Alluminio Riciclato al 100%: Missione Possibile per la Lega AlSi9Cu3(Fe)? Scopriamolo Insieme!

Ciao a tutti gli appassionati di materiali e sostenibilità! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel mondo dell’alluminio, un metallo che usiamo tutti i giorni, spesso senza nemmeno rendercene conto. In particolare, ci tufferemo nell’universo della lega AlSi9Cu3(Fe) (conosciuta anche con la sigla EN AC 46000), una vera star nell’industria automobilistica e dei trasporti. Perché? Perché è robusta, dura il giusto, e resiste bene alla corrosione. Ma c’è un “ma”, o meglio, una sfida che mi appassiona particolarmente: cosa succede quando proviamo a produrla usando esclusivamente materiale riciclato?

Viviamo in un’epoca in cui parole come “materie prime critiche” (CRM) e “strategiche” (SRM) sono sulla bocca di tutti. L’Europa, e il mondo intero, dipendono da questi materiali per settori chiave come le energie rinnovabili, il digitale, l’aerospaziale, la difesa e persino la sanità. E indovinate un po’? L’alluminio è proprio uno di questi attori fondamentali.

Perché il Riciclo dell’Alluminio è Così Cruciale?

Qui le cose si fanno davvero interessanti. Produrre alluminio da zero (alluminio primario) richiede un sacco di energia e ha un impatto ambientale notevole. Pensate che la produzione primaria in Europa emette circa 6,8 kg di CO2 per ogni kg di alluminio, mentre la media globale è addirittura di 16,1 kg! Ma riciclare l’alluminio, cioè usare materiale secondario o rottami, è tutta un’altra storia. Il processo di riciclo rilascia solo il 5% dei gas serra rispetto alla produzione primaria. Avete capito bene? Un risparmio energetico fino al 95% e un’impronta di carbonio drasticamente ridotta! È per questo che l’alluminio e le sue leghe sono considerati “materiali verdi”. Il riciclo non è solo una buona pratica, è una necessità strategica per un futuro sostenibile e per rispettare gli obiettivi del Green Deal europeo.

La Star del Giorno: Lega AlSi9Cu3(Fe)

Come accennavo, questa lega è un cavallo di battaglia, soprattutto dove serve sicurezza e affidabilità, come nei componenti auto. Le sue proprietà meccaniche (resistenza, durezza) sono eccellenti. Ma la qualità finale di un componente fatto con questa lega dipende da tanti fattori:

• La qualità della materia prima (vergine o riciclata).
• Il trattamento che subisce il metallo fuso.
• La tecnologia di colata utilizzata (come la pressofusione ad alta pressione – HPDC).

Quando si usa molto materiale riciclato, bisogna stare super attenti alla composizione chimica. Rifondere il metallo più e più volte potrebbe, in teoria, “sporcarlo” o alterarne gli equilibri, rischiando di peggiorare le sue prestazioni. Ed è proprio qui che entra in gioco la nostra indagine.

La Grande Domanda: Rifondere Solo Rottami – Si Può Fare?

Di solito, nelle fonderie, si usa un mix: un po’ di materiale di ritorno (scarti interni, materozze, ecc.) e un po’ di materiale nuovo. La prassi comune, ad esempio nella pressofusione (HPDC), è spesso un 50% di ritorno (che chiameremo CCM – Conventional Charge Material) e 50% di nuovo. Ma noi ci siamo chiesti: cosa succede se spingiamo l’acceleratore e usiamo il 100% di materiale di ritorno (che chiameremo RCM – Return Charge Material)? Mantiene le sue fantastiche proprietà o inizia a cedere?

Sbirciare Dentro: Cosa Ci Dice la Scienza?

Per capirlo, abbiamo messo in campo un po’ di tecnologia. Abbiamo prodotto dei campioni di prova usando la tecnologia HPDC, partendo da questo materiale 100% riciclato. Poi li abbiamo analizzati sotto ogni aspetto:

• Analisi Chimica: Per vedere se la composizione era ancora nei limiti richiesti dalla norma (EN 1706).
• Modellazione Termodinamica (Thermo-Calc): Un software potentissimo che ci permette di prevedere come solidificherà la lega in base alla sua composizione chimica, sia in condizioni ideali (equilibrio) sia reali (non-equilibrio, come nel processo Scheil-Gulliver).
• Analisi Termica Simultanea (STA): Un esperimento reale che misura cosa succede (temperature di trasformazione, calore rilasciato o assorbito) mentre il materiale si scalda e si raffredda.
• Microscopia: Abbiamo guardato la lega al microscopio ottico ed elettronico a scansione (SEM) per vedere la sua “faccia” interna, la microstruttura, cioè come sono disposti i vari cristalli e le fasi.
• Prove Meccaniche: Abbiamo tirato i campioni fino a romperli per misurare la loro resistenza (snervamento e trazione) e quanto si allungano prima di cedere (allungamento).

Il Check-up Chimico: Promosso con Lievi Note

La prima buona notizia: confrontando la composizione chimica del nostro materiale 100% riciclato (RCM) con i requisiti della norma EN 1706, tutto rientrava nei limiti! Certo, abbiamo notato che i livelli degli elementi importanti (come silicio, rame, magnesio) erano leggermente più bassi rispetto al materiale convenzionale (CCM), ma comunque perfettamente conformi. Questo ci dice che, almeno dal punto di vista chimico, la rifusione non ha causato “disastri”. La presenza di ferro e manganese, insieme alla tecnologia HPDC, ci faceva aspettare la formazione di specifiche fasi intermetalliche ricche di ferro, come la Al15Si2M4 (dove M sta per Cr, Fe, Mn) e la famigerata fase aghiforme β-Al5FeSi.

