Il magnesio è un metallo ultraleggero, con una densità di volume di 1,74 g/cm³, circa il 40% inferiore all'alluminio. Questa caratteristica, unita ad altre proprietà chimico-fisiche, lo rende un materiale di grande interesse per numerose applicazioni industriali, in particolare nei settori automotive e aerospaziale, dove la leggerezza è un fattore critico. Nonostante il suo potenziale, l'utilizzo del magnesio ha incontrato ostacoli legati alla scarsa resistenza alla corrosione e alla infiammabilità in determinate condizioni.
La conoscenza approfondita della metallurgia del magnesio è fondamentale per superare queste sfide. I getti e i semilavorati di magnesio possono diventare protagonisti in progetti che richiedono un elevato alleggerimento, proponendosi come alternative valide ai componenti in alluminio o in materie plastiche. In settori come quello aerospaziale o nelle attrezzature sportive, dove sono richieste prestazioni estreme, il magnesio è sempre stato considerato, sebbene i risultati concreti si siano spesso limitati a quantità ridotte.
Il magnesio si trova in natura in diverse forme, come l'acqua di mare e minerali quali la dolomite. A differenza dell'alluminio, il magnesio è un metallo fortemente elettronegativo, richiedendo una notevole quantità di energia per la sua riduzione dagli ossidi. L'ossido di magnesio, inoltre, è disomogeneo e poroso, contribuendo alla scarsa resistenza alla corrosione del metallo. Questa limitazione ha storicamente ostacolato la sua diffusione, nonostante lo sviluppo di leghe per l'industria aeronautica già durante la Prima Guerra Mondiale.
Classificazione e Composizione delle Leghe di Magnesio
Le leghe di magnesio, analogamente a quelle di alluminio, vengono classificate in base all'uso finale. Una distinzione importante è tra leghe da incrudimento e leghe trattabili termicamente. Alcuni elementi leganti formano con il magnesio composti che permettono un processo di precipitazione indurente, simile a quello osservato nelle leghe di alluminio trattabili termicamente. Questo processo prevede la formazione di una soluzione solida ad alta temperatura, seguita da tempra e invecchiamento a temperatura ambiente (stato T4) o a temperatura media per ottenere le massime caratteristiche tensili (stato T6).
I principali elementi di lega impiegati sono zinco, manganese, litio, silicio e rame. L'alluminio è quasi sempre presente nelle leghe commerciali di magnesio. Nel diagramma di stato Al-Mg, si osserva una completa solubilità allo stato liquido e una reazione eutettica a 437 °C, che coinvolge tre fasi: liquido, soluzione solida di Al in Mg (fase α) e una fase intermetallica β con circa il 40% di alluminio.
Le leghe di magnesio sono classificate secondo la norma ASTM B275, dove una lettera maiuscola identifica l'elemento legante principale. Nel caso di leghe binarie, due lettere indicano gli elementi leganti principali e secondari, seguite da un numero che approssima la loro percentuale in peso.
Principali Elementi Leganti e Loro Effetti
- Alluminio (Al): Componente quasi universale nelle leghe di magnesio commerciali. Contribuisce alla formazione di fasi intermetalliche e influenza la solubilità degli altri elementi.
- Zinco (Zn): Utilizzato in leghe commerciali, in particolare quelle aeronautiche, e contribuisce alla precipitazione.
- Manganese (Mn): Presente in leghe commerciali, spesso come impurità o aggiunto per migliorare la resistenza. Si separa come MnAl6 e ha un limitato effetto indurente, ma aumenta la duttilità.
- Litio (Li): Permette di ottenere leghe con basse densità e alti moduli elastici. L'aggiunta di litio aumenta significativamente il modulo elastico.
- Silicio (Si): Utilizzato nei getti e nelle saldature, migliora la fluidità e la resistenza all'usura. La lega Al-Mg-Si, con un rapporto di massa Mg:Si di 1,73:1, utilizza Mg2Si come fase di rinforzo.
