MATERIALI NON FERROSI

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1 MATERIALI NON FERROSI I materiali non ferrosi possono essere metallici e non metallici. MATERIALI METALLICI NON FERROSI Il Rame e sue leghe Il rame, che dopo il ferro è forse il metallo più importante, può trovarsi: - allo stato puro (laghi superiori negli Stati Uniti) - come composto nei minerali calcopirite, calcosina e cuprite Il 70 % del rame è estratto dai minerali con un Processo a secco, che prevede le seguenti fasi: 1) Concentrazione, che consiste nella separazione del minerale ricco dalla parte sterile (che si deposita sul fondo di vasche contenenti acqua e oli) mediante formazione di schiuma prodotta dall introduzione di una corrente d aria o dall agitazione dell acqua; 2) Arrostimento, che avviene in forni nei quali il minerale viene continuamente rimescolato per eliminare una parte dello zolfo in esso contenuto; 3) Fusione in appositi forni (water-jackets) nei quali, introducendo aria dal basso, si determina la combinazione di tutto lo zolfo col rame con formazione di metallina (solfuro di rame Cu 2 S); 4) Conversione, che prevede il trattamento della metallina in un convertitore simile a quello utilizzato per la fabbricazione degli acciai, nei quali in circa due ore si ha l ossidazione dello zolfo, del ferro e degli altri metalli presenti come impurità, mentre si ottiene un rame greggio al 98 % (rame blister o rame nero); 5) Raffinazione, che è costituita da due fasi: nella prima, in appositi forni, si ha la disossidazione del rame ottenendo il rame rosetta, nella seconda il rame viene raffinato in vasche-celle elettrolitiche nelle quali si formano grosse lastre di rame quasi puro (99,9 %). CARATTERISTICHE ED IMPIEGHI DEL RAME Le principali proprietà meccaniche, dopo un trattamento termico di ricottura a 650 C, sono le seguenti: - R = 250 [N/mm 2 ] - A = 30 % - K = 80 [J/cm 2 ] - HBS = 50 - Lavorabilità alle macchine utensili E buona. E migliore per gli ottoni (leghe rame-zinco). - Lavorabilità per deformazione plastica E buona. Si possono fabbricare semilavorati. Si ha però fragilità se la lavorazione avviene tra i 200 ed i 600 C. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei - Conegliano Pag. 1

2 La lavorazione meccanica a freddo fa aumentare la durezza e la resistenza a trazione e fa diminuire l allungamento. - Fusibilità e colabilità Il rame è fusibile perché fonde a 1084 C. Le sue leghe fondono a temperature ancora inferiori. La colabilità del rame e delle sue leghe è buona anche se colata del rame presenta difficoltà perché il rame liquido assorbe e discioglie notevoli quantità di gas che, durante la solidificazione, rimangono imprigionati nella massa metallica, originando soffiature. Il rame allo stato liquido, ed anche alle alte temperature, si ossida formando l ossidulo di rame Cu 2 O, provocando fragilità. Per tutto questo è necessario utilizzare disossidanti od atmosfere protettive durante la colata del rame. - Saldabilità Il rame e le sue leghe sono saldabili, soprattutto col metodo della brasatura. Nel caso di saldatura ossiacetilenica, data l elevata conducibilità termica, occorrono cannelli potenti, e si impiega acetilene depurato e fiamma neutra a bassa pressione di ossigeno. Nel caso di saldatura elettrica ad arco, data l elevata conducibilità termica, si ha un eccessivo consumo di corrente per fondere i lembi da saldare. Nel caso di saldobrasatura occorre preriscaldare ad una temperatura di circa 850 C. - Resistenza alla corrosione E buona. - Resistenza alle basse temperature Il rame non è fragile alle basse temperature. - Resistenza alle alte temperature Lo scorrimento viscoso dei piani atomici dei reticoli cristallini del rame compare per temperature maggiori di 150 C. L argento con 0,1 % ed il cromo con l 1 % rendono possibile l impiego del rame fino a 300 C. - Conducibilità termica Il rame ha un coefficiente di conducibilità termica di 372 [J/m s C] La conducibilità è ottima per tutte le leghe del rame. - Conducibilità elettrica Il rame ha una resistività pari a 0,0167 [Ω] Il rame è il metallo che ha la maggiore conducibilità elettrica (dopo l argento); va bene quindi per la costruzione di conduttori elettrici. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei - Conegliano Pag. 2

