CAPITOLO IL MAGNESIO E LE SUE LEGHE

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1 CAPITOLO 8 IL MAGNESIO E LE SUE LEGHE Sinossi N onostante la sua grande diffusione sulla Terra, la produzione commerciale del metallo è iniziata solamente tra la fine del 1800 e l'inizio del L'interesse nel magnesio è legato soprattutto alla sua grande leggerezza. D'altra parte le difficoltà di lavorazione e la limitata resistenza a corrosione ed ossidazione rendono il magnesio e le sue leghe solo in parte competitivo ed alternativo ad altre leghe leggere quali quelle di alluminio. Nel seguente capitolo vengono riportate le caratteristiche del magnesio e delle sue leghe, presentandone le potenzialità e i limiti applicativi. 8.2 Proprietà generali I l magnesio puro ha densità di 1,74 g/cm 3, temperatura di fusione di 650 C, poco inferiore a quella dell'alluminio e solidifica con struttura cristallina esagonale compatta (Fig.8.1). Il magnesio è piuttosto reattivo con molti elementi e possiede potenziale elettrochimico molto basso (E 0 = -2,37 V); questo favorisce la sua corrosione, soprattutto a contatto con altri materiali. Il magnesio è fortemente reattivo con l'ossigeno dell'aria; ciò pone alcuni problemi in diverse tecniche di lavorazione a causa della facilità di combustione o di polveri o gocce di materiale fuso. La relativa facilità di ossidazione e combustione di Mg viene peraltro utilmente impiegata in combustibili solidi e in sistemi di detonazione. Figura 8.1: Struttura cristallina esagonale compatta del magnesio. Anche la facilità di corrosione, caratteristica negativa nelle applicazioni strutturali, viene sfruttata utilizzando il magnesio per la produzione di elettrodi sacrificali a protezione di componenti e strutture sottoposte ad ambienti corrosivi, in particolare ad ambiente marino. Il magnesio ha un basso modulo elastico (45 GPa) che però in termini specifici, rapportato alla densità, è simile a quello di altri metalli di interesse strutturale come alluminio, titanio o acciai. Allo stato puro possiede scarsa resistenza a fatica, a creep, all'usura. Tutte queste caratteristiche possono essere migliorate con l'aggiunta di elementi di lega. In generale, tuttavia, 1

2 le leghe di magnesio presentano caratteristiche di resistenza specifica paragonabile o inferiore rispetto alle più prestanti leghe di alluminio; alcune leghe Mg, peraltro, conservano le caratteristiche meccaniche anche a temperature superiori grazie ad una maggiore resistenza a sovrainvecchiamento o ai diversi meccanismi di rafforzamento impiegati. La Fig.8.2 riporta un confronto tra la resistenza specifica di diverse leghe in funzione della temperatura. Il magnesio viene raramente impiegato in applicazioni di interesse ingegneristico allo stato puro. Peraltro un grande numero di elementi presenta dimensioni atomiche simili e/o affinità col Mg. Figura 8.2: Confronto tra la resistenza specifica (a) e modulo elastico specifico (b) di diverse leghe non ferrose. Metalli come Al, Zn, Si, Th, Zr, Y, Ce sono esempi di elementi molto diversi che vengono comunemente impiegati come elementi di lega in magnesio. Tra i materiali impiegati per applicazioni strutturali, le leghe di magnesio hanno la densità più bassa, circa 1,7-1,8 g/cm 3. La struttura cristallina esagonale ha limitato l'impiego delle leghe da deformazione plastica, a causa della bassa deformabilità a freddo e della bassa risposta ad incrudimento; fanno eccezione alcune leghe Mg-Li che presentano struttura cubica corpo centrato. Nei materiali da colata possono essere ottenute ottime proprietà meccaniche a condizione che sia garantita una struttura a grani fini. Le prestazioni meccaniche ottenute sono simili a quelle di fusioni in lega d'alluminio. Ulteriori caratteristiche che favoriscono l'impiego di tecniche di colata sono la buona fluidità della maggior parte delle leghe, l'elevata conducibilità termica e il basso calore latente di fusione (Tab.8.1); queste proprietà consentono cicli di lavoro più rapidi con riduzione dei costi operativi rispetto ad altri materiali. Tabella 8.1: Proprietà fisiche del magnesio puro. La leghe di Mg sono facilmente lavorabili all'utensile, consentono una grande velocità di