mercoledì 13 gennaio 2016

ALLUMINIO (Aluminum)

  
ALLUMINIO

L'unico elemento della terza colonna del sistema periodico che abbia grande importanza industriale è l'alluminio. Tale metallo è entrato nella pratica industriale in una epoca relativamente recente, perchè, avendo un'altissima affinità con l'ossigeno, è molto difficile ottenerlo allo stato metallico puro. Una volta però che I'alluminio è puro, non si ossida all'aria, o meglio, si ricopre subito di una sottilissima pellicola di aIlumina (ossido di alluminio) che protegge il metallo sottostante, isolandolo dall'atmosfera. Tale pellicola d'ossido e la rapidità della sua formazione sono però una delle principali difficoltà che si incontrano nella saldatura dell'alluminio e delle sue leghe.

Il minerale di partenza per ottenere l'alluminio è la bauxite (Al2O3•nH2O),  un ossido idrato di alluminio di costituzione chimica non ben definita [contiene solamente il 30-54% di allumina, Al2O3, mentre la restante parte è formata principalmente da silice (ovvero biossido di silicio, SiO2), ossidi di ferro e diossido di titanio]. 
In una prima fase di lavorazione si ottiene dalla bauxite l'allumina pura (ossido), ed in una fase successiva e distinta si ottiene il metallo dall'allumina. 
I processi per ottenere I'allumina sono numerosi, per cui mi limito per brevità a citare il più noto per me, il "Bayer" (prende il nome da Karl Bayer che lo inventò nel 1887).
Secondo tale processo, il minerale viene trattato con soda caustica (idrossido di sodio) NaOH, a 175 °C (fase generalmente chiamata digestione). Questa operazione converte l'allumina in Al(OH)4 e si ha la reazione indicativa:
 \mathrm {Al_2O_3 \cdot nH_2O + NaOH \ \xrightarrow{\triangle} \ Na\left [Al(OH)_4 \right] (+ Fe_2O_3 + TiO_2 + ...)}

La massa di reazione viene lasciata decantare, diluita con acqua, fino ad avere la reazione:
\mathrm {Na\left[Al(OH)_4 \right] \ \xrightarrow{\mathcal 5} \ Al(OH)_3 + NaOH}

Partendo cioè da alluminato di sodio ed acqua si ottiene idrato di sodio e idrato di alluminio. L'idrato di alluminio deve essere poi calcinato a temperature assai alte (1050°) per essere trasformato in ossido secondo la reazione:
\mathrm {2 \ Al(OH)_3 \ \xrightarrow{\triangle} \ Al_2O_3 + 3 \ H_2O}

Qualunque sia il processo col quale è stata ottenuta l'allumina, per ottenere da essa I'alluminio metallico occorre procedere ad una elettrolisi delI'allumina stessa, che si ottiene a caldo (900-950°) in un bagno di criolite (AlF3•3NaF), fluoruro doppio di alluminio e di sodio). 
Si opera in cassoni di ferro, rivestiti internamente di pigiate di carbone, che fungono da catodo, mentre gli anodi, pure di carbone, vengono immersi dall'alto. Occorre regolare accuratamente la tensione applicata agli elettrodi, perchè altrimenti, oltre agli ioni alluminio ed ossigeno, si separano anche quelli sodio e fluoro. 
L'alluminio metallico si separa al catodo, si deposita cioè sul fondo della cella e viene scaricato periodicamente. L'ossigeno, invece, attacca ii catodo (di carbone) formando CO2 e sviluppando quantità notevoli di calore che contribuiscono a mantenere fusa la massa che sta nella cella. 
Il consumo di energia elettrica è assai elevato: da 16 a 22 kwh per kg di alluminio prodotto. Per questo, al sorgere di una grande industria dell'alluminio si accompagna sempre necessariamente la nascita di una poderosa industria elettrica che possa fornire grandi quantità di elettricità a basso costo.

