Le fonti piu importanti per la sua estrazione sono rappresentate dall’acqua di mare e dai minerali come la dolomite.
I procedimenti piu usati per la produzione del magnesio sono quello elettrolitico (85% della produzione) e quello termico.
Nel processo elettrolitico viene utilizzato il cloruro di magnesio ricavato dall’acqua di mare concentrata per evaporazione e trattata con ossido di calcio che provoca la precipitazione di magnesio idrato, il quale dopo filtrazione, viene trasformato in cloruro per trattamento con acido cloridrico. L’elettrolisi del cloruro fuso viene eseguita a circa 750°C; il magnesio che si libera ai catodi allo stato fuso viene colato in lingotti a loro volta rifusi piu volte per eliminare le impurezze di Cl, Fe, Ni, Cu, etc.
Nel processo termico l’ossido di magnesio (in Italia dolomite: MgCO3 · CaCO3 ) viene ridotto a metallo alla temperatura di 1200- 1300° C con carbonio. Il magnesio metallico a 1200° C si trova allo stato di vapore che distilla e viene raccolto, sotto vuoto, in condensatori.
Il magnesio e le sue leghe hanno tuttavia molti svantaggi che ne limitano l’impiego su vasta scala.
Quelli principali sono:
- costo maggiore rispetto all’alluminio;
- difficolta' nella realizzazione dei getti di magnesio, perche' allo stato fuso esso brucia all’aria e quindi il processo di fusione deve essere effettuato in atmosfere controllate;
- resistenza meccanica relativamente bassa;
- modesta resistenza a creep, fatica e usura;
- struttura cristallina EC che rende difficoltosa la deformazione a temperatura ambiente;
- bassa resistenza alla corrosione, data la posizione molto bassa che il magnesio assume nella serie dei potenziali standard (-1.87 V).
Tra i vantaggi possiamo ricordare:
- ottima lavorabilita' alle macchine utensili a cui e' collegata una lunga durata degli stessi;
- eccellente colabilita' e, quindi, possibilita' di ottenere per fusione particolari forme assai complesse;
- densita' molto bassa con conseguenti applicazioni in campo aerospaziale.
Come si e' accennato prima, il magnesio ha una struttura EC e, pertanto, a temperatura ambiente, la deformazione puo' avvenire solo per scorrimento lungo i piani di base del reticolo. Quindi, le leghe di magnesio vengono di solito deformate a caldo e non a freddo, per permettere lo scorrimento di altri piani oltre a quelli di base.
- leghe per deformazione plastica, principalmente nella forma di lamiere, lastre, profilati e forgiati;
- leghe da fonderia.
Basandosi sulla composizione chimica viene utilizzata la seguente classificazione:
Leghe per deformazione plastica:
1) Mg-Al-Zn
2) Mg-Th-Zr
3) Mg-Th-Mn
4) Mg-Zn-Zr
Leghe da fonderia:
1) Mg-Al-Mn
2) Mg-Al-Zn
3) Mg-Zn-Zr
4) Mg-Terre rare-Zn-Zr
5) Mg-Terre rare-Ag-Zr e/o Th
6) Mg-Th-Zr e/o Zn.
Le leghe di magnesio vengono solitamente designate da due lettere maiuscole seguite da due o tre numeri. Le lettere indicano i due piu' importanti elementi di lega presenti: la prima lettera indica l’elemento in concentrazione piu' alta e la seconda indica l’elemento con la concentrazione immediatamente piu' bassa; il primo numero che segue le lettere indica la percentuale in peso dell’elemento della prima lettera (se ci sono solo due numeri) e il secondo numero indica la percentuale in peso dell’elemento della seconda lettera. Una eventuale ulteriore lettera indica che la lega ha subito una particolare modifica.
Le lettere seguenti vengono utilizzate per indicare gli elementi di lega nel magnesio:
A = alluminio
E = terre rare
H = torio
K = zirconio
Q = argento
Z = zinco
M = manganese
S = silicio
T = stagno
N.B.: per le leghe da fonderia occorre tener conto che il magnesio, per la sua estrema ossidabilita', si infiamma spontaneamente in presenza di ossigeno atmosferico o anche di acqua; in quest’ultimo caso, data la contemporanea liberazione di idrogeno, possono verificarsi delle vere e proprie esplosioni. Da qui la necessita' di operare sotto vuoto, in atmosfera inerte o piu' convenientemente ricoprendo il metallo fuso di "flussi di copertura" costituiti da cloruri di magnesio, calcio, sodio e potassio, che, disponendosi sul bagno liquido di metallo, lo isolano dall’ambiente esterno.
a) leghe di magnesio con Al-Zn e/o Mn;
b) leghe di magnesio con Zn-Zr;
c) leghe di magnesio con terre rare-Th e/o Ag.
