TECNOLOGIE

ALLUMINIO

Generalità

L’alluminio è un metallo del 3° gruppo, con numero atomico 13 e peso atomico 26.98.

E’ uno degli elementi più abbondanti sulla crosta terrestre; tuttavia non è presente in natura come alluminio metallico, ma sotto forma di ossidi (bauxite).

Vi sono tracce storiche del suo utilizzo sino dal 300 a.C., ma solo nel 1886 è stato sviluppato un processo industriale per la produzione di alluminio (Charles Hall e Paul Heroult).

Prima del 1886 le applicazioni dell’alluminio, il cui costo di produzione era elevatissimo, erano limitate al campo della gioielleria e dell’oggettistica d’arte. Dopo quella data iniziarono le prime applicazioni industriali, nel campo della cantieristica navale, dell’edilizia e delle applicazioni elettriche.

Le prime leghe commerciali, intese ad aumentare le caratteristiche meccaniche dell’alluminio industrialmente puro, comparvero tra il 1890 e la fine del secolo. Nel 1905 venne evidenziato il fenomeno della tempra delle leghe leggere, e nel 1910 fu brevettata una lega contenente il 4% di rame e lo 0.5% di magnesio, denominata, dal luogo di produzione, duralluminio: tale lega, in composizione estremamente simile all’originale, è ancor oggi prodotta ed utilizzata (2017).

Metalli e leghe

I metalli sono elementi chimici caratterizzati da proprietà tipiche quali la lucentezza (detta appunto metallica), la buona conducibilità elettrica e termica, la malleabilità. Raramente trovano applicazioni come tali nelle moderne tecnologie.

L’aggiunta ad un metallo (detto metallo base) di quantità, in generale piccole, di altri metalli (detti alliganti), produce delle leghe metalliche (o semplicemente leghe), in cui, con il dosaggio intelligente degli alliganti vengono esaltate determinate proprietà caratteristiche del metallo base.

Le leghe metalliche costituiscono la base di numerosissimi manufatti prodotti dalle moderne tecnologie.

La scoperta, in epoca preistorica, delle prime leghe del rame con lo stagno ha prodotto significativi progressi dell’umanità, al punto da far identificare il periodo corrispondente col nome di “età del bronzo”.

Variando la tipologia e le quantità degli alliganti aggiunti ad un determinato metallo base si ottengono leghe con proprietà anche molto differenti tra di loro.

GENERALITÀ
METALLI E LEGHE
L’ALLUMINIO METALLO
LE LEGHE DI ALLUMINIO
STATI DI TRATTAMENTO
CARATTERISTICHE PRINCIPALI
SEMI LAVORATI
PREZZI
RICICLAGGIO
L'alluminio metallo
L’alluminio viene estratto dalla bauxite, un minerale presente in natura, mediante il processo Hall-Heroult.

La bauxite viene frantumata e spruzzata con acqua per rimuovere mediante lavaggio silicati ed argilla.

La bauxite rimanente viene essiccata in forno, addizionata di carbonato di sodio e ossido di calcio frantumati, e la miscela viene trattata in un convertitore, quindi ridotta sotto pressione ed inviata ad un decantatore, ove vengono eliminate varie impurezze.

La miscela viene quindi filtrata, raffreddata e trattata ulteriormente in un separatore, poi viene agglomerata e filtrata ulteriormente, ed infine viene riscaldata in un forno di calcinazione.

Il materiale risultante è allumina, sesquiossido di alluminio, che si presenta sotto forma di un materiale pulverulento.

L’allumina viene poi fusa in apposite celle (smelter) che contengono un bagno fuso di criolite (il minerale criolite viene fuso utilizzando la corrente elettrica).

L’allumina, sotto forma di polvere, viene immessa nel bagno di criolite, dove viene fusa e ridotta ad alluminio metallo, che si deposita sotto la criolite.

L’alluminio fuso viene prelevato dal fondo della cella e trasferito in un crogiolo, da cui viene colato sotto forma di pani o lingotti, o trasferito nei forni di alligazione.