asportazione con basso consumo energetico, danno superfici con buona qualità superficiale con bassa usura degli utensili. A causa della facilità di combustione, lavorazioni all'utensile richiedono cura per evitare surriscaldamenti e accumulo di polvere o materiale di asportazione finemente suddiviso che potrebbero innescare esplosioni. Le lavorazioni vengono effettuate solitamente a secco o con l'impiego di fluidi di lavoro a base oleosa. Grazie alla scarsa resistenza agli acidi, leghe di Mg possono essere lavorate per attacco chimico con soluzioni acide diluite. Due sono i principali sviluppi che hanno avuto forte impatto sull'impiego delle fusioni in lega di Mg. Il primo è la purificazione del metallo, soprattutto per quanto riguarda metalli pesanti come ferro, nichel, rame. Questo ha consentito di migliorare in modo molto marcato la resistenza a corrosione delle leghe, portandola a valori simili a quelli delle leghe di alluminio. Il secondo è l'impiego di opportune atmosfere inerti durante il processo di colata. Il magnesio allo stato liquido presenta una forte tendenza all'ossidazione a contatto con l'aria. L'originale utilizzo di sali fusi come NaCl, MgCl e CaCl 2 a protezione del metallo poteva portare a contaminazioni della lega fusa e riduzione delle prestazioni. L'impiego di atmosfere inerti a base di miscele di gas contenenti esafluoruro di zolfo (SF 6 ) ha consentito di superare tali problemi. 8.3 Classificazione delle leghe di magnesio A nche le leghe di magnesio sono suddivise in leghe da fonderia e leghe da deformazione plastica; le prime sono più comunemente impiegate. Alcune di queste leghe, rispondono a trattamenti di invecchiamento con formazione di precipitati coerenti o parzialmente coerenti; l'efficienza di tali trattamenti nell'aumento delle caratteristiche di resistenza, tuttavia, e in generale inferiore rispetto alle leghe di alluminio. Non esiste una codifica internazionale per la classificazione delle leghe di magnesio, ma quella definita dall'astm (American Society for Testing Materials) è certamente quella più diffusa. Le leghe sono designate da due lettere iniziali, indicative dei principali elementi di lega: A - alluminio C - rame E - terre rare H - torio K - zirconio L - litio M - manganese Q - argento S - silicio T - stagno W - ittrio Z - zinco Le lettere sono seguite dal contenuto approssimato (in percentuale) dei rispettivi elementi di lega indicati. Una eventuale lettera successiva indica leggere variazioni rispetto alla formulazione principale. La classificazione dei trattamenti termici è simile a quella delle leghe di alluminio; in particolare per le leghe da colata i più comuni trattamenti utilizzati sono: F - grezzo di fabbricazione (da colata) 2

3 T4 - riscaldamento di solubilizzazione seguito da invecchiamento naturale T5 - raffreddamento dopo colata seguito da invecchiamento artificiale T6- riscaldamento di solubilizzazione seguito da invecchiamento artificiale. Per le leghe da deformazione plastica (a caldo o a freddo) i trattamenti più comunemente impiegati sono: F - grezzo di fabbricazione (da deformazione plastica) T5 - invecchiamento artificiale T6 - riscaldamento di solubilizzazione seguito da invecchiamento artificiale. O - trattamento di riscaldamento fino a ricristallizzazione di prodotti soggetti a deformazione plastica per il massimo recupero di duttilità. H2 - incrudimento seguito da parziale recupero; una seconda cifra successiva indica il livello di incrudimento su una scala da 0 a 8 (H20, non incrudito; H28 completamente incrudito) T8 - riscaldamento di solubilizzazione seguita da deformazione a freddo e da invecchiamento artificiale. Sebbene la maggior parte degli alliganti presenti buona solubilità, ci sono alcune eccezioni. Il manganese viene aggiunto in piccole quantità per purificare il fuso da impurezze, soprattutto Fe, deleterie per la resistenza a corrosione della lega; zirconio e carbonio agiscono come efficienti affinatori e consentono di ottenere fusioni di alta resistenza con grani estremamente fini; piccole quantità di berillio si segregano sulla superficie del fuso, riducendone la velocità di ossidazione. Un'ulteriore caratteristica importante di un alligante è la sua solubilità in fase solida. Una solubilità sufficientemente alta è necessaria per avere rafforzamento della lega per soluzione solida e per formazione di precipitati (coerenti o meno). La selezione degli elementi di lega, quindi, risponde sia a necessità di processo che a requisiti di prestazioni del prodotto finito. 