Madame Lelica

Molte industrie sono alla ricerca di modi innovativi per ridurre i costi, ridurre il peso dei loro prodotti e ridurre il loro consumo energetico complessivo. Di conseguenza, metalli leggeri, come alluminio, magnesio e titanio sono considerati sempre più come alternative all’acciaio. Con la nuova ricerca in leghe e tecnologie di superficie come PEO, gli ingegneri sono in grado di utilizzare questi metalli leggeri in modi che in precedenza sarebbero stati considerati inappropriati., Per trovare le giuste soluzioni materiali, è importante avere un senso dei potenziali vantaggi e svantaggi di ogni metallo, e come potrebbero avere un impatto sul progetto a portata di mano.

Alluminio

L’alluminio è stato a lungo utilizzato come alternativa all’acciaio inossidabile:

• È più economico dell’acciaio da fondere e fabbricare, e il più economico dei metalli che stiamo guardando libbra per libbra.
• Il suo strato di ossido passivo gli conferisce un’elevata resistenza alla corrosione, che può essere ulteriormente migliorata tramite anodizzazione o PEO.,
• È circa un terzo della densità dell’acciaio, dandogli un utile rapporto forza-peso. È facilmente ulteriormente migliorato attraverso leghe e tecniche di rivestimento.
• L’alluminio ha un’elevata duttilità e malleabilità. Di conseguenza può essere precisione lavorata con facilità. Ciò consente di risparmiare tempo nel processo di fabbricazione, rendendolo un’opzione più verde e più economica.

Nonostante questi vantaggi, vale la pena tenere a mente:

• La bassa durezza dell’alluminio tende a dargli scarsa resistenza all’abrasione e all’usura., Quindi, rivestimenti resistenti sono necessari in molte circostanze per consentire il suo uso dove altrimenti fornisce adeguate proprietà meccaniche.
• Mentre l’alluminio ha una resistenza alla trazione piuttosto bassa, ci sono leghe che possono sollevarlo da 70 MPa a circa 700 MPa, fornendo un rapporto resistenza-peso molto elevato. Va notato che il prezzo per una resistenza così elevata tende ad essere una significativa perdita di resistenza alla corrosione. I rivestimenti sono normalmente essenziali per prevenire la corrosione dove vengono impiegate leghe ad alta resistenza come le serie 7xxx e 2xxx.,
• Sebbene sia ampiamente utilizzato negli imballaggi alimentari e negli utensili da cucina, vi è una certa preoccupazione per la biocompatibilità dell’alluminio e i potenziali legami con la malattia di Alzheimer. Anche in questo caso, i rivestimenti protettivi possono fornire la risposta in molti casi, contribuendo a garantire che non si verifichi alcuna reazione del substrato.,

Dalla fusoliera degli aerei alle lattine di coke, l’alluminio, con il suo peso leggero, il basso costo e la facilità di fabbricazione si presta a una miriade di applicazioni ingegneristiche:

• Apple ha aperto la strada nell’uso diffuso dell’alluminio per creare i corpi distintivi dei loro MacBook, iPhone e iPad. L’entusiasmo di Steve Jobs per il metallo lo portò persino a ordinare uno yacht in alluminio personalizzato. Dall’uso pionieristico dell’alluminio da parte di Apple, ora è il materiale scelto per laptop e telefoni.
• Molte auto hanno un cofano in alluminio leggero e altri pannelli del corpo., In genere, i principali componenti del motore come blocchi motore e pistoni sono ora quasi esclusivamente realizzati in leghe di alluminio fuso. Altri componenti in alluminio leggero come pinze dei freni, alloggiamenti elettrici, parti di rivestimento interno contribuiscono a ridurre il peso del veicolo e aumentare l’efficienza del carburante.,

Magnesio

Un picco di interesse negli ultimi dieci anni ha messo in evidenza come le leghe di magnesio e tecniche di rivestimento può fare la maggior parte delle sue proprietà interessanti:

• il Magnesio è estremamente leggero: è il 75% più leggero dell’acciaio, il 50% più leggero del titanio, e il 33% più leggero dell’alluminio.
• Ha la più alta capacità di smorzamento conosciuta di qualsiasi metallo strutturale, in grado di resistere 10 volte in più rispetto all’alluminio, al titanio o all’acciaio.
• È molto facile da lavorare e può essere stampato ad iniezione.,
• Il magnesio è interamente biocompatibile, non presenta rischi di tossicità.

D’altra parte, presenta alcune carenze ben note che ne limitano la più ampia applicabilità.

