Lega di rame e stagno. Il nome di
b. viene esteso
anche ad altre leghe ad alto tenore di rame, quali quelle con l'alluminio (
b.
all'alluminio), con silicio (
b. al silicio), con berillio (
b. al
berillio) e così via. Le caratteristiche di queste numerosissime
leghe sono estremamente varie, consentendo un'ampio ventaglio di applicazioni
pratiche. Al variare del tenore di stagno nel
b. vero e proprio si ha
infatti una variazione notevolissima delle proprietà delle leghe
rame-stagno; ai bassi tenori di stagno esse assomigliano ancora molto al rame,
se non che hanno una resistenza molto maggiore alla corrosione; al crescere di
tali tenori si osserva una graduale diminuzione della lavorabilità, cui
si accompagna un aumento della resistenza alla corrosione e un miglioramento
delle proprietà meccaniche (resistenza a trazione, durezza, ecc). Al di
sopra del 20% circa in stagno, il
b. non è più lavorabile
per deformazione plastica; è invece facilmente utilizzabile per colate,
cioè per la produzione di getti per fusione. Anche il colore varia col
tenore di stagno; si va dal rosso rame (Sn ≤ 5%)
al giallo oro (Sn 5÷10%) al giallo chiaro (Sn 10÷25%) e infine al
bianco (Sn ≥ 25%). Il
b. è noto
fin da molti secoli prima di Cristo; la cosiddetta
Età del B. si
colloca dal IV al II millennio a.C. secondo le zone e segna una tappa
importantissima nella storia dell'umanità. Il motivo della sua diffusione
è da collegare alla relativa facilità di estrazione del rame (che
a volte si trova addirittura allo stato nativo) e dello stagno; il
b. poi
ha una temperatura di fusione sensibilmente minore a quella del rame puro
(quello al 25% di Sn fonde a circa 800 °C, contro i 1.063 °C del rame
puro all'aria) ed è più facilmente formabile per colata. La sua
durezza, inoltre, è molto superiore a quella del rame. Il diagramma di
stato rame-stagno è notevolmente complesso per la formazione di composti
intermetallici e per un grande numero di fasi intermedie. Esaminandolo
brevemente, partendo da sinistra (100% di rame) e andando verso destra
(cioè verso percentuali sempre crescenti di stagno) si trova dapprima la
soluzione solida α, che è costituita da
stagno sciolto nel rame fino al 13,9% di Sn; oltre questa percentuale compare
una fase β, che è pure una soluzione
solida di stagno (21,8÷26% di Sn) che è stabile solo sopra i 586
°C, mentre a temperature inferiori si decompone nella fase
α già vista e in una fase
γ. Questa fase contiene dal 27
al 38% circa di stagno ed è stabile anch'essa solo ad alta temperatura,
in quanto sotto i 520 °C si decompone nella fase
α e nella fase δ
Essa corrisponde grosso modo a un composto intermetallico Cu
5Sn. La
fase α è (oltre alla
ε) l'unica fra quelle citate che sia stabile
anche a bassa temperatura; la δ ha un campo di
esistenza alquanto stretto in quanto corrisponde al composto intermetallico
Cu
31Sn
8 (secondo alcuni Cu
4Sn,
approssimativamente) che è molto duro ma molto fragile, come è
caratteristica dei composti intermetallici. La fase
δ è anch'essa metastabile alle basse
temperature in quanto la trasformazione peritettica a 350 °C la fa
scomparire per trasformarla in fase α e fase
ε; tuttavia se il raffreddamento non è
più che lento la fase δ permane anche a
temperatura ambiente conferendo durezza e fragilità alla lega. La fase
ε è costituita dal composto intermetallico
Cu
3Sn, ed è stabile fino a temperatura ambiente e anche sotto;
essa è il costituente principale dei bronzi impiegati, purché
siano stati raffreddati lentamente. Altre fasi compaiono a complicare il
diagramma: la fase η stabile solo sotto i 415
°C, la fase
η
r
corrispondente al composto intermetallico Cu
6Sn
5, la fase
ξ corrispondente al composto metallico
Cu
20Sn
6 stabile a temperature elevate e la fase
θ corrispondente alla soluzione solida di rame
nello stagno, che è assai povera di rame (0,006% alla temperatura dello
eutettico, cioè 227 °C). È da notare che la zona del
diagramma oltre il 40% di Sn è meno conosciuta della parte a sinistra in
quanto le leghe che compaiono in questi campi hanno scarso interesse pratico. Da
una punto di vista metallografico si può osservare che tutte queste fasi
hanno struttura cristallina diversa: la fase α
è cubica a facce centrate (come il rame, mentre lo stagno è
tetragonale), la fase β è cubica a corpo
centrato, come pure la fase γ; la fase
