Il Rame e le sue Leghe

Il Rame e le sue Leghe
Descrizione.
Elemento metallico marrone-rosso, il rame puro è un metallo non
ferroso, di simbolo Cu e numero atomico 29, con struttura reticolare
cubica a facce centrale; appartiene agli elementi di transizione della
tavola periodica. La sua particolare struttura elettronica, caratterizzata da
un guscio completo di elettroni 3d debolmente schermate, comporta una
forte interazione con l’elettrone più esterno 4s, testimoniata da
un’elevata energia di prima ionizzazione e da una bassa reattività
chimica. I valori dei potenziali di seconda e terza ionizzazione, viceversa, Figura 1: Atomo di rame
risultano essere relativamente poco elevati in conseguenza della facilità
di rimozione degli elettroni 3d dal loro guscio, giustificano i diversi stati di ossidazione e il
comportamento elettrico.
Nell’antichità.
Il rame, dopo l’oro fu il primo metallo conosciuto e usato dall’uomo. Sono stati ritrovati oggetti in
rame costruiti 10.000 anni fa. L’uso del rame aprì una nuova era dell’umanità: finì l’età della pietra
(paleolitico e neolitico) e iniziò l’età dei metalli. Il rame era semplice da lavorare ed era abbastanza
resistente, veniva utilizzato per costruire armi, utensili e attrezzi rudimentali. Oggetti di rame sono
stati trovati tra i resti di molte civiltà antiche come in Egitto, Asia, Europa e Grecia.
Successivamente gli uomini impararono l'uso delle sue leghe
come il bronzo e l'ottone. I romani chiamavano cyprum e lo
utilizzavano anche per la realizzazione di strumenti adibiti alle
pratiche religiose.
Figura 3: Punta di freccia dell'età
del rame. Museo Civico
Archeologico Etnologico di Modena
Figura 2: Asce piatte in rame. Bergamo
Museo Civico Archeologico
Caratteristiche.
Il rame, metallo molto duttile e malleabile, è dopo l'argento il miglior
conduttore di calore e di elettricità. Insieme con l'oro, è l'unico metallo
colorato in natura, avente una temperatura di fusione pari a 1083°C e
massa volumica di 8900 kg/m3.
Possiede conducibilità elettrica e termica elevatissime, è molto resistente
Figura 4: Minerale di
alla corrosione e non è magnetico. È facilmente lavorabile, estremamente
rame
duttile e malleabile; può essere facilmente riciclato e i suoi rottami hanno un
alto valore di recupero, si combina con altri metalli a formare numerose leghe
metalliche; le più comuni sono il bronzo e l'ottone, tra le altre, anche il cupreo nichel e i
cuprallumini (detti anche bronzo alluminio).
1
Figura 5. Sezione di tubi in rame
Le caratteristiche positive del rame, che ne giustificano l'applicazione in diversi campi sono:
• Elevata conduttività termica;
• Facilità di formatura (che è la preparazione della forma per l'esecuzione di un getto);
• Duttilità
• Malleabilità
• Possibilità di formare leghe con altri elementi;
• Resistenza alla corrosione;
• Attitudine alla giunzione;
• Carico di rottura discreto, accoppiato ad un allungamento elevato;
• Discreta resistenza meccanica;
• Buona facilità di posa in opera;
• Facilmente lavorabile a caldo e a freddo;
• Facilità di riciclaggio.
Le caratteristiche negative:
• Prezzo elevato;
• Mediocri prestazioni meccaniche,alle quali però si può rimediare ricorrendo all'impiego di leghe.
Proprietà fisiche e meccaniche del rame puro
Numero atomico
Struttura reticolare
Peso atomico
Densità (kg/dm³)
Temperatura di fusione °C
Resistività a 20°C (mW cm)
Conducibilità termica W/m · K at 20 °C
Coefficiente di dilatazione termica:
mm/m100°C
Resistenza a trazione kg/mm²
Durezza Brinnel: N/mm²
Modulo elastico GPa
Carico di rottura kg/mm²
Allungamento a rottura: 50 mm %
Carico di snervamento (Mpa)
29
f.c.c.
63,546
8,96
1083
1,694
386
1,65
20,35
64
Tension 115 GPa / Shear 44 GPa
150
38
60
Impieghi.
2
Il rame è impiegato allo stato puro, segnatamente in elettricità, sotto forma di fili e nell'industria
elettrotecnica e termotecnica come elemento per la refrigerazione, sotto forma di serpentine, di
piastre di scambiatori di calore, ma anche nei pannelli solari e radianti a parete e a pavimento. I
tubi di rame vengono usati per trasportare acqua potabile, gas combustibili, gas
medicinali, acqua per il riscaldamento e fluidi per il condizionamento.
In edilizia e architettura è usato come manto di copertura e per tubazioni di
raccolta dell'acqua piovana, grazie alla sua notevole resistenza alla corrosione.
In questo caso in conseguenza all'aggressione degli agenti atmosferici
6: catodidi
di rame
rame (cioè il
(ossidazione) si crea uno strato protettivo costituito daFigura
sali basici
verderame' che conferisce la caratteristica colorazione verdastra) ed è auto
Figura 7: fili di rame
rigeneratore : infatti se questa pellicola viene deteriorata in qualche punto, si
ricostruisce velocemente proteggendo il metallo o la lega sottostante.
