metalli leggeri

metalli leggeri

metalli leggèri locuz. sost. m. pl. – Denominazione di alcuni metalli e leghe metalliche di interesse tecnologico aventi densità molto inferiore rispetto a quella delle leghe ferrose (acciai e ghise). Rientrano nella categoria il magnesio e le sue leghe (densità intorno al 25% di quella dell’acciaio), l’alluminio e le sue leghe (35%), il titanio e le sue leghe (60%), tutti materiali la cui leggerezza costituisce il principale pregio che ne motiva la crescente presenza soprattutto nei settori dei trasporti (automobilistico, aeronautico, spaziale) e dell’elettronica.

Alluminio e magnesio. – Le leghe di alluminio e, in seguito, quelle di titanio, sono nate industrialmente e si sono sviluppate lungo tutto il 20° sec. nell'ambito dei settori aeronautico e aerospaziale, per i quali la bassa densità è essenziale al fine di realizzare componenti con elevati valori del rapporto resistenza/peso (gli aerei di linea di ultima generazione arrivano ad avere fino al 15% in peso di leghe di titanio e al 65% in peso di leghe di alluminio). La leggerezza ha assunto un ruolo sempre più strategico anche nel trasporto su strada. A partire dagli anni Novanta del 20° sec., la ricerca in campo automobilistico si è focalizzata su tre aspetti fortemente interconnessi: riduzione del peso delle vetture, risparmio di carburante (si stima che ridurre di 100 kg il peso di una vettura consenta di risparmiare circa 0,5 l di carburante ogni 100 km percorsi), minimizzazione delle emissioni inquinanti. Questo ha favorito, e continuerà a favorire, lo sviluppo e l’impiego di leghe di alluminio e di magnesio per componenti automobilistici di peso sempre più contenuto. Per esempio, è del 2007 la realizzazione di un motore a 6 cilindri di 3000 cm³ con una lega Mg-Al-Sr, che pesa il 25% dell'analogo motore tradizionale. Oltre alla leggerezza, le caratteristiche meccaniche, estetiche, di resistenza a corrosione, reperibilità, disponibilità di adeguati processi di fabbricazione e trasformazione, possibilità di recupero e riciclo, di costo hanno condotto ad applicazioni dei m. l. in numerosissimi settori industriali. In molti casi, i materiali più interessanti sono leghe contenenti vari componenti metallici. I principali alliganti aggiunti al magnesio sono alluminio, zinco, manganese, zirconio, silicio, terre rare. In generale, le leghe di magnesio godono di elevata resistenza meccanica specifica, ottima colabilità, buona lavorabilità, saldabilità in atmosfera controllata. I limiti più significativi sono il basso modulo elastico, i valori ridotti della tenacità, la scarsa resistenza meccanica a elevata temperatura (per le leghe più comuni). Oltre a quello automobilistico, settori in cui le leghe di magnesio vanno acquisendo crescente rilevanza sono quelli dei componenti ferroviari, aeronautici e, soprattutto, dell’elettronica (strutture di computer portatili, videocamere e fotocamere, telefoni cellulari). Quanto all'alluminio, nelle applicazioni reali, l’impiego del metallo puro (contenente piccoli quantitativi di silicio e ferro come principali impurezze) è relativamente limitato, a causa della resistenza piuttosto bassa, che può però essere significativamente incrementata mediante l’aggiunta di elementi alliganti, tra cui rame, manganese, magnesio, silicio, zinco e mediante processi di deformazione plastica a freddo (incrudimento). Circa nel 90% dei casi, le leghe da fonderia appartengono al sistema alluminio-silicio. Le proprietà tecnologiche delle leghe di alluminio variano considerevolmente a seconda della loro tipologia e degli alliganti utilizzati e la variabilità delle caratteristiche si ripercuote sulle potenzialità di impiego e sulle tecnologie di trasformazione. Nessun altro materiale metallico possiede la medesima flessibilità tecnologica delle leghe di alluminio, che possono essere laminate, estruse, forgiate, colate (sia in gravità sia sotto pressione). Tra i settori di impiego più rilevanti vi è il packaging (fogli e contenitori per alimenti, bevande, farmaci e cosmetici), il settore aeronautico, marino e navale, l'edilizia (infissi, telai, strutture di ponti leggeri, pannelli per esterno), il settore ferroviario e automobilistico, dell’arredamento, degli elettrodomestici e dell’elettronica. La principale spinta allo sviluppo è data dal settore dei trasporti: mediamente, un’auto europea prodotta nel 2012 contiene circa 150 kg di alluminio suddivisi tra diversi componenti.

Titanio. – Il titanio ha proprietà generali interessanti, che nel loro insieme nessun altro materiale di uso industriale può vantare; alla bassa densità si abbinano caratteristiche fisiche simili a quelle dell’acciaio inossidabile. Rilevante per le applicazioni è la presenza di una trasformazione di fase a circa 882 °C dalla struttura a reticolo esagonale compatto (fase α) a quella cubica a corpo centrato (fase β). Il titanio è duttile e tenace a temperatura ambiente e ha una resistenza meccanica non trascurabile, che aumenta con la presenza di soluti interstiziali e sostituzionali. La temperatura di transizione da α a β è fortemente influenzata dagli elementi di lega. Gli elementi α-stabilizzanti aumentano la resistenza allo scorrimento viscoso e la saldabilità, mentre gli elementi β-stabilizzanti incrementano la lavorabilità, la velocità di deformazione, la risposta al trattamento termico e la densità. Nichel, molibdeno e palladio migliorano la resistenza a corrosione. I settori aeronautico e aerospaziale sono tra i primi campi di applicazione del titanio; infatti l’80% delle sue leghe è stato progettato per questi settori: in media, il titanio costituisce circa il 10% della massa complessiva degli aerei. Esso è ampiamente impiegato anche nell’industria chimica e petrolchimica (per la sua resistenza anche a temperature relativamente alte in mezzi acidi ossidanti, soluzioni acquose di cloruri, acqua di mare), nel settore automobilistico (molle, bielle e valvole, soprattutto in automobili ad alte prestazioni), nella nautica da diporto e nei traghetti veloci, nell'architettura (per la sua immunità alla corrosione atmosferica, la leggerezza e le caratteristiche resistenziali), in ambito biomedicale (impianti dentali, viti, placche e protesi ossee) per l’ottima combinazione di biocompatibilità, resistenza meccanica, modulo di elasticità, bassa densità, immunità alla corrosione e capacità di osteointegrazione, nella realizzazione di oggetti di bigiotteria, montature per occhiali e attrezzature sportive (telai di biciclette, mazze da golf, racchette da tennis) per l'elevato rapporto resistenza/peso e per le caratteristiche di elasticità.