Magnesio: tecnologia e innovazione

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apertura sfumataiIl magnesio può essere considerato il metallo del futuro, in particolare nel mondo industriale, per i consistenti vantaggi che può offrire in termini di impatto ambientale e di riduzione delle emissioni tossiche in atmosfera nei processi di riciclaggio. Durante i conflitti bellici mondiali del secolo scorso era stato largamente impiegato nell’industria militare (e ciò, indirettamente, ne conferma le proprietà uniche), ma proprio tale impiego ne ha di fatto impedito la diffusione in ambito civile. Troppi erano infatti i segreti legati al magnesio e i vincoli imposti dalle potenze perché potesse essere distribuito su larga scala; senza dimenticare  le tecniche produttive dell’epoca non erano perfezionate come quelle attuali, e ciò rendeva complessa la lavorazione di tale metallo. Oggi, dopo oltre 100 anni dai primi utilizzi in campo industriale, il magnesio viene “riscoperto” e, grazie ai progressi tecnologici, la sua diffusione procede finalmente senza più gli ostacoli e i vincoli del passato. Certo, vi sono ancora luoghi comuni da sfatare, ed è necessario che tecnici e progettisti comincino a studiare più a fondo le caratteristiche di questo elemento e delle sue leghe. Ma siamo sicuri che il magnesio sarà protagonista dell’industria del futuro e che la sua diffusione apporterà enormi benefici all’industria meccanica, soprattutto con riferimento ad alcune specifiche applicazioni.

Applicazioni strategiche per l’industria
Il magnesio è il metallo meno pesante in assoluto, con densità pari a 1,74 kg/dm3, la minore rispetto a qualsiasi materiale metallico per impieghi strutturali. Per esempio, è più leggero del 30% rispetto all’alluminio e del 70% rispetto all’acciaio; inoltre, a parità di volume, ha costi di trasporto inferiori proprio perché meno pesante.
Oltre alla leggerezza e alla inesauribilità, essendo tra gli elementi più diffusi sulla superficie terrestre, ha altre interessanti caratteristiche: la resistenza alla forza dinamica e statica; il carico di snervamento analogo alle leghe di alluminio; l’ottima capacità di smorzare le vibrazioni, di assorbire urti, di schermare le onde elettromagnetiche, di dissipare il calore (conducibilità termica più alta della plastica). Inoltre, è riciclabile al 100%, senza alcun degrado delle proprietà fisiche, e con costi energetici di riciclaggio inferiori rispetto agli altri metalli. Quest’ultima caratteristica riduce l’impatto ambientale relativo alla sua produzione rendendolo ben più “ecologico” rispetto ad altri materiali.
Il magnesio ha una ricca storia in campo automobilistico, motociclistico e militare-aeronautico. Oltre a questi settori, oggi trova impiego anche nell’aeronautica-elicotteristica civile, nella biomeccanica, nel settore delle biciclette, dell’elettronica e degli elettroutensili, e nell’accessoristica generale, anche sportiva.
Si tratta di settori importanti, in salute nonostante la crisi economica generalizzata, e molto spesso strategici. Negli ultimi 5 anni l’utilizzo del magnesio e delle sue leghe nell’industria mondiale è triplicato, a conferma del nuovo interesse verso questo materiale, considerato “moderno” perché ecologico e dalle notevoli caratteristiche meccaniche, chimiche e fisiche. Inoltre, come già detto, i sistemi per lavorarlo sono cambiati e totalmente differenti rispetto a quelli utilizzati decine di anni fa: ciò ha aperto – e aprirà – nuovi orizzonti applicativi. È infatti noto che industrie di caratura internazionale, quali Alenia, KTM, Ducati, Ferrari, Volkswagen, ecc., già utilizzano il magnesio per realizzare oggetti di tutti i tipi: componenti missilistici, ingranaggi, telai, volanti, strutture sedili, ecc.; ma già molte altre aziende si sono mobilitate per realizzare “cases” per computer, cellulari e macchine fotografiche, accessori per bici, racchette da tennis, ecc. Ciò dimostra che le potenzialità applicative per un progettista capace e ben informato, possono essere infinite.

Utilizzato in leghe
Come l’alluminio o altri metalli, il magnesio viene utilizzato in leghe diverse nei vari processi di fusione o per la produzione di billette per l’estrusione e lo stampaggio a caldo. I principali alleganti sono: l’alluminio, che ne aumenta la resistenza meccanica, lo zinco (migliora l’allungamento), il manganese (eleva la resistenza alla corrosione), lo zirconio (affina il grano), il rame (aumenta la fluidità), il calcio (diminuisce la densità), ecc. In genere, nei processi di pressofusione sono utilizzate leghe ad alta purezza denominate “Hight Purity”, cioè con bassi contenuti di impurità quali ferro (entro lo 0,004%), nichel e rame. Per la maggior parte delle applicazioni viene utilizzata la lega AZ91, ideale per la presso-fusione per l’ottima finitura superficiale dei manufatti prodotti. Le leghe di magnesio hanno un peso specifico di 1,75÷1,85 kg/dm3 ch nel caso di leghe speciali o “ultraleggere”(per esempio magnesio-litio) può scendere fino a 1,3 kg/dm3. Sono in via di sviluppo anche particolari le leghe “rinforzate” da altri elementi, che rientrano nella categoria dei materiali compositi e si prefiggono un aumento del modulo elastico e un incremento della resistenza sia alla corrosione che al creep.

