Le leghe di alluminio si classificano in tre categorie principali: leghe di alluminio lavorate, leghe di alluminio fuse e leghe di alluminio forgiate. Le leghe lavorate comprendono le serie da 1xxx a 7xxx, con diversi elementi di lega che conferiscono proprietà uniche quali resistenza meccanica, resistenza alla corrosione, lavorabilità e prestazioni di finitura superficiale. Gradi comuni come 6061, 5052, 7075 e 2024 sono ampiamente utilizzati in applicazioni ingegneristiche e manifatturiere. Le leghe di alluminio fuse sono adatte a componenti dalle forme complesse, mentre le leghe di alluminio forgiate offrono vantaggi in termini di elevata resistenza e leggerezza per applicazioni aerospaziali, automobilistiche e strutturali. La scelta della lega di alluminio più adatta dipende dai requisiti meccanici, dai processi di produzione e dalle condizioni di utilizzo finale.
Le leghe di alluminio possono essere generalmente classificate in tre categorie principali in base al metodo di produzione e alle caratteristiche del materiale: leghe di alluminio lavorate, leghe di alluminio fuse e leghe di alluminio forgiate.
Ogni categoria comprende diverse serie di leghe con proprietà meccaniche, lavorabilità, resistenza alla corrosione, prestazioni di trattamento superficiale e applicazioni tipiche differenti.
Le leghe di alluminio lavorate sono leghe di alluminio che vengono trasformate meccanicamente in prodotti quali lamiere, piastre, barre, tubi e profilati mediante laminazione, estrusione, trafilatura o forgiatura.
In base ai loro elementi di lega principali, le leghe di alluminio lavorate vengono comunemente suddivise nelle serie da 1xxx a 7xxx.
La serie 1xxx è costituita principalmente da alluminio commercialmente puro. Queste leghe contengono in genere una percentuale molto elevata di alluminio e sono note per l'eccellente resistenza alla corrosione, l'elevata conduttività elettrica, l'elevata conduttività termica, la resistenza meccanica relativamente bassa e l'eccellente duttilità e formabilità.
Tuttavia, le loro prestazioni di tornitura e fresatura sono relativamente scarse, poiché il materiale è morbido e tende ad aderire agli utensili da taglio durante la lavorazione. La loro resistenza può essere moderatamente aumentata tramite incrudimento.
Tra le applicazioni tipiche figurano le apparecchiature per la lavorazione chimica, i riflettori, gli scambiatori di calore, i conduttori elettrici, i condensatori, le pellicole per imballaggio, i componenti architettonici e le finiture decorative.
L'alluminio commercialmente puro presenta in genere eccellenti prestazioni di incisione della superficie. È possibile ottenere buone finiture superficiali utilizzando sistemi di incisione sia acidi che alcalini.
Per le applicazioni che richiedono una maggiore rugosità superficiale, un processo di incisione acido-alcalina in due fasi può produrre una struttura superficiale altamente uniforme.
Tra i materiali comunemente utilizzati, l’alluminio coreano produce in genere una trama fine, mentre i materiali provenienti da Taiwan e dalla Cina offrono spesso un aspetto spazzolato fine e uniforme. L’alluminio puro lucido fornito da Sumitomo in Giappone può sviluppare una trama spazzolata chiaramente visibile dopo l’incisione. Anche alcuni materiali in alluminio puro tedeschi possono ottenere finiture spazzolate simili.
L'alluminio commercialmente puro si presta bene anche alla lucidatura chimica ed elettrolitica e, dopo l'anodizzazione, può raggiungere una superficie estremamente brillante.
Il rame è il principale elemento di lega nelle leghe di alluminio della serie 2xxx. Anche il magnesio e il manganese vengono comunemente aggiunti come elementi di lega secondari.
Tra i sistemi di leghe più comuni figurano quelli a base di alluminio-rame-magnesio, alluminio-rame-magnesio-manganese, alluminio-rame-magnesio-ferro-nichel e alluminio-rame-manganese.
Queste leghe sono trattabili termicamente e sono note per la loro elevata resistenza, motivo per cui vengono spesso definite leghe di alluminio ad alta resistenza o leghe di tipo duralluminio.
Offrono una buona resistenza al calore e un'eccellente lavorabilità. Tuttavia, la loro resistenza alla corrosione è relativamente scarsa e alcune qualità possono essere soggette a corrosione intergranulare.
Per questo motivo, le lamiere di alluminio della serie 2xxx vengono spesso rivestite con alluminio ad alta purezza o con una lega di alluminio-magnesio-silicio della serie 6xxx per migliorarne la resistenza alla corrosione.
