Elenco delle leghe metalliche: Famiglie, composizione e usi industriali

Le leghe metalliche costituiscono la spina dorsale dell'ingegneria e della produzione moderna. Una lega accuratamente selezionata può migliorare notevolmente la forza, la tenacità, la resistenza all'usura, il comportamento alla corrosione, la stabilità termica o le prestazioni elettriche rispetto al metallo di base. Per le applicazioni di ingegneria generale, gli acciai (al carbonio e legati) e le comuni leghe non ferrose (famiglie di alluminio, rame, nichel e titanio) coprono la maggior parte delle esigenze; i settori ad alte prestazioni dipendono dalle superleghe, dalle leghe di titanio e dalle leghe speciali di metalli preziosi o refrattari. La scelta delle leghe deve essere adeguata ai requisiti meccanici, all'esposizione ambientale, al percorso di fabbricazione e agli standard normativi.

1. Che cos'è una lega - definizione e convenzioni di denominazione

Una lega è un materiale metallico ottenuto dalla combinazione di due o più elementi chimici, di cui almeno uno è un metallo. Il risultato che si intende ottenere è un materiale che presenta proprietà diverse dai metalli costituenti puri, in genere migliori prestazioni meccaniche o ambientali. Le leghe commerciali sono denominate con nomi tradizionali (ottone, bronzo), con codici standardizzati (AISI, SAE, UNS, EN) o con nomi commerciali proprietari. Una chiara specificazione della composizione della lega, della tempra/trattamento termico e della forma del prodotto è essenziale per ottenere prestazioni ripetibili.

Sistemi di nomenclatura comunemente utilizzati

• Codici numerici AISI/SAE per acciai e leghe a base di ferro (per uso storico e industriale).

• UNS (Unified Numbering System) per i metalli e le leghe in generale, in cui un codice alfanumerico si collega alle gamme chimiche.

• Numeri EN (European Norm) e designazioni ISO nel commercio internazionale.

• Nomi commerciali o proprietari per leghe specializzate (ad esempio, Inconel, Hastelloy, Monel).

2. Classificazione di massima: ferrosi e non ferrosi

I materiali vengono solitamente suddivisi in due gruppi di alto livello: leghe ferrose (contengono ferro come costituente primario) e leghe non ferrose (non contengono ferro come metallo primario). Questa classificazione determina il comportamento magnetico, le proprietà tipiche e le applicazioni più comuni. Le leghe ferrose comprendono acciai al carbonio, acciai legati, acciai per utensili, acciai inossidabili e ghise. Le leghe non ferrose comprendono alluminio, rame, nichel, titanio, magnesio, piombo, leghe di metalli preziosi e molti sistemi speciali.

Le principali implicazioni pratiche:

• Le leghe ferrose sono generalmente più resistenti e meno costose per l'uso strutturale; molte richiedono una protezione dalla corrosione in ambienti esposti.

• Le leghe non ferrose spesso offrono una migliore resistenza alla corrosione, una minore densità o una maggiore conducibilità elettrica/termica.

• Molte scelte ingegneristiche si riducono a compromessi tra massa, forza, resistenza alla corrosione e costi.

3. Le principali famiglie di leghe: sintesi, caratteristiche e gradi comuni

3.1 Acciai al carbonio e acciai legati (ferrosi)

• Cosa sono: Leghe ferro-carbonio con quantità controllate di altri elementi (Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, ecc.) per ottenere resistenza e tenacità.

• Usi comuni: Elementi strutturali, tubazioni, elementi di fissaggio, componenti di macchine.

• Gradi rappresentativi: A36 (strutturale), 1018 (a basso tenore di carbonio), 4140 (acciaio legato al cromo-molibdeno).

• Note: Il trattamento termico (tempra e rinvenimento) viene utilizzato per regolare la durezza e la tenacità.

3.2 Acciai inossidabili (ferrosi, resistenti alla corrosione)

• Cosa sono: Leghe ferro-cromo (nichel, molibdeno, azoto, ecc.) con cromo minimo tipicamente superiore a ~11% per formare un ossido passivo. Sottofamiglie tipiche: acciai inossidabili austenitici, ferritici, martensitici, duplex e a indurimento per precipitazione.

• Gradi rappresentativi: 304 (austenitico per uso generale), 316 (austenitico con molibdeno per resistenza marina), 430 (ferritico), 17-4 PH (indurimento per precipitazione).

• Nota pratica: La serie 300 contiene nichel e offre una resistenza superiore alla corrosione; la serie 400 contiene in genere meno nichel e più carbonio, con un diverso comportamento meccanico/corrosione.

