Il magnesio e le sue leghe
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Il magnesio è un metallo grigio-argento e, cosa più importante dal punto di vista ingegneristico, ha il peso specifico più basso tra tutti i metalli comunemente utilizzati in tecnologia, pari a circa 17,1 kN/m³. Per questo motivo, le leghe a base di magnesio sono denominate leghe ultraleggere, in quanto consentono la costruzione di strutture con un peso molto ridotto. Allo stesso tempo, il magnesio non ha forme allotropiche, quindi non “offre” tante trasformazioni strutturali quanto il ferro; le sue proprietà sono determinate principalmente dalla composizione della lega, dallo stato di fusione/lavorazione e dall’eventuale trattamento termico.
Tuttavia, il magnesio puro presenta evidenti limiti meccanici. Allo stato fuso, le sue proprietà sono relativamente basse: Rm circa 80-120 MPa, Re circa 20 MPa, A5 circa 4-6% e durezza circa 30 HB. Ciò significa che come materiale strutturale “da solo” è troppo debole e non abbastanza duttile per competere con le tipiche leghe di alluminio o acciai; inoltre, a temperatura ambiente, il magnesio è fragile e può essere lavorato plasticamente solo a temperature superiori a circa 220 °C, il che influisce sia sulla scelta della tecnologia di produzione che sui costi. In pratica, questo è il motivo per cui il magnesio sotto forma di leghe, piuttosto che come metallo puro, è di primaria importanza.
Attività chimica, corrosione e sicurezza
Il magnesio è un metallo chimicamente molto attivo, il che presenta implicazioni operative dirette. Si dissolve facilmente in molti acidi inorganici, ma si comporta in modo più neutro negli alcali. Quando esposto all’aria, si ricopre di un sottile strato di ossido, che gli conferisce un aspetto meno gradevole, ma allo stesso tempo può fungere da strato protettivo, a condizione che nell’atmosfera non siano presenti sali di cloro. In presenza di cloruri (ad esempio vicino al mare), si formano cloruri di magnesio solubili, che non formano una barriera compatta ed espongono costantemente il metallo fresco, consentendo alla corrosione di penetrare facilmente in profondità nel metallo. Questo è uno dei motivi per cui la scelta della lega di magnesio e la possibile protezione della superficie sono fondamentali in ambienti “salini”.
Un altro aspetto importante è la reazione del magnesio con l’acqua a temperature elevate. L’acqua riscaldata a circa 100 °C in presenza di magnesio può decomporsi, provocando l’ossidazione del magnesio, e a temperature più elevate il processo può diventare violento, poiché l’idrogeno rilasciato può bruciare in modo esplosivo. Per questo motivo spegnere il magnesio in fiamme con l’acqua è fuori discussione.
L’infiammabilità del magnesio dipende fortemente dalla sua forma. Elementi di grandi dimensioni, prodotti finiti, rottami o fogli sono praticamente non infiammabili in condizioni normali: per incendiarli, devono prima essere parzialmente fusi; tuttavia, il magnesio sotto forma di segatura, trucioli, strisce o polvere può incendiarsi facilmente perché le piccole particelle si riscaldano e si fondono rapidamente; una volta incendiati, i trucioli possono bruciare fino al completo consumo del materiale e l’umidità può accelerare la natura esplosiva della combustione. Questo aspetto non è una “curiosità”, ma un requisito pratico di sicurezza nella lavorazione e nello stoccaggio dei rifiuti di produzione.
Applicazioni del magnesio puro e significato della lega
L’applicazione del magnesio puro è limitata, ma non nulla. Grazie al suo elevato calore di combustione e alla fiamma brillante, viene talvolta utilizzato nella produzione di luce artificiale, in materiali di accensione ed esplosivi, nella riduzione termotecnica e come disossidante nella metallurgia di molti metalli. Allo stesso tempo, il magnesio riveste una grande importanza industriale come matrice per le leghe, poiché solo gli additivi leganti consentono di ottenere proprietà meccaniche e resistenza alla corrosione utili nell’edilizia.
Il materiale indica anche i gradi di magnesio metallurgico secondo lo standard (ad esempio, Mg 99,95 e Mg 99,9) e i loro usi tipici, il che dimostra che la purezza del magnesio viene selezionata a seconda che debba essere utilizzato in applicazioni chimiche e leghe speciali o nella produzione di leghe di magnesio standard. In pratica, è la lega che “trasferisce” il magnesio dalle applicazioni di nicchia alle classiche applicazioni strutturali in cui il peso è un parametro fondamentale.
I più importanti sistemi di leghe di magnesio
Tre additivi sono di fondamentale importanza nelle leghe di magnesio: alluminio, zinco e manganese. L’alluminio migliora significativamente le proprietà meccaniche delle leghe di magnesio; il materiale dimostra che la massima resistenza si ottiene con una lega con un contenuto di circa 5% Al, mentre il massimo allungamento si ottiene con una lega con un contenuto di circa 6% Al. Lo zinco agisce in modo simile all’alluminio e le migliori proprietà sono quelle di una lega con un contenuto di circa 5% Zn. Questi valori sono importanti perché suggeriscono che esiste un certo livello “ottimale” di additivo, al di sopra del quale non si ottengono più benefici proporzionali.
Il manganese svolge un ruolo speciale nelle leghe di magnesio perché non solo migliora le proprietà meccaniche, ma aumenta anche la resistenza alla corrosione. In pratica, ciò significa che il manganese è talvolta un additivo “strategico” per le leghe che devono essere utilizzate in ambienti più difficili o in condizioni in cui la protezione della superficie è limitata. È la combinazione Mg-Al-Zn (spesso con Mn) che forma la famiglia più importante di leghe di magnesio, nota come elettroni, ampiamente utilizzata dove è importante ridurre al minimo il peso.
Una caratteristica importante di questi additivi è che la loro solubilità nel magnesio diminuisce con il diminuire della temperatura, il che apre la strada all’indurimento per precipitazione (dispersione). Questa proprietà è alla base del trattamento termico delle leghe di magnesio, anche segli effetti del trattamento termico sono solitamente meno spettacolari rispetto alle leghe di alluminio, quindi la scelta della composizione e della tecnologia di produzione è spesso più importante del trattamento termico “fine a se stesso”.
Trattamento termico delle leghe di magnesio
Poiché la solubilità degli additivi di lega nel magnesio diminuisce con il diminuire della temperatura, è possibile utilizzare il classico schema di incrudimento per dispersione: prima si crea uno stato supersaturo, quindi si induce una precipitazione controllata durante l’invecchiamento. Il materiale descrive direttamente questo processo: la lega viene ricotta a una temperatura di circa 345 –420 °C per 16–20 ore, quindi viene raffreddata all’aria per ottenere la supersaturazione con elementi di lega, seguita da invecchiamento a 150–200 °C per circa 12 ore, che aumenta le proprietà di resistenza con una leggera diminuzione dell’allungamento.
Tuttavia, vale la pena comprendere il significato pratico di questa descrizione. In primo luogo, il lungo tempo di ricottura suggerisce che è fondamentale equalizzare la composizione e preparare la matrice per la successiva precipitazione, piuttosto che semplicemente “riscaldarla”. In secondo luogo, l’invecchiamento è controllato: non si tratta di massimizzare la durezza, ma di ottenere un compromesso stabile delle proprietà. In terzo luogo, il materiale indica chiaramente che, sebbene questo trattamento funzioni, non fornisce un miglioramento delle proprietà pari a quello delle leghe di alluminio, motivo per cui è meno importante nelle leghe di magnesio e viene spesso utilizzato in modo selettivo, principalmente quando è importante “spremere” un margine aggiuntivo di resistenza mantenendo un peso ridotto.
Un buon esempio dell’effetto del trattamento termico è la lega MgAl10ZnMn, per la quale il materiale specifica proprietà in diversi stati. Allo stato grezzo, raggiunge circa Rm 150 MPa, A5 circa 1%, e HB circa 50. Dopo l’omogeneizzazione, circa Rm 210 MPa, A5 circa 3%, e HB circa 60. Dopo l’indurimento per dispersione, circa Rm 210 MPa, A5 di circa l’1%, e HB di circa 65. Questa serie di dati mostra una caratteristica tipica di alcune leghe di magnesio: è possibile aumentare significativamente la resistenza rispetto allo stato grezzo, ma spesso a scapito della plasticità, e il “guadagno” in termini di durezza non è sempre così grande da giustificare il trattamento termico in ogni applicazione.
Leghe da fusione e leghe lavorate
Le leghe di magnesio sono suddivise, analogamente alle leghe di alluminio, in base alla tecnologia di produzione in leghe da fusione e leghe lavorate. Entrambi i gruppi possono essere utilizzati sia senza trattamento termico che dopo trattamento termico, ma i loro vantaggi “naturali” sono diversi: le leghe da fusione facilitano la formazione di geometrie complesse, mentre le leghe lavorate sono progettate per ottenere una migliore combinazione di resistenza e plasticità dopo la deformazione a caldo.