Si può facilmente ricavarne piastre, cornici, medaglie e oggetti da arredamento. Il rame è usato per
coniare monete fin dall'antichità .ma al giorno d'oggi le monete da 10,20 e 50 centesimi
e da 1 e 2 euro sono in lega di rame, mentre quelle da 1,2 e 5 centesimi sono
semplicemente di acciaio ramato esternamente.
Insieme con l'alluminio e lo zinco, il rame viene utilizzato anche in applicazioni
tecnologicamente avanzate, come per esempio nelle leghe a memoria di forma, che
assumono due forme diverse a seconda se sono al di sopra o al di
sotto di una certa temperatura. Infine è adoperato nella preparazione di
molte sue leghe, quali gli ottoni, i bronzi, i bronzi di alluminio, ecc. Così
anche nella produzione dei suoi composti, come il solfato di rame,
comunemente chiamato verderame è largamente usato quale
anticrittogamico. In particolare sono due le serie di composti: i composti
rameosi nei quali presenta lo stato di ossidazione +1, e quelli
rameici in cui ha stato di ossidazione +2. I primi vengono ossidati
facilmente a rameici, anche per semplice esposizione all'aria, e
hanno poca importanza dal punto di vista industriale: i composti
rameici invece sono stabili.
Figura 8.1 (in alto a sinistra): Tubo di riscaldamento in rame
Figura 8.2: monete in euro
Figura 8.3: Rame in architettura: L'Urban Center Thiene (Vicenza)
Il minerale.
La percentuale di metallo estraibile da un minerale di rame è piuttosto bassa, tuttavia i numerosi
giacimenti sparsi in tutto il mondo riescono a soddisfare l'alta domanda di questo metallo. I minerali
più importanti dal punto di vista tecnico sono i minerali solforati, nei quali il metallo è contenuto
sotto forma di calcopirite CuFeS2, di bornite di calcosina, sempre mescolate con forti quantità di
pirite FeS2 e di altri solfuri di metalli pesanti. Di tutto il rame impiegato nel mondo solo il 60%
proviene dalle miniere, mentre il restante 40% è ricavato dal riciclo dei rottami.
I principali giacimenti e le riserve note (atte a garantire il fabbisogno mondiale per i prossimi 30
anni) sono localizzati in pochi Paesi, sette dei quali: Cile, U.S.A., Canada, Zambia, Zaire, Polonia e
Cina, contribuiscono per oltre il 70% alla produzione mondiale.
Le fonti principali di rame
3
Rame Nativo
Calcopirite
(CuFeS2)
Bornite
(Cu5FeS4)
Cuprite
(Cu2O)
Azzurrite
Cu3(CO3)2(OH)
2
Malachite
Cu2(OH)2CO3
Lavorazione.
La bassa concentrazione di rame nei minerali da cui viene estratto impone diversi stadi di
lavorazione. I minerali vengono frantumati e macinati prima di essere introdotti nella camera di
flottazione, dove il rame si separa dal resto dei frammenti, che precipitano. La polvere arricchita di
rame passa nel forno a riverbero dove buona parte delle impurità viene rimossa sotto forma di gas.
Si ottiene una miscela di rame e ferro, detta metallina, sopra la quale galleggiano delle scorie che
vengono eliminate, mentre il resto della fusione raggiunge un convertitore. Il rame fuso viene
colato in stampi, viene ulteriormente purificato per elettrolisi prima di essere usato per produrre
utensili o cavi elettrici. Possiamo quindi riassumere la produzione dei semilavorati in rame:
1. Arricchimento per flottazione: per separare i minerali utili dalla ganga, cioè dall'insieme dei
minerali sterili associati ai minerali metallici.
2. Arrostimenti ossidante ad alte temperature: per trasformare il minerale grezzo in solfuro di
rame e solfuro di ferro liberandolo dello zinco presente.
3. Ossidazione tramite convertitore: per eliminare il minerale grezzo dal ferro e da ulteriori
residui di zolfo.
4. Raffinazione: per ottenere il massimo grado di purezza del rame. Questo passaggio può
essere compiuto tramite processo termico oppure tramite elettrolisi.
Dopo la raffinazione il rame "quasi puro" può venire trasformato in semilavorato, secondo diverse
tipologie:
• Laminati: bandelle, lamiere, lamierini, lastre, nastri e piatti e che sono ottenuti per deformazione
a caldo o a freddo al laminatoio.
• Estrusi: barre, piattine e profilati ottenuti con deformazione a caldo per compressione attraverso
una matrice sagomata.
• Fucinati: ottenuti per deformazione plastica a caldo tramite maglio e incudine; (maglio: macchina
metallurgica per la forgiatura di pezzi metallici sottoposti, sopra un'incudine, all'energia cinetica di
una mazza battente);
• Stampati: ottenuti per deformazione a caldo o a freddo mediante pressione in stampi;
• Trafilati: barre, filo e profilati ottenuti con deformazione a freddo per passaggio attraverso una
filiera.
4
Figura 9: Schema di produzione del rame; dal minerale al prodotto finit
Nomenclatura.
