • Leghe con aggiunta di Cu (migliora p meccaniche ma peggiora resistenza a corrosione) e Cr (contro corrosione) e maggiori quantità di Si per la formazione di Mg₃Si. Rientrano in questa categoria la 6061 (in cui compare Al₂Cu e l' effetto indurente del Si libero), la 6151 e la 6351. Per aumentare la lavorabilità si ricorre a Pb e Bi (6262).
• Alluminio - zinco (7xxx). 
  Esempio utilizzo in campo ciclistico: leghe 7003/7005/7020.
  Generalmente le leghe binarie Al-Zn non vengono usate, ma vengono preferite leghe Al-Zn-Mg che,trattate termicamente, hanno la più elevata resistenza a trazione di tutte le leghe di alluminio.
  Soffrono SCC a causa dell' instaurarsi di microcoppie galvaniche, problema che si può minimizzare per 2,7<Zn/Mg<2,9 e realizzando due invecchiamenti, a 120 (2-3 ore)ed a 170°C (6-8 ore) che però riducono le p meccanche. Facilmente saldabili se (Mg+Zn)<6%, richiedono però TT per recuperare le proprietà meccaniche. 
  Lo zinco aumenta la resistenza e la durezza,oltre a favorire l’autotemprabilità della lega che può causare problemi di stress residui. Occorre scegliere opportunamente allora la T di solubilizzazione. Si é portati a sostituire Cr e Mn che sequestrano Mg e Cu con Zr (0,1-0,25%) che si lega solo con Al (precipitato binario). 
  Quanto alla 7005 e 7020 c' é da sottolineare che l' invecchiamento non va fatto immediatamente dopo la solubilizzazione (a 470 °C) e la tempra e ciò permette di gestire il magazzino in modo più elastico. 
  

TT

In generale leghe della serie 2000 - 4000 - 6000 - 7000 (in particolare queste ultime) permettono buone prestazioni meccaniche solo dopo trattamenti termici, mentre le leghe della serie  1000 - 3000 - 5000 sono in grado di dare buone prestazioni anche solo mediante deformazioni plastiche. 
Per le prime (che presentano % elementi in lega <8% e in generale =6%) descriviamo i TT più utilizzati, T4 e T6:

1. Solubilizzazione : si porta la lega a temperature in grado di portare in soluzione tutti gli alliganti .Cioé 556°C e 470 °C rispettivamente per le 6000 e per le 7000.
2. Rapido raffreddamento :tempra (in H₂O) o annealing (in aria) a seconda della lega e dello spessore del pezzo che viene portato immediatamente dalle temperature di solubilizzazione a temperatura ambiente con lo scopo di congelarne la microstruttura.
3. Eventuale invecchiamento (a seconda della lega):precipitano gli intermetallici.
   Il fenomeno può avvenire a temperatura ambiente ed é il caso di T4, e allora si parla di invecchiamento naturale oppure può essere stimolato a temperature maggiori, e allora si parla di T6. La differenza consiste nel numero di siti di nucleazione dei precipitati, molto maggiore nel secondo caso, che ne garantisce pertanto una più fine ed omogenea distribuzione.

Tra la fase 2 e la 3 compaiono eventuali trattamenti meccanici.