8.4 Leghe da fonderia U n requisito fondamentale di un alligante per il suo impiego nei processi convenzionali di metallurgia del fuso è che presenti solubilità sufficientemente elevata nel magnesio. La Tab.8.2 mostra la solubilità di una serie di elementi; i primi dieci riportati costituiscono alliganti comunemente impiegati in leghe di Mg. Tabella 8.3: Composizione nominale, proprietà tipiche a trazione e caratteristiche di alcune leghe di Mg da colata. Tabella 8.2: Dati di solubilità per la lega binaria di magnesio. Va tuttavia considerato che la solubilità può variare in presenza di altri alliganti e informazioni relative a sistemi ternari o di ordine superiore non sono spesso disponibili. La Tab.8.3 riporta la composizione e le caratteristiche di alcune leghe di Mg da colata. Un opportuno controllo delle interazioni tra metodo di processo e composizione della lega consente di produrre componenti anche complessi a costi competitivi. a) Purificazione del fuso - Come già citato, il controllo del tenore di elementi pesanti come ferro, nichel e rame è la chiave per il miglioramento della resistenza a corrosione del materiale. La Fig.8.3 mostra l'effetto di piccole quantità di Fe sulla velocità di corrosione di magnesio. Versioni ad alta purezza delle comuni leghe da fonderia presentano resistenza a corrosione paragonabile a quella di leghe di alluminio. Oltre al manganese, altri elementi che riducono la solubilità del ferro sono zirconio, combinazioni di Si e Zr, terre rare, elementi cioè che vengono aggiunti anche per aumentare le caratteristiche meccaniche. b) Reattività del fuso - Sebbene gas protettivi, costituiti da miscele di SF 6, CO 2, argon e aria, o flussanti a base di sali fusi vengano usati per prevenire l'ossidazione 3

4 del metallo fuso, la tendenza all'ossidazione della lega può variare in funzione della composizione. La presenza di Al come alligante riduce la velocità di ossidazione, mentre altri alliganti, come terre rare, litio, calcio, stronzio aumentano la tendenza a ossidazione e richiedono l'uso di atmosfere protettive. c) Colabilità - Il termine colabilità fa riferimento in generale alla facilità di ottenere fusioni di buona qualità in stampi anche complessi; questo è il risultato di una serie di fattori, come ad esempio la fluidità, il ritiro volumetrico, la presenza di segregazioni, la formazione di cricche da ritiro, ecc., che possono dipendere anche dalla composizione della lega. Nelle leghe in Mg da fonderia, la colabilità è influenzata dagli alliganti attraverso il loro effetto sulla temperatura/range di solidificazione, sulla velocità di rilascio del calore latente, sulla struttura dei grani, sulla formazione di fasi disperse e così via. Le leghe di magnesio, specie quelle che coinvolgono la presenza di eutettico, tendono a formare facilmente composti intermetallici, tendenzialmente fragili. La presenza di eutettico, quindi, favorevole per una buona colabilità (basso punto di fusione) ha come contropartita una maggiore fragilità del materiale. Ciò nonostante, l'evoluzione tecnologica ha consentito lo sviluppo di leghe con accettabile lavorabilità ed ottime proprietà meccaniche. pressione ( bar) e velocità con tempi di riempimento dell'ordine di frazioni di secondo. L'elevata velocità di raffreddamento ( C/s) consente di ottenere una struttura a grani molto fini. In modo simile, nella pressofusione a camera calda (Fig.8.4b), il metallo viene iniettato in stampo, provenendo da un sistema di iniezione parzialmente immerso nel fuso e automaticamente rifornito. Altre tecniche di produzione comuni sono la colata in sabbia con riempimento a gravità o assistita da pressione. In tal caso possono essere richiesti inibitori di ossidazione e di reazione con il materiale dello stampo. Figura 8.4: Diagramma schematico della pressofusione: (a) camera fredda (b) camera calda. Figura 8.3: Effetto del ferro sulla velocità di corrosione del magnesio. La tecnica di colata più comunemente impiegata con leghe di Mg è la pressofusione in stampo permanente, sia a camera calda, per pezzi di grosse dimensioni, che a camera fredda, per pezzi di piccole dimensioni. Queste tecniche, che saranno descritte più in dettaglio successivamente (Cap. 10), sono rappresentate in Fig.8.4. Nella pressofusione a camera fredda (Fig.8.4a) il fuso viene iniettato in stampo freddo ad alta E' possibile suddividere le leghe di Mg, ed in particolare le leghe da fonderia, in tre gruppi principali: le leghe Mg-Al, le leghe contenenti zirconio come affinatore di grano, le leghe speciali. Leghe Mg-Al - La Fig.8.5 mostra una porzione del diagramma di fase Mg-Al nella parte ricca di Mg. La figura indica il campo di composizione in Al utilizzato nelle leghe commerciali. L'alluminio è completamente solubile nel fuso e una reazione eutettica è presente a 437 C: il raffreddamento determina la formazione di solido eutettico α (Mg)+ β (Mg 17 Al 12 ). La massima solubilità di Al in Mg (α) è del 12,7%; il contenuto di Al è del 33% nell'eutettico e 41% in Mg 17 Al 12 (β). Applicando la regola della leva ne risulta che la frazione di β nell'eutettico è di circa il 72%. Come già accennato, questa fase è piuttosto fragile e leghe con 4

5 alto contenuto di eutettico hanno scarso interesse pratico. Questo limita il contenuto di alluminio utile a circa il 10%. La Fig.8.6 mostra la microstruttura e il comportamento durante solidificazione di una lega AZ91. A causa della velocità di raffreddamento relativamente elevata e della conseguente solidificazione di non equilibrio, si ha evidente microsegregazione e la formazione di eutettico prima della completa solidificazione. Il diagramma di fase mostra la possibilità di ottenere indurimento per invecchiamento e leghe con contenuti di Al superiori al 7% vengono sottoposte a trattamenti termici T4 (invecchiamento naturale) e T6 (invecchiamento artificiale). La densità dei precipitati (Mg 17 Al 12 ) che si formano, peraltro, è ridotta rispetto a quella ottenuta in leghe di alluminio; inoltre, gran parte della precipitazione avviene in modo discontinuo ai bordi di grano: ne risulta un minore effetto di indurimento. A causa della presenza di eutettico, leghe con elevati tenori di Al presentano limitata tenacità. La Fig.8.7 mostra come all'aumentare del contenuto di alluminio (e di eutettico) corrisponda un incremento della resistenza, ma una riduzione della tenacità e deformabilità. Leghe Mg-Al spesso contengono anche altri elementi di lega come Mn per ridurre le impurezze, Zn per incrementare la resistenza, Si per migliorare la colabilità e il comportamento a creep. Leghe contenenti terre rare (cerio, lantanio, neodimio) consentono la formazione di dispersioni fini e, allo stesso tempo, la riduzione del contenuto di eutettico con miglioramento delle caratteristiche di resistenza ad alta temperatura. Figura 8.5: Diagramma di fase Mg-Al nella parte ricca di Mg. Figura 8.7: Proprietà meccaniche per la pressofusione di una lega Mg-Al(Zn) in funzione del contenuto di alluminio. Figura 8.6: Lega AZ91. (a) microstruttura (b) comportamento tipico durante la solidificazione. Leghe affinate con zirconio - Lo zirconio è estremamente efficiente come affinatore di grano per la formazione di nuclei di solidificazione ricchi di Zr; permette la formazione di grani equiassici le cui dimensioni sono controllate dalla velocità di raffreddamento. La Fig.8.8 mostra la struttura a grani di una lega ZE41 affinata con Zr. Sulla base di questo effetto e, soprattutto sulla spinta delle richieste dell'industria aerospaziale, sono state sviluppate leghe di alte prestazioni a struttura controllata, colabili in sabbia. La Fig.8.9 mostra la dipendenza della resistenza a snervamento dalla temperatura di alcune leghe affinate con Zr. Ulteriori alliganti, compatibili con Zr, sono zinco, terre rare, argento, ittrio. Al contrario alluminio e manganese riducono fortemente la solubilità di Zr nel fuso impedendone l'uso nelle leghe Mg-Al. Mentre leghe binarie Mg-Zn, presentano inferiori caratteristiche meccaniche e colabilità rispetto 5