Abbiamo già detto che il rame ha una grande attitudine a formare leghe; si stima che nel mondo se
ne usino almeno 400. Data la diffusione, l'importanza e l'età del metallo, ogni paese e regione ha
sviluppato il proprio sistema di classificazione. Pertanto è stato necessario designare in maniera
univoca le varie leghe attraverso dei numeri o dei simboli riconosciuti a livello internazionale, i quali
gradualmente stanno rimpiazzando quelli tradizionali. Riportiamo i tre più diffusi.
Sistema americano
Il sistema americano di selezione delle leghe di rame è stato il più diffuso. Inizialmente le leghe
venivano designate da un codice di tre cifre (es.377) stabilito dal Copper Development
Association. Successivamente questo codice è stato esteso a cinque cifre, precedute dal prefisso
"C" (es. 37700) di modo da essere compreso negli standard più "universali" del codice
nordamericano UNS (Unified Numberig System). Quest'ultimo consiste infatti in una lettera seguita
da cinque cifre: la lettera stabilisce il metallo base della lega, come la A per l'alluminio e la L per il
piombo. Per quanto riguarda le cifre, le prime tre indicano la famiglia di leghe principale e possono
essere seguite da tre zeri, come mostrato nelle seguenti tabelle.
LEGHE DI RAME BATTUTO
Designazione UNS
Tipo di lega
Specifiche ASTM
C10100-C15760
Rame (>99%)
C16200-C19600
Leghe ad alto contenuto di rame (>96%)
B 68, B 75, B 88, B 111, B
188, B 280, B 306, B 359,
B 360, B 372, B 395, B
447, B 543
B 111, B 359, B 469
C20500-C28580
Ottoni (Cu-Zn)
B 111, B 135, B 359, B
395, B 543
5
C31200-C38900
Ottoni di Piombo (Cu-Zn-Pb)
B 135
C40400-C49080
Ottoni di Stagno (Cu-Sn-P)
B 111, B 359, B 395
C50100-C52400
Bronzi al fosforo (Cu-Sn-P)
C53200-C54800
Bronzi al fosforo e Piombo (Cu-Sn-Pb-P)
C55180-C55284
C64700-C66100
Rame al fosforo e leghe rame-argento al
fosforo (Cu-P-Ag)
Bronzi di alluminio e bronzi alluminiosilicei (Cu-Al-Ni-Fe-Si-Sn)
Bronzi di silicio (Cu-Si-Sn)
B 111, B 124, B 283, B
315, B 359, B 395,
B 315
C66400-C69900
Altre leghe di rame e zinco
B 111, B 359, B 395
C70000-C79900
Cupro-Nichel
B 111, B 359, B 395, B
466, B 467, B 543, B 552
C73200-C79900
Alpacche (Cu-Ni-Zn)
C60600-C64400
Le fusioni delle leghe di rame sono usate in applicazioni che richiedono una superiore resistenza
alla corrosione, un’alta conduttività termica o elettrica, buone qualità resistenza all’usura, o altre
caratteristiche specifiche. La fusione permette di produrre parti la cui foggia non viene ottenuta
facilmente attraverso metodi di fabbricazioni quali la formatura e la lavorabilità. Spesso è più
economico produrre una parte in fusione piuttosto che utilizzare altri metodi (saldatura di
componenti).
Designazione UNS
C80100-C81100
C81300-C82800
C83300-C85800
C85200-C85800
C86100-C86800
C87300-C87900
C90200-C94500
C94700-C94900
C95200-C95810
C96200-C96800
C97300-C97800
C98200-C98800
FUSIONI IN LEGGHE DI RAME
Tipo di lega
Specifiche ASTM
Rame (>99%)
Leghe ad alto contenuto di rame
(>94%)
Ottoni rossi e rossi al piombo (CuZn-Sn-Pb, 75-89% Cu)
Ottoni gialli e gialli al piombo (CuZn-Sn-Pb, 57-74% Cu)
Bronzi al manganese e bronzi al
manganese al piombo (Cu-Zn-MnFe-Pb)
Bronzi ed ottoni al silicio (Cu-ZnSi)
Bronzi allo stagno semplici e con
piombo (Cu-Sn-Zn-Pb)
Bronzi al nickel-stagno (Cu-Ni-SnZn-Pb)
Bronzi di alluminio (Cu-Ni-Fe)
Cupro-nickel (Cu-Ni-Fe)
Alpacche (Cu-Ni-Zn-Pb-Sn)
Rame al piombo (Cu-Pb)
B 62, B 271, B 584,
B 176,
B 22, B 176, B 271, B 584,
B 176, B 271 B 584,
B 22, B 61, B 66, B 67, B 271
B 148, B 271,
B 271
6
C99300-C99750
Miscele di leghe
Il sistema tradizionale di designazione dei trattamenti termici assegna un codice alfanumerico ad
ogni designazione di tempra: le due cifre xx si riferiscono all'ammontare della deformazione a
freddo, o si riferiscono ad un prodotto specifico.