ξ ha una struttura esagonale, con 26 atomi per
cella unitaria; la fase δ ha una struttura simile
a quella dei gamma ottoni; la fase ε è
ortorombica; la fase
η
r è
ordinata secondo la struttura dell'arseniuro di nichel. Osserviamo inoltre che
vi possono essere notevoli discordanze fra il diagramma di stato qui riportato e
altri riportati su altri testi. Questo è dovuto al fatto che la
sperimentazione su un sistema complesso come il rame-stagno è
notevolmente difficile e, perciò, i risultati dei vari studiosi non
sempre concordano. Il diagramma qui riportato è dovuto a G.V. Raynor, ed
è quello generalmente accettato. Naturalmente, essendo un diagramma di
equilibrio, non corrisponde esattamente a quello che si ottiene nella pratica,
dato che un raffreddamento, per quanto lento, non porta con questo sistema alle
condizioni di equilibrio raggiungibili solo con raffreddamenti lunghissimi
(teoricamente in un tempo infinito) tanto da non essere impiegabili nella
tecnica. Osserviamo che se il raffreddamento è troppo veloce, gran parte
dello stagno compare a temperatura ambiente come fase
δ, impartendo al materiale notevole durezza ma
anche una fragilità tale da sconsigliarne l'impiego. La formazione di
fase δ è invece provocata appositamente in
certe applicazioni, come in pezzi sottoposti a notevole usura (tipico è
il caso dei cuscinetti). Normalmente si cerca di favorire la formazione delle
fasi più duttili, quale ad esempio la β;
questa può essere ottenuta metastabile in condizioni ambiente anche con
una operazione di tempra a 590÷650 °C per i
b. al 12÷20%
di stagno. L'aggiunta al
b. di elementi estranei ne può variare
notevolmente le proprietà. Ad esempio piccoli tenori di piombo
(1÷5%) conferiscono una lavorabilità molto migliore alla macchina
utensile in quanto questo elemento non si scioglie nella matrice ma resta
disperso in forma di minutissime goccioline; percentuali maggiori di piombo
(fino al 30% circa) vengono invece impiegate per produrre
b. per
cuscinetti e bronzine. Lo zinco viene aggiunto per migliorare la fluidità
delle leghe, ma ha anche un'azione disossidante e ne varia le caratteristiche
meccaniche. Il fosforo viene a volte aggiunto intenzionalmente in
quantità sensibili (0,4÷1%) mentre a volte si trova nella lega (in
quanto essa è stata prodotta a partire da rame disossidato con fosforo)
in percentuali basse (0,1% o meno). Nel primo caso si parla di
b. al
fosforo; nel secondo di
b. fosforosi; questi materiali sono assai
impiegati in elettronica, ad esempio per contatti, molle, capicorda, ecc.
Esaminiamo ora i principali tipi di leghe che vanno sotto il nome di
b.
1)
B. fosforoso, 1,25%: è una lega rame-stagno con l'1,25% circa
di stagno, detta anche
b. fosforoso tipo E; il fosforo è presente
in percentuale minima. È utilizzata per la sua ottima
conducibilità (48% del campione internazionale del rame ricotto) per
contatti elettrici, specialmente se flessibili, linee elettriche in ambienti
flessibili, linee elettriche in ambienti aggressivi, fili per trolley (trazione
elettrica ferroviaria o tramviaria), ecc. 2)
B. al fosforo, 5% o
b. al
fosforo tipo A: contenuto nominale di stagno: 5%, pratico 3,5÷5,8; come
gli altri elementi sono presenti fosforo (0,03÷0,35%) e impurezze di piombo
(0,05% max), ferro (0,10% max) e zinco (0,30% max). È un
b. di uso
generale per molle, fili per spazzole, per contatti elettrici, portafusibili,
parti di interruttori, parti di rubinetti, tubi, ecc. Può essere trattato
termicamente per migliorare le caratteristiche meccaniche. 3)
B. al fosforo,
8% o
b. al fosforo tipo C: contiene dal 7 al 9% (nominale 8%) di
stagno e lo 0,03 ÷ 0,35% di fosforo; impurezze sono il piombo (0,05% max),
il ferro (0,10% max) e lo zinco (0,20% max). Ha una temperatura di liquidus di
1.020 °C e di solidus di 880 °C; la conducibilità è del
13% del campione internazionale di rame. Le caratteristiche meccaniche sono
migliori di quelle del tipo precedente, ma gli impieghi sono più o meno
gli stessi. 4)
B. al fosforo 10% o
b. al fosforo tipo D: contiene
dal 9 all'11% di stagno e dallo 0,03 alla 0,25% di fosforo, oltre alle solite
impurezze di piombo (0,05% max), ferro (0,10% max) e zinco (0,20% max); ha un
campo di fusione compreso fra gli 845 e i 1.010 °C. La conducibilità
elettrica è dell'11% circa di quella del campione internazionale di rame.
