Quali sono i diversi tipi di alluminio?

Dallo smartphone che teniamo in tasca agli aerei che ci sorvolano, l'alluminio gioca un ruolo significativo nell'ingegneria e nella produzione moderna. Offre diverse proprietà come leggerezza, robustezza e resistenza alla corrosione. Tuttavia, non tutto l'alluminio è uguale. Il metallo viene solitamente miscelato con altri elementi per formare leghe, ciascuna con proprietà distinte. Questa guida illustrerà i diversi tipi di alluminio utilizzati nel settore della prototipazione rapida.

Tipi di alluminio: alluminio lavorato e fuso

Tutte le leghe di alluminio possono essere suddivise in due categorie principali: alluminio lavorato e alluminio fuso. La differenza sta nel modo in cui vengono lavorate per ottenere la loro forma finale.

Alluminio battuto

Le leghe di alluminio per lavorazione plastica vengono lavorate meccanicamente, laminate, estruse o forgiate per ottenere la forma desiderata e proprietà meccaniche migliorate. Questo processo di lavorazione allinea la struttura granulare del metallo, con conseguente maggiore resistenza alla trazione e duttilità rispetto alle leghe di alluminio fuso. Le leghe di alluminio per lavorazione plastica sono la tipologia più comune e rappresentano la maggior parte dei prodotti in alluminio.

Sono identificati da un sistema di numerazione a 4 cifre (ad esempio, 7075, 6061) stabilito dalla Aluminum Association.

• Prima cifra: indica l'elemento di lega principale o la serie.
• Seconda cifra: indica una modifica della lega originale.
• Terza e quarta cifra: identificano la lega specifica all'interno della serie.

Fusione di alluminio

Le leghe di alluminio fuse vengono prodotte fondendo l'alluminio e colandolo in uno stampo per creare una forma specifica. Questo metodo è efficiente per la produzione di geometrie complesse come blocchi motore o scatole del cambio. Hanno una resistenza alla trazione inferiore rispetto alle loro controparti lavorate, ma le leghe di alluminio fuse sono convenienti per la produzione in grandi volumi.

Sono identificati da un sistema a 3 cifre con punto decimale (ad esempio, 356.0).

• Prima cifra: indica la serie della lega.
• Seconda e terza cifra: identificano la lega specifica.
• Cifra dopo la virgola: indica la forma (fusione o lingotto).

Gradi di leghe di alluminio lavorato

La serie delle leghe lavorate è la più ampia e si suddivide in base all'elemento di lega primario, che determina le caratteristiche principali del materiale.

1000 Series

Questa serie è composta da almeno il 99% di alluminio puro, con tracce di ferro e silicio come principali impurità. Queste leghe non possono essere rinforzate mediante trattamento termico; vengono invece rinforzate tramite incrudimento o lavorazione a freddo. La loro purezza conferisce loro un'eccezionale resistenza agli attacchi chimici e agli agenti atmosferici, oltre a un'eccellente conduttività elettrica e termica. L'alluminio 1100 è un grado commercialmente puro noto per la sua eccellente lavorabilità, che lo rende ideale per la realizzazione di forme complesse. È ampiamente utilizzato nell'industria chimica e alimentare per serbatoi e contenitori di stoccaggio. L'alluminio 1350 è un grado specifico con purezza controllata per garantire un'elevata conduttività elettrica, rendendolo lo standard per sbarre e cablaggi elettrici.

vantaggi:

• Eccezionale resistenza alla corrosione: la sua elevata purezza lo rende altamente resistente agli attacchi chimici e agli agenti atmosferici.
• Ottima lavorabilità: è molto morbido e duttile, il che lo rende facile da modellare in forme complesse.
• Elevata conduttività: presenta un'eccellente conduttività elettrica e termica, il che lo rende ideale per applicazioni correlate.

svantaggi:

• Resistenza molto bassa: ha la resistenza meccanica più bassa tra tutte le serie di alluminio, il che ne limita l'uso strutturale.
• Non trattabile termicamente: la sua resistenza può essere aumentata solo tramite lavorazione a freddo (incrudimento).
• Scarsa lavorabilità: la sua morbidezza può renderlo "gommoso" e difficile da lavorare in modo pulito.

2000 Series

Il rame è l'elemento di lega principale di questa serie, consentendo a queste leghe di acquisire una resistenza significativa attraverso il trattamento termico di solubilizzazione e l'indurimento per precipitazione. Presentano uno dei migliori rapporti resistenza/peso di qualsiasi lega di alluminio, rivaleggiando con quello dell'acciaio dolce. Tuttavia, la presenza di rame le rende più suscettibili alla corrosione, richiedendo spesso un rivestimento protettivo o un rivestimento di una lega di alluminio più pura (Alclad). Sono anche notoriamente difficili da saldare con metodi di fusione, poiché ciò può causare cricche. L'alluminio 2024 è la lega aeronautica per eccellenza, apprezzata per la sua elevata resistenza e l'eccellente resistenza alla fatica. È il materiale di scelta per strutture sottoposte a tensione, come fusoliere e rivestimenti alari. L'alluminio 2011, con aggiunte di piombo e bismuto, è noto come lega "free-machining", progettata per la produzione di parti complesse su torni automatici.