Le leghe di alluminio della serie 2xxx sono particolarmente adatte per componenti che richiedono un elevato rapporto resistenza/peso.
Tra le applicazioni tipiche figurano componenti per ruote di autocarri e aeromobili, componenti per sospensioni di autocarri, rivestimenti della fusoliera degli aeromobili e componenti strutturali che devono mantenere una buona resistenza a temperature fino a circa 150 °C (302 °F).
Ad eccezione della lega 2219, la maggior parte delle leghe di questa serie presenta una saldabilità limitata. Tuttavia, molte leghe della serie 2xxx offrono un'eccellente lavorabilità.
Uno dei gradi più diffusi di questa serie è l'alluminio 2024, che corrisponde approssimativamente al grado cinese 2A12.
Dopo un trattamento di incisione alcalina in un unico passaggio, la lamiera di alluminio 2024 può raggiungere una rugosità superficiale superiore a Ra 1,5, mantenendo al contempo un’eccellente brillantezza e uniformità superficiale.
Le prestazioni di anodizzazione dell'alluminio della serie 2xxx sono relativamente scarse. Quando il film di ossido anodico diventa spesso, la superficie può assumere una tonalità giallastra, rendendo queste leghe meno adatte alla colorazione decorativa con tonalità chiare.
Per le applicazioni aerospaziali, in genere non è consigliabile ricorrere all'incisione alcalina dopo lo sgrassaggio. Per la rimozione dello strato superficiale passivo è preferibile il trattamento acido.
Si ricorre comunemente all’anodizzazione con acido borico-solfurico o con acido cromico, seguita da un trattamento di sigillatura con acido cromico diluito. Quando è richiesta una colorazione chiara, è possibile ricorrere a un processo di anodizzazione con acido borico-solfurico modificato.
Il manganese è il principale elemento di lega nella serie 3xxx.
Queste leghe non sono generalmente trattabili termicamente, ma la loro resistenza è superiore di circa 20% rispetto a quella dell'alluminio della serie 1xxx.
Poiché all'alluminio è possibile aggiungere efficacemente solo una quantità limitata di manganese, in genere circa 1,5%, il manganese viene utilizzato come principale elemento di lega solo in un numero relativamente esiguo di leghe commerciali.
Le tre leghe per uso generico più diffuse di questa serie sono la 3003, la 3004 e la 3105. Il grado cinese 3A21 è approssimativamente equivalente alla 3003.
Le leghe di alluminio della serie 3xxx offrono una resistenza meccanica superiore rispetto a quelle della serie 1xxx, pur mantenendo una buona duttilità e saldabilità. La loro resistenza alla corrosione è solo leggermente inferiore a quella dell'alluminio commercialmente puro.
Tra le applicazioni tipiche figurano lattine per bevande, pentole, scambiatori di calore, serbatoi di stoccaggio, tende da sole, mobili, segnaletica autostradale, pannelli per coperture e pannelli per facciate continue.
Dopo l'incisione della superficie, l'alluminio della serie 3xxx presenta spesso una combinazione di finitura opaca, simile alla sabbia, e finitura lineare spazzolata.
L'incisione alcalina in un unico passaggio offre buoni risultati decorativi ed è comunemente utilizzata come pretrattamento per targhette e pannelli prima della serigrafia.
Per le applicazioni che richiedono una maggiore rugosità superficiale, un processo di incisione acido-alcalina in due fasi consente solitamente di ottenere sia texture sabbiate che spazzolate.
Tuttavia, a causa delle differenze nei metodi di lavorazione tra i vari produttori, alcune leghe di alluminio simili possono presentare, dopo l’incisione acido-alcalina, un aspetto caratterizzato principalmente da una trama sabbiata, con una trama spazzolata appena visibile.
Il silicio è il principale elemento di lega nella serie 4xxx e può essere aggiunto all'alluminio in quantità relativamente elevate, raggiungendo talvolta circa 12%.
Queste leghe non sono generalmente trattabili termicamente e vengono comunemente utilizzate come filo per saldatura e materiale di apporto per la brasatura di prodotti in alluminio.
Durante l'anodizzazione, le leghe della serie 4xxx assumono in genere un aspetto superficiale che va dal grigio scuro al nero carbone.
La lega 4032 presenta un basso coefficiente di dilatazione termica e un'elevata resistenza all'usura, caratteristiche che la rendono particolarmente adatta alla realizzazione di pistoni forgiati per motori e di altri componenti che richiedono stabilità dimensionale a temperature elevate.