L'alluminio puro trova impiego soprattutto nella costruzione dei cavi elettrici per linee ad alta tensione, mentre per il resto si impiega in lega con altri metalli che ne migliorano in modo sostanziale le qualità meccaniche.

Le leghe possono €essere classificate in cinque gruppi a seconda della loro composizione chimica; leghe al silicio (silumin, alpax), al rame (lega inglese, lega americana, lega tedesca), al magnesio-silicio (anticorodal, aldrey), al rame-silicio e rame-silicio-magnesio (i diversi tipi di duralluminio), al manganese (aluman). 
In tutte queste leghe, l'alluminio entra in proporzione molto alta: 85-95 per cento ed anche oltre (anticorodal, aldrey, aluman).
Tali leghe possono anche suddividersi in leghe da fonderia (silumin, lega inglese, lega americana, anticorodal, duralite) e leghe adatte per lavorazione plastica (laminazione, trafilatura ecc.) come I'alunan, I'aldrey, l'avional e il duralluminio; alcune sono adatte per entrambi i casi (silumi, anticorodal).

Gran parte degli elementi metallici sono solubili nell'alluminio, tuttavia rame (Cu), silicio (Si), magnesio (Mg), zinco (Zn), manganese (Mn), nichel (Ni) sono i leganti utilizzati per l'alluminio a costituire le leghe madri; accanto ad essi si possono impiegare elementi che migliorano alcuni aspetti prestazionali delle leghe, conosciuti come correttivi. Si trovano aggiunte, per scopi particolari, piccole percentuali di titanio, zirconio, cromo, bismuto, piombo, cadmio, scandio, litio, berillio ed anche stagno e ferro, quest'ultimo peraltro sempre presente come impurezza. Quando gli elementi sopra menzionati vengono aggiunti all'alluminio di base da soli si hanno leghe binarie, quando aggiunti a due a due o a tre a tre si hanno rispettivamente leghe ternarie o leghe quaternarie. Ogni elemento possiede il suo particolare effetto, per esempio:

Silicio: migliora la colabilità e riduce il coefficiente di dilatazione; nelle leghe ipereutettiche (Si>12%) conferisce alla lega un certo potere autolubrificante.

Magnesio: aumenta la resistenza alla corrosione in ambiente alcalino e in mare; aumenta il grado di incrudimento e di conseguenza le caratteristiche meccaniche conferibili al materiale per deformazione a freddo.

Manganese: aumenta la resistenza meccanica e alla corrosione anche se in maniera più contenuta del magnesio; è elemento fondamentale per ridurre la formazione di precipitati ferrosi aghiformi (noti come "punte di spillo").

Rame: accresce la resistenza meccanica, soprattutto a caldo, la resilienza e la resistenza a fatica; rende non saldabile la lega.

Zinco: soprattutto se associato al magnesio, conferisce un'elevata resistenza meccanica, migliora la temprabilità delle leghe (con Zn>4% e Cu<1% si ottengono leghe autotempranti), ma riduce la resilienza e l'elasticità del materiale.

Nichel: accresce la resistenza meccanica a caldo.

E' interessante poi nelle lavorazioni industriali e nella successiva utilizzazione, il fatto che alcune leghe di alluminio, sia da fonderia che da lavorazioni plastiche, sono temperabili, di solito con riscaldamento a circa 500° e raffreddamento successivo rapido, cui segue un periodo di "invecchiamento", che può essere a caldo (60-150°) o a freddo, e che dura di solito alcuni giorni. 
Sia durante la tempera che durante il successivo invecchiamento si hanno delle modificazioni nell'assetto microcristallino del materiale, che hanno per conseguenza un notevole miglioramento delle sue qualità meccaniche, portando il carico di rottura da circa 20 kg/mmq (duralluminio) a 40-45 kg/mmq, portandole cioè già nel campo di resistenza degli acciai (che va da 37 kg/mmq in su).


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