È utilizzato per applicazioni in cui è richiesta un'elevata
resistenza alla corrosione accompagnata da ottime caratteristiche meccaniche
(resilienza, resistenza a trazione, alto carico di snervamento, ecc.). Tipiche
applicazioni sono molle di ottima qualità, tubi o barre o lastre
sottoposte a corrosione, usura, fatica e così via. È molto
utilizzato per valvole in industrie chimiche. 5)
B. al piombo: è
una lega rame-stagno-zinco-piombo contenente l'88% di rame (limiti 86 ÷
90%), il 6% di stagno (limiti 5,50 ÷ 6,50%), il 4,5% di zinco (limiti 3,0
÷ 5,0) e l'1,5% di piombo (limiti 1,0 ÷ 2,0%); le impurezze principali
sono nichel (1,0% max), ferro (0,25% max) e fosforo (0,05% max). È
impiegata soprattutto per la fabbricazione di tubi e valvole, anche per il
vapore fino a 300 °C circa; inoltre si usa per pompe d'olio, ingranaggi,
cuscinetti molto sollecitati, ecc. 6)
B. al piombo per cuscinetti:
è una lega di composizione simile alla precedente: Cu 85÷89% Sn 7,5
÷ 9% (medio 8%), Zn 3,0÷5,0% (medio 4%), Pb 1,0% max. È una
lega con elevata resistenza all'usura e alla corrosione; si impiega per
cuscinetti e bronzine ad alta resistenza, pezzi strutturali molto sollecitati,
bulloni, viti, pezzi sottoposti a sfregamento su acciaio indurito, pistoni per
pompe alternative, contatti elettrici striscianti in condizioni gravose, e
così via. 7)
B. ad alto piombo: è una lega degli stessi
elementi della precedente che ha la composizione nominale seguente: Cu 85% Pb 9%
Sn 5%, Zn 1%. È utilizzata per cuscinetti e bronzine in condizioni di
scarsa lubrificazione. Una sua variante è il
b. ad alto piombo tipo
SAE 660, che ha composizione nominale Cu 83%, Sn 7%, Pbn 7%, Zn 3% e ha
impiego simile; questo è alquanto diffuso in campo automobilistico. 8)
B. ad alto piombo tipo SAE 64: composizione nominale: Cu 80%, Sn 10%, Pb
10%. È usato per cuscinetti e bronzine per alta velocità e
pressioni specifiche, ingranaggi o bronzine a contatto con acque minerali o
soluzioni corrosive e così via. 9)
B. antiacido ad alto piombo:
composizione nominale: Cu 78%, Pb 15% e Sn 7%. È il
b. tipo SAE 67
di impiego generale sia come materiale strutturale (soprattutto in campo
ferroviario) sia per parti di macchine a contatto con ambienti corrosivi acidi.
10)
B. semiplastico ad alto piombo: composizione nominale: 70% Cu, 25%
Pb, 5% Sn. È impiegato per cuscinetti e bronzine ad alte velocità
e basse pressioni specifiche; diffuso soprattutto in campo ferroviario. 11)
B. al piombo-manganese: è una lega complessa, avente la seguente
composizione nominale: Cu 59%, Zn 37%, Sn 0,75%, Pb 0,75%, Fe 1,25%, Al 0,75%,
Mn 0,5%; più esattamente si dovrebbe annoverare fra gli ottoni. È
utilizzato per valvole, ingranaggi, basamenti di motore, ecc. in ambienti
corrosivi (esempio a contatto con acqua di mare). 12)
B. all'alluminio:
si tratta di un complesso di leghe contenenti rame e alluminio (4÷10%
circa) accanto a percentuali minori di altri elementi quali ferro, manganese,
nichel, ecc. Hanno generalmente una buona resistenza alla corrosione, accoppiata
a ottime proprietà meccaniche (resistenza alla trazione, allungamento,
creep, resilienza) e una ottima lavorabilità sia a caldo che a freddo.
Citiamo fra questi solo i più comuni. Il
b. al 5% di alluminio
contiene il 92÷96% di rame, il 4,0÷7,0% di alluminio (nominale 5%) e
altri elementi come impurezze (ferro 0,5% max, nichel 0,06% max, arsenico 0,35%
max, piombo 0,10% max, ecc.). La conducibilità elettrica è del
17,5% circa del campione internazionale di rame. I suoi usi sono
pressoché gli stessi del tipo al 10% di alluminio
(V. OLTRE); per il suo colore è usato anche
come similoro. Il
b. all'8% di alluminio contiene dal 7 all'8,5% di
alluminio, accanto eventualmente al ferro (1% max) e zinco (0,2 % max). Anche i
suoi usi sono simili a quelli del tipo al 10% di Al. Il
b. al 10% di
alluminio contiene il 10% (nominale) di alluminio, ed è la lega
più diffusa di questa classe. Da essa derivano poi una serie di leghe
ternarie o quaternarie per addizione di altri elementi quali ferro, manganese,
silicio, zinco, ecc. Ha peso specifico 7,58, sensibilmente inferiore a quello
del rame (che è 8,96), e conducibilità del 12,6% del rame campione
internazionale. La sua temperatura di liquidus è di circa 1.042 °C;
quella di solidus di circa 1.030 °C. È usato per parti che sono
sottoposte a corrosione quali valvole per l'industria chimica, alberi di navi,
tubi, ecc. Presenta anche una elevata resistenza all'abrasione e alla corrosione
ad alta temperatura, onde è impiegato anche per parti di caldaie e forni.
Per la sua resistenza alla corrosione trova molti impieghi decorativi per
utensileria domestica e gioielli di imitazione. Finemente suddiviso può
essere usato per vernici color oro. Degli elementi di addizione ricordiamo che
il ferro, nichel e manganese aumