Conoscere meglio la metallurgia del magnesio

Le principali caratteristiche del metallo ultraleggero e delle sue più diffuse leghe da fonderia e da lavorazione plastica

di Giuseppe Giordano

Il magnesio si trova oggi di fronte a possibili importanti sviluppi di consumi, anche in settori di massa e in particolare nell’automotive. Non è una novità il fatto che alcune case automobilistiche si aprono allo sviluppo del magnesio in modelli popolari, ma tali aperture hanno trovato solitamente ostacoli difficili da superare, come la scarsa resistenza alla corrosione e le problematiche produttive legate all’infiammabilità del materiale in alcune condizioni. Certamente una conoscenza più approfondita della metallurgia del magnesio può consentire di superare alcuni degli ostacoli sopra ricordati, partendo dal presupposto che i getti ed i semilavorati di magnesio possono essere protagonisti di un progetto quando viene richiesto un elevato alleggerimento; in questa ottica, si candidano ad essere alternativi agli analoghi in alluminio, ma anche a particolari ottenuti per stampaggio di materie plastiche, in applicazioni dove la leggerezza è molto importante come nell’aerospaziale o in settori di nicchia quali le attrezzature sportive che ricercano nei materiali comportamenti estremi. In questi settori il magnesio è in realtà sempre stato preso in considerazione, ma i risultati concreti si sono quasi sempre tradotti in quantità piuttosto ridotte. La situazione potrebbe cambiare molto velocemente per possibili applicazioni in settori industriali di massa e in particolare nell’automotive. La ricerca della leggerezza diviene infatti un fattore di scelta sempre più importante per ridurre i consumi e controbilanciare l’aumento di peso dei veicoli per l’aggiunta di nuovi componenti imposta da ragioni di sicurezza e di marketing.

L’identikit del magnesio
Il magnesio metallico, di colore argenteo, ha una densità di volume (peso specifico) di 1,74 g/cm3, cioè circa il 40% in meno dell’alluminio; questa ed altre caratteristiche chimico-fisiche del metallo ultraleggero sono raccolte nella Tabella 1. E’ da segnalare che una marcata differenza rispetto ad alluminio e acciaio si ha anche nel modulo di Young (modulo elastico: magnesio circa 45 GPa; alluminio 70 GPa; acciaio al carbonio 200 GPa).
In termini generali, il magnesio metallico dispone di fonti pressoché infinite: oltre ad essere l’ottavo elemento costituente la crosta terrestre, è il terzo elemento solido disciolto in acqua di mare (vedi Tabella 2).
Ogni litro d’acqua di mare contiene in media circa 1,2 grammi di magnesio; per confronto si ricorda che lo stesso litro d’acqua contiene circa 0,5 milligrammi di alluminio. Vi sono poi estesi territori costituiti prevalentemente da minerali contenenti magnesio, quale ad esempio la dolomite, o molto ricchi in sali di Mg disciolti in salamoie naturali. A somiglianza dell’alluminio il magnesio è un metallo fortemente elettronegativo e perciò è necessaria una elevata quantità di energia per ridurlo dai suoi ossidi (circa 3 volte più dell’alluminio). Inoltre, mentre l’ossido di alluminio è compatto e fortemente aderente al metallo, nel caso del magnesio ci si trova di fronte ad un ossido disomogeneo e poroso che non ha elevate caratteristiche di resistenza alla corrosione. Questa scarsa resistenza ha rappresentato uno dei maggiori ostacoli alla diffusione del magnesio. Già durante la prima guerra mondiale era stato sviluppato un sistema di leghe per una gamma di possibili applicazioni nella nascente industria aeronautica, ma poco dopo si fu costretti a ridurre l’utilizzo di leghe di magnesio per la scarsa resistenza ad attacchi corrosivi anche solo in ambienti umidi. Studi successivi hanno condotto alla modifica della composizione di queste leghe con l’aggiunta di un ridotto quantitativo di manganese, in grado di formare, con il ferro presente, intermetallici meno attivi dal punto di vista della corrosione del ferro libero.

Le leghe di magnesio
Le leghe di magnesio analogamente a quanto avviene per quelle di alluminio, subiscono una prima classificazione in funzione dell’uso finale. Si differenziano cioè le leghe da fonderia da quelle per lavorazioni plastiche, con le prime particolarmente idonee a processi di pressocolata e le seconde destinate alla produzione di estrusi e laminati.
Una seconda distinzione si fa tra leghe da incrudimento e da trattamento termico in quanto con alcuni elementi il magnesio forma composti con un processo di precipitazione indurente simile all’analogo processo nelle leghe di alluminio da trattamento termico. Anche in questo sistema il processo di precipitazione indurente è possibile: la lega dopo aver formato una soluzione solida ad alta temperatura, viene temprata ed invecchiata a temperatura ambiente (stato fisico T4 ) o posto dopo tempra ad una temperatura media per un tempo che consenta il raggiungimento del massimo delle caratteristiche tensili (stato T6). In entrambi casi, la soluzione solida temprata è instabile e si sviluppa un processo di precipitazione indurente con presenza iniziale di zone ad elevatissima coerenza con il reticolo della soluzione solida e successiva trasformazione in precipitati a coerenza sempre più ridotta sino alla struttura iper invecchiata di equilibrio.

