Alluminio puro e lega di alluminio non sono la stessa cosa
Una lega di alluminio è un materiale metallico in cui l’alluminio è l’elemento prevalente e uno o più altri elementi sono aggiunti di proposito. La distinzione con l’alluminio puro non è formale: il metallo puro è tenero e ha un carico di rottura basso, e si usa dove contano conducibilità elettrica e comportamento chimico, non la portata. Gli elementi di lega servono a farne un materiale da struttura.
La lavorazione conta quanto la composizione. Le leghe si dividono in due grandi gruppi secondo il modo in cui il pezzo prende forma: quelle da fonderia, colate in stampo, e quelle da deformazione plastica, cioè laminate, estruse, trafilate o forgiate. Un tubo di telaio e un raccordo fuso non appartengono allo stesso ramo, anche quando l’elemento prevalente è lo stesso.
Le quattro cifre che classificano una lega di alluminio
Le leghe da deformazione plastica sono numerate con quattro cifre, e la prima dice quale elemento comanda:
- serie 1000: alluminio non legato, con titolo minimo del 99%;
- serie 2000: rame;
- serie 3000: manganese;
- serie 4000: silicio;
- serie 5000: magnesio;
- serie 6000: magnesio e silicio insieme;
- serie 7000: zinco;
- serie 8000: elementi non coperti dalle altre serie.
La seconda cifra segnala le varianti rispetto alla lega di partenza, che porta uno zero; le ultime due indicano il grado di purezza nella serie 1000 e identificano la lega nelle altre. In Europa il numero è preceduto dalla sigla EN AW, dove AW sta per prodotto ottenuto per deformazione. Il sistema di designazione numerica è quello della UNI EN 573-1, edizione 2005. Al numero si affianca poi sempre un’indicazione di stato, che dice cosa il materiale ha subito dopo la formatura fra ricottura, incrudimento a freddo e trattamenti termici: due pezzi della stessa serie in stati diversi hanno resistenze molto lontane, e la sigla senza lo stato è mezza informazione.
L’ossido che si forma da solo sull’alluminio
L’alluminio è un metallo chimicamente reattivo, e il fatto che nella pratica non si sfaldi dipende da un ossido che compare appena la superficie tocca l’aria. Sull’alluminio puro lo strato spontaneo è amorfo e spesso 2 o 3 nanometri, dell’ordine di una decina di piani atomici; sulle leghe è più spesso, fra 5 e 15 nanometri, e meno uniforme, perché gli elementi aggiunti creano zone di composizione diversa da cui l’attacco parte più facilmente.
Questo film ha una proprietà che decide tutto il resto: è stabile solo dentro una finestra di acidità. Fuori da quella finestra si scioglie, e sotto non resta nulla a fermare la reazione, perché l’alluminio è anfotero, cioè reagisce sia con gli acidi sia con le basi. Le indicazioni tecniche collocano il limite pratico intorno a pH 4,5 sul versante acido e intorno a pH 8,5 su quello alcalino.
Anodizzazione: l’ossido dell’alluminio fatto crescere
Invece di accontentarsi dei pochi nanometri spontanei, l’ossido si può far crescere per via elettrochimica. Il pezzo viene immerso in un bagno acido e collegato al polo positivo di un generatore in corrente continua: all’anodo, cioè sul pezzo stesso, si sviluppa ossigeno che si combina con il metallo, mentre l’idrogeno si libera al catodo. Il bagno intanto scioglie in parte lo strato che si sta formando, e da quell’equilibrio nasce una struttura porosa, con canali di 10-150 nanometri di diametro attraverso cui corrente ed elettrolita continuano a raggiungere il metallo sottostante.
Il particolare che separa l’anodizzazione da una verniciatura è che lo strato non viene appoggiato sopra: cresce per metà verso l’interno e per metà verso l’esterno, consumando metallo per farsi. Il pezzo si ingrossa su ogni faccia di mezzo spessore, il che sulle quote strette va messo in conto. Gli spessori correnti stanno all’incirca fra 2 e 25 micrometri, e sopra quella soglia si parla di anodizzazione dura, che arriva ben più in alto. I pori vanno infine chiusi, e il metodo più semplice è una lunga immersione in acqua deionizzata bollente, fra 96 e 100 °C, che li fa serrare per idratazione.
Perché una lega di alluminio pesa un terzo dell’acciaio
L’alluminio ha densità di 2,70 grammi per centimetro cubo a 20 °C, contro i 7,7 circa di un acciaio inossidabile: poco più di un terzo. Su un attrezzo che una persona deve sollevare e portare a mano è la ragione stessa per cui il materiale esiste.
Il conto ha però un secondo termine che spesso si dimentica. Anche il modulo elastico è circa un terzo di quello dell’acciaio, 70 GPa contro 200, quindi a parità di forma un pezzo di alluminio si flette il triplo. Per avere la stessa rigidezza bisogna aumentare la sezione o allontanare il materiale dall’asse di flessione, ed è per questo che i telai leggeri usano tubi di diametro maggiore a parete sottile invece di barre piene. Il risparmio di peso resta, ma è minore di quanto il solo rapporto fra le densità farebbe sperare. Sulla resistenza il divario si colma: una scheda tecnica di lega della serie 7000 dichiara 460 MPa di carico di rottura e 390 MPa di snervamento, misurati con la prova di trazione normalizzata, valori confrontabili con quelli di molti acciai da costruzione.
Autoclave e disinfettanti: dove l’alluminio cede
Un ciclo di sterilizzazione a vapore si ferma a 121 o 134 °C, mentre l’alluminio fonde a 660 °C: il calore non è il problema. Il problema è chimico e sta nella finestra di pH dell’ossido. I detergenti fortemente alcalini impiegati nel ricondizionamento degli strumenti lavorano ben oltre pH 8,5, e su alluminio e su alluminio anodizzato aggrediscono proprio lo strato che regge tutto; per questi materiali si usano detergenti neutri o dichiarati compatibili, e si tengono lontani i prodotti a base di cloro, ammoniaca o soda caustica.
Lo stesso vale per l’acqua e per i metalli vicini. Un ristagno fra due superfici accoppiate, o l’acqua di rete con il suo contenuto di cloruri, lascia macchie e vaiolature dove il film non riesce a richiudersi; e due metalli diversi a contatto in presenza di umidità formano una coppia galvanica in cui l’alluminio è quasi sempre il termine che si consuma. Nei contenitori riutilizzabili per la sterilizzazione a vapore, oggetto della norma EN 868-8, la lega anodizzata è il materiale corrente di corpo e coperchio: l’obbligo di lavarli soltanto con prodotti compatibili non è una cautela di stile, è la condizione perché lo strato anodico duri quanto il contenitore.