Le Leghe di Alluminio

Per la produzione delle leghe primarie di alluminio l’alluminio fuso può essere trasferito nel forno di alligazione direttamente dallo smelter, ovvero vi può essere immesso sotto forma di lingotti ottenuti in precedenza.

In entrambi i casi vengono poi aggiunti al bagno di alluminio fuso gli elementi di lega (silicio, rame, magnesio, manganese, zinco, ecc.) allo scopo di ottenere leghe con composizioni chimiche, e quindi proprietà, particolari.

La miscela di metalli fusi viene quindi colata in lingotti di forma e dimensioni opportune in vista delle successive lavorazioni.

Tradizionalmente le leghe di alluminio vengono suddivise il:

  • leghe da fonderia
  • leghe da lavorazione plastica.

La trattazione seguente è limitata a queste ultime.

Le leghe di alluminio sono oggi identificate mediante codici numerici assegnati dalla Aluminum Association (AA) – ad es. 2024, 6082, 7075, ecc.: questi codici sono oggi generalmente accettati dalle Normative Nazionali ed internazionali, ed in particolare dalle Norme Europee.

Il primo carattere del codice identifica il principale alligante (ad es. le leghe della serie 2xxx hanno come principale alligante il rame).

Ad ogni codice corrisponde una ben precisa composizione chimica, capace di conferire alla lega specifiche caratteristiche; per maggiori dettagli vedere la sezione Leghe.

Accanto alla designazione ufficiale permane l’uso di denominazioni tradizionali, per cui, ad es., la lega 2024 viene ancora comunemente definita da alcuni come Avional 24.

Le principali correlazioni tra designazioni AA e nomi tradizionali, sono riportate nella tabella seguente.

Stati di trattamento
Molte leghe possono aumentare la propria resistenza e durezza mediante opportuni trattamenti termici; queste leghe sono comunemente definite leghe da trattamento termico o leghe trattabili.

In generale però tutte le leghe di alluminio variano le loro proprietà quando subiscono trattamenti termici, meccanici e termomeccanici.

I trattamenti termici sono cicli di riscaldo e raffreddamento in condizioni definite e controllate, che provocano variazioni nella struttura e quindi nelle proprietà della lega.

I trattamenti meccanici consistono in deformazioni plastiche, generalmente a freddo, della lega: anche questi provocano variazioni nelle proprietà della lega.

I trattamenti termomeccanici sono costituiti da cicli complessi di trattamento che comprendono trattamenti dei due tipi precedenti.

In definitiva quindi le proprietà di una lega di alluminio dipendono:

  • Dalla sua composizione chimica (es. 2024)
  • Dal suo stato di trattamento, cioè dai trattamenti termici e meccanici cui la lega è stata sottoposta.

Aluminium Association definisce lo stato di trattamento con dei codici convenzionali (es.: T651 = materiale solubilizzato, temprato, disteso mediante stiratura e quindi invecchiato artificialmente alla massima resistenza meccanica).

Ogni prodotto tecnologico viene quindi definito da AA mediante un codice complesso, che comprende:

  • Il codice della lega
  • Il codice dello stato di trattamento

La definizione secondo questo criterio è rigorosa, e non sempre risulta agevole la sua traduzione in nomi e nomignoli tradizionali; ad es:

7075-T651 = Ergal 75, solubilizzato, temprato, detensionato per stiramento e quindi invecchiato artificialmente alla massima resistenza meccanica.

Caratteristiche principali
L’alluminio e le sue leghe presentano, rispetto ad altri materiali da costruzione, un complesso di caratteristiche fisiche particolari e per certi aspetti uniche, che li rendono particolarmente attraenti per progettisti, produttori ed utilizzatori finali; tra le principali:

Leggerezza: il peso specifico è molto più basso di quello di molti altri metalli e leghe. Con un valore di 2.7 g/cmc l’alluminio ha un peso per unità di volume di circa un terzo di ferro, acciaio, rame, bronzo, ottone.