Materiale pericoloso? Mito da sfatare
Taluni tecnici di settore, terzisti ed esperti, si mostrano perplessi quando si parla di magnesio: «È infiammabile, pericoloso, difficile da lavorare. No, non lo trattiamo». Si tratta di un pregiudizio comune e diffuso, nato a seguito di alcuni gravi episodi accaduti alcuni decenni fa, dopo i quali il magnesio fu “abbandonato” perché bollato come incendiabile, esplosivo, difficile da trattare.
In realtà è ormai passato molto tempo da quegli accadimenti, e l’aumento esponenziale dell’utilizzo del magnesio in questi anni, soprattutto in settori strategici come quelli aeronautici, missilistici e militari, è una testimonianza concreta dell’importanza e della riscoperta di questo metallo, peraltro già molto usato nell’industria automobilistica tedesca prima e dopo la seconda guerra mondiale con ottimi risultati.
Certo, il magnesio in forma pura è altamente infiammabile, specialmente se in polvere, e reagisce rapidamente e in maniera esotermica a contatto con l’aria o l’acqua. Del resto, quasi tutti i materiali metallici sono infiammabili, quando sono in polvere, basti pensare all’alluminio e allo zinco, largamente impiegato in pirotecnica. Il magnesio si accende con facilità leggermente maggiore rispetto all’alluminio, tutto qui.
Può infiammarsi anche sotto forma di sfrido o di truciolo, ma solo un tecnico incompetente potrebbe mettersi a lavorare un metallo senza conoscere i corretti parametri di taglio, di conservazione e di smaltimento degli sfridi. In ogni caso, i progressi delle tecnologie di lavorazione e una più approfondita conoscenza del materiale permettono di minimizzare i rischi produttivi, anche in considerazione del fatto che non viene mai lavorato il magnesio puro ma solo leghe, e che le moderne leghe di magnesio hanno resistenza termica decisamente più elevata rispetto al passato. Attualmente, i fattori da tenere sotto controllo, in quanto possono dare luogo a combustione durante le fasi produttive di un componente in magnesio con macchine per asportazione di truciolo, sono: avanzamenti troppo bassi nelle lavorazioni con le macchine utensili; uso di utensili non appropriati; presenza di scintille a causa di urti tra truciolo e utensile ad alte temperature (480°C). Per evitare rischi, occorre prevedere grandi avanzamenti per produrre trucioli di elevato spessore, utilizzare utensili affilati con ampi angoli di spoglia inferiore, e oli minerali per refrigerare il processo; è necessario inoltre evitare l’accumulo di truciolo e polveri sottili nella zona di lavoro o, in generale, in bidoni o contenitori. In ogni caso, qualora si sviluppasse un incendio, non si devono utilizzare acqua, estintori ad acqua o schiuma, ma polveri di ghisa o di metallo estinguente.
Per quanto riguarda l’impiego dei componenti realizzati in magnesio, non esiste alcun problema di sicurezza, come è dimostrato dai milioni di vetture Volkswagen Maggiolino e Porsche che hanno funzionato impeccabilmente per anni e anni, dall’impiego massiccio sulle auto di serie (volanti, sedili, pannelli, coperchi della testa), sui treni francesi TGV, sugli elicotteri e sugli aerei, per i quali gli standard di sicurezza richiesti sono particolarmente severi.

Svantaggi ridotti
Le caratteristiche meccaniche del magnesio sono più modeste rispetto ad altri materiali. In particolare, la resistenza a trazione delle tradizionali leghe in magnesio è leggermente inferiore rispetto a quella delle leghe di alluminio, e il modulo elastico è del 36% minore. Inoltre, il coefficiente di dilatazione termica è più elevato e questo è un altro aspetto che può causare criticità in certi casi. A tali “inconvenienti” si può ovviare, almeno per certi tipi di impiego, riprogettando i componenti, ovvero aumentando le sezioni e ottimizzando le geometrie.
In passato il magnesio si era fatto una discutibile fama a livello di resistenza alla corrosione, e ciò in parte ne ha ostacolato la diffusione, ma lo sviluppo di trattamenti e di riporti protettivi di nuova generazione, unitamente alla disponibilità di leghe di elevata purezza o di nuova composizione, permettono di superare questo punto debole, almeno per la maggior parte degli impieghi.
Un altro aspetto da considerare è che le tradizionali leghe di magnesio accusano un drastico scadimento delle caratteristiche meccaniche già a temperature (relativamente) contenute, il che ne riduce il campo di applicazione. Oggi, però, sono disponibili leghe che superano abbondantemente questa limitazione e che risultano nettamente superiori anche sotto altri aspetti. Il costo di tali leghe varia sensibilmente in funzione degli elementi presenti; per le leghe di più larga utilizzazione è leggermente superiore a quello delle leghe di alluminio più comuni, ma ciò viene compensato dalla migliore lavorabilità, che si traduce anche in una minore usura degli utensili e in un sensibile risparmio energetico.