6 a Mg-Al, l'aggiunta di Zr e terre rare consente di migliorare in modo consistente questi aspetti e di ottenere leghe di alta resistenza e buona lavorabilità, anche a seguito di trattamento di invecchiamento. dissipazione. Le leghe maggiormente usate per applicazioni che richiedono smorzamento sono le leghe binarie Mg con 0,4-0,6% Zr. Queste leghe hanno buona resistenza specifica e vengono impiegate in applicazioni aerospaziali. Altre leghe con capacità smorzanti contengono Mn e Si come elementi di lega. Figura 8.8: Struttura a grano fine di una lega ZE41 affinata con Zr. Figura 8.9: Dipendenza della resistenza a snervamento dalla temperatura di leghe affinate con Zr. Sono state sviluppate leghe invecchiabili con buona resistenza fino a temperature superiori a 250 C affinate con Zr e contenenti, terre rare, argento e ittrio (leghe EQ21, QE22, WE43). Leghe speciali - Leghe ultraleggere con densità inferiore a 1,5 g/cm 3 sono state prodotte con l'aggiunta di litio. La Fig.8.10 mostra la densità delle leghe di Mg in funzione del contenuto di alliganti. Leghe Mg-Li sono impiegate prevalentemente come materiali da deformazione plastica. I materiali da colata presentano struttura bifasica con una fase costituita da soluzione solida ricca in Mg (α), con struttura esagonale, e una fase costituita da soluzione solida ricca in Li (β), con struttura cubico corpo centrato; inoltre sono presenti fasi disperse a base Al-Li e AL-Mg-Li. La presenza della fase CCC rende conto di una elevata duttilità delle leghe che possono raggiungere deformazione ultima superiore al 30-40% e resistenza di MPa. Le leghe di magnesio mostrano in generale elevata capacità di dissipazione di vibrazioni. Questa caratteristica viene sfruttata ad esempio nella produzione di corpi pompa e componenti motoristici (si ricorda il blocco motore del VW Maggiolino in lega di Mg). Le migliori caratteristiche di smorzamento sono presentate da leghe a basso tenore di alliganti in soluzione solida; l'aggiunta di alliganti per il rafforzamento riduce rapidamente la capacità di Figura 8.10: Influenza di alcuni elementi sul peso specifico (a), sulla conducibilità termica (b), ed elettrica (c) del magnesio. Tecniche di solidificazione rapida con ratei di raffreddamento molto alti ( C/s) determinano la formazione di microstrutture omogenee a grano ultrafine (0,5-5μm), consentono di estendere i limiti di solubilità e portano all'introduzione di nuove fasi. A seguito della composizione più omogenea si possono ottenere materiali con resistenza a corrosione migliorata e resistenza meccanica superiore a quella delle leghe convenzionali, fino anche a 500 MPa. Leghe per alte temperature - Leghe con buone caratteristiche di resistenza a temperature fino a oltre 25o C sono ottenute a seguito di aggiunta di terre rare (Ce, Nd, La e altri). Questi elementi determinano indurimento per soluzione solida e consentono di mantenere buone caratteristiche di resistenza a creep ad alta temperatura grazie alla formazione di precipitati intermetallici termicamente stabili ai bordi di grano. Particolari caratteristiche di resistenza a snervamento e a creep anche a temperature superiori a 350 C, e fino a 450 C per brevi periodi, sono ottenute con leghe magnesio-torio. La presenza anche di Zn e Zr impartisce buona colabilità e affinamento dei grani. Il rafforzamento delle leghe Mg-Th risulta da indurimento per soluzione solida (la massima solubilità di Th è di 4,5% a 582 C) e da precipitazione. la precipitazione avviene prevalentemente ai bordi di grano dove inibisce lo scorrimento, particolarmente a temperature elevate. Anche l'aggiunta di argento insieme a terre rare, in alcune leghe particolari, consente di ottenere ottima resistenza a temperature elevate, superiori a 300 C. 8.5 Leghe da deformazione plastica Le leghe di magnesio sono in generale poco deformabili a bassa temperatura a causa della struttura cristallina esagonale compatta, che possiede pochi sistemi di scorrimento, prevalentemente paralleli. Solo a temperature superiori ai 225 C vengono attivati sistemi di scorrimento non paralleli, che consentono di incrementare significativamente la deformabilità. Le 6

