IMATERIALI METALLICI NON FERROSI Rame e sue leghe 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 Caratteristiche ed impieghi del rame e sue leghe - 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]. 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]. 1
- 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. - Dilatazione termica Il rame ha un coefficiente di dilatazione termica pari a 17 10-6 [1/ C] - Modulo di elasticità E = 125 000 [N/mm 2 ] - Massa volumica Il rame ha una massa di 8,89 [kg/dm 3 ] 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. - 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 15 20 % 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 900 960 [ C]. Per questo sono utilizzati per fabbricare getti di fusione (statue, campane ). 2
I bronzi con tenore di stagno inferiore al 10 % possono essere utilizzati sotto forma di semilavorati (barre, lamiere, nastri, fili). In bronzo possono essere valvole, cuscinetti lisci (bronzine), monete e bulloni. 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). La temperatura di fusione dell ottone è di circa 900 1000 C. La massa volumica è di 8,7 kg/dm 3. 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. 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). 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: Le principali proprietà meccaniche sono le seguenti: - R = 100 N/mm 2 - A = 40 % - K = 50 J/cm 2 - HBS = 16 3
Caratteristiche ed impieghi delle leghe leggere - 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 C), 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. - 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 24 * 10-6 [1/ C] - Modulo di elasticità Ha un valore limitato, essendo E = 65000 [N/mm 2 ]. Ciò significa che le leghe leggere sono facilmente deformabili sotto sforzo. 4
- Massa volumica L alluminio ha una massa volumica di 2,8 [kg/dm 3 ] 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. Leghe da lavorazione plastica Sono: - leghe alluminio-magnesio (con magnesio inferiore al 5%) - leghe alluminio-rame (con rame pari al 4,4 %) 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 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. Questa lega ha ottima lavorabilità alle macchine utensili. 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. 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 5
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. - 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). 6