Alluminio e leghe: proprietà, produzione e classificazione

Alluminio e sue leghe

Luca Scioletti
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Le proprietà dell'Alluminio

• Metallo leggero, densità= 2,71g/cm3 : peso specifico ~30% di quello
  dell'acciaio e della ghisa
• Temperatura di fusione : 660℃
• Elevata resistenza alla corrosione: L'alluminio ha una profonda
  affinità con l'O2, ma nonostante questo non lo danneggia in aria
  ambiente perché forma un compatto e resistente ossido che lo riveste
  proteggendo gli strati sottostanti.
• Alta conducibilità termica, elettrica e sonora : lo rende ideale per
  dissipatori e scambiatori di calore
• Atossicità : ideale per alimenti
• Assenza di magnetismo
• Elevata plasticità, duttilità e malleabilità
• Ottima saldabilità (a gas, ad arco elettrico, per resistenza),ma difficile
  da saldare: richiede saldatore esperto dotato di ottima tecnica.

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Le proprietà dell'Alluminio puro

• L'Alluminio puro presenta bassa resistenza meccanica; può aumentare
  aggiungendo basse % di diversi elementi leganti.
• Pochi elementi in natura si prestano a costituire un numero così elevato di
  leghe come l'Alluminio.
• Quando si combina con altri elementi, le caratteristiche di questo metallo, che
  allo stato puro è tenero e duttile, cambiano radicalmente.
• Basta un solo esempio: il corindone - forma allotropica dell'allumina o l'ossido
  di Alluminio (Al2O3) - è la sostanza naturale più dura dopo il diamante. I cristalli
  trasparenti della migliore qualità sono più conosciuti come zaffiri e rubini.
  Al Allumina
  Al Zaffiro
  Al Rubino

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Estrazione e produzione dell'alluminio

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Alluminio (Al) Introduzione

Pure Aluminum

• Simbolo Chimico :Al.
• Uno dei 6 elementi più diffusi sulla
  terra.
• In natura è presente in numerosi
  minerali, sempre combinato con altri
  elementi.
• Nell'industria dei metalli leggeri
  l'alluminio è prodotto dalla Bauxite
  (minerale con il 25% di alluminio)
  fatto di :
• Idrossidi di AI AI(OH)3
• Ossidi Idrossidi di AI AIO(OH)
• Ossidi di Fe e Ti
  Bauxite

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Ciclo di vita dell'alluminio

PRODUZIONE E CICLO DI VITA DELL'ALLUMINIO
RACCOLTA
DIFFERENZIATA
ALLUMINIO
PRODUZIONE
DI ENERGIA
PRODUZIONE
ALLUMINIO
RICICLATO
VITA DEL
PRODOTTO
ESTRAZIONE
BAUXITE
PREPARAZIONE
ALLUMINA
PRODUZIONE
ALLUMINIO
PRIMARIO
PRODUZIONE
SEMILAVORATI:
LAMINATI,
ESTRUSI, GETTI
INDUSTRIA
MANIFATTURIERA
. How is made Aluminum ENG 5 min: https://www.youtube.com/watch?v=1u8gzoT-seg
. Australia Aluminum process ENG 28 min https://www.youtube.com/watch?v=JBso28su0G4

• Aluminum production plant drawing MUS 5 min https://www.youtube.com/watch?v=dJk3ae TduHU

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Produzione dell'alluminio

• La produzione dell'alluminio è il risultato dello sfruttamento
  di 2 materie prime
• Materie prime Primarie : risultanti dalla estrazione dai
  minerali presenti in natura (Bauxite)
• Materie prime Secondarie : risultanti dal processo di
  riciclaggio dei prodotti di scarto delle lavorazioni
  meccaniche (trucioli), fusione (materozze e canali di
  colata) stampaggio (ritagli) e prodotti obsoleti o giunti a
  fine ciclo vita.
• Il riciclaggio dell'alluminio, oltre a evitare l'estrazione di
  bauxite, consente di risparmiare il 95% dell'energia
  richiesta per produrlo partendo dalla materia prima: per
  produrre 1 kg di alluminio sono necessari 14kWh dalla
  bauxite e solo 0,7 kWh dall'alluminio usato

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Estrazione dell'alluminio dal minerale