3 - Dilatazione termica Il rame ha un coefficiente di dilatazione termica pari a [1/ C] - Modulo di elasticità E = [N/mm 2 ] - Massa volumica Il rame ha una massa di 8,89 [kg/dm 3 ] - Elettrodeposizione Il rame può essere impiegato per fare rivestimenti protettivi per via elettrolitica. Il rame, data la sua elevata conducibilità elettrica, viene utilizzato soprattutto nel settore elettrico, come conduttore nelle linee di trasporto dell energia elettrica. E impiegato negli impianti civili ed industriali, nei trasformatori e negli avvolgimenti dei motori elettrici. E anche negli impianti termoidraulici (tubi ) ed in agricoltura (viti) sotto forma di solfato di rame anticrittogamico. Il rame è un metallo che con facilità forma leghe con altri metalli, in particolare con stagno, zinco, alluminio, nichel, piombo, cromo, silicio, manganese, cadmio, cobalto e berillio. - Bronzi Sono leghe rame-stagno con stagno inferiore al 28 %. Si distinguono: - bronzi ordinari o binari, contenenti solo rame e stagno - bronzi speciali contenenti, oltre allo stagno, anche altri elementi quali alluminio, nichel, fosforo L aumento della percentuale di stagno determina un aumento della durezza della lega ed una diminuzione dell allungamento. La resistenza a trazione aumenta fino a percentuali di stagno del 15 % per poi diminuire quando la percentuale di tale elemento aggiunto supera il % a causa della formazione di un costituente molto duro e fragile (detto costituente δ ). I bronzi sono principalmente delle leghe da fonderia, avendo temperatura di fusione intorno a C. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei - Conegliano Pag. 3

4 I bronzi con tenore di stagno inferiore al 10 % possono essere utilizzati sotto forma di semilavorati (barre, lamiere, nastri, fili). Esempio di designazione di un bronzo binario: Gs Cu Sn 5 (bronzo adatto per getti da colare in sabbia con stagno pari al 5 %). Esempio di designazione di un bronzo speciale: Gc Cu Sn 3 Pb 7 (bronzo adatto per getti da colare in conchiglia col 3 % di stagno, il 7 % di piombo, il resto è rame). - Ottoni Sono leghe rame-zinco con zinco inferiore al 45 %. Si distinguono: - ottoni ordinari o binari, contenenti solo rame e zinco - ottoni speciali contenenti, oltre allo zinco, anche altri elementi quali piombo, alluminio, nichel, manganese L aumento della percentuale di zinco determina un aumento della durezza della lega ed una diminuzione dell allungamento. La resistenza a trazione aumenta fino a percentuali di zinco del 45 % per poi diminuire quando la percentuale di tale elemento aggiunto supera tale valore limite. Tra gli impieghi principali degli ottoni ricordiamo il valvolame idraulico e la rubinetteria. Infatti l ottone resiste alla corrosione dell acqua e permette inoltre di essere facilmente lavorato con filettature che hanno pure una buona resistenza meccanica (al contrario per esempio delle leghe dell alluminio). Gli ottoni sono utilizzati in fonderia (maniglie, rubinetti ) e nelle lavorazioni per deformazione plastica (tubi, fili, lamierini ). In ottone sono fabbricati alcuni strumenti musicali a fiato detti appunto ottoni. La temperatura di fusione dell ottone è di circa C. La massa volumica è di 8,7 kg/dm 3. Esempio di designazione di un ottone binario: Pl Cu Zn 40 (bronzo adatto per lavorazione plastica di laminazione con stagno pari al 40 %). Esempio di designazione di un ottone speciale: Pl Cu Zn 38 Al 1 Fe 1 Mn 1 (bronzo adatto per lavorazione plastica di laminazione col 38 % di zinco, l 1 % di ferro, l 1 % di manganese, il resto è rame). - Cuprallumini Sono leghe di rame e alluminio con una percentuale di alluminio inferiore al 14 %. Essi hanno buona resistenza alla corrosione, resistenza all usura, buone proprietà meccaniche anche alle alte temperature, buona saldabilità. - Cupronichel Sono leghe di rame e nichel con una percentuale di nichel inferiore al 45 %. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei - Conegliano Pag. 4