Leghe di magnesio: principali alliganti e loro effetti
Alluminio: Quasi tutte le leghe di magnesio commerciali contengono alluminio; nella Figura 1 è rappresentato il diagramma di stato Al-Mg. Al e Mg sono completamente solubili allo stato liquido e a 437 °C avviene una reazione eutettica con tre fasi, liquido, soluzione solida a di Al in Mg e b intermetallico con circa il 40% di alluminio. Le leghe commerciali non hanno quasi mai una concentrazione di alluminio superiore al 10% per limitare la presenza della fase b che riduce la lavorabilità all’utensile e la deformabilità dei semilavorati.
Manganese: la presenza di manganese nelle leghe di magnesio è richiesta per abbassare il tenore di ferro nel liquido con formazione di composti poco solubili Al-Mn-Fe.
Silicio: l’aggiunta di silicio aumenta la resistenza allo scorrimento a caldo
Zinco: lo zinco è aggiunto alle leghe Mg-Al per aumentarne le caratteristiche tensili
Zirconio: lo zirconio viene aggiunto a tutte le famiglie di leghe di Mg per sfruttarne le caratteristiche di affinante del grano e nucleante in solidificazione
Alliganti non usuali: un significativo incremento della lavorabilità delle leghe di magnesio si ottiene con ridotte aggiunte di elementi non comuni quali il Torio e le Terre Rare.
Leghe di magnesio: classificazione secondo ASTM B275
Le leghe di magnesio sono classificate con un sistema alfanumerico definito dalla norma ASTM B275, in particolare l’elemento alligante è identificato da una lettera maiuscola. Nel caso di leghe binarie, due lettere identificano l’alligante principale (prima lettera ) ed il secondo in termini di percentuale (seconda lettera ), segue un numero intero di una o due cifre che rappresentano la percentuale di alligante approssimata all’intero. Nella Tabella 3 è riassunto lo schema di classificazione per i principali elementi di lega

Leghe di magnesio per lavorazione plastica e fonderia
Nella Tabella 4 si riportano per alcune leghe di magnesio da lavorazione plastica le percentuali degli alliganti principali e le caratteristiche tensili dei semilavorati in diversi stati fisici.
Le tecnologie di fonderia rappresentano la maggior quota attuale di consumo delle leghe di magnesio, in particolare la pressocolata è da tutti pronosticata come la tecnologia fusoria di maggior sviluppo. Nella Tabella 5 si riportano le caratteristiche tensili di alcune leghe per le diverse tecniche di fonderia.

Produzione di magnesio metallico primario e principali utilizzi
Negli ultimi anni la produzione di magnesio metallico primario è stata condotta in soli sette paesi per un valore totale di circa un milione di tonnellate. La Tabella 6 riporta le quantità prodotte nel 2015 e 2016 nei primi cinque paesi produttori. E’ facile notare come la produzione cinese rappresenta circa l’80% del totale. Oltre al metallo primario, è necessario considerare nei consumi anche una significativa quota di metallo secondario. Infatti, Il magnesio, come l’alluminio, è riciclabile praticamente senza perdita di caratteristiche, quindi utilizzabile in alternativa al metallo primario in quasi tutte le lavorazioni, e con un netto e significativo guadagno energetico rispetto al primario. La produzione di magnesio secondario è stimato, negli stessi anni considerati in Tabella 6, pari a circa 200-250.000 tonnellate l’anno, delle quali circa 125.000 sono prodotte negli Stati Uniti. Le previsioni di crescita indicano un aumento di circa il 3,5% annuo con una produzione di primario prevista nel 2020 di circa 1,2 milioni di tonnellate.

I principali usi finali in questi ultimi anni del magnesio sono così schematizzabili:
1. Agente riducente nella produzione di diversi metalli tra i quali il titanio
2. Alligante in leghe d’alluminio tra le quali si deve ricordare la lega Al-Mn 1%-Mg 1% EN AW 3004 utilizzata per la produzione di cans per bevande, che è una delle leghe d’alluminio più prodotte al mondo. Leghe Al-Mg con tenori di alligante dal 2% al 5% circa sono utilizzate in prodotti nel settore del packaging diversi dai cans, nelle costruzioni nautiche e nelle parti di carrozzeria nell’automobile. Complessivamente la quota annua di magnesio usato come alligante in leghe d’alluminio è pari a circa il 35% del consumo di magnesio primario
3. Leghe di magnesio per getti di fonderia in particolare da pressocolata. Negli USA le applicazioni strutturali che comprendono le applicazioni automotive assorbono circa il 20% del consumo.
Limitando l’attenzione a quest’ultimo tipo di impiego, il consumo di magnesio è crescente nella produzione di carter protettivi, coperchi, corpi di pompe dell’olio, telai di sedili e volanti. Di grande interesse tecnico è stato anche nel recente passato lo sviluppo di parti fuse di grandi dimensioni (portiere, portelloni) e parti di motore miste alluminio – magnesio. Recentemente, un settore in espansione che ha sviluppato applicazioni super leggere è quello delle biciclette elettriche molto diffuse nei bike sharing metropolitani.
Una veloce analisi del mercato italiano degli ultimi anni, mostra un “periodo d’oro” nell’uso di getti in magnesio per automobili italiane. Negli anni a cavallo del secolo infatti il Gruppo Fiat ha sviluppato diversi particolari in magnesio utilizzando soprattutto tecnologie di pressocolata ad alta pressione. Sono stati realizzati getti di grandi dimensioni sfruttando l’elevata fluidità del metallo superleggero sino allo sviluppo prototipale di intere portiere per modelli Alfa Romeo. Negli anni successivi il Gruppo ha scelto strade di sviluppo diverse.
Per quanto riguarda il consumo attuale di magnesio metallico nelle fonderie italiane, va notato che è pari a circa 8.000 tonnellate/anno (dato Assofond), cioè circa l’1% dell’analogo consumo di alluminio (800.000 ton/anno). Se l’industria automobilistica europea svilupperà i progetti legati al magnesio i numeri determinati dalle nuove richieste saranno molto diversi da quelli sopra riportati. Nel nuovo panorama sarà importante per le fonderie italiane acquisire velocemente molto più approfondite conoscenze scientifiche e pratiche relativa al metallo super leggero.

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