Hxx
HRxx
Mxx
Oxx OSxx
TBxx
TDxx
TFxx
TMxx
TQxx
WHxx
Trattamento per
ricavare proprietà
meccaniche
richieste “O”
O10
O11
O20
O25
O30
O31
O40
O50
O60
O61
O65
O68
O70
O80
O81
O82
deformati a freddo
deformati a freddo con riduzione stress interni
grezzi
ricotti
solubilizzati
solubilizzati e deformati a freddo
solubilizzati e induriti per precipitazione
induriti per laminazione
induriti per tempra
saldabili
Stato fornitura
Cast and Annealed (Homogenized)- getto e ricottura
As Cast and Precipitation Heat Treated- fusion e precipitazioni
trattate termicamente
Hot Forged and Annealed- forgiate a caldo e ricotte
Hot Rolled and Annealed- laminate a caldo e ricotte
Hot Extruded and Annealed- estrusioni a caldo e ricottura
Extruded and Precipitation Heat Treated - Estruso e
precipitazioni trattate termicamente
Hot Pierced and Annealed- Foratura a caldo e ricotte
X
X
0
0
0
X
1
2
3
4
5
6
Light Anneal - Distensione
Soft Anneal- ricottura morbida
Annealed- ricotte
Drawing Anneal- ricottura e rinvenimento/ trafilatura
Deep Drawing Anneal- ricottura a imbutitura
Dead Soft Anneal - Distensione
Annealed to Temper - 1/8 Hard- ricotto a temperamento 1/8 duro
Annealed to Temper - 1/4 Hard- ricotto a temperamento ¼ duro
Annealed to Temper - 1/2 Hard- ricotto a temperamento ½ duro
7
Trattamento per
ricavare proprietà
meccaniche
richieste “M”
M01
M02
M03
M04
M05
M06
M07
M10
M11
M20
M25
M30
M40
M45
Stato fornitura
As Sand Cast- a getto di sabbia
As Centrifugal Cast- a getto centrifuga
As Plaster Cast- a gesso
As Pressure Die Cast- a pressofusione a alta temperatura
As Permanent Mold Cast- a getto a stampo permanente
As Investment Cast- a fusione a cera persa
As Continous Cast- a getto continuo
As Hot Forged-Air Cooled- a forgiatura a caldo-raffreddati a aria
As Forged- Quenched- a forgaitura- raffreddate
As Hot Rolled- laminate a caldo
As Hot Rolled and Rerolled- laminate a caldo e rilaminate
As Hot Extruded- a estrusione a caldo
As Hot Pierced- trafitte a caldo
As Hot Pierced and Rerolled- trafitte a caldo e rilaminate
I criteri di lavorabilità delle fusioni delle leghe di rame sono simili a quelli delle loro controparti
battute. La relativa lavorabilità delle leghe fa riferimento ai tre gruppi riportati nella tabella
sottostante.
Il criterio su cui si basa la proprietà della “lavorabilità” viene espresso secondo la percentuale di
lavorabilità dell’ ottone C36000 a taglio libero. La valutazione è basata sulla velocità relativa a
parità di durata dell’utensile. Per esempio, un materiale dalla valutazione di 50 dovrebbe essere
lavorato circa a metà della velocità che dovrebbe essere usata per realizzare un taglio simile nella
lega C36000.
Designazione UNS
Nome Comune
Group 1: free-cutting alloys-Gruppo 1: leghe a taglio libero
C83600
Leaded red brass- Piombo in
ottone rosso
C83800
Leaded red brass- Piombo in
ottone rosso
C84400
Leaded semi red brassPiombo in semi ottone rosso
C84800
Leaded semi red brassPiombo in ottone semi rosso
C94300
High-lead tin bronze- Bronzo
allo stagno con alti livelli di
piombo
C85200
Leaded yellow brass- Piombo
in ottone giallo
C85400
Leaded yellow brass- Piombo
in ottone giallo
C93700
High-lead tin bronze- Bronzo
Valutazione lavorabilità %
90
90
90
90
90
80
80
80
8
C93800
C93200
C93500
C97300
allo stagno con alti livelli di
piombo
High-lead tin bronze- Bronzo
allo stagno con alti livelli di
piombo
High-lead tin bronze- Bronzo
allo stagno con alti livelli di
piombo
High-lead tin bronze- Bronzo
allo stagno con alti llivelli di
piombo
Leaded nickel brass- Ottone
al piombo
Group 2: moderately machinable alloys- Gruppo 2: Leghe moderatamente lavorabili
C86400
Leaded high-strength
manganese bronze- Bronzo al
manganese con piombo ad
alta resistenza
C92200
Leaded tin bronze- Bronzo
allo stagno con piombo
C92300
Leaded tin bronze- Bronzo
allo stagno con piombo
C90300
Tin bronze- Bronzo allo
stagno
C90500
Tin bronze- Bronzo allo
stagno
C95600
Silicon-aluminium bronzeBronzo all’alluminio-silicio
C95300
Aluminium bronze- Bronzo
all’alluminio
C86500
High-strength manganese
bronze- Bronzo all’alluminio
con alta resistenza
80
70
70
70
60
60
60
50
50
50
45
30
Group 3: hard-to-machine alloys- Gruppo 3: leghe resistenti alla lavorazione
C86300
C95200
C95400
C95500
High-strength manganese
bronze- Bronzo al manganese
ad alta resistenza
9% aluminium bronze- Bronzo
all’alluminio (9%)
11% aluminium bronzeBronzo all’alluminio (11%)
Nickel-aluminium bronzeBronzo al nichel alluminio
20
20
20
20
9
Sistema ISO/TR 7003 e designazione UNI
L'utilizzo del sistema ISO è sempre più diffuso, applicato e approfondito dalla norma UNI EN 1412
(Rame e leghe di rame -Sistema europeo di designazione numerica). Questo sistema prevede un
codice formato da sei caratteri, che possono essere cifre (0) o lettere maiuscole (X) a seconda
della loro posizione. In prima posizione va messa sempre la lettera C, che indica la lega di rame.
La seconda posizione deve essere occupata da una lettera, che ha il compito di "qualificare" il
materiale.
B = materiali in forma di lingotti per rifusione,
destinati alla produzione di getti;
C = materiali in forma di getti (in inglese:
cast);
M = leghe primarie (master alloys);
R = rame raffinato, non lavorato
plasticamente (refined);
S = materiali d’apporto per brasatura e
saldatura (solder alloys);
W = materiali sotto forma di semilavorati
(wrought);X = materiali non unificati.
Dalla terza alla qunta posizione si trovano cifre
che formano un numero compreso tra 000 a
999; se il materiale è unificato, esso cade tra
000 e 799, mentre se non lo è cade tra 800 e
999.Infine la sesta posizione è occupata da una
lettera che indica il gruppo di materiali:
A o B = rame;
C o D = leghe di rame, con meno del 5% di
altri elementi;
E o F = leghe varie di rame, con più del 5% di
altri elementi
G = leghe rame-alluminio;
H = leghe rame-nichel;
J = leghe rame-nichel-zinco;
K = leghe rame-stagno;
L o M = leghe binarie rame-zinco;
N o P = leghe rame-zinco-piombo;
R o S = leghe rame zinco, complesse.
Sistema di designazione UNI.
Viene assegnata anche notevole rilevanza anche alla designazione dello stato metallurgico, il
quale può caratterizzare il materiale quasi quanto la composizione e viene specificato negli ordini
tra produttore e cliente. Anche questo è costituito da un codice alfanumerico, riportato dalla UNI
EN 1173 (Rame e leghe di rame- designazione degli stati metallurgici) e prevede una lettera
maiuscola seguita generalmente da 3 cifre. La lettera indica la caratteristica da segnalare, le cifre
indicano il valore minimo della caratteristica.
A
B
D
G
H
M
R
Y
Allungamento
Limite di elasticità a flessione
Grezzo di filatura, senza prescrizione delle
caratteristiche meccaniche
Grossezza del grano
Durezza (Brinell o Vickers)
Grezzo di fabbricazione, senza prescrizione delle
caratteristiche meccaniche
Resistenza a trazione
Limite di elasticità allo 0.2%
10
Chiaramente le designazioni D e M non sono seguite da cifre, mentre dopo G non si indica un
valore minimo, bensì un valore medio. Spesso si cercano e si ottengono valori molto alti di una
certa caratteristica: allora le cifre vengono portate da 3 a 4, come nel caso di leghe con resistenza
a trazione elevatissima.
La ISO 1190-1 e il CR 13388
Un codice alfanumerico più "immediato" è quello della ISO 1190-1 ("Copper and copper alloyscode of designation. Part 1: designation of material"). La lega è indicata attraverso un codice di
lunghezza variabile, che riporta gli elementi presenti, sotto forma di simbolo chimico e la loro
percentuale nominale sotto forma di numero intero. Se la quantità dell'elemento in lega è compresa
in una serie di composizione, viene fatta la media, mentre se la composizione riporta solo il
contenuto minimo, si usa quello. All'inizio di ogni sigla si deve riportare il simbolo del metallo di
base. Non è necessario elencare tutti gli elementi in lega, ma solo quelli necessari per la giusta
identificazione della medesima. Si possono anche elencare elementi significativi con percentuali
sotto l'1%, ma in questo caso si omette la cifra, come in CuZn43Pb1Al, con alluminio compreso tra
lo 0,2 e lo 0,8%. Per le leghe di rame quasi puro, intorno al 99,0% minimo, è il restante 0,1% che
caratterizza le proprietà chimico-fisiche della lega. Gestire i decimali e inserirli nelle sigle con il
medesimo criterio adottato per le leghe può risultare complicato. Pertanto si è deciso di indicare le
composizioni con gli acronimi già universalmente utilizzati dagli addetti ai lavori: così abbiamo il
Cu-DHP (Deoxidized High residual Phosphor), il Cu-ETP (Electrolitic Tough Pitch), etc.
Leghe del rame
Sono riportate nella seguente tabella le composizioni, applicazioni e proprietà del rame e delle sue
leghe.