E’ quindi più facile da maneggiare, meno costoso da trasportare e diviene particolarmente attraente nel settore aerospaziale e dei trasporti in genere, per parti in movimento e per tutti quegli oggetti e strutture ove il risparmio di peso è pagante.

  • Resistenza:  le leghe di alluminio possono raggiungere resistenze meccaniche fino a oltre 560 Mpa. Il limite di snervamento per le leghe di più elevata resistenza è di circa l’85% della resistenza a rottura: ciò permettere di risolvere la maggior parte dei problemi in numerosissime applicazioni.
    La resistenza meccanica aumenta alle basse temperature, senza che si evidenzino fenomeni di transizione duttile/fragile.
  • Rapporto resistenza/peso: risulta particolarmente elevato. Senza prevedere l’utilizzo delle leghe di alluminio sarebbero impensabili le missioni spaziali e lo sviluppo dei moderni velivoli commerciali. In altri settori le leghe di alluminio consentono di ottenere notevoli vantaggi per quelle strutture ove una diminuzione del peso proprio della struttura consente a pari resistenza di aumentare i carichi paganti (mezzi di trasporto in genere, ponti, ecc.).
  • Resistenza a corrosione: l’alluminio presenta una ottima resistenza a corrosione, non forma ruggine e viene protetto, in ambiente ossidante, da uno strato naturale di ossido trasparente stabile.
    La protezione contro la corrosione, specialmente per le leghe di alluminio, può essere ulteriormente aumentata mediante trattamenti di anodizzazione, conversione chimica, verniciatura.
  • Conducibilità termica: a parità di costo e di peso l’alluminio conduce molto più calore di qualsiasi altro metallo, il che lo rende un materiale ideale per gli scambiatori di calore (2.37 W cm-1 °K-1 a temperatura ambiente).
  • Conducibilità elettrica: estremamente elevata. A parità di peso, la conducibilità elettrica è quasi il doppio di quella del rame(37.7 x 10^6/m ohm a temperatura ambiente)..
  • Caratteristiche magnetiche: l’alluminio e le sue leghe sono amagnetici, e quindi si prestano particolarmente per applicazioni ad alta tensione, per applicazioni elettroniche e in generale in presenza di forti campi magnetici, o attorno ad apparecchiature sensibili ai campi magnetici.
  • Scintille: l’alluminio e le sue leghe non emettono scintille e, quindi, sono materiali ideali ovunque vi siano pericoli di esplosione o di incendio.
  • Resilienza: le leghe di alluminio combinano resistenza elevata e ottima capacità di deformarsi elasticamente sotto carico, ritornando alla forma iniziale dopo l’urto o dopo che è stato rimosso il carico applicato.
  • Riflettività: la riflettività dell’alluminio è molto elevata e i prodotti in alluminio ad alta riflettività possono essere vantaggiosamente utilizzati come schermi per luce, radiazioni infrarosse, onde radio.
  • Resistenza al fuoco: i prodotti in alluminio e leghe non bruciano e non producono fumi tossici, anche alle temperature più elevate.
  • Resistenza alle basse temperature: la resistenza meccanica aumenta alle basse temperature senza significativi fenomeni di fragilizzazione. Questo rende le leghe di alluminio materiali ideali per le applicazioni criogeniche e per applicazioni a temperature esterne estrememente basse.
  • Riciclabilità: i materiali a base alluminio possono essere riciclati indefinitamente senza perdere le caratteristiche superiori del metallo e i loro rottami conservano un valore elevato, il che li rende  articoli estremamente interessanti dal punto di vista sia dell’impatto ambientale che economico.
  • Assemblabilità: le leghe di alluminio possono essere assemblate per fissaggio meccanico con viti, bulloni, chiodi, rivetti a strappo. Si possono realizzare assemblaggi strutturali e sono disponibili leghe saldabili per fusione e brasabili.
  • Gamma di prodotti: le leghe di alluminio sono disponibili sotto forma di lamiere, piastre, barre, profili anche complessi e ottenuti senza saldatura o altri metodi di giunzione.
Semilavorati
I prodotti tecnologici commercializzati da Aviometal comprendono diverse tipologie di semilavorati, in funzione delle loro caratteristiche geometriche e delle tecnologie utilizzate per ottenerli.