I Segreti della Solidificazione Svelati

Qui entra in gioco la modellazione e l’analisi termica. Immaginate la lega che si raffredda da liquida a solida: non è un processo istantaneo. Si formano prima certi cristalli (l’alluminio primario, αAl), poi altri (il silicio eutettico, βSi, insieme all’alluminio), e via via diverse fasi intermetalliche complesse, basate su ferro, rame, magnesio (come Al5FeSi, Al2Cu, Al3Cu2Mg9Si7).
La modellazione (usando il diagramma di Scheil, più realistico per la pressofusione) ci ha mostrato che la sequenza di formazione di queste fasi rimaneva la stessa sia per il materiale CCM che per il nostro RCM. Cambiavano leggermente le temperature a cui queste trasformazioni avvenivano e l’intervallo totale di solidificazione (un po’ più stretto per l’RCM secondo il modello: 89.10 °C contro 92.71 °C del CCM).
L’analisi termica sperimentale (STA) ha confermato la sequenza prevista dal modello, ma ha rivelato che le temperature reali di trasformazione erano leggermente più basse rispetto a quelle modellate, e l’intervallo di solidificazione risultava un po’ più ampio (di 7-10 °C). Questo è normale, i modelli sono potenti ma la realtà ha sempre le sue sfumature! La cosa importante è che non sono emerse differenze drastiche o inaspettate nel comportamento durante il raffreddamento.

Uno Sguardo al Microscopio: La Struttura Interna Regge

E la microstruttura? Le immagini al microscopio hanno confermato quello che ci aspettavamo e che la modellazione suggeriva. Abbiamo visto:

• La matrice di alluminio primario (αAl).
• La fase eutettica (αAl + βSi).
• Le fasi intermetalliche a base di ferro: sia quelle aghiformi (β-Al5FeSi), che non sono proprio il massimo per le proprietà meccaniche, sia quelle con morfologia detta a “scrittura cinese” (Al15Si2M4(M=Cr, Fe, Mn)), generalmente meno dannose.
• Le fasi a base di rame e magnesio (Al2Cu e la complessa Al3Cu2Mg9Si7), che si trovano spesso ai bordi dei grani cristallini.

La cosa fondamentale è che la microstruttura del materiale 100% riciclato (RCM) era del tutto simile a quella che ci si aspetta da questa lega, senza deviazioni significative o formazione di fasi anomale. Anche la morfologia (la forma) delle varie fasi era quella tipica. Questo è un ottimo segno!

Il Momento della Verità: Le Prove Meccaniche

Eccoci al dunque: come si comporta meccanicamente questo materiale 100% riciclato? Abbiamo testato i campioni appena prodotti (“as-cast”), dopo 30 giorni (per vedere l’effetto dell’invecchiamento naturale a temperatura ambiente) e dopo un trattamento termico T5 (un trattamento specifico per migliorare le proprietà).
I risultati?

• Resistenza a Snervamento (Rp0.2): Qui abbiamo notato una leggera diminuzione. Il materiale RCM “as-cast” aveva una resistenza a snervamento (127.1 MPa) inferiore a quella del CCM (136 MPa) e sotto il minimo richiesto dalla norma (140 MPa). Dopo 4 settimane di invecchiamento naturale, è migliorata un po’ (137.3 MPa), avvicinandosi al limite. Solo dopo il trattamento termico T5 ha superato brillantemente il requisito.
• Resistenza a Trazione (Rm): Qui le notizie sono ottime! In tutti i casi (as-cast, invecchiato, trattato T5), la resistenza a trazione del materiale RCM era superiore a quella richiesta dalla norma.
• Allungamento: Anche qui, risultati eccellenti. L’allungamento (quanto il materiale si deforma prima di rompersi) era molto più alto del minimo raccomandato in tutte le condizioni testate.

Allora, Possiamo Davvero Usare il 100% di Riciclato? Il Verdetto

Tirando le somme di questa avventura scientifica, cosa possiamo dire? Nonostante una leggera “deroga” nella composizione chimica (ma sempre entro i limiti!) e una riduzione iniziale della resistenza a snervamento (che però migliora con l’invecchiamento o un trattamento T5), i risultati sono decisamente incoraggianti!
La sequenza di solidificazione rimane stabile, la microstruttura si sviluppa correttamente e le proprietà meccaniche chiave come la resistenza a trazione e l’allungamento sono ottime. Questo ci dice che il materiale di ritorno al 100% per la lega AlSi9Cu3(Fe) si comporta come un materiale di carica di alta qualità.
Certo, la prima rifusione mostra un leggero calo nello snervamento “a freddo”, ma il potenziale di applicazione e riciclo rimane altissimo. Dimostra che spingere verso un utilizzo massiccio di alluminio secondario non è solo un sogno ambientalista, ma una strada tecnicamente percorribile e vantaggiosa.

È stata un’indagine affascinante, non trovate? Vedere come anche un materiale completamente riciclato possa mantenere prestazioni così elevate mi dà grande speranza per un futuro industriale più circolare e sostenibile. Continueremo a esplorare e a spingere i limiti del riciclo!

Fonte: Springer