5 Essi hanno buona resistenza alla corrosione dell acqua. Per questo sono utilizzate soprattutto nella costruzione di tubi da impiegare in applicazioni chimiche e marine (trasporto d acqua di mare in impianti antincendio, scambiatori di calore ). - Alpacche Sono leghe ternarie di rame, nichel e zinco con una percentuale di rame non inferiore al 50 %. Sono indicate con la sigla ALPA. Esse hanno buona resistenza alla corrosione, buone proprietà meccaniche, buona lavorabilità. L Alluminio e sue leghe L alluminio non si trova allo stato puro, bensì sotto forma di ossidi e di silicati. E un metallo molto leggero, tenero, di limitata resistenza a trazione. La produzione dell alluminio avviene in tre fasi: 1) Estrazione dell alluminio dalla bauxite 2) Processo di elettrolisi, mediante il quale nella cella elettrolitica, si ricava l alluminio di prima fusione dall allumina 3) Raffinazione dell alluminio mediante un secondo processo termico di elettrolisi L alluminio viene colato in lingotti di kg, utilizzati soprattutto in fonderia o in altre lavorazioni per deformazione plastica. L alluminio è un metallo che con facilità forma leghe con altri metalli, in particolare con silicio, alluminio, rame, magnesio. Si distinguono due categorie delle leghe dell alluminio: leghe da fonderia (indicate con la lettera G) e leghe per deformazione plastica (indicate con la lettera P). Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei - Conegliano Pag. 5

6 CARATTERISTICHE ED IMPIEGHI DELL ALLUMINIO Le principali proprietà meccaniche sono le seguenti: - R = 100 [N/mm 2 ] - A = 40 % - K = [50 J/cm 2 ] - HBS = 16 - Lavorabilità alle macchine utensili E buona per l alluminio e per tutte le leghe commerciali. - Lavorabilità per deformazione plastica E buona. Si possono fabbricare semilavorati. Si ha però fragilità se la lavorazione avviene a 500 C. Si lamina facilmente tra i 100 ed 150 C - Fusibilità e colabilità L alluminio è fusibile perché fonde a 658 C. Le sue leghe fondono a temperature ancora inferiori. La colabilità del rame e delle sue leghe è buona. La presenza di silicio migliora la colabilità. - Saldabilità Il rame e le sue leghe sono saldabili con precauzione. Nel caso di saldatura elettrica ad arco, data l elevata conducibilità termica, occorrono elevate intensità di corrente e forti consumi di energia per ottenere il calore necessario a fondere i lembi da saldare. Poiché il materiale si ricopre con facilità di uno strato di ossido di alluminio (Al 2 O 3 ) che fonde a 2000 C che è superiore alla temperatura di fusione dell alluminio (658 ), volendo fondere l ossido si brucia il metallo. L alluminio passa inoltre rapidamente dallo stato solido allo stato liquido. Nel caso di saldatura ossiacetilenica, data l elevata conducibilità termica, occorrono cannelli potenti, e si utilizza fiamma leggermente carburante, dopo aver preriscaldato i pezzi a circa 250 C e ricorrendo a disossidanti per evitare inclusioni di ossido nel bagno. - Resistenza alla corrosione E buona, soprattutto per le leghe legate col magnesio in percentuale inferiore al 7%. - Resistenza alle basse temperature L alluminio è fragile alle basse temperature. - Resistenza alle alte temperature Lo scorrimento viscoso dei piani atomici dei reticoli cristallini dell alluminio compare per temperature maggiori di 200 C. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei - Conegliano Pag. 6

