Leghe di alluminio più diffuse nel ciclismo
Come la totalità dei metalli anche l'alluminio non è utilizzato allo stato puro ma legato ad altri componenti a formare leghe Infatti le sue proprietà meccaniche sono modeste e allora si introducono elementi alliganti quali rame,
magnesio, manganese, silicio, zinco che da soli o combinati tra loro migliorano le caratteristiche resistenziali:
a) il silicio: migliora la colabilità e riduce il coefficiente di dilatazione;
b) il magnesio: aumenta la resistenza alla corrosione in ambiente alcalino e in mare;
c) il manganese: aumenta la resistenza meccanica e alla corrosione;
d) il rame: accresce la resistenza meccanica, soprattutto a caldo;
e) lo zinco: soprattutto se associato al magnesio, conferisce una elevata resistenza meccanica.
Altri elementi quali cromo (resistenza a corrosione), zirconio, vanadio sono usati come correttivi (affinazione grano, bloccaggio di impurità...) ;nichel, titanio e zirconio (p. meccaniche),bismuto, piombo, cadmio e stagno,silicio per scopi particolari. Il ferro, é sempre presente come impurezza.
Nomenclatura
Queste leghe sono numerose e per indicarle si adottano diversi sistemi. Il più utilizzato in campo ciclistico è quello detto ASTM, organismo americano che si occupa delle prove sui materiali; ogni lega è caratterizzata da un codice di 4 numeri seguiti da una lettera (H o T) più un numero, ad esempio 7020-T6.
Il primo numero indica il principale componente legante della lega:
1) nessun legante
2) rame
3) manganese
4) silicio
5) magnesio
6) magnesio + silicio
7) zinco
8)Altri elementi...
Il secondo numero indica se è presente anche un secondo legante (in percentuale minore); 0 per indicare assenza di un secondo legante.
Le ultime due cifre servono ad identificare le diverse leghe a base dello stesso legante.
La lettera indica il trattamento subito o non dalla lega:
· F grezzo di fabbricazione
· O ricotto
· H incrudito (deformazione plastica a freddo)
· W solubilizzato
· T trattamento termico per ottenere stato stabile diverso da F, O, H
Il numero che segue indica la natura del trattamento termico. (Tab. 1)
LEGHE DA TRATTAMENTO TERMICO
Tempra in aria e invecchiamento naturale
T1
Tempra in aria, incrudimento e invecchiamento
T2
Tempra, incrudimento e invecchiamento naturale
T3
Tempra e invecchiamento naturale
T4
Tempra in aria e invecchiamento artificiale
T5
Tempra e invecchiamento artificiale
T6
Tempra e stabilizzazione
T7
Tempra, incrudimento e invecchiamento artificiale
T8
Tempra, invecchiamento artificiale e incrudimento
T9
Tempra in aria, incrudimento e invecchiamento artificiale
T10
La classe 2000 è utilizzata per telai più economici, mentre le altre rappresentano praticamente l'intero panorama della telaistica in alluminio attualmente sul mercato. Ovviamente il modulo elastico resta lo stesso dell' alluminio puro, dipendendo infatti solamente dal tipo di cella atomica e vale E=70 (Gpa).
Alluminio - rame (2xxx). Il rame è un elemento in lega molto importante per l’alluminio, vista la sua apprezzabile solubilità ed il suo effetto rinforzante. Il rame costituisce il principale elemento in lega, in concentrazioni variabili dall’1 al 6% in peso. Le leghe binarie Al-Cu non sono molto usate commercialmente: si aggiungono Mg, Cr, Si, Ti per realizzare,a seconda delle loro percentuali ,diversi tipi di intermetallici:
· CuAl2
· CuMgAl2
· MgSi2
· Cu2Mg8Si5Al4
Si capisce allora l' importanza del Mg come elemento fondamentale nella loro realizzazione. Mn e Zn sono da considerarsi impurezze apportate dall' alluminio stesso. In particolare il Fe deteriora le proprietà meccaniche sequestrando rame per la realizzazione di un intermetallico per cui si raccomanda %Fe < 0,5%.