Il magnesio è il principale elemento di lega della serie 5xxx.
Quando il magnesio viene utilizzato come principale elemento di lega, da solo o in combinazione con il manganese, si ottengono leghe induribili per deformazione con resistenza da media ad alta.
Queste leghe presentano una buona saldabilità, un'eccellente resistenza alla fatica e un'elevata resistenza alla corrosione, in particolare negli ambienti marini.
Le leghe di alluminio della serie 5xxx non sono trattabili termicamente, ma presentano generalmente una resistenza superiore rispetto alle leghe delle serie 1xxx e 3xxx.
Tra le applicazioni tipiche figurano i materiali da costruzione, le finiture architettoniche e decorative, le lattine e i coperchi delle lattine, gli elettrodomestici, i componenti per l’illuminazione stradale, le strutture marine, i serbatoi per combustibili criogenici, i componenti per gru e le parti strutturali per il settore automobilistico.
Le caratteristiche di incisione della superficie dell'alluminio della serie 5xxx sono simili a quelle delle leghe della serie 3xxx.
Offrono inoltre ottime prestazioni di anodizzazione. Alcuni tipi di questi materiali, dopo un adeguato trattamento superficiale, possono raggiungere una finitura brillante, simile a uno specchio, che li rende adatti alla realizzazione di componenti decorativi per il settore automobilistico.
Le leghe di alluminio della serie 6xxx contengono magnesio e silicio come principali elementi di lega e sono trattabili termicamente.
Queste leghe offrono una resistenza media, sebbene la loro resistenza sia generalmente inferiore a quella della maggior parte delle leghe delle serie 2xxx e 7xxx.
Uno dei principali vantaggi della serie 6xxx è la sua combinazione equilibrata di formabilità, saldabilità, lavorabilità, resistenza alla corrosione e resistenza meccanica.
Tra le applicazioni tipiche figurano i materiali da costruzione, i telai per biciclette, le attrezzature di trasporto, le ringhiere dei ponti, le strutture saldate, i componenti di macchinari e i profili in alluminio estruso.
Le leghe più diffuse di questa serie sono la 6061 e la 6063.
L'alluminio 6061 viene comunemente scelto per componenti meccanici e parti strutturali grazie alla sua buona resistenza meccanica, lavorabilità, resistenza alla corrosione e alle prestazioni versatili.
L'alluminio 6063 è ampiamente utilizzato per i profili estrusi e i componenti architettonici grazie alle sue eccellenti prestazioni di estrusione e al suo accattivante aspetto anodizzato.
La lega 6463 è stata sviluppata per applicazioni quali finiture estruse per il settore automobilistico, cornici per dispositivi digitali e cornici per televisori. Dopo l'anodizzazione, la lega 6463 può raggiungere una finitura superficiale brillante, simile a uno specchio.
Tuttavia, il contenuto di impurità di ferro nell'alluminio dovrebbe essere mantenuto il più basso possibile. Un contenuto eccessivo di ferro può ridurre significativamente la brillantezza della superficie dopo l'anodizzazione.
Lo zinco è il principale elemento di lega nelle leghe di alluminio della serie 7xxx, con tenori che variano generalmente da circa 1% a 8%.
Queste leghe sono trattabili termicamente e possono garantire livelli di resistenza che vanno da medi a estremamente elevati.
Grazie al loro eccellente rapporto resistenza/peso, le leghe di alluminio della serie 7xxx sono ampiamente utilizzate nei componenti strutturali sottoposti a sollecitazioni elevate.
Tra le applicazioni tipiche figurano componenti strutturali per aeromobili, attrezzature mobili, componenti aerospaziali, componenti meccanici ad alta resistenza e altre applicazioni soggette a carichi e sollecitazioni elevati.
Le leghe di alluminio per fusione sono progettate specificatamente per la produzione di componenti mediante processi di fusione.
In base ai loro elementi di lega principali, le leghe di alluminio fuse possono essere generalmente suddivise in quattro categorie principali:
I vari paesi utilizzano sistemi di designazione delle leghe diversi.
In Cina, le leghe di alluminio per fusione vengono comunemente indicate con le lettere ZL seguite da tre cifre.
La prima cifra indica il sistema di lega principale:
La seconda e la terza cifra indicano la lega specifica all’interno di quella serie.
Per produrre pezzi fusi di precisione di alta qualità in un'ampia gamma di forme e dimensioni, le leghe di alluminio per fusione presentano generalmente diverse caratteristiche importanti.
Le leghe di alluminio per fusione offrono eccellenti prestazioni di fusione e possono essere utilizzate per produrre componenti con geometrie complesse.
