Alluminio e leghe leggere: indurimento per precipitazione

L’alluminio è il metallo che ha reso possibile l’aviazione moderna: leggero come pochi, resistente alla corrosione, riciclabile, e soprattutto «temprabile» attraverso un meccanismo elegante chiamato indurimento per precipitazione. È il secondo metallo più usato dopo l’acciaio, e le sue leghe sono lo standard dove conta il rapporto fra resistenza e peso.

Vediamo perché l’alluminio è così leggero e versatile, come sono organizzate le sue leghe e come funziona l’indurimento per precipitazione che le rende forti quanto certi acciai.

L’alluminio: leggero e versatile

L’alluminio ha una densità di circa 2,7 g/cm³, all’incirca un terzo di quella dell’acciaio e del rame. È facilmente lavorabile (si cola, lamina, stampa, estrude, forgia), buon conduttore, non magnetico e riflettente. Resiste bene alla corrosione perché si ricopre spontaneamente di un sottile film di ossido protettivo, che può essere ispessito con l’anodizzazione. Ma il suo pregio principale resta la bassa densità: ad essa deve l’elevata resistenza specifica, cioè la resistenza rapportata al peso.

Le serie delle leghe di alluminio

Le leghe di alluminio da deformazione si indicano con un numero di quattro cifre, la cui prima cifra dice qual è l’elemento alligante principale. È un sistema che vale la pena conoscere perché ricorre in ogni capitolato.

Le leghe si distinguono poi in trattabili termicamente (induribili per precipitazione, come le serie 2xxx, 6xxx e 7xxx) e non trattabili, che si rafforzano solo per incrudimento. Uno stato come «T6» indica una lega messa in soluzione e poi invecchiata al picco di durezza.

L’indurimento per precipitazione

Il trattamento più importante per le leghe non ferrose è l’indurimento per precipitazione (o invecchiamento). Funziona solo se il diagramma di stato mostra una solubilità che diminuisce abbassando la temperatura: a caldo l’elemento alligante si scioglie nell’alluminio, a freddo «vorrebbe» uscirne. Il caso classico è la lega alluminio-rame al 4% di rame (il duralluminio).

Il trattamento avviene in tre tempi. Primo: si scalda la lega fino a sciogliere tutto l’elemento alligante in un’unica fase (solubilizzazione). Secondo: si raffredda bruscamente (tempra), ottenendo una soluzione soprassatura, instabile, ricca anche di vacanze. Terzo: si lascia la lega a temperatura ambiente o leggermente sopra (invecchiamento), e da quella soluzione soprassatura precipitano particelle finissime di seconda fase, distribuite in tutto il volume.

solubilizzazione  →  tempra (soluzione soprassatura)  →  invecchiamento (precipitati fini)

Quei precipitati finissimi sono la chiave: ostacolano il movimento delle dislocazioni, cioè i difetti che permettono al cristallo di deformarsi facilmente. Più è difficile far muovere le dislocazioni, più la lega è dura e resistente. È così che una lega di alluminio leggera può raggiungere resistenze paragonabili a quelle di acciai ad alta resistenza, mantenendo un terzo del peso.

La resistenza alla corrosione e l’anodizzazione

Un altro pregio dell’alluminio è che, a differenza dell’acciaio, di norma non ha bisogno di rivestimenti protettivi per resistere alla corrosione. Appena esposto all’aria, il metallo reagisce con l’ossigeno formando in superficie un sottile film di ossido di alluminio, compatto e aderente, che blocca l’avanzata della corrosione verso l’interno. È una passivazione spontanea: il difetto apparente — la reattività del metallo verso l’ossigeno — diventa la sua difesa. Lo stesso principio dell’acciaio inossidabile, dove a proteggere è un film di ossido di cromo.

Questo strato naturale può essere reso più spesso e regolare con l’anodizzazione, un trattamento elettrochimico che ispessisce e ordina il film di ossido, migliorando sia la protezione sia l’aspetto della superficie e consentendo anche la colorazione. È il motivo per cui infissi, telai e oggetti di alluminio durano a lungo all’aperto senza arrugginire né richiedere verniciature. Va però ricordato che alcune leghe ad alta resistenza, come molte 7xxx, sono più sensibili a certe forme di corrosione e richiedono attenzioni aggiuntive in ambienti aggressivi.

Perché conta nella pratica

Saper leggere una sigla di lega di alluminio e capire il suo stato di trattamento è competenza quotidiana per chi progetta o seleziona componenti leggeri. La differenza fra una 6061 estrusa e una 7075 invecchiata al picco è enorme in termini di resistenza, e dipende tutta dalla chimica della lega e dal trattamento termico. Capire l’indurimento per precipitazione spiega perché certi alluminì vanno trattati, perché vanno usati entro certi tempi dopo la tempra e perché la saldatura può «ricuocere» e indebolire la zona vicina al cordone.

Domande frequenti

Perché l’alluminio è così leggero?

Perché ha una densità di circa 2,7 g/cm³, all’incirca un terzo di quella dell’acciaio e del rame. Questa bassa densità, unita a una buona resistenza meccanica raggiungibile con le leghe trattate, gli conferisce un’elevata resistenza specifica, cioè molta resistenza per unità di peso. È il motivo per cui domina nelle applicazioni dove risparmiare massa è essenziale, come l’aeronautica e sempre più l’automotive.

Che cosa indicano le serie 1xxx, 2xxx, 7xxx?

Sono il sistema di designazione delle leghe di alluminio da deformazione: la prima cifra indica l’elemento alligante principale. La 1xxx è alluminio quasi puro, la 2xxx ha il rame, la 6xxx magnesio e silicio, la 7xxx lo zinco. Le serie 2xxx, 6xxx e 7xxx sono trattabili termicamente e raggiungono le resistenze più alte; le altre si rafforzano soprattutto per incrudimento.

Come funziona l’indurimento per precipitazione?

Avviene in tre fasi. Si scalda la lega per sciogliere l’elemento alligante in un’unica fase (solubilizzazione); si raffredda bruscamente per congelare una soluzione soprassatura instabile (tempra); si lascia poi invecchiare, così che precipitino particelle finissime di seconda fase. Questi precipitati ostacolano il movimento delle dislocazioni e rendono la lega molto più dura e resistente.

Perché richiede che la solubilità diminuisca con la temperatura?

Perché il trattamento sfrutta proprio questa variazione: a temperatura alta l’elemento alligante si scioglie completamente, a temperatura bassa la sua solubilità cala, quindi «vorrebbe» uscire dalla soluzione. Temprando si impedisce che esca subito, ottenendo la soluzione soprassatura; durante l’invecchiamento, da quella condizione instabile, l’elemento precipita in particelle finissime. Senza una linea di solvus inclinata il meccanismo non funziona.

Quale lega di alluminio è la più resistente?

In generale le leghe della serie 7xxx, alluminio-zinco. Invecchiata al picco, la lega 7075 raggiunge un carico di rottura intorno ai 570 MPa, paragonabile a quello di acciai ad alta resistenza ma con un terzo del peso. È lo standard delle strutture aeronautiche molto sollecitate. Le leghe alluminio-litio sono ancora più leggere e rigide, usate dove ogni grammo conta nelle applicazioni aerospaziali.