vantaggi:

• Resistenza molto elevata: dopo il trattamento termico, la sua resistenza può essere paragonabile a quella dell'acciaio dolce.
• Eccellente rapporto resistenza/peso: garantisce un'elevata resistenza con un peso molto basso, fattore fondamentale per il settore aerospaziale.
• Elevata resistenza alla fatica: può sopportare ripetuti cicli di sollecitazione senza rompersi, il che lo rende durevole.

svantaggi:

• Scarsa resistenza alla corrosione: la presenza di rame lo rende suscettibile alla corrosione, rendendo spesso necessari rivestimenti protettivi.
• Scarsa saldabilità: è difficile saldarlo con metodi di fusione, poiché è soggetto a crepe.
• Costo più elevato: si tratta di leghe specializzate e ad alte prestazioni, più costose rispetto alle qualità per uso generico.

3000 Series

Il manganese è il principale elemento di lega di questa serie, garantendo un moderato aumento di resistenza rispetto alla serie 1000. Queste leghe non sono trattabili termicamente e si basano sull'incrudimento per il rinforzo. Mantengono l'eccellente formabilità e resistenza alla corrosione dell'alluminio puro, rendendole una scelta popolare per applicazioni generiche. L'alluminio 3003 è la lega di alluminio più utilizzata. È circa il 20% più resistente del grado 1100, il che lo rende un materiale pratico ed economico per pentole, serbatoi di stoccaggio e scambiatori di calore. L'alluminio 3004, con l'aggiunta di magnesio, è più resistente del 3003 ed è la lega principale utilizzata per formare i corpi delle lattine per bevande in alluminio.

vantaggi:

• Buona lavorabilità: è molto lavorabile e può essere facilmente modellato in varie forme.
• Buona resistenza alla corrosione: mantiene gran parte della resistenza alla corrosione dell'alluminio puro.
• Economico: offre un buon equilibrio di proprietà a un costo relativamente basso per un uso generico.

svantaggi:

• Forza moderata: la sua forza è solo leggermente superiore a quella della serie 1xxx.
• Non trattabile termicamente: come la serie 1xxx, può essere rinforzato solo tramite lavorazione a freddo.

4000 Series

L'aggiunta di silicio abbassa significativamente il punto di fusione dell'alluminio e ne aumenta la fluidità una volta fuso, senza rendere il metallo fragile. Questa caratteristica unica rende la serie 4000 ideale per l'uso come materiale di giunzione. La maggior parte delle leghe di questa serie non è trattabile termicamente, sebbene alcune con aggiunta di rame o magnesio possano rispondere al trattamento termico.

La lega 4043 è una delle leghe d'apporto più diffuse per la saldatura e la brasatura, in particolare per l'unione di leghe della serie 6xxx. Le sue eccellenti caratteristiche di fluidità garantiscono un legame pulito e resistente. La lega 4032, che contiene anche magnesio e nichel, è trattabile termicamente e presenta un basso coefficiente di dilatazione termica, il che la rende un materiale preferito per pistoni forgiati ad alte prestazioni.

vantaggi:

• Ottimo per saldatura/brasatura: il suo basso punto di fusione lo rende un materiale d'apporto ideale per unire altre leghe di alluminio.
• Buona fluidità: scorre molto bene una volta fuso, garantendo un legame completo e forte.
• Bassa dilatazione termica: alcune leghe di questa serie (come la 4032) sono apprezzate per la loro stabilità dimensionale alle alte temperature.

svantaggi:

• Non per uso strutturale: generalmente non viene utilizzato per componenti strutturali primari.
• Bassa duttilità: è più fragile di molte altre serie di alluminio.
• Finitura anodizzata scadente: l'elevato contenuto di silicio può far sì che la superficie diventi grigio scuro o nera dopo l'anodizzazione.

5000 Series

Il magnesio è l'elemento di lega principale e fornisce una potente combinazione di resistenza, duttilità e resistenza alla corrosione. Queste leghe sono rinforzate tramite incrudimento e indurimento in soluzione solida e possiedono la più elevata resistenza tra tutte le leghe di alluminio non trattabili termicamente. Sono particolarmente resistenti alla corrosione in ambienti marini.

L'alluminio 5052 è un grado altamente versatile con eccellenti caratteristiche di formabilità e durevolezza. È un materiale ideale per applicazioni navali, serbatoi di carburante e lamiere in generale. L'alluminio 5083 offre una resistenza ancora maggiore ed è utilizzato per applicazioni più impegnative come la cantieristica navale, i vagoni ferroviari e i recipienti a pressione.

vantaggi:

• Eccellente resistenza alla corrosione: è altamente resistente alla corrosione, soprattutto in ambienti con acqua salata.
• Elevata resistenza (non trattabile termicamente): ha la resistenza più elevata tra tutte le leghe di alluminio non trattabili termicamente.
• Buona saldabilità: può essere saldato facilmente, mantenendo gran parte della sua resistenza nella zona di saldatura.

svantaggi:

• Suscettibile alla corrosione sotto sforzo (SCC): l'esposizione prolungata a temperature superiori a 150 °F (65 °C) può renderlo vulnerabile alla SCC.
• Non trattabile termicamente: la resistenza può essere aumentata solo tramite incrudimento.
• Più difficile da estrudere: è meno adatto alla creazione di forme estruse complesse rispetto alla serie 6xxx.