La designazione delle leghe di magnesio si basa sui principi generali di marcatura delle leghe di metalli non ferrosi. Il materiale fornisce un esempio in cui una lega contrassegnata con MgAl3ZnMn contiene, oltre al magnesio, circa il 3% di alluminio, circa l’1% di zinco e circa lo 0,3% di manganese. Questa notazione è pratica: consente di riconoscere rapidamente se si ha a che fare con la famiglia Mg–Al–Zn–Mn, ovvero gli “elettroni”, e quale livello di proprietà e suscettibilità al trattamento termico ci si può aspettare.
Le leghe di magnesio per fusione contengono tipicamente alluminio, zinco e manganese, e il materiale indica che con un contenuto superiore al 6% di Al, possono essere indurite per dispersione. D’altra parte, le leghe lavorate sono solitamente leghe multicomponente con Al, Zn e Mn, con un contenuto di alluminio inferiore rispetto alle leghe per fusione, fino a un massimo di circa il 9%. Sono lavorate a temperature elevate: pressatura nell’intervallo di circa 250-420 °C o laminazione nell’intervallo di circa 280-350 °C, e, cosa importante, non solo il materiale ma anche gli utensili vengono riscaldati per ridurre il rischio di fessurazione durante la deformazione. Il materiale sottolinea inoltre che queste leghe hanno una buona lavorabilità, importante nella produzione di componenti a pareti sottili e di precisione.
Per le leghe lavorabili plasticamente, vengono forniti i seguenti intervalli di proprietà tipici: Rm circa 200-320 MPa, A5 circa 12-23%, e HB circa 40-55, con queste proprietà che rimangono pressoché invariate fino a circa 100 °C. Questa serie di dati illustra chiaramente l’importanza tecnologica della lavorazione plastica: rispetto al magnesio puro e a molte leghe da fusione, è possibile ottenere sia una maggiore resistenza che una plasticità significativamente migliore, il che amplia la gamma di applicazioni strutturali.
Applicazioni delle leghe di magnesio
Le leghe di magnesio, sia fuse che lavorate, hanno un peso specifico di circa 17,65 kN/m³, il che in pratica significa che sono materiali estremamente vantaggiosi laddove il peso della struttura è fondamentale. Il materiale presenta campi di applicazione ben precisi: la costruzione di automobili, aerei e materiale rotabile, ovvero settori in cui la riduzione del peso si traduce in risparmio energetico, autonomia o capacità di carico. Allo stesso tempo, esiste anche un’applicazione più “utilitaristica”: la lega di magnesio con manganese, che si colora bene, viene talvolta utilizzata per piccoli oggetti in cui l’estetica e il peso ridotto sono importanti.
Tuttavia, quando si selezionano le leghe di magnesio, è sempre necessario scendere a una serie di compromessi. Da un lato, il peso ridotto offre enormi vantaggi strutturali, ma dall’altro lato è necessario gestire con attenzione la resistenza alla corrosione (soprattutto in ambienti clorurati), la temperatura di esercizio e la sicurezza del processo di produzione (soprattutto durante la lavorazione meccanica e la lavorazione dei trucioli). Pertanto, nella pratica, il magnesio e le sue leghe raramente sono un “sostituto” diretto dell’acciaio o dell’alluminio: di solito sono una scelta deliberata, giustificata da un equilibrio tra peso, tecnologia e condizioni ambientali.
Magnesio e sue leghe – sintesi
Il magnesio è un materiale unico principalmente perché, come metallo ingegneristico, ha il peso specifico più basso, rendendo le sue leghe una scelta naturale nei progetti in cui il peso è un vincolo fondamentale. Allo stesso tempo, il magnesio puro ha scarse proprietà meccaniche e plasticità limitata a temperatura ambiente, motivo per cui le leghe di magnesio sono di primaria importanza industriale. Gli additivi di lega più importanti – alluminio, zinco e manganese – aumentano la resistenza, mentre il manganese migliora anche la resistenza alla corrosione; la diminuzione della solubilità di questi componenti con la temperatura consente l’indurimento per dispersione attraverso la supersaturazione e l’invecchiamento, anche se l’effetto è solitamente inferiore rispetto alle leghe di alluminio. Dal punto di vista tecnologico, le leghe si dividono in colate e lavorate, con queste ultime che richiedono una lavorazione a caldo (con riscaldamento degli utensili), ma in grado di raggiungere livelli molto favorevoli di resistenza e duttilità. In applicazioni che vanno dal settore aerospaziale a quello automobilistico, il magnesio vince in termini di “peso”, ma richiede un approccio consapevole alla corrosione, alla sicurezza dei processi e alla selezione delle tecnologie di produzione.