- Rame (Cu): Aggiunto in quantità moderate per migliorare la resistenza, ma può avere un impatto negativo sulla resistenza alla corrosione.
La presenza di composti intermetallici, come CuAl2 e CuMgAl2 nelle leghe Al-Cu-Mg, può causare una diminuzione della duttilità. Nelle leghe Al-Mg-Si, il contenuto di magnesio e silicio viene gestito proporzionalmente alla matrice, e talvolta si aggiunge cromo per contrastare l'effetto negativo del rame sulla corrosione.
Applicazioni e Tecnologie di Lavorazione
Le tecnologie di fonderia rappresentano la quota maggiore del consumo attuale delle leghe di magnesio, con la pressocolata pronosticata come la tecnologia fusoria di maggior sviluppo. Negli ultimi anni, la produzione di magnesio metallico primario è stata concentrata in pochi paesi, con la Cina che rappresenta circa l'80% del totale. Il magnesio è altamente riciclabile, con un significativo guadagno energetico rispetto alla produzione primaria.
Le leghe Al-Mg, con tenori di alligante dal 2% al 5% circa, trovano impiego in prodotti per il packaging, costruzioni nautiche e parti di carrozzeria automobilistica. Le leghe di magnesio per getti di fonderia, in particolare da pressocolata, sono utilizzate per la produzione di carter protettivi, coperchi, corpi di pompe, telai di sedili e volanti. Lo sviluppo di parti fuse di grandi dimensioni, come portiere e portelloni, e parti di motore miste alluminio-magnesio ha suscitato notevole interesse tecnico.
In Italia, l'industria automobilistica ha sfruttato le tecnologie di pressocolata per realizzare getti di grandi dimensioni in magnesio. Sebbene il consumo attuale di magnesio metallico nelle fonderie italiane sia modesto rispetto all'alluminio, lo sviluppo di progetti legati al magnesio nell'industria automobilistica europea potrebbe portare a un significativo aumento della domanda.
Diagrammi di Stato e Trattamenti Termici
La comprensione dei diagrammi di stato è cruciale per definire i trattamenti termici delle leghe di magnesio. Ad esempio, nel sistema Al-Mg, a 437 °C avviene una reazione eutettica. Il raffreddamento lento da temperature elevate porta alla formazione di soluzioni solide e fasi intermetalliche, mentre un raffreddamento veloce (tempra) può essere utilizzato per ottenere stati fisici specifici, migliorando le proprietà meccaniche. È importante notare che la formazione di martensite, tipica delle leghe Ferro-Carbonio, non avviene nelle leghe di alluminio-magnesio.
Le leghe Al-Si, dove il silicio migliora la fluidità e la resistenza alle alte temperature, hanno una solubilità massima del 1,65% di Si nell'alluminio alla temperatura eutettica di 577 °C. Sebbene queste leghe non possano essere rinforzate mediante trattamento termico, presentano eccellenti proprietà di colata e resistenza alla corrosione.
Metallurgia I Lezione 8a
La lega di alluminio-magnesio offre la migliore resistenza alla corrosione, con leghe come ADC5 e ADC6 che sono particolarmente resistenti. Tuttavia, presentano un ampio intervallo di solidificazione, che può portare a fragilità termica e facilitare la formazione di cricche durante la colata. In leghe come Al-Cu-Si, la presenza di magnesio può portare alla formazione di Mg2Si, che rende il materiale fragile, pertanto il contenuto di magnesio viene generalmente mantenuto al di sotto dello 0,3%.
Nelle leghe deformate industrialmente, il contenuto di magnesio è solitamente inferiore al 6%. Questo tipo di leghe non è rinforzabile mediante trattamento termico, ma presenta buona saldabilità, buona resistenza alla corrosione e resistenza meccanica media. Ogni aumento dell'1% di magnesio in queste leghe aumenta la resistenza alla trazione di circa 34 MPa.