Esse vengono usate spesso per applicazioni strutturali sugli aerei e in generale dove occorrono buone caratteristiche meccaniche e leggerezza.
Alluminio – magnesio (5xxx). Esempio utilizzo in campo ciclistico: leghe 5052/5086. Contengono magnesio (0,5 - 5,5 %) oltre che Si (0,2%) e Fe (0,5-0,7 %) come impurezza. Le proprietà meccaniche dipendono fortemente da incrudimento ed eventuale ricottura. Se Mg>3,4% precipita Mg5Al8 a bg con problemi di SCC e corrosione inter- granulare. Per limitare il problema, si ricorre al Cr. Queste leghe addolciscono a T ambiente dopo incrudimento per deformazione, per cui occorre stabilizzarle con TT a 120-150 °C anche se ciò determina una certa perdita di proprietà meccaniche.
Alluminio - magnesio - silicio (6xxx). Esempio utilizzo in campo ciclistico: leghe 6061/6082. Questo sistema costituisce la classe principale di leghe per i pezzi lavorati a caldo e per quelli ricavati da fusione. Esse riescono a combinare alcune caratteristiche favorevoli:resistenze meccaniche medie, autotempranti (per spessori ridotti), buona saldabilità, resistenza alla corrosione e insensibili a problemi di SCC (Stress corrosion cracking). L’indurimento avviene soprattutto per precipitazione del composto Mg2Si. Si suddividono in due categorie:
a) Leghe quasi binarie (es: 6063) con Mg/Si=1,73 e in quantità comprese tra lo 0,8 e l' 1,2%. Sono particolarmente adatte per estrusione ed impieghi decorativi, adattandosi bene a processi di elettrocolorazione (meglio allora se presentano %Si inferiori).
b) Leghe con aggiunta di Cu (migliora p meccaniche ma peggiora resistenza a corrosione) e Cr (contro corrosione) e maggiori quantità di Si per la formazione di Mg3Si. Rientrano in questa categoria la 6061 (in cui compare Al2Cu e l' effetto indurente del Si libero), la 6151 e la 6351. Per aumentare la lavorabilità si ricorre a Pb e Bi (6262).
Alluminio - zinco (7xxx). Esempio utilizzo in campo ciclistico: leghe 7003/7005/7020. Generalmente le leghe binarie Al-Zn non vengono usate, ma vengono preferite leghe Al-Zn-Mg che,trattate termicamente, hanno la più elevata resistenza a trazione di tutte le leghe di alluminio. Soffrono SCC a causa dell' instaurarsi di microcoppie galvaniche, problema che si può minimizzare per 2,7<Zn/Mg<2,9 e realizzando due invecchiamenti, a 120 (2-3 ore)ed a 170°C (6-8 ore) che però riducono le proprietà meccaniche. Facilmente saldabili se (Mg+Zn)<6%, richiedono però TT per recuperare le proprietà meccaniche. Lo zinco aumenta la resistenza e la durezza,oltre a favorire l’autotemprabilità della lega che può causare problemi di stress residui. Occorre scegliere opportunamente allora la T di solubilizzazione. Si é portati a sostituire Cr e Mn che sequestrano Mg e Cu con Zr (0,1-0,25%) che si lega solo con Al (precipitato binario). Quanto alla 7005 e 7020 c' é da sottolineare che l' invecchiamento non va fatto immediatamente dopo la solubilizzazione (a 470 °C) e la tempra e ciò permette di gestire il magazzino in modo più elastico.
Sullo scandium
Lo Scandio è un minerale pregiato, che richiede mani sapienti in grado di lavorarlo: legato all’alluminio, eleva le capacità di resistenza e fatica della lega. Test meccanici, effettuati nel 1999 dalla Combustion Engineering, hanno dimostrato che il carico di snervamento dell’alluminio con Scandio è del 20 per cento superiore rispetto a una lega 7005; addirittura del 40 per cento in più, secondo la stessa Easton, è la resistenza alla fatica. In virtù di queste qualità, è stato possibile ridurre la quantità di lega impiegata nei tubi a favore di una ovvia riduzione dei pesi.