7 operazioni di deformazione plastica (estrusione, laminazione, forgiatura) sono quindi condotte a temperature elevate, tipicamente a temperature superiori a 300 C. Alcune operazioni finali di formatura possono essere condotte a freddo, ma a condizione di mantenere limitata deformazione. Le operazioni di deformazione plastica inducono una certa anisotropia, che, a seguito della struttura cristallina esagonale comportano variazioni nel modulo elastico, nel coefficiente di dilatazione e nella conducibilità elettrica. La differenza tra modulo elastico minimo e massimo del cristallo nelle diverse orientazioni è del 17%, con un valore medio di 45 GPa. L'orientamento e la formazione di geminati a seguito di deformazione plastica comporta che la resistenza a compressione risulti inferiore anche del 30-50% rispetto alla resistenza a trazione nel senso dell'orientamento preferenziale. Di questo va tenuto conto nella valutazione delle condizioni critiche per buckling di strutture leggere. Tale differenza si riduce in leghe a grano fine a seguito della maggiore importanza della stabilità dei bordi di grano sulla resistenza del materiale. Anche le leghe da deformazione plastica possono essere distinte le leghe contenenti zirconio da quelle esenti. La Tab.8.4 riporta la composizione e le caratteristiche di alcune leghe di magnesio da deformazione plastica. Tabella 8.4: Composizione nominale, proprietà a trazione e caratteristiche di alcune leghe di Mg da deformazione plastica. Molte ricadono nelle stesse categorie indicate per i materiali da fonderia. Tra quelle esenti da Zr si segnalano la lega AZ31, tra le maggiormente utilizzate grazie alla buona combinazione di resistenza, duttilità, resistenza a corrosione e le leghe AZ81, ZK61 e ZCM711, che presentano resistenze specifiche confrontabili con quelle delle più prestanti leghe di alluminio. Leghe con Th come alligante principale (in genere con aggiunta di Zr) sono saldabili e vengono impiegate per applicazioni ad alta temperatura (fino ad oltre 350 C). Una categoria a parte è rappresentata dalle leghe Mg- Li: la presenza di fase con struttura CCC, soprattutto ad alti contenuti di Li (anche superiori a 11%) consente elevata deformazione plastica anche a freddo. Trattamenti di indurimento per precipitazione consentono di ottenere materiali estremamente leggeri (con densità inferiori a 1,35 g/cm 3 ) con elevata resistenza e rigidezza specifica. La limitata stabilità a sovrainvecchiamento a temperatura relativamente bassa (50-70 C) può essere migliorata con l'aggiunta di altri alliganti, ad esempio alluminio. Leghe Mg-Li hanno trovato alcune specifiche applicazioni in strutture spaziali e protezioni balistiche. 8.6 Corrosione e protezione delle leghe di magnesio I l magnesio possiede un potenziale elettrochimico di - 2,37 V, che aumenta per effetto della formazione di un film superficiale di Mg(OH) 2 ; il potenziale di corrosione in acqua di mare fluente è circa -1,67 V. Lo strato superficiale di ossido protettivo ne riduce la velocità di corrosione, analogamente a quanto avviene con molti altri metalli come ad esempio alluminio o titanio. In ambiente rurale la velocità di corrosione risulta compresa tra quella dell'alluminio e quella degli acciai al carbonio. I problemi di corrosione sono essenzialmente determinati dalla presenza di impurità, come Fe, Ni, Cu, che formano microcelle galvaniche e rompono la stabilità del film, soprattutto in ambienti neutri o acidi con ph inferiore a 10,5 o in presenta di soluzioni saline. Diversamente, in ambiente alcalino il magnesio presenta ottima resistenza a corrosione. Mentre Ni e Cu sono presenti in quantità molto basse nel magnesio primario e generalmente non costituiscono un problema, il ferro può essere acquisito dai crogiuoli e dai componenti di lavorazione durante i processi di fusione. L'aggiunta di Mn o la presenza di Zr riducono fortemente l'effetto negativo del ferro. E' pratica comune proteggere superficialmente i componenti in magnesio; questo è essenziale quando i componenti vengono a contatto con altri metalli a causa della possibilità di corrosione galvanica. I metodi di protezione sono: - Anodizzazione con fluoruri. E' un trattamento elettrochimico che rimuove impurità superficiali determina