3.3 Ghise (ferrose, ad alto tenore di carbonio)

• Cosa sono: Leghe ferro-carbonio-silicio con carbonio più elevato (>2%) rispetto agli acciai; i tipi includono ghise grigie, duttili (nodulari), bianche e malleabili.

• Utilizzi: Blocchi motore, raccordi per tubi, basamenti di macchine pesanti; la ghisa duttile combina la colabilità con una maggiore resistenza alla trazione e duttilità.

3.4 Leghe di alluminio (non ferrose, leggere)

• Cosa sono: Leghe a base di Al in lega con Mg, Si, Cu, Zn, Mn e altri. Le tempere e le serie più utilizzate comprendono le serie 2000, 3000, 4000, 5000, 6000 e 7000.

• Gradi rappresentativi6061 (Al-Mg-Si, strutturale per usi generici), 7075 (Al-Zn-Mg, aerospaziale ad alta resistenza).

• Utilizzi: Trasporti, aerospaziale, imballaggio, scambiatori di calore.

• Standard: Diverse specifiche ASTM controllano la chimica e le proprietà meccaniche di lamiere, piastre ed estrusi.

3.5 Leghe di rame (ottone, bronzo, cupronichel)

• Cosa sono: Rame di base con Zn (ottone), Sn (bronzo), Ni (cupronichel) e altre aggiunte per ottimizzare le proprietà. Buona conducibilità elettrica/termica, resistenza alla corrosione in molti ambienti.

• Gradi rappresentativi: C11000 (rame elettrolitico), C36000 (ottone da lavorazione libera), CuNi 90/10 (cupronichel marino).

3.6 Leghe a base di nichel e superleghe

• Cosa sono: Sistemi ricchi di nichel in lega con Cr, Co, Al, Ti, Mo ed elementi refrattari. Progettati per garantire la resistenza alle alte temperature e all'ossidazione.

• Leghe rappresentative: Inconel 625, Inconel 718, Hastelloy X, leghe Rene.

• Applicazioni: Motori a reazione, turbine a gas, processi chimici ad alta temperatura.

3.7 Leghe di titanio

• Cosa sono: Titanio con Al, V, Mo e altri elementi per ottenere un'elevata resistenza al peso e un'eccellente resistenza alla corrosione; si distingue per la biocompatibilità.

• Gradi rappresentativi: Ti-6Al-4V (ampiamente utilizzato in campo aerospaziale e medico).

• Utilizzi: Strutture aerospaziali, impianti medici, servizi corrosivi.

3.8 Leghe di magnesio

• Cosa sono: Metalli a bassissima densità legati con Al, Zn, Mn per applicazioni strutturali leggere in cui il peso è fondamentale.

• Utilizzi: Strutture secondarie per il settore automobilistico e aerospaziale, alloggiamenti per l'elettronica.

3,9 Piombo, stagno e leghe speciali a bassa fusione

• Cosa sono: Leghe tenere o a bassa fusione utilizzate per cuscinetti (Babbitt), saldature (stagno-piombo, senza piombo), applicazioni di schermatura e radiazioni (piombo-base).

• Nota ambientale: Molte leghe contenenti piombo sono soggette a restrizioni normative; le saldature senza piombo sono comuni nell'elettronica.

3.10 Leghe di metalli preziosi e monete

• Cosa sono: Leghe di oro, argento e platino utilizzate per la gioielleria, i contatti elettronici e la catalisi. L'argento sterling e l'oro crown ne sono un esempio.

4. Composizioni chimiche tipiche e tabelle di riferimento rapido delle proprietà

Di seguito sono riportate tabelle compatte e pratiche per un rapido confronto. Gli intervalli di percentuale sono indicativi; le specifiche esatte dipendono dal grado e dallo standard scelto.

Tabella 1: Confronto tra famiglie di leghe di alto livello

(Fonti della Tabella 1: letteratura generale e schede tecniche dei materiali).

Tabella 2: Tipi rappresentativi di acciaio inossidabile e chimiche rapide

Tabella 3: Serie di leghe di alluminio comuni

Tabella 4: Leghe tipiche a base di rame

5. Leghe ad alte prestazioni e speciali

5.1 Superleghe

Le superleghe a base di nichel sono progettate per garantire una resistenza a lungo termine in condizioni di scorrimento e ossidazione ad alte temperature, come avviene nelle turbine a gas. Gli elementi di lega critici includono Co, Cr, Al, Ti ed elementi refrattari minori. La lavorazione tipica comprende la fusione a induzione sotto vuoto, la solidificazione direzionale o la colata a cristallo singolo per resistere allo scorrimento.

5.2 Leghe refrattarie

Le leghe a base di molibdeno, tungsteno, niobio o tantalio operano a temperature estreme. Richiedono metodi di lavorazione speciali e sono utilizzate in forni, ugelli di razzi e applicazioni nucleari. Le norme pertinenti e le schede tecniche dei fornitori definiscono i livelli di impurità accettabili a causa della loro influenza sulla duttilità e sulla ricristallizzazione.

5.3 Leghe di nichel resistenti alla corrosione

L'Hastelloy e le composizioni simili resistono al cloruro, al nitrico e agli ambienti acidi nei processi chimici. La scelta deve tenere conto della compatibilità galvanica e della metallurgia di saldatura.

5.4 Leghe biomediche di titanio e cobalto-cromo

Le leghe Ti-6Al-4V e cobalto-cromo (CoCrMo) sono comuni negli impianti; la biocompatibilità, il comportamento a rilascio di ioni e le prestazioni a fatica ne determinano la scelta. La finitura superficiale e la compatibilità con la sterilizzazione sono problemi pratici.

6. Metodi di produzione e loro effetto sulle proprietà della lega

Le prestazioni della lega dipendono non solo dalla composizione, ma anche dal metodo di produzione:

• Colata: Ottimo per forme complesse e pezzi ad alto volume; la microstruttura dipende dalla velocità di raffreddamento e dall'inoculazione. Le ghise sono un esempio tipico.

• Lavorazione del battuto (laminazione, forgiatura, estrusione): Produce una microstruttura raffinata e una resistenza direzionale; è comunemente usato per acciai, estrusioni di alluminio e prodotti in rame.

• Metallurgia delle polveri e produzione additiva: Consente di ottenere forme quasi nette, microstrutture personalizzate e prodotti chimici complessi; il controllo della porosità e del trattamento termico è fondamentale.

• Trattamento termico: Ricottura, normalizzazione, tempra e rinvenimento, trattamento in soluzione e invecchiamento modificano la distribuzione delle fasi e la struttura dei precipitati, mettendo così a punto la forza/duttilità e la resistenza alla corrosione.

Note di lavorazione:

• La saldatura aggiunge cicli termici; la scelta dell'apporto e il trattamento termico post-saldatura sono importanti per ottenere la stessa resistenza alla corrosione e la stessa forza.

• La durezza di lavorazione e il comportamento di indurimento del lavoro influenzano la scelta degli utensili.

7. Standard chiave, test e tracciabilità

Le norme definiscono gli intervalli di composizione chimica, i metodi di prova meccanica e i criteri di accettazione. Per garantire l'affidabilità e la conformità alle normative, le specifiche di acquisto devono fare riferimento a standard di consenso (ASTM, EN, ISO, SAE, UNS):

• ASTM fornisce centinaia di norme sui metalli che specificano le caratteristiche chimiche e meccaniche per le forme e le applicazioni dei prodotti.

• NIST mantiene dati termofisici e set di proprietà verificate utili per i calcoli e le simulazioni di progettazione. NIST

• ASM Internazionale e società tecniche equivalenti pubblicano schede tecniche delle leghe, sintesi delle prestazioni e linee guida orientate alla progettazione.

Le migliori pratiche di tracciabilità:

• Richiedere i rapporti di prova del mulino (MTR) o il certificato di conformità con ogni calore/lotto.

• Per i componenti critici, specificare l'analisi indipendente del materiale (test spettrochimici) e i risultati dei test meccanici per l'accettazione.

8. Lista di controllo pratica per la selezione delle leghe

Quando si sceglie una lega per un nuovo componente, è necessario analizzare questi elementi e documentarli nella specifica.

1. Requisiti funzionali: resistenza, durata a fatica, rigidità e conduttività richieste.

2. Ambiente: intervallo di temperature, presenza di cloruri, acidi, abrasione, esposizione ai raggi UV.

3. Vincolo di massaLa minimizzazione del peso è una priorità (privilegiare l'alluminio, il titanio, il magnesio)?

4. Metodo di produzionefusi, lavorati, saldati, additivati; ciò influisce sulle chimiche e sulle tempere ammissibili.

5. Trattamento della superficie: si utilizzerà la placcatura, l'anodizzazione o il rivestimento? Alcune leghe accettano i rivestimenti meglio di altre.