Leghe di magnesio con Al-Zn e/o Mn
Sono la maggior parte delle leghe ultraleggere da fonderia e da deformazione plastica.
L’ alluminio e lo zinco, presenti in tenori non superiori al 10 e 3% , le rendono trattabili termicamente ed hanno un effetto particolarmente benefico migliorando contemporaneamente il carico di rottura e di snervamento. Lo zinco migliora, in particolare, la tenacita' e la colabilita' delle leghe.
Il manganese aumenta la resistenza a corrosione.
Queste leghe, pur presentando un carico di rottura sufficientemente elevato ed una buona plasticita', hanno alcune limitazioni dovute a:
- carico di snervamento modesto rispetto a quello di rottura;
- difficolta' di ottenere getti sani per una tendenza a dare difetti di fusione, specialmente per forme complicate e di spessore elevato;
- impossibilita' di operare a temperature superiori a 130°C perche' la resistenza meccanica decade rapidamente con la temperatura.
Quindi, queste leghe sono caratterizzate da un basso limite di snervamento ed e' importante notare come ad un aumento anche lieve della resistenza, corrisponda una forte riduzione dell’allungamento percentuale e di conseguenza una notevole fragilizzazione del materiale ed una riduzione della tenacita' a frattura. Il raggiungimento di maggiori caratteristiche meccaniche comporta piu' alti tenori di Al e Zn che pero' non superano globalmente l’11% , oltre il quale le leghe risultano eccessivamente fragili.
Leghe del tipo AZ81, AZ91 e AZ92, a piu' elevate caratteristiche meccaniche, si impiegano dove non sono richieste particolari doti di tenacita'.
I tenori piu' elevati di Al (8% ) li raggiunge la lega AZ80, che e' quella che presenta resistenza meccanica maggiore.
Leghe di magnesio con Zn-Zr
Queste leghe tendono a sostituire le precedenti negli usi piu' impegnativi dato che presentano migliori caratteristiche meccaniche, buone doti di colabilita' e di lavorabilita' oltre ad una maggiore resistenza alla corrosione. Questo e' possibile grazie alla spiccata azione affinante dello zirconio sulla struttura cristallina ed all’azione indurente dello zinco. In particolare, si ha un notevole aumento del carico di snervamento senza riduzione eccessiva della tenacita'.
Il carico di rottura e quello di snervamento aumentano all’aumentare del tenore di zinco che, in pratica, non supera il 6% per non infragilire troppo le leghe.
Leghe di magnesio con terre rare-Th e/o Ag
La limitazione che rendeva difficile l’impiego di magnesio oltre i 130°C e' stata superata ricorrendo a leghe con terre rare, torio e argento di esclusivo impiego in fonderia. Alcune di queste sono lavorabili plasticamente e presentano caratteristiche meccaniche accettabili fino ai 250°C, altre sino ai 350°C.
Le terre rare vengono aggiunte al magnesio sotto forma di "mish-metal" ottenuto da sabbie contenenti circa il 50% di cerio, il 20% di lantanio, il 18% di neodimio ed il 6% di praseodimio.
Il cerio, che e' l’elemento principale della miscela, si scioglie a caldo nel magnesio formando una soluzione solida che puo' essere fissata a temperatura ambiente con un raffreddamento rapido: un successivo riscaldamento prolungato, a circa 200°C, da luogo alla separazione di un composto magnesio-cerio in forma finemente suddivisa e dispersa che aumenta notevolmente la resistenza a caldo delle leghe.
La loro piu' importante qualita' e' quella di avere un minore decadimento della resistenza con l’aumento della temperatura rispetto alle leghe descritte precedentemente.
Dove pero' lo sviluppo e' stato maggiore e' nel settore missilistico ed attualmente gli studi sono indirizzati proprio in tale campo dove e' fondamentale la leggerezza mentre la tenuta nel tempo costituisce un fattore non determinante. Alcuni missili hanno strutture costituite addirittura dal 90% di magnesio.
Attualmente una
lega molto studiata e' la lega magnesio-litio: quelle sperimentate contengono
dal 10 al 15% di litio e presentano una struttura cubica corpo centrato,
per cui la lavorazione plastica ne risulta notevolmente agevolata.