Le tecnologie di produzione determinano poi alcune importanti caratteristiche dei prodotti, quali la precisione dimensionale, lo stato delle superfici e, in molti casi, le proprietà meccaniche.

  • Lamiere sottili: fogli di piccolo spessore, compreso tra qualche decimo di mm e 6 mm. Sono caratterizzate sia dallo spessore che dalla lunghezza dei lati.
  • Lamiere mandorlate: fogli di piccolo spessore, compreso tra qualche mm e 6 mm. Una delle superfici reca delle bugne in rilievo. Sono caratterizzate dalla lunghezza dei lati, oltre che dallo spessore del foglio e dall’altezza del risalto.
  • Nastri: fogli di piccolo spessore, di lunghezza elevata, che vengono avvolti in bobine. Sono caratterizzati dallo spessore e dalla larghezza  e vengono solitamente svolti e tagliati a misura dall’utilizzatore finale.
  • Piastre: fogli di spessore medio-alto, da 6 mm fino a 500 e più mm. Come le lamiere sottili sono caratterizzate, oltre che dallo spessore, dalla lunghezza dei lati. Un altro parametro importante per questi semilavorati è la direzione delle fibre. Vengono prodotte per fusione (piastre fuse o, con termine inglese, cast plates) o per fusione e successiva laminazione (piastre laminate).
  • Tondi: barre con sezione retta circolare. Sono caratterizzati dalla dimensione del diametro, di solito compreso tra qualche mm e qualche centinaio di mm, e dalla lunghezza della barra.
  • Piatti: barre con sezione retta rettangolare. Sono caratterizzati dalle dimensioni dei lati della sezione, di solito comprese tra qualche mm e qualche centinaio di mm, e dalla lunghezza della barra.
  • Quadri: barre con sezione retta quadrata; sono caratterizzati dalle dimensioni del lato della sezione, di solito comprese tra qualche mm e qualche centinaio di mm, e dalla lunghezza della barra.
  • Esagoni: barre con sezione retta esagonale. Sono caratterizzati dalle dimensioni della chiave, di solito compresa tra qualche mm e qualche decina di mm, e dalla lunghezza della barra.
  • Tubi: barre forate con sezione retta circolare. Sono caratterizzati dalle dimensioni del diametro esterno di solito compreso tra qualche mm e qualche centinaio di mm, del diametro del foro e dalla lunghezza della barra. In alcuni casi vengono richiesti dai Clienti citando il diametro esterno della barra e lo spessore della parete del tubo.
  • Tubi quadri: piatti o quadri forati con sezione retta del foro rettangolare o quadrata. Sono caratterizzati dalle dimensioni della sezione esterna della barra, dello spessore della parete del tubo e dalla lunghezza della barra. In alcuni casi vengono richiesti dai Clienti citando le dimensioni esterne e le dimensioni del foro.
  • Profili (o profilati): barre con sezione retta a forma di L, T, U. Sono caratterizzati dalle dimensioni dei lati della sezione esterna della barra (base ed altezza), dello spessore della parete del profilo e dalla lunghezza della barra.
  • Profili speciali: barre con sezione retta di forma complessa, di solito realizzate sulla base di un disegno fornito dal Cliente. Sono caratterizzate dal disegno della sezione e dalla lunghezza della barra.

Le lamiere sottili vengono realizzate mediante laminazione a freddo.

Le piastre vengono ottenute mediante fusione (piastre fuse o cast plates) o laminazione a caldo (laminati)

Le barre, i tubi ed i profili sopra descritti vengono realizzati mediante estrusione (estrusi) o trafila (trafilati). Le due tecnologie producono tolleranze dimensionali e finitura delle superfici differenti.

Prezzi
I semilavorati in alluminio sono prodotti commerciali molto diffusi, ed il loro prezzo è determinato da un certo numero di fattori di mercato.