Proprietà
Resistenza a rottura
Resistenza alla corrosione
Usura
Lavorabilità
Colore
Elementi
Fosforo, Cromo, Zinco, Zirconio, Alluminio, Stagno, Ferro, Silicio,
Nichel; Manganese, Berilio
Nichel, Alluminio, Stagno, Arsenico, Manganese, Silicio, Ferro
Alluminio, Argento, Stagno, Cadmio, Silicio
Piombo, Tellurio, Zolfo, Zinco, Bismuto
Zinco, Stagno, Nichel
Fin dai tempi antichi si fecero esperimenti cercando di combinare il rame con altri metalli. La
scoperta più importante fu la lega derivata dalla combinazione di rame e stagno: il bronzo. È
interessante il fatto che, al contrario di noi, gli antichi non fecero mai distinzioni fra il rame puro e le
leghe derivate dalla sua combinazione con altri metalli. Il rame puro é molto tenero e per essere
lavorato deve essere indurito; al contrario le leghe di rame sono dure e resistenti, hanno elevata
11
resistenza elettrica e di conseguenza non possono essere utilizzate come materiale conduttore. Le
leghe corrispondono anche al modo più comune per catalogare il rame e le sue famiglie. La prima
famiglia, i rami, sono commercialmente puri e contengono meno dello 0,7% di impurezze totali.
Ciascuna delle famiglie rimanenti contengono uno dei cinque maggiori elementi leganti come
ingrediente principale di lega.
Famiglia
Rami
Ottoni
Legante 1°
Vari
Zn
Solubilità (%)
<8
37
Bronzi fosforosi
Bronzi alluminici
Bronzi siliconici
Cu-Ni, Ni-Ag
Sn
Al
Si
Ni
9
19
8
100
Numeri UNS
C10000
C20000, C30000, C40000,
C66400, C69800
C50000
C60600-C64200
C64700-C6610
C70000
1. Le leghe rame-zinco (ottone) in proporzioni variabili di rame e zinco comprenderò
segnatamente l'ottone ordinario, dai molteplici usi. Le leghe di rame e di zinco contengono
piccole quantita di altri elementi danno ottoni speciali aventi proprietà caratteristiche. Fra questi
ottoni speciali si possono citare in particolare l’ottone ad alta resistenza utilizzato nelle
costruzioni navali, nonché l'ottone al piombo, l'ottone al ferro, l'ottone all'alluminio e l'ottone al
silicio.
2. Le leghe a base di rame-stagno (bronzo) che possono contenere eventualmente altri
elementi che conferiscono alla leghe proprietà particolari. Si possono citare segnatamente il
bronzo malleabile , per monete e medaglie; il bronzo duro, per ingranaggi, cuscinetti e altri
pezzi di macchine, il bronzo per campane, il bronzo d'arte, il bronzo al piombo per cuscinetti, il
bronzo al fosforo (o bronzo disossidato) impiegato per la fabbricazione delle molle, delle tele
metalliche e delle reticelle per filtri e setacci.
3. Le leghe di rame-nichel-zinco, che sono molto resistenti alla corrosione, dotate di buone
qualità meccaniche e di un colore gradevole. Sono utilizzare principalmente per la produzione
di materiale per telecomunicazioni (in particolare per l'industria telefonica), pezzi per strumenti,
oggetti di rubinetteria e accessori per tubi di buona qualità, nell'industria elettrica, nonché in
alcuni apparecchi impiegati nelle industrie chimiche e alimentari.
4. La lega di rame-nichel (cupronichel) spesso addizionata con piccole quantità di alluminio o di
ferro diventa una lega caratterizzata dalla sua resistenza alla corrosione dell'acqua marina. È
quindi diffusa l'utilizzazione nelle costruzioni navali, nonché per la fabbricazione di monete e
resistenze elettriche.
5. Il bronzo di alluminio (cuproalluminio), composto essenzialmente di rame con aggiunta di
alluminio e utilizzato, in virtù delle sue proprietà meccaniche elevate e della sua resistenza alla
corrosione, in alcune costruzioni meccaniche.
6. Il rame al berillio, composto essenzialmente di rame con aggiunta di berillio. Tenuto conto
delle sue proprietà meccaniche d della forte resistenza alla corrosione, questa lega è impiegata
per la fabbricazione di molle di ogni specie, di stampi per le materie plastiche, di elettrodi per la
saldatura e resistenza e di utensili non piroforici.
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a in lega
7. Il rame al silicio, consistente essenzialmente in rame con aggiunta di silicio. Esso ha proprietà
meccaniche elevate e una forte resistenza alla corrosione ed è utilizzato specialmente nella
fabbricazione di serbatoi di stoccaggio, di bulloni e di altri elementi di fissaggio.
8. Il rame al cromo, utilizzato principalmente per la fabbricazione di elettrodi per la saldatura a
resistenza.
Figura 11:Lingotti in ottone per fusioni
artistiche a cera persa
Figura 12: Otturatore in lega bronzo
alluminio B148 C95800
Ottone
Le caratteristiche meccaniche dell'ottone variano
notevolmente a seconda della composizione. Gli ottoni
possono subire il trattamento di ricottura, sono in parte
induribili e possono presentare un comportamento simile
agli acciai. La lavorabilità alle macchine utensili delle leghe
Figura 13: Lingotto Ottone CB754S
binarie rame-zinco è buona, ma la tenacità provoca la formazione di
EN1982
trucioli molto lunghi; allora si aggiunge del piombo che si disperde ai
bordi dei grani: così i trucioli diventano molto corti, addirittura
polverosi e gli utensili subiscono un usura e un riscaldamento minori, con conseguente
miglioramento della qualità e della velocità della lavorazione.