Offrono inoltre vantaggi quali il risparmio di materiale, costi di produzione inferiori, tempi di produzione più brevi e minori esigenze in termini di attrezzature di produzione aggiuntive.
Di conseguenza, le leghe di alluminio pressofuso trovano ampio impiego nei settori aerospaziale, automobilistico, meccanico e nelle applicazioni industriali in generale.
Tra i prodotti tipici figurano travi, pale per turbine a gas, corpi pompa, staffe, ruote, labbri di aspirazione e carter dei motori.
Sono inoltre comunemente utilizzati per la produzione di testate dei cilindri per autoveicoli, alloggiamenti del cambio, pistoni, alloggiamenti degli strumenti e alloggiamenti delle pompe dei compressori.
Le leghe di alluminio forgiate sono progettate per garantire una buona plasticità e formabilità a temperature elevate, il che le rende adatte ai processi di forgiatura.
Molte leghe di alluminio per forgiatura si basano su sistemi di leghe a base di alluminio, magnesio e silicio e possono contenere anche rame, magnesio e silicio come importanti elementi di lega.
Il loro principale vantaggio è l’eccellente formabilità a caldo, che consente di produrre componenti forgiati di grandi dimensioni, complessi e ad alta resistenza.
La sostituzione di alcuni componenti in acciaio con leghe di alluminio può ridurre in modo significativo il peso complessivo dei prodotti meccanici, mantenendo al contempo buone prestazioni strutturali.
Grazie al loro eccellente rapporto resistenza/peso, l’alluminio e le leghe di alluminio sono diventati materiali indispensabili nei settori aerospaziale, aeronautico, automobilistico e della difesa.
Gli aeromobili, ad esempio, utilizzano un gran numero di componenti in alluminio forgiato.
L'alluminio trova inoltre ampio impiego nell'edilizia, nella produzione automobilistica e nel settore dell'imballaggio, che sono diventati tre dei settori di applicazione più importanti per l'alluminio nell'industria moderna.
Negli ultimi anni, il settore dei pezzi forgiati in alluminio per il settore automobilistico ha registrato un rapido sviluppo.
Il riscaldamento globale, la carenza di energia, i requisiti più rigorosi in materia di efficienza nei consumi e le crescenti aspettative dei consumatori in termini di comfort di guida e maneggevolezza dei veicoli hanno accelerato lo sviluppo di strutture automobilistiche leggere.
Riducendo il peso del veicolo di circa 10% è possibile ridurre il consumo di carburante di circa 6%-8%.
Secondo i dati di settore disponibili, l'impiego di leghe di alluminio nei componenti automobilistici forgiati e stampati negli Stati Uniti ha raggiunto circa 36,3%, mentre l'uso dell'alluminio nei veicoli prodotti in Europa e in Giappone può rappresentare oltre il 15% del peso totale del veicolo.
Storicamente, la quantità di lega di alluminio utilizzata nei veicoli prodotti in Cina è stata relativamente inferiore.
Gli esperti del settore automobilistico prevedono che, con il progressivo sviluppo delle strategie di alleggerimento dei veicoli, un numero crescente di pezzi forgiati in lega di alluminio sostituirà i tradizionali pezzi forgiati in acciaio.
Le diverse serie di leghe di alluminio offrono combinazioni molto diverse tra loro in termini di resistenza meccanica, resistenza alla corrosione, lavorabilità, saldabilità, prestazioni dei trattamenti superficiali e caratteristiche di produzione.
L'alluminio della serie 1xxx, commercialmente puro, è ideale per applicazioni che richiedono elevata conduttività e resistenza alla corrosione, mentre le leghe delle serie 2xxx e 7xxx sono preferite per applicazioni strutturali ad alta resistenza.
Le leghe delle serie 3xxx e 5xxx offrono una buona resistenza alla corrosione e una buona formabilità, mentre l'alluminio della serie 6xxx rappresenta una delle migliori combinazioni complessive di resistenza, lavorabilità, saldabilità, prestazioni di anodizzazione e costo.
Le leghe di alluminio fuse sono adatte alla produzione efficiente di forme complesse, mentre le leghe di alluminio forgiate sono particolarmente utili per componenti strutturali sottoposti a carichi elevati, in cui la resistenza e la riduzione del peso sono fondamentali.
La scelta della lega di alluminio più adatta deve sempre basarsi sulle proprietà meccaniche richieste, sul processo di produzione, sulla finitura superficiale, sulla resistenza alla corrosione, sull’ambiente operativo e sul costo complessivo del componente finito.
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