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Alluminio

Confronto delle caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali metallici comunemente impiegati in edilizia.
Confronto delle caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali metallici comunemente impiegati in edilizia.

Generalità

L’alluminio fa la sua apparizione nell’Ottocento e avrà una grande importanza nel XX secolo. Si tratta di uno degli elementi più diffusi sulla terra, essendo secondo (con circa l’8%) solamente all’ossigeno e al silicio nella composizione generale della litosfera e oggi, dopo il ferro, è il più usato tra i metalli.
Il minerale più importante per la produzione industriale del metallo è la bauxite (che deve il suo nome alla località di Les Baux, in Francia, dove fu per la prima volta individuata nel 1821). È una roccia di colore dal rosso bruno al giallo costituita principalmente da idrossidi di alluminio, altre sostanze amorfe e prodotti argillosi. La composizione chimica della bauxite è Al2O3·nH2O (allumina idrata) più ossidi di ferro (5-25 %) e di silicio (4-7 %). I principali giacimenti di questo minerale si trovano sulle fasce tropicali e subtropicali del globo.
All’inizio dell’Ottocento, l’alluminio, scoperto dal danese Oersted nel 1824, fu estratto per la prima volta dai suoi minerali, sufficientemente puro; il costo era così elevato che veniva considerato un metallo quasi prezioso (Napoleone III ordinò dei cucchiai in alluminio). Solo a seguito dei brevetti del francese Héroult e dell’americano Hall (1886), che prevedevano l’elettrolisi dell’allumina disciolta in criolite (3NaFxAlF3) fusa, e dell’invenzione della dinamo, che consentiva di produrre le notevoli quantità di energia elettrica necessarie nel processo elettrolitico, fu possibile ottenere alluminio a costi sufficientemente ridotti da permetterne l’utilizzo in campo industriale. Per queste ragioni, si tardò a utilizzare questo metallo; infatti l’elettrolisi richiede una grande quantità di energia elettrica: a parità di peso l’acciaio ne richiede un decimo.
La metallurgia dell’alluminio si può suddividere in due tappe: la prima, per estrarre dalla bauxite l’allumina secondo il processo Bayer basato sulla reazione della bauxite con una soluzione concentrata di soda caustica a pressione e temperatura relativamente elevate (via chimica); la seconda, per produrre l’alluminio per via elettrolitica (una tonnellata di alluminio richiede due tonnellate di allumina che a sua volta richiede quattro tonnellate di bauxite).

Tecniche di produzione

II metallo puro così preparato, primario o di prima fusione, viene utilizzato, dopo l’eventuale trattamento di alligazione, con altri elementi per la preparazione di pani di leghe da fonderia, billette da estrusione, placche di laminazione, che costituiscono i materiali di partenza per le successive lavorazioni primarie come semilavorati e successivamente come prodotti finiti.
A differenza del metallo primario, preparato per via elettrolitica, il metallo secondario o di seconda fusione è prodotto per rifusione a partire da diversi tipi di rottami derivanti dalle lavorazioni primarie dell’alluminio e dal riutilizzo di prodotti contenenti alluminio che hanno terminato il ciclo di vita. Attualmente il termine secondario non va considerato limitativo agli effetti della qualità, ma ha fondamentalmente un significato di origine, perché in molti casi le tecnologie di produzione di metallo di seconda fusione consentono di ottenere un metallo di buona purezza.
Indipendentemente da considerazioni qualitative, l’alluminio secondario è molto più economico da produrre del metallo elettrolitico e, cosa ancora più importante, sotto l’aspetto energetico si pone rispetto al primario nel rapporto 1/10; queste caratteristiche costituiscono significativi elementi positivi circa la competitività del metallo leggero con gli altri materiali da costruzione.

Proprietà fisiche, meccaniche e tecnologiche

L’alluminio è un metallo di colore bianco argenteo che cristallizza nel sistema cubico a facce centrate e, pertanto, è molto duttile e malleabile.
La densità è di 2,72 g/cm3 a 20 °C; il suo punto di fusione è di circa 659,8 °C ; il punto di ebollizione è di circa 1800 °C; il suo calore specifico è di 0,2259 cal/g °C (0-100 °C); il coefficiente lineare di dilatazione termica a 0 °C è di 23×10-6 °C-1; la conducibilità termica a 10 °C è di 180 Kcal/(m h °C).
Per quanto riguarda la resistenza chimica, figura come uno degli elementi con la più elevata affinità con l’ossigeno, tuttavia la conseguente formazione di una sottile pellicola di ossido assicura un buon comportamento nei confronti sia della corrosione atmosferica sia di parecchi acidi organici. È da notare che lo strato di ossido è assai stabile e quindi non attacca il metallo sottostante, esercitando un effetto passivante. L’alluminio, al contrario, è attaccabile dall’azione dovuta sia agli alcali che agli acidi che sono in grado di scioglierne la pellicola. L’alluminio, oltre che essere inalterabile all’aria e all’acqua, resiste all’attacco dell’anidride solforosa, degli acidi organici quali l’acetico, il citrico, il fenico e l’oleico e resiste anche all’attacco dell’ammoniaca, degli idrocarburi, delle resine e della cellulosa; tuttavia, la suddetta inerzia chimica è condizionata dalla presenza di impurezze (specialmente di Cu e Fe) e, nel caso delle leghe, dal legante introdotto nell’alluminio.
Il potere protettivo del rivestimento di ossido può essere aumentato con un processo elettrolitico detto anodizzazione: l’elemento viene collegato all’anodo in una cella elettrolitica che contiene una soluzione di acido solforico; ciò permette di ottenere un forte aumento dello spessore dello strato di ossido protettivo. Le leghe di alluminio, così come il metallo puro, hanno basso peso specifico per cui sono classificate come leghe leggere, che tuttavia presentano, a differenza del metallo puro, una resistenza meccanica elevata a fronte di un alto coefficiente di dilatazione termica lineare (doppio rispetto al ferro).
Dal punto di vista meccanico il modulo elastico (E) delle leghe di alluminio è influenzato dagli elementi contenuti; infatti Ni, Fe, Cu, Si, Mn determinano un aumento del modulo elastico della lega, proporzionale al rispettivo modulo elastico.
In base al tipo di reticolo cristallino, l’alluminio, negli impieghi a bassa temperatura, presenta una buona resilienza, duttilità e resistenza meccanica. Un’altra caratteristica propria dell’alluminio è l’alta conducibilità elettrica.
L’alluminio e le sue leghe in funzione dei leganti introdotti si prestano in modo particolare a tutte le operazioni di lavorazione plastica sia a freddo che a caldo: i lingotti di fonderia possono, infatti, essere estrusi, profilati o laminati a caldo. Gli estrusi possono inoltre essere trafilati a freddo fino a ottenere le dimensioni desiderate, i laminati possono essere ulteriormente lavorati a freddo fino a raggiungere anche spessori di qualche millesimo di millimetro. Altre operazioni di formatura sono: a caldo, la fucinatura e lo stampaggio; a freddo, l’imbutitura, l’estrusione per urto, l’imbutitura al tornio. La colabilità dell’alluminio e delle sue leghe è molto elevata.
Una caratteristica interessante di questo metallo è la lucidabilità. La caratteristica tecnologica meno vantaggiosa di questo materiale, collegata alla sua affinità con l’ossigeno e alle caratteristiche del suo ossido, è la saldabilità, infatti l’unione di lamiere di alluminio è eseguita preferibilmente tramite chiodatura.

 

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