Estrazione della Bauxite

• L'Alluminio è un elemento comune in natura presente sotto forma di
  ossido, solfati e silicati. Si estrae dalla Bauxite, un minerale misto di
  ossido-idrossidi di alluminio (Al(OH)3 e AlO(OH) e altri elementi. La sua
  composizione, variabile a seconda dei giacimenti, può contenere Al2O3
  40-60%, H2O 12-30%, SiO2 1-15%, Fe203 7+30%, ossidi di titanio,
  vanadio, fosforo, o fluoruri. che contiene il 25% di alluminio.
• Si trova in miniere a cielo aperto.
  Principali produttori mondiali di bauxite
  Europa
  (14 milioni
  di tonn.)
  13,33%
  Russia
  (5 milioni
  di tonn.)
  11,11%
  Cina
  (3 milioni
  di tonn.)
  6,67%
  Nord
  America
  America
  (7 milioni
  di tonn.)
  15,56%
  Australia
  (14 milioni
  di tonn.)
  31,11%
  Centrale e
  del Sud
  (10 milioni
  di tonn.)
  22,22%

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Processo di Bayer

Fasi del processo di Bayer:

1. Frantumazione e fresatura
2. Riscaldamento del minerale in un recipiente a pressione con idrossido di sodio (NaOH) a 150-200°C.
   L'alluminio è penetrato dal sodio che lo estrae.
3. Il fango rosso è separato in un processo di filtraggio,
4. Precipitazione : Liquido con NaAl(OH)4 è raffreddato aggiungendo acqua e Al(OH)3 Alluminio Idrossido
   che fungono da germi di cristallizzazione, si accrescono e poi precipitano in forma solida lasciando il
   sodio nell'acqua.
5. L'alluminio idrossido Al(OH)3 prodotto è convertito in ossido di alluminio, Al203, mediante riscaldamento
   in un forno rotatorio (rotary kilns) ad una temperatura di 1050 ℃; alla quale inizia la decomposizione
   chimica in allumina (fase di calcinazione), con rilascio di vapor d'acqua 2AI(OH)3 -> AI203 + 3 H20 ,
   Per la produzione di 1 tonnellata di allumina sono necessari circa 2-2.5 t di bauxite.
   red mud
   T = 170 ... 180 ℃
   crushing
   Bauxite
   pressure vessel
   Na[AI(OH)4]
   filtering
   milling
   cooling
   NaOH
   Bayer-process
   AI(OH)3
   as crystalli- -
   zation seed
   crystallization
   water
   Aluminium oxide
   rotary kiln
   Red mud recycling ENG 2 min
   https://www.youtube.com/watch?v=BcwSxTIh pg11

Processo Hall-Héroult

Gas esausto
+
Anodi in grafite
E = 5 V
I = 200 kA
Elettrolita:
bagno di criolite e allumina
(T = 950 ℃)
Alluminio fuso
Vasca in acciaio
Catodo
Rivestimento
refrattario

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Processo Hall-Héroult dettagli

• Nel processo Hall-Héroult si dissolve ossido di alluminio 10% (allumina
  Al2O3 ) nella criolite fusa 80% (Na3AlF6) con altri elementi a formare una
  miscela di Sali (elettrolita).
• Il processo Hall-Héroult riduce il metallo all'interno di una cella elettrolitica
  costruita per lo scopo a 940-980℃ producendo alluminio primario (Al
  99.5%).
• Questo processo produttivo consuma grandi quantità di energia elettrica,
  per questo gli impianti sono situati presso grandi centrali.
• Il costo finale dell'Alluminio risulta sommariamente così composto : 33%
  Energia elettrica; 33% Bauxite; 33% altri costi.
• Per la produzione di 1 ton di alluminio primario sono necessari circa 2 t di
  Allumina e circa 14 kkWh di energia.
  Video
• Whole Aluminum process https://www.youtube.com/watch?v=fa6KEwWY9HU
• Australia Aluminum process https://www.youtube.com/watch?v=JBso28su0G4
• Aluminum production plant drawing https://www.youtube.com/watch?v=dJk3ae TduHU
• Bayer process & red mud recycling https://www.youtube.com/watch?v=UUpdEdULxu8

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Classificazione dell'alluminio