6. Costo e fornituradisponibilità e volatilità dei costi (i prezzi del nichel e del cobalto possono essere volatili).

7. Standard e certificazionevincoli normativi, MTR richiesti o test di accettazione speciali.

8. Ciclo di vita e riciclabilitàGestione del fine vita, restrizioni ambientali (restrizioni su piombo e cadmio).

9. Compatibilità: potenziale galvanico rispetto ai materiali di accoppiamento per evitare la corrosione.

10. Piano di testSpecificare le prove di trazione, d'urto, di tenacità alla frattura e di corrosione, se necessario.

9. Tabelle di confronto - ricerca rapida per gli ingegneri

Tabella 5: Confronto rapido delle proprietà fisiche (intervalli tipici)

Tabella 6: Considerazioni sulla saldatura (generale)

10. Domande frequenti

D1: Qual è il modo più semplice per decidere tra acciaio e alluminio per una parte strutturale?
A1: Confrontare il rapporto resistenza/peso, l'esposizione alla corrosione e il costo. Se il peso è fondamentale e la resistenza moderata è sufficiente, l'alluminio è spesso vincente. Per i carichi pesanti e le strutture di grandi dimensioni sensibili ai costi, di solito si preferisce l'acciaio al carbonio o legato. Verificare anche i metodi di giunzione e il comportamento a fatica.

D2: In che modo l'acciaio inossidabile resiste alla corrosione?
A2: Gli acciai inossidabili formano una sottile pellicola di ossido ricca di cromo sulla superficie che limita l'ulteriore ossidazione. Questo strato passivo si riforma quando viene danneggiato, a condizione che nella lega sia presente una quantità sufficiente di cromo e che le condizioni ambientali non lo attacchino in modo aggressivo.

D3: Le leghe di alluminio sono magnetiche?
A3: No. L'alluminio e le sue leghe comuni non sono magnetiche. Questo è un vantaggio per gli alloggiamenti elettronici e per alcune applicazioni speciali.

D4: Cosa sono le superleghe e quando devono essere utilizzate?
A4: Le superleghe sono leghe specializzate a base di nichel o cobalto progettate per garantire resistenza alle alte temperature e all'ossidazione. Vengono utilizzate nei motori a turbina, negli scarichi e nei reattori chimici ad alta temperatura, dove gli acciai comuni e le leghe convenzionali falliscono.

D5: Perché alcune leghe hanno molti nomi commerciali?
A5: La lavorazione proprietaria, le modifiche chimiche esatte e il marchio del fornitore portano a molti nomi commerciali. Per la progettazione, fare sempre riferimento al numero standard o alla specifica chimica completa piuttosto che ai soli nomi commerciali.

D6: Come si legge un rapporto di prova del mulino (MTR)?
A6: Verificare il numero di calore, la composizione chimica rispetto allo standard specificato, i valori delle prove meccaniche (snervamento, trazione, allungamento) e la forma del prodotto. Confermare eventuali trattamenti termici speciali e condizioni superficiali dichiarate.

D7: Tutte le leghe di rame conducono l'elettricità allo stesso modo?
A7: No. Il rame puro ha la migliore conduttività elettrica; le leghe riducono la conduttività. Per i conduttori, utilizzare rame ad alta purezza; per le proprietà meccaniche o di corrosione, utilizzare ottone o bronzo.

D8: A quali norme devo fare riferimento per gli estrusi di alluminio?
A8: ASTM B221 per barre, forme e tubi estrusi in alluminio e altre specifiche ASTM/EN a seconda dell'applicazione e della lega scelta. Specificare sempre lega, tempra e standard negli ordini di acquisto.

D9: In che modo i diagrammi di fase aiutano a selezionare le leghe?
A9: I diagrammi di fase mostrano la stabilità delle fasi in funzione della temperatura e della composizione, indicando le finestre di trattamento termico, le linee di solvenza per i precipitati e gli intervalli di fusione o solidificazione. Sono fondamentali per progettare i trattamenti termici e controllare la microstruttura.

Q10: Quali prove sono consigliate per un componente critico di sicurezza?
A10: Combinare prove meccaniche (trazione, impatto, tenacità alla frattura), prove non distruttive (ultrasuoni, radiografia), metallografia e analisi chimica. Per gli ambienti estremi, aggiungere prove di corrosione e di creep se il servizio è ad alta temperatura.

11. Riferimenti autorevoli

• Lega - Wikipedia
• Dati sulle leghe del NIST (Centro di ricerca termofisica del NIST)
• Norme ASTM sui metalli - ASTM International
• Alloy Digest - Biblioteca digitale ASM (ASM International)
• Composizioni degli acciai legati - Nickel Institute (scheda tecnica)