Come trovare i giusti metalli resistenti alla corrosione

Sebbene l'ossigeno impedisca agli esseri umani e a praticamente ogni altra forma di vita sulla Terra di fare la fine dei dinosauri, in realtà è un elemento tossico e altamente corrosivo, più adatto a mandare razzi nello spazio che a sostenere la vita. È solo perché i nostri corpi si sono evoluti per utilizzare l'ossigeno in modi spettacolari e perché l'atmosfera contiene una quantità così piccola di questa sostanza sgradevole - circa il 21% in volume, mentre la maggior parte del resto è azoto - che siamo in grado di esistere.

Molti metalli hanno superpoteri simili. Mentre il ferro e la sua progenie, l'acciaio al carbonio, arrugginiscono rapidamente se non sono protetti da vernici, placcature e rivestimenti simili, altri metalli, come l'alluminio e l'acciaio inossidabile, reagiscono con l'ossigeno dell'aria formando un sottile guscio protettivo noto come strato di passivazione. Di questo si parlerà tra breve.

Non ci addentreremo nei meccanismi elettrochimici che causano lo sviluppo della ruggine in tutte le sue varie forme: è un argomento da nerd, che interessa soprattutto i metallurgisti e gli scienziati dei materiali. Ricordiamo però che la ruggine si sviluppa più rapidamente in presenza di aria umida e acqua, soprattutto salata, e che anche l'edificio più alto e il ponte più imponente finiscono per cedere a causa di essa.

La buona notizia è che è disponibile un'ampia scelta di metalli resistenti alla corrosione e noi lavoriamo, stampiamo in 3D e produciamo quelli più utilizzati. Ecco una rapida panoramica di ciascuno di essi, insieme ad alcuni esempi di applicazione.

Alluminio

Questo elemento è una scelta eccellente per un'ampia gamma di applicazioni. Le sue numerose leghe sono resistenti, leggere, non magnetiche ed elettricamente conduttive, il che le rende adatte a qualsiasi tipo di applicazione, dagli utensili da cucina ai mobili da giardino, dalla strumentazione per macchinari agli alloggiamenti per l'elettronica e alle apparecchiature scientifiche.

Disponiamo di cinque classi di alluminio per la lavorazione CNC e di una classe per la stampa 3D.

• La 6082-T651, molto simile alla 6061, è una lega di uso generale che può essere facilmente fresata, tornita, tagliata al laser, piegata, formata e saldata.
• La 7075-T651 e la 7075-T7351 sono entrambe utilizzate nel settore aerospaziale, laddove la seconda risulta più dura e resistente.
• La 5083-H111 è più resistente alla corrosione, perché ha un più alto contenuto di magnesio.
• La 2024-T351 è un'altra qualità per il settore aeronautico, specifica per i componenti sottoposti a tensione per la sua resistenza alle sollecitazioni.

E per le parti stampate in 3D, c'è l'AlSi10Mg, una qualità di alluminio resistente da tempo utilizzata per le fusioni. E il sottile strato protettivo di cui abbiamo parlato prima? Nell'alluminio si chiama ossido di alluminio, un composto chimico estremamente duro presente in molte mole. Se si desidera un rivestimento più resistente, si può ricorrere anche all'anodizzazione.

Titanio

Iniziamo col dire che questo metallo leggero ha un prezzo elevato. Se questo non vi preoccupa, continuate a leggere! I metallurgisti vi diranno che è resistente quanto l'acciaio, pur pesando la metà, e che è due volte più resistente dell'alluminio, ma con un peso una volta e mezza superiore. Curiosità a parte, il titanio è anche uno dei metalli più resistenti alla corrosione grazie alla formazione di un rivestimento di ossido di titanio in presenza di ossigeno (ovvero quasi sempre). 

Il titanio Ti6Al4V viene giustamente definito un "cavallo di battaglia" per il suo largo impiego per protesi mediche, motori aeronautici, impianti di generazione di energia, attrezzature sportive e altre applicazioni. Viene ampiamente utilizzato per la lavorazione e la stampa 3D.

Cobalto-cromo

Questa lega vanta molte delle stesse caratteristiche meccaniche dell'acciaio inossidabile, ma è leggermente più robusta e resistente all'usura. Grazie alla sua biocompatibilità, potreste portare una fede al cromo di cobalto al dito, una protesi in bocca o un'articolazione sostitutiva del ginocchio o dell'anca, benché il cromo di cobalto sia comune anche in molte applicazioni industriali, come i rivestimenti dei forni e i componenti dei motori. Mentre gli acciai inossidabili appena elencati sono abituali fruitori delle frese CNC, dei torni e della sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS) di Protolabs, la superlega di cobalto-cromo Co28Cr6Mo è attualmente limitata alla stampa 3D DMLS.

Inconel

Si tratta di un'altra proposta esclusiva per la stampa DMLS. Infatti, questa superlega è piuttosto impegnativa da lavorare (come tutte le superleghe), ma è facilmente stampabile in 3D per ottenere pezzi di dimensioni fino a 400×800×500 mm (31,5×15,7×19,7 in.) su alcune delle nostre stampanti. Come l'acciaio inossidabile 17-4, l'Inconel 718 è indurente per precipitazione, ma contiene quantità molto più elevate di nichel (circa dieci volte tanto), oltre al 5% circa del metallo refrattario niobio e quasi altrettanto molibdeno. Questo spiega la sua grande resistenza e le sue elevate capacità termiche, che ne fanno uno dei materiali preferiti per qualsiasi componente soggetto a temperature fino a 700 °C (1.300 °F) e a carichi meccanici estremi. Inoltre, è resistente a qualsiasi tipo di corrosione.

Ottone

Lega di rame e zinco, si colloca all'estremità opposta della classifica di lavorabilità rispetto a Inconel, titanio e cobalto-cromo. Tuttavia, ciò non lo rende meno prezioso, soprattutto per chi è alla ricerca di un metallo resistente alla corrosione e facilmente lavorabile, utile per rubinetti e adattatori idraulici, cuscinetti, dissipatori di calore, elementi di fissaggio filettati e qualsiasi altro pezzo che richieda un'elevata conducibilità elettrica e termica. Protolabs dispone di due tipi di ottone. Il cosiddetto ottone a taglio libero C360 (Cz121 o CuZn36Pb3) deve il suo nome alla presenza di una traccia di piombo, che facilita la lavorazione e rende questo metallo giallo molto popolare per la lavorazione di viti in grandi volumi. Analogamente, la lega C464 (Cz112 o CuZn36Sn1) è nota come ottone navale per la sua eccellente resistenza alla corrosione e il conseguente utilizzo per componenti destinati a un ambiente marino. Per i pezzi torniti e fresati, l'ottone è un'alternativa interessante con molte qualità apprezzabili, non ultima la sua estetica. 

Rame

Infine, nella nostra hit parade della resistenza alla corrosione, figura il rame di grado C101. Dal punto di vista elettrico e termico è uno dei materiali più conduttivi del pianeta. Il rame si sovrappone in qualche misura all'ottone in termini di applicazioni, ma è generalmente più plasmabile, meno lavorabile e un po' più costoso. È un'ottima scelta per gli scambiatori di calore ad alte prestazioni e per applicazioni elettroniche o elettriche (ad esempio, la schermatura EMI). Grazie alle sue proprietà antimicrobiche, è sempre più utilizzato nelle apparecchiature ospedaliere.