Proprietà, classificazione e applicazioni

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Leghe di Alluminio

Alluminio Puro (99%)

• Usato nella chimica, negli alimenti, nelle costruzioni ed
  nell'industria elettrotecnica
  Leghe di Alluminio (Al>95%)
• Usato nelle industrie dell'auto, ciclismo, motociclismo e
  aereonautica.
• Contenuto di Alluminio maggiore del 95%
• Bassa temperatura di fusione compresa tra i 510 ed i
  650℃
• Basso peso specifico, compreso tra 2,66 e 2,85 gr/cm3
• Elevatissima conducibilità elettrica e termica

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Effetti dei principali elementi leganti

Silicio

• Migliora la colabilità
• riduce il coefficiente di dilatazione
  Magnesio
• Aumenta la resistenza alla corrosione in mare
• aumenta il grado di incrudimento e quindi le caratteristiche
  meccaniche conferibili per deformazione a freddo.
  Manganese
• Aumenta la resistenza meccanica e alla corrosione
  Rame
• Aumenta la resistenza meccanica, a caldo
• Aumenta resilienza e resistenza a fatica
• rende non saldabile la lega
  Zinco
• Zn+Mg conferiscono un'elevata resistenza meccanica
• migliora la temprabilità delle leghe
• riduce la resilienza e l'elasticità del materiale
  Nichel
• accresce la resistenza meccanica a caldo.

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Classificazione ASTM dell'Alluminio

• Ci sono diversi sistemi di classificazione delle leghe di alluminio. La
  classificazione più usata è la classificazione internazionale ASTM
  (Americana)
• Prevede un sistema di quattro cifre , seguito da una lettera e un numero:
  (X)
  1º
  2º
  3°
  4º
  -
  Lettera
  5°
  X all'inizio significa un nuovo materiale in prova
  1º la prima cifra indica il principale elemento di lega, secondo questo indice:
• 1XXX
  Alluminio con purezza minima 99.00%
• 2XXX
  Leghe Al-Cu
• 3XXX
  Leghe Al-Mn
• 4XXX
  Leghe Al-Si
• 5XXX
  Leghe Al-Mg
• 6XXX
  Leghe Al-Mg-Si
• 7XXX
  Leghe Al-Zn
• 8XXX
  Leghe Al con altri elementi

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Classificazione ASTM dell'Alluminio: cifre e lettere

• 2º la seconda cifra indica se è presente un secondo elemento di lega(%<
  dell'elemento principale). Se questo numero è 0 significa che non ci sono elementi
  leganti secondari.
• 3º e 4° le ultime due cifre indicano leghe differenti delle stessa famiglia basati sullo
  stesso elemento legante principale (sequenziale).
  La lettera che segue la denominazione della lega indica il trattamento subito:
• F = non trattata (grezzo di estrusione)
• O = ricotta
• H = incrudita
• W = solubilizzata
• T = trattata termicamente.
• 5° Il numero che segue queste lettere specifica la condizione del trattamento
  termico.

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Suddivisione degli stati «T»

Prima cifra dopo T
La prima cifra dopo T viene utilizzata per identificare le sequenze specifiche dei trattamenti di base.
I numeri da 1 a 9 sono stati attribuiti come segue:
(vedere pag.7 norme UNI EN 515)

• T1 raffreddato dopo lavorazione plastica a caldo e invecchiato naturalmente fino a una condizione
  sostanzialmente stabile.
• T2
  raffreddato dopo lavorazione plastica a caldo, deformato plasticamente a freddo e invecchiato
  naturalmente fino a una condizione sostanzialmente stabile.
• T3
  solubilizzato, deformato plasticamente a freddo e invecchiato naturalmente fino a una condizione
  sostanzialmente stabile.
• T4
  solubilizzato e invecchiato naturalmente fino a una condizione sostanzialmente stabile
• T5
  raffreddato dopo lavorazione plastica a caldo e invecchiato artificialmente.
• T6
  solubilizzato e invecchiato artificialmente.
• T7
  solubilizzato e iperinvecchiato/stabilizzato.
• T8
  solubilizzato, lavorato plasticamente a freddo e invecchiato artificialmente.
• T9 solubilizzato, invecchiato artificialmente e poi lavorato plasticamente a freddo.

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