7 - Conducibilità termica E molto buona. L alluminio ha un coefficiente di conducibilità termica di 218 [J/m s C] - Conducibilità elettrica E molto buona. L alluminio ha una resistività pari a 0,0267 [Ω]. - Dilatazione termica Il rame ha un coefficiente di dilatazione termica pari a [1/ C] - Modulo di elasticità Ha un valore limitato, essendo E = [N/mm 2 ]. Ciò significa che le leghe leggere sono facilmente deformabili sotto sforzo. - Massa volumica L alluminio ha una massa volumica di 2,8 [kg/dm 3 ] MOTIVI DELL IMPIEGO DELLE LEGHE DELL ALLUMINIO - Sono leggere - Sono facilmente lavorabili per fusione perché fondono a bassa temperatura Si possono utilizzare forme metalliche per la fusione Vantaggi: 1) forma più precisa con superfici lisce e ben finite 2) basta una sola forma metallica per migliaia di pezzi 1) lavorazione più rapida 2) minore necessità di spazio - Non si ossidano e rimangono di bell aspetto - Per la bassa temperatura di lavorazione, la lavorazione plastica è più economica rispetto alle altre leghe. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei - Conegliano Pag. 7

8 L alluminio è un metallo che con facilità forma leghe con altri metalli, in particolare con silicio, alluminio, rame, magnesio. Si distinguono due categorie delle leghe dell alluminio: leghe da fonderia (indicate con la lettera G) e leghe per deformazione plastica (indicate con la lettera P). - Leghe da fonderia Ricordiamo soprattutto le leghe Alluminio-Silicio con silicio tra il 5 ed il 15 %. Il silicio: - aumenta la col abilità - diminuisce la fragilità ed il ritiro - rende la lega più difficilmente lavorabile alle macchine utensili Tra gli impieghi di tali leghe ricordiamo i cilindri di motori endotermici, i carter e le coppe. Una lega particolare è quella denominata Lega F 32, avente silicio 14,5 %. Essa è adatta per costruire pistoni (per fusione ma anche per stampaggio). Un altra lega importante è il Duralluminio (o Duralite Avional 100), avente il 3% di rame e piccole percentuali di silicio, nichel e magnesio. Essa è una lega resistente alla corrosione degli acidi, non si ossida all aria, può essere sia laminata che estrusa. Il duralluminio viene utilizzato nelle costruzioni aeronautiche ed automobilistiche, soprattutto nella fabbricazione di bielle di motori e cerchioni di biciclette. - Leghe da lavorazione plastica Sono: - leghe alluminio-magnesio (con magnesio inferiore al 5%) - leghe alluminio-rame (con rame pari al 4,4 %) Questa lega, detta Avional 44, contiene anche piccole percentuali di silicio, manganese e magnesio. Essa, dopo tempra da C e successivo invecchiamento a 170 per 10 ore, acquista una buona resistenza a trazione (R = N/mm 2 ) ed un discreto allungamento (A = 6 10 %). Di contro, per la presenza del rame, non è molto resistente alla corrosione. Anche il Duralluminio (o Duralite) è una buona lega da lavorazione plastica. Essa, dopo trattamento di bonifica (tempra + invecchiamento) raggiunge una buona resistenza a trazione (R = N/mm 2 ). Un altra lega da lavorazione plastica dell Alluminio, nota in USA col nome 75S) è l ERGAL. Tale lega ha la seguente composizione: - zinco = 5,8 % - magnesio = 2,5 % - rame = 1,6 % - manganese = 0,2 % - alluminio il resto Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei - Conegliano Pag. 8