I prezzi possono essere soggetti a fluttuazioni, dovute in parte alla domanda ed all’offerta ed in parte ad altri fattori.

Occorre ricordare che il prezzo del metallo (Borsa Metalli di Londra) è solo una parte del prezzo dei prodotti, cui vanno aggiunti i costi di trasformazione e produzione dei semilavorati, ed i costi dei servizi accessori.

Il prezzo del metallo viene definito giornalmente alla Borsa Metalli di Londra (LME) in dollari USA per tonnellata, ed è riferito ad alluminio commercialmente puro. Tale prezzo è riportato, ad es, su “Il Sole 24 Ore“.

Al prezzo LME occorre aggiungere un sovrapprezzo tipico di ogni Paese o area geografica, che viene determinato in funzione delle condizioni del mercato, ed un sovrapprezzo di alligazione per passare dall’alluminio industrialmente puro del LME ai lingotti o alle billette di partenza per la realizzazione dei vari semilavorati. Il prezzo di questi ultimi è in generale influenzato dalle dimensioni del lingotto o della billetta e, per leghe non usuali, dal tipo di lega.

Va infine aggiunto il costo di trasformazione per ottenere il semilavorato finale.

Il prezzo al Cliente comprende tutti questi costi, oltre al costo del servizio (preparazione, eventuali sfridi, imballo, trasporto).

Riciclaggio
Il riciclaggio va visto come un ciclo che porta un materiale, diciamo l’alluminio, dal punto di acquisto al consumatore, e poi, una volta che il prodotto viene dismesso, alla raccolta, selezione, rilavorazione, approntamento di un nuovo prodotto, ed alla fine di nuovo ad un consumatore, e così via.

In quest’ottica non è sufficiente che il materiale sia riciclabile, occorre che il materiale trovi effettivamente possibilità concrete di riutilizzo.

Il riciclaggio è importante per molte ragioni.

La crisi di molte discariche suggerisce di ridurre per quanto possibile la quantità di rifiuti solidi orientandone quanto più possibile al riutilizzo.

Il costo dei materiali recuperati è inferiore a quello del minerale e dell’energia necessari a produrre nuovo materiale.

Oltre a ciò il risparmio di minerale e di energia è sempre più consigliabile nell’ottica della protezione ambientale.

Il riciclaggio dell’alluminio consente il risparmio del 95% dell’energia necessaria per produrre nuovo materiale dal minerale; inoltre, poiché occorrono 4 kg di bauxite per produrre 1 kg di alluminio, il riciclaggio di 1 kg di alluminio consente il risparmio di 4 kg di minerale.

L’esperienza ha dimostrato che l’alluminio è uno dei materiali per cui funziona da tempo con successo un programma di riciclaggio, a causa dell’elevato valore del rottame, dell’accettazione generalizzata del programma da parte dei consumatori e dell’elevata predisposizione al recupero da parte delle industrie.

Tutti i prodotti di alluminio possono essere riciclati, dal foglio sottile ai componenti automobilistici, ai serramenti per edilizia agli utensili ed attrezzi domestici; il massimo vantaggio si raggiunge nel caso di grosse strutture, quali vetture ferroviarie, carrelli e rimorchi. In bibliografia è citato il caso della rottamazione, dopo più di 25 anni di servizio, di qualche centinaio di vetture ferroviarie: in questo caso il valore del metallo riciclato ha raggiunto il 90% del valore del metallo originariamente utilizzato per costruirle.

Occorre infine ricordare che l’alluminio può essere riciclato indefinitamente senza perdere le sue proprietà caratteristiche. Non bisogna quindi temere alcuna perdita di qualità utilizzando alluminio riciclato, a condizione che la composizione chimica dei prodotti risulti conforme a quanto previsto dalle specifiche applicabili.

VIENI A TROVARCI

C.rso Sempione 15,
21010 Arsago Seprio (VA)

 

Percorrendo la statale 33 del Sempione o dall'Autostrada A8/A26 dei Laghi, uscita Vergiate, Statale 33 in direzione Gallarate.