6000 Series

Questa serie contiene sia magnesio che silicio, che insieme formano siliciuro di magnesio. Questo composto consente alle leghe di essere sottoposte a trattamento termico di solubilizzazione e invecchiamento artificiale (indurimento per precipitazione) per aumentarne significativamente il limite di snervamento. Questi gradi sono noti per la loro eccellente estrudibilità, buona resistenza, formabilità e resistenza alla corrosione. Tuttavia, possono essere sensibili alla formazione di cricche durante la saldatura. L'alluminio 6061 è una delle leghe trattabili termicamente più versatili e ampiamente utilizzate. Vanta un'eccellente combinazione di proprietà meccaniche ed è utilizzato per una vasta gamma di prodotti, tra cui telai per biciclette, componenti strutturali e bombole subacquee. L'alluminio 6063 è noto come "lega architettonica" per la sua finitura superficiale superiore e l'elevata resistenza alla corrosione, che lo rendono ideale per estrusioni come telai di finestre e porte.

vantaggi:

• Trattabile termicamente: la sua resistenza può essere notevolmente aumentata tramite trattamento termico.
• Eccellente per le estrusioni: è la serie di leghe più facile da estrudere in forme complesse e presenta un'ottima finitura superficiale.

svantaggi:

• Forza moderata: non è forte quanto le serie 2xxx e 7xxx.
• Resistenza ridotta dopo la saldatura: l'area attorno alla saldatura perde una quantità significativa della sua resistenza finché non viene nuovamente trattata termicamente.
• Tendenza alla formazione di crepe: alcune procedure di saldatura possono causare crepe se non eseguite correttamente.

7000 Series

Lo zinco è l'elemento di lega principale di questa serie, spesso combinato con magnesio e rame. Queste aggiunte consentono alla serie 7xxx di essere trattata termicamente per raggiungere i massimi livelli di resistenza rispetto a qualsiasi lega di alluminio. Il loro eccezionale rapporto resistenza/peso li rende indispensabili nelle applicazioni ad alte prestazioni. Tuttavia, questa elevata resistenza si traduce in una minore tenacità alla frattura e in una scarsa resistenza alla tensocorrosione, sebbene le tempre più recenti abbiano migliorato queste proprietà. Sono anche difficili da saldare. L'alluminio 7075 è la lega di riferimento per il "grado aeronautico", utilizzata per componenti sottoposti a forti sollecitazioni come longheroni alari e carrelli di atterraggio. L'alluminio 7050 è una lega più avanzata che offre un migliore equilibrio tra resistenza, tenacità alla frattura e resistenza alla corrosione, in particolare nelle sezioni spesse, rendendola ideale per i telai delle fusoliere e le paratie degli aerei.

vantaggi:

• Massima resistenza: sono le leghe di alluminio più resistenti, con livelli di resistenza che possono superare quelli di alcuni acciai.
• Eccellente rapporto resistenza/peso: offre le migliori prestazioni per le applicazioni in cui peso e resistenza sono essenziali.
• Buona lavorabilità: può essere lavorato con standard e finiture molto elevati.

svantaggi:

• Scarsa saldabilità: è molto difficile da saldare e non è consigliato per i metodi di saldatura a fusione.
• Costo più elevato: è una delle leghe di alluminio più costose a causa degli elementi di lega e dei requisiti di lavorazione.
• Minore resistenza alla corrosione: è più soggetto a corrosione e cricche da corrosione sotto sforzo rispetto alle serie 5xxx e 6xxx.

Gradi comuni per la lavorazione CNC

Per la lavorazione a controllo numerico computerizzato (CNC), le proprietà di una lega devono consentire un taglio netto e senza eccessiva usura dell'utensile.

Gradi comuni per la fabbricazione di lamiere

Nella fabbricazione di lamiere, che prevede piegatura e formatura, la duttilità della lega è fondamentale per evitare la formazione di crepe.

Qual è il tipo di alluminio più resistente?

In generale, le leghe della serie 7000 sono le leghe di alluminio più resistenti disponibili in commercio. L'alluminio 7075-T6 (con uno specifico trattamento termico) offre una resistenza alla trazione superiore a quella di molti tipi di acciaio, pur pesando solo un terzo.

Tuttavia, "più resistente" non significa sempre "migliore". L'estrema resistenza delle leghe della serie 7000 comporta dei compromessi:

• Minore resistenza alla corrosione: sono più sensibili alla corrosione rispetto alle leghe 5000 o 6000.
• Scarsa saldabilità: sono difficili da saldare con i metodi convenzionali.
• Costo più elevato: sono più costosi da produrre.

La scelta della lega è sempre una decisione ingegneristica che bilancia l'esigenza di resistenza con altri fattori critici come durata, producibilità e costo.