Carta d’identità
Il magnesio è l’elemento chimico della tavola periodica degli elementi che ha come simbolo Mg e come numero atomico 12. Si tratta di un metallo alcalino-terroso, è l’ottavo elemento più abbondante, costituisce circa il 2% della crosta terrestre, ed è il terzo per abbondanza tra gli elementi disciolti nell’acqua marina. La sua disponibilità, quindi, è pressoché illimitata. In natura non esiste allo stato libero, ma si trova con altri elementi in “complessi chimici” quali magnesite, dolomite, brucite, carnallite, ecc. Ha densità pari a 1,74 kg/dm³ e punto di fusione a 649,85°C. Attualmente, il magnesio viene ottenuto principalmente per elettrolisi dall’acqua di mare in cui è presente in maniera rilevante (0,12% circa in peso); è importante ricordare che, oltre che nelle rocce e nell’acqua marina, il magnesio è presente sia nel mondo vegetale che in quello animale, di cui costituisce uno dei componenti essenziali.

Radici “classiche”
Il nome del nostro elemento deriva da Magnesia, una delle prefetture dell’antica Tessaglia, in Grecia, nella cui regione venivano estratti numerose sostanze, chimicamente diverse ma simili per consistenza e colore, utilizzate dagli antichi alchimisti. Nel 1755 il chimico e fisico scozzese Joseph Black riconobbe il magnesio come elemento, nel 1808 Sir Humphrey Davy, noto chimico inglese, lo isolò elettroliticamente, mentre nel 1831 un altro chimico, il francese Antoine Bussy, lo preparò in forma “coerente”.

Enormi vantaggi produttivi
Il magnesio può essere lavorato più facilmente rispetto ad altri materiali, in quanto garantisce: bassa resistenza agli utensili da taglio, possibilità quindi di essere lavorato ad alte velocità di taglio, ottima saldabilità senza perdita di resistenza (in atmosfera controllata), buona resistenza alla corrosione (con agenti leganti) e all’invecchiamento. Per realizzare un componente in magnesio si possono utilizzare gli stessi processi adottati per gli altri metalli: colata in sabbia e in conchiglia, pressofusione (anche per particolari complessi a parete sottile), lavorazione di truciolo, estrusione, forgiatura (deformazione plastica post estrusione), saldatura (in atmosfera controllata) e assemblaggio. Queste caratteristiche lo rendono interessante per l’industria, nonostante alcune precauzioni da osservare trattandosi di un materiale incendiabile più facilmente di altri.
Il processo tecnologico maggiormente utilizzato è quello di presso-fusione, soprattutto per l’elevata produttività, l’alta precisione, l’elevata qualità e finitura superficiale, la possibilità di ottenere microstrutture fini, anche su pareti sottili e in geometrie complesse, l’elevata fluidità della fusione e i possibili incrementi di velocità del processo fusorio sino al 50%.  Infatti, grazie alla buona stabilità dimensionale, il ritiro è costante durante tutto il processo di solidificazione e lo stress da ritiro è praticamente assente. Inoltre, è possibile utilizzare stampi di acciaio con aumento della vita degli stessi, e con risparmio di energia durante il processo per la bassa dispersione termica. In aggiunta ai classici processi di fonderia, i componenti in magnesio possono anche essere ottenuti con altre tecnologie, alcune delle quali davvero innovative, come i sistemi di colata e/o di iniezione in semisolido (Thixomolding, Rheocasting) i quali risultano in rapido e costante sviluppo. Il “thixomolding”, in particolare, è un sistema di stampaggio ad iniezione in cui il magnesio è allo stato semi-solido: esso permette di “processare” palline sferiche o polveri e realizzare componenti metallici dalle caratteristiche meccaniche elevate con aspetti superficiali dettagliati e spessori molto sottili.
Per quanto riguarda infine la lavorazione per asportazione di truciolo, il magnesio e le sue leghe possono essere lavorati anche a velocità di taglio elevate e con grandi spessori di truciolo, per una ridotta usura degli utensili, con la possibilità inoltre di ottenere ottima finitura superficiale e rugosità fino a 0,1 micron.

 

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