9 L'ergal si contraddistingue per l'ottima resistenza meccanica (la migliore fra tutte le leghe di alluminio convenzionali) ma è più attaccabile dagli agenti corrosivi a causa della presenza dello zinco. Questo limite può essere superato ricorrendo ad aggiunte in piccole dosi di argento o zirconio. L Ergal, dopo trattamento di tempra e bonifica, possiede elevata resistenza a trazione ( N/mm 2 ), discreto allungamento (8 12 %) e durezza Brinell ~ 200. Per questo trova impiego nella costruzione di parti molto sollecitate. Questa lega ha ottima lavorabilità alle macchine utensili (è utilizzata per costruire viti) ma, nella maggior parte dei casi, una scarsa saldabilità per fusione. Essa è utilizzata, sia sotto forma di laminati che di estrusi, nelle costruzioni aeronautiche, nel settore motociclistico (accessori, manubri, viti, paracatena, supporti di fissaggio), nella costruzione del boma per il windsurf e in campo modellistico. Di seguito sono riportate le percentuali di metalli di lega contenute nei vari tipi di Ergal. Lega 7020: Zn (4,0-5,0), Mg (1,0-1,4); Lega 7049: Zn (7,2-8,4), Mg (2,1-3,1), Cu (1,2-1,9); Lega 7050: Zn (5,7-6,7), Mg (1,9-2,6), Cu (2,0-2,6), Zr; Lega 7075: Zn (5,1-6,1), Mg (2,1-2,9), Cu (1,2-2,0); - Leghe ultraleggere Il costituente fondamentale delle leghe ultraleggere è il magnesio. La lega principale è l Electron che ha la seguente composizione: - alluminio = 3 % - zinco = 1,5 % - manganese = 0,3 % - silicio = 0,2 % - il resto è magnesio (85 97 %) Zinco, Nichel e alluminio migliorano la resistenza meccanica; il manganese aumenta la saldabilità e la resistenza alla corrosione. Caratteristiche dell Electron sono: - R = [250 N/mm 2 ] - A = 10 % - HBS = 50 - Temperatura di fusione = 625 [ C] Queste leghe, facilmente lavorabili, sono fornite in getti, in lamiere, in laminati, in fili, in tubi. Difetto dell Electron è la sua corrodibilità agli agenti atmosferici ed all acqua marina, perciò deve essere protetto con speciali vernici. La fusione dell Electron presenta difficoltà derivanti dalla infiammabilità del magnesio. Esempio di designazione di una lega leggera: Gs Al Cu 12 (Lega alluminio-rame adatta per getti da colare in sabbia col 12 % di rame). Esempio di designazione di una lega leggera: P Al Cu 4 Mg Mn (Lega leggera adatto per lavorazione plastica col 4 % di rame, magnesio e manganese non specificati). Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei - Conegliano Pag. 9