• Il metallo è chimicamente molto attivi, quindi, chimica e resistenza alla corrosione tende ad essere basso
• Bassa durezza superficiale, come l’alluminio, rende difficile l’utilizzo in applicazioni tribologiche senza un rivestimento
• Perenne preoccupazioni di infiammabilità a volte escludono l’uso di magnesio, a volte senza giustificazione., Tuttavia, questo aspetto dovrebbe ancora essere considerato come parte di un processo di selezione olistica dei materiali.

A partire dall’accordo ACEA del 1998, la legislazione che limita le emissioni di carbonio ha portato l’industria automobilistica a studiare i modi in cui il peso estremamente leggero del magnesio può essere reso adatto allo scopo. Prima di questo aumento di interesse, il magnesio era sembrato inutilizzabile in molti contesti industriali:

• L’elevata reattività del magnesio lo aveva reso suscettibile alla corrosione., Tuttavia, le leghe recentemente scoperte e le varianti di maggiore purezza delle leghe tradizionali hanno una resistenza molto maggiore alla corrosione e nuove tecniche di rivestimento come l’ossidazione elettrolitica al plasma (PEO) rendono un ossido neutro completamente resistente dal substrato del metallo.
• La scarsa resistenza al creep del magnesio lo aveva reso inadatto alle alte temperature, ma le leghe recentemente scoperte come ZE41 & ZWO8203 sono resistenti al calore a temperature estreme (c. 400 F). I rivestimenti PEO rendono anche il magnesio estremamente resistente al calore.,
• La bassa resistenza alla trazione del magnesio lo aveva reso inadatto per usi strutturali, ma nuove leghe e rivestimenti significano che questo non è più il caso.

Come risultato di questi sviluppi, il magnesio viene sempre più utilizzato in una gamma di impostazioni:

• Seggiolini auto, utensili elettrici, bagagli e telecamere sono stati progettati per sfruttare al meglio il magnesio leggero e resistente.
• Gli ingegneri militari hanno iniziato a utilizzare il magnesio nei riduttori degli elicotteri e negli alloggiamenti dei generatori, come mezzo per fornire resistenza leggera a temperature estreme.,
• I telai e le ruote per mountain bike ad alte prestazioni sono sempre più realizzati in magnesio leggero e resistente alla corrosione.
• Le industrie aeronautiche e automobilistiche stanno sempre più studiando i modi in cui il magnesio può aumentare l’efficienza del carburante e ridurre i gas serra.
• Componenti complessi, leggeri e resistenti come quelli presenti nei motori possono essere facilmente stampati in magnesio.,

Eccitanti sviluppi nelle leghe di magnesio, nei metodi di produzione e nelle tecnologie di rivestimento stanno rendendo il magnesio un candidato sempre più valido per una soluzione forte, leggera e conveniente.

Titanio

Il titanio è significativamente più forte sia dell’alluminio che del magnesio, sebbene la sua densità più elevata significhi che i rapporti forza-peso per i tre metalli tendono ad essere simili. È spesso il primo porto di scalo per gli ingegneri che cercano di sostituire l’acciaio in un esercizio di peso leggero per componenti stressati., Ha il vantaggio aggiuntivo di essere altamente resistente alla corrosione e ha anche un’elevata biocompatibilità.

Purtroppo l’alto costo di estrazione e fabbricazione può escludere il suo utilizzo per il mercato consumer generale.

Nell’industria, il titanio può essere trovato:

• Su scafi di navi, sottomarini e altre strutture esposte all’acqua di mare, grazie alla sua elevata resistenza alla corrosione
• In protesi d’anca e impianti dentali, grazie alla sua elevata biocompatibilità e resistenza.
• In aerei, veicoli spaziali e missili.,

Se il denaro non è un problema, il titanio è una scelta eccellente per un forte, materiale leggero. Grazie agli sviluppi nelle tecnologie di rivestimento e alle leghe recentemente studiate, il magnesio economico sta emergendo sempre più come la soluzione più leggera. Questi tre metalli sono spesso considerati contemporaneamente in esercizi di pesi leggeri, insieme a materiali compositi e persino acciai ad alta resistenza.

Un’altra considerazione che viene spesso trascurata è la questione della rigidità. Creazione di un acciaio o di una lega leggera (ad es., alluminio) la componente di resistenza simile richiederà, in molti casi, l’uso di spessori di parete più elevati per il componente in alluminio rispetto al componente in acciaio. Una conseguenza positiva di questo al componente di alluminio può effettivamente essere più rigido rispetto alla sua controparte in acciaio. Ciò è evidente nei pannelli del corpo automobilistico, ad esempio, dove un corpo monoscocca in alluminio può essere più rigido rispetto alla sua controparte in acciaio. In questo caso, vi è un vantaggio nella gestione del veicolo, ad esempio, e anche nella resistenza agli urti.