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Tipologia di Ottone
Ottone binario
Ottone al Piombo
Resistenza a
Trazione: kg/mm²
Allungamento a
rottura: %
Durezza Brinnel:
kg/mm²
35-35
12-46
70-150
30-55
8-40
60-120
Tipologie di ottoni
1. Ottoni comuni: sono una lega binaria composta da rame e zinco (CuZn20). In funzione del
tenore di zinco contenuti gli ottoni binari si distinguono in leghe con tenore di:
• Zn compreso tra 4-33%: definiti ottoni monofasici, hanno struttura fcc. Lo zinco conferisce a
questi ottoni caratteristiche meccaniche simili al rame quali la malleabilità e la duttilità, che
aumentano con l'aumentare del tenore di zinco. Quando il tenore di zinco è basoi presentano
un'eccellente lavorabilità a freddo (imbutitura e stampaggio) e a caldo. Tra questi, gli ottoni con
un tenore di Zn inferiore al 20% sono detti similori e vengono impiegati in bigiotteria, nella
minuteria elettrica e per oggetti decorativi;
• Zn compreso tra 33-47%: detti ottoni bifasici a+b sono ottoni misti di struttura b.c.c., compaiono
nella lega cristalli che conferiscono una notevole fragilità specialmente alle temperature
ordinarie. Questi ottoni presentano un eccellente lavorabilità a caldo;
• Zn 46-51%: questi ottoni non si prestano alla produzione di semilavorati o di getti, ma vengono
impiegati come materiale di apporto nelle giunzioni per brasatura di altri ottoni. La resistenza alla
corrosione degli ottoni comuni è in generale ritenuta buona, ma nello specifico quando le
superfici sono nichelate o satinate, in particolari condizioni d'ambiente e di sollecitazione,
possono essere suscettibili di un tipo di corrosione detta "decadimento stagionale degli ottoni",
che può essere attenuata tramite determinati trattamenti termici.
2. Ottoni al piombo: sono una lega ternaria composta da rame, zinco e piombo (CuZn35Pb2).
Essi sono anche denominati ottoni secchi. Alla lega possono essere aggiunti altri elementi per
ottenere determinate proprietà. L'ottone si ottiene per fusione e successivo raffreddamento dei
costituenti (Cu, Zn, Pb fino al 3%). Il piombo viene aggiunto per migliorare la truciolabilità nelle
lavorazioni con macchine automatiche.
• Questa tipologia è caratterizzata da un'ottima lavorabilità a caldo, da un basso costo e da una
buona resistenza alla corrosione. La presenza del piombo garantisce anche un'ottima
lavorabilità. Vengono utilizzati per stampaggio e lavorazione alle macchine utensili, in particolare
per la produzione di rubinetteria e accessori vari per bagni, valvolame, viteria e bulloneria.
3. Ottoni speciali: sono leghe che, oltre al piombo, contengono anche altri elementi quali
alluminio, stagno, ferro, nichel e manganese, che ne migliorano le caratteristiche in opera.
Nello specifico:
• Alluminio e stagno: migliorano la resistenza alla corrosione;
• Ferro, nichel e manganese: migliorano le caratteristiche meccaniche, fisiche e chimiche. Gli
ottoni speciali sono impiegati nella meccanica per ingranaggi, cuscinetti, bronzine, etc.
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Figura 14: Piastra
tubiera Ottone Naval
Brass C46400
Figura 15: Supporti Elica Ottone
CuZn34Mn3Al2Fe1 - CC764S
Bronzo.
Il bronzo è la lega metallica più antica, costituita essenzialmente da rame e stagno, dove il tenore
di stagno può variare tra il 3 ed il 20-25%. Aumentando la percentuale di stagno, si ricavano leghe
con durezza maggiore, quindi con minore malleabilità. L'elevata resistenza alla corrosione dei
bronzi spiega il loro larghissimo uso in costruzioni navali o per materiali a contatto con liquidi o
atmosfere corrosive. Il colore varia dal rosso rame (con Sn meno del 5%), al giallo oro (con Sn 510%), al giallo chiaro (Sn 10-25%) e infine al bianco (Sn più del 25%). Il bronzo si ottiene per
fusione e successivo raffreddamento dei metalli costituenti (Cu, Sn, Zn, Ob) ed è una lega molto
fusibile.
Tipologie di bronzo.
In funzione al tenore di stagno contenuto o di eventuali altre sostanze si possono avere diverse
tipologie di bronzi come:
1. Bronzi comuni: sono le leghe composte solo da Cu-Sn,
presentano un tenore di stagno fino al 10%, che conferisce
loro buone caratteristiche di lavorabilità per deformazione
plastica e pertanto possono essere laminati, trafilati e
stampati. Questi bronzi vengono impiegati per la
produzione di parti di macchine particolarmente sollecitate.
I bronzi comuni sono stati largamente impiegati nel passato
per le loro ottime caratteristiche meccaniche, tecnologiche,
di resistenza alla corrosione sia atmosferica, sia in
ambiente marino e di resistenza all'abrasione.