10 ALTRI METALLI E LEGHE METALLICHE D INTERESSE MECCANICO TITANIO E SUE LEGHE Il Titanio è diffuso in natura sotto forma di ossido (es.: Rutilo TiO 2 ). Tra le proprietà ricordiamo: - Massa volumica 4,507 [kg/dm 3 ] - Temperatura di fusione 1670 C - Resistenza a trazione 600 [N/mm 2 ] - Allungamento 35 % - Modulo di elasticità [N/mm 2 ] - Durezza Brinell 125 Il Titanio possiede un alta resistenza alla corrosione perché, avendo affinità con l ossigeno, forma un sottile strato di ossido (passivazione) che lo protegge. Poiché resiste alle alte temperature ed unisce leggerezza a resistenza a fatica, è molto utilizzato, in lega con altri elementi, in campo aeronautico e missilistico. Elementi aggiunti al Titanio quali l alluminio, manganese, molibdeno e cobalto migliorano la resistenza meccanica e le altre proprietà. Per esempio le leghe Titanio-Cobalto hanno Resistenza a trazione di N/mm 2. La saldatura del Titanio (e delle sue leghe) risulta difficile data la sua grande affinità con l ossigeno. Impieghi: motori di aerei e razzi, palette di compressori e di turbine a vapore, dischi di rotori, rivestimenti degli inserti, bulloneria, protesi ortopediche. In quest ultimo caso, il Titanio, combinato con l idrossiapatite, permette la realizzazione di protesi ed impianti bioattivi, cosiddetti perché consentono la crescita dell osso naturale nella porosità dell idrossiapatite. ZINCO E SUE LEGHE Lo Zinco non si trova libero in natura ma è in alcuni minerali come la blenda, la calamina e la zincite. Tra le proprietà ricordiamo: - Massa volumica 7,12 [kg/dm 3 ] - Temperatura di fusione 419 C - Resistenza a trazione 100 [N/mm 2 ] - Allungamento % - Modulo di elasticità [N/mm 2 ] - Durezza Brinell 45 Lo Zinco a temperatura ambiente è fragile, ma lavorato a C diventa duttile e malleabile. A 200 C diventa però molto fragile a tal punto da ridursi in polvere. A temperatura ambiente lo Zinco si ricopre di un sottile strato di ossido, che lo protegge (passivazione). Impieghi: produzione di lamiere, grondaie, reti di recinzione, zincatura dei materiali ferrosi. In lega col rame, lo Zinco forma gli Ottoni. Altra lega di rilievo dello Zinco è la Lega Zama. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei - Conegliano Pag. 10

11 Lega Zama E una lega costituita da: - alluminio 1 4 % - rame 1 3 % - magnesio ~ 0,04 % - zinco il resto Tale lega possiede le seguenti caratteristiche: - Resistenza a trazione [N/mm 2 ] - Durezza Brinell Resilienza [J/cm 2 ] Dal punto di vista delle proprietà tecnologiche, la lega Zama ha buona fusibilità, buona lavorabilità alle macchine e lucidabilità. La lega Zama è particolarmente adatta per pressofusione in forme metalliche. Grazie alla bassa temperatura di fusione ed all alta scorrevolezza, tale lega permette di ottenere pezzi aventi limiti di tolleranza ristretti, finiture migliori e forme complesse, non ottenibile con altre leghe da fonderia ad alto punto di fusione. I pezzi pressofusi in lega Zama possono avere pareti e nervature più sottili, generalmente caratterizzati da una maggiore resistenza e durezza ed elevata stabilità dimensionale. Le leghe zinco, e in particolare, la zama, sono apprezzate per la loro versatilità d impiego. I pressofusi in lega di zinco, infatti, possono essere impiegati con successo in innumerevoli settori: moda e abbigliamento (fibbie, decorazioni, bottoni, cerniere, ecc.), edilizia e arredamento (maniglie, accessori, sistemi fissaggio, ferramenta, cerniere, placche, ecc.), elettricità (pulsantiere, rinvii meccanici, placche, proiettori, ecc.), ma anche meccanica, automotive, illuminotecnica e via dicendo. La lega Zama pressofusa può essere considerata un alternativa vantaggiosa all alluminio, all ottone, alla plastica e ad altri materiali. ( La Zama si usa anche nel settore funerario, per fare maniglie, piedini, crocfissi. Il costo delle leghe Zama è strettamente legato all andamento dei prezzi dello Zinco, particolarmente competitivo nei confronti dei materiali concorrenti più costosi quali l acciaio e l alluminio. Anche per aspetti legati alla lavorazione la Zama si dimostra più conveniente rispetto all alluminio: il processo di fusione e solidificazione è infatti complessivamente più veloce, dal momento che la lega fonde a temperature più basse rispetto all alluminio (circa 350 C), richiedendo quindi meno energia per raggiungere il punto di fusione, e si raffredda più rapidamente. ( Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola ITIS Galilei - Conegliano Pag. 11