la formazione di un film di fluoruro di Mg. - Trattamento chimico. L'immersione in soluzione di cromati determina la pulizia della superficie e la formazione di un film passivante di Mg(OH) 2 e cromati. Viene normalmente effettuato come base per successivi rivestimenti organici. - Anodizzazione elettrolitica. Viene depositato un film superficiale di materiale molto duro, poroso; questo viene successivamente sigillato per immersione in soluzioni saline o impregnato con resine epossidiche. In questo caso si ottiene alta resistenza a corrosione e abrasione, oltre che sigillatura di eventuali microporosità derivanti dal processo di colata. - Deposizioni CVD e PVD. Vengono realizzati rivestimenti di durezza molto elevata (TiCN, TiN, ZrCN), resistenti a corrosione e usura. Rivestimenti Diamond-Like Carbon riducono anche il coefficiente di attrito.la sigillatura con resina su superfici trattate o meno, viene effettuata dopo essiccazione, per immersione in bagno di resina e successiva 7

8 polimerizzazione in forno. Il film depositato ha spessori di poche decine di μm. Le superfici preparate con una delle tecniche indicate possono essere verniciate dopo deposizione di primer inibitore di corrosione. - Elettrodeposizione. Dopo diversi trattamenti di preparazione superficiale vengono depositati metalli come cromo, nickel o altri metalli. L'applicazione in campo aerospaziale richiede generalmente massima protezione da corrosione con l'impiego successivo di più tecniche di protezione. 8.7 Applicazioni in campo aerospaziale C ome per le leghe di alluminio, l'interesse per le leghe di magnesio per applicazioni strutturali è nato a seguito delle esigenze dell'industria aeronautica. L'impiego di leghe di Mg, generalmente limitato, ha visto storicamente due picchi in corrispondenza dei conflitti mondiali, in risposta alla richiesta di materiali leggeri. Attualmente le applicazioni delle leghe di magnesio riguardano prevalentemente l'industria automobilistica (componenti motore, ruote, componenti funzionali), gli articoli sportivi e di largo consumo (cicli e motocicli, cellulari, macchine da ufficio). Le doti di leggerezza, saldabilità e resistenza ad alta temperatura, soprattutto delle leghe con torio, sono state sfruttate in applicazioni missilistiche e spaziali soprattutto negli anni '50-'60. Leghe per alte temperature sono state impiegate per almeno 20 missili e veicoli spaziali. Si cita ad esempio il razzo Titan (in cui sono stati impiegati oltre 900 kg di lega Mg-Th) e il razzo Agena (in cui sono state impiegate leghe HM21A e HM31A (leghe Mg-Th-Mn). Nel passato il magnesio è stato impiegato in quantità variabili dalle centinaia alle migliaia di kg/velivolo dalle maggiori aziende aeronautiche per componenti motoristici e strutturali (Lockeed, Boeing, Westland). Tuttavia, dopo gli anni '60-'70 le applicazioni aerospaziali del magnesio hanno visto una sensibile riduzione. Attualmente le maggiori aziende aeronautiche non impiegano il metallo per componenti strutturali primari. Le applicazioni in ambiente aeronautico, soprattutto elicotteristico, e spaziale più significative riguardano alcuni componenti motoristici, in particolare alloggiamenti motore, scatole di trasmissione (gear box), componenti di satelliti, bracci di sostegno, ecc. Peraltro sono attivi diversi programmi di ricerca e sviluppo di nuove leghe e tecnologie, tesi al miglioramento delle caratteristiche meccaniche e di resistenza alla corrosione, che suggeriscono un nuovo incremento nell'impiego di questo materiale nel prossimo futuro. La Fig.8.11 mostra alcuni esempi di componenti in magnesio attualmente prodotti. Figura 8.11: Esempi di componenti in magnesio realizzati. Bibliografia Askeland, D.: "The Science and Engineering of Materials", 3 rd SI ed. Chapman and Hall, London, 1996 ASM Metals Handbook, 2 nd ed., vol. 2, 1998 Kittilsen B.: "Magnesium alloys, wrought", in Encyclopedia of Advanced Materials Polmear I.J.: "Overview: Magnesium alloys and applications" Materials science and Technology, Vol.10, No.1, pp

9 Smith, W. F.: "Scienza e Tecnologia dei Materiali", 3 a ed. McGraw-Hill, Milano, 2008 Westengen H.: "Magnesium alloys, cast", in Encyclopedia of Advanced Materials 9