Figura 16: Corpo Filtro bronzo CC491K CuSn5Zn5Pb5
2. Bronzi da fonderia: hanno un tenore di stagno superiore
al 10%, che rende queste leghe maggiormente fluide, quindi con una buona colabilità allo stato
liquido, ma anche meno tenaci e non lavorabili plasticamente. Per questi motivi vengono
impiegati in fonderia per ottenere getti di qualità. Questa tipologia di bronzi, inoltre, può
contenere, oltre al rame e allo stagno, anche basse percentuali di altre sostanze, quali:
• Zinco: conferisce alla lega una migliore lavorabilità, una buona fluidità allo stato liquido ed una
migliore qualità dovuta all'azione disossidante e di degassaggio esercitata durante la
preparazione della lega;
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• Piombo: viene aggiunto alla lega rame-stagno in quantità variabili dall'1 al 30%. Il piombo non
entra in soluzione in queste leghe, ma rimane nella matrice come fase separata in forma più o
meno suddivisa. Per questo motivo le leghe contenenti piombo tra 1-5% presentano migliori
caratteristiche di lavorabilità alle macchine utensili e di tenuta a pressione. Percentuali maggiori
di piombo, variabili tra 6-7% fino al 30% consentono di creare leghe rame-stagno antifrizione;
• Fosforo: presente in una percentuale variabile tra 0,1-0,5% aumenta la durezza della lega e
quindi la resistenza all'abrasione richiesta per la costruzione di ingranaggi, rulli o altri particolari
oggetti, che spesso operano in ambienti aggressivi e che sono contemporaneamente soggetti ad
usura. Le leghe dei bronzi da fonderia vengono lavorate gli utensili e servono per la produzione
di valvole, corpi di valvole, raccordi, componenti navali, bronzine, etc.
3. Bronzi speciali: queste leghe speciali possono contenere, oltre al rame e allo stagno anche
altre sostanze quali alluminio, manganese e silicio, conferendo alle leghe caratteristiche e
proprietà diverse. Sono bronzi speciali:
• Bronzi alluminio (cupralluminio): contengono alluminio fino al 12% e sono adatti per
deformazioni plastiche e per un uso in fonderia, in quanto
presentano caratteristiche analoghe agli altri bronzi, ma sono
meno costosi. I bronzi all'alluminio trovano larga applicazione
per impieghi speciali, in particolare quando sono richieste
elevate caratteristiche di resistenza meccanica, ma anche
alla corrosione e all'erosione; come nel caso di tubi trafilati
per condensatori e scambiatori di calore. Quelli a basso
tenore di Al sono usati nell'industria chimica, quelli a più alto
tenore di Al sono usati per motori a combustione interna.
Figura 9: lingotti di bronzo alluminio B 148
C95800
• Cupronickel: lega di rame e nichel (Ni fino al 30%);
resistente alla corrosione marina si usa per impianti di
dissalazione, e per condensatori marini. Contengono dal
10 al 30% Ni. L'aggiunta di 1-2% di ferro e manganese
accresce maggiormente la loro resistenza all'erosione. La
lega al 25% Ni è utilizzata in diversi paesi per
monetazione.
Figura 6: Trucioli B 271 C95300
• Bronzi al silicio: hanno una percentuale di silicio variabile tra 0,02-0,05%, che conferisce alla
lega un'elevata conduttività elettrica ed una notevole resistenza alle sollecitazioni meccaniche. In
genere vengono impiegati per realizzare conduttori telegrafici e telefonici.
• Bronzo al manganese: a più componenti, con contenuto di Mn fino al 30%, unitamente a Ni, Al,
Fe. Sono caratterizzati da un'elevata durezza, senza essere fragili. Per questo motivo vengo
utilizzati nella realizzazione di propulsori a elica.
• Bronzi al berillio: leghe Cu-Be, sono leghe pregiate, contenenti 23% Be. sottoposte a
trattamento termico di diossidazione ad alta temperatura, quindi a tempra ed invecchiamento,
offrono caratteristiche meccaniche molto elevate, superiori ad ogni altra lega di rame e tali da
competere con molti acciai legati, ai quali si possono sostituire in particolari applicazioni.
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• Alpacche o leghe bianche: leghe terziarie Cu-Ni-Zn (Zn fino al 20% e Ni fino al 30%). Le
alpacche ricche in rame e nickel, per le loro caratteristiche di plasticità e resistenza alla
corrosione e per il loro colore argenteo, sono utilizzate per posateria e vasellame. Le alpacche
povere in rame, per le loro elevate caratteristiche elastiche, sono utilizzate per industrie
elettromeccaniche, telefonia e simili. Un altro modo per suddividere le leghe di rame è quello di
dividerle in gruppi caratterizzati dal metodo di indurimento della lega.
• Bronzo al cadmio: utilizzato per produrre conduttori elettrici.
• Bronzo al cobalto: molto resistente alla corrosione.
• Bronzo alla graffite: autolubrificante per supporti
Siti internet dedicati al rame
Procobre Mexico
Centre d'Information du Cuivre Laitons et
Alliages
Canadian Copper and Brass Development
Association
Copper Development Centre · Australia
Ltd
Copper Benelux
Russian Copper Development Association
Scandinavian Copper Development
Association
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Copper Development Association, UK
Hellenic Copper Development Institute
Instituto Brasileiro do Cobre
Procobre Peru
Istituto Italiano Del Rame
Deutsches Kupfer - Institut e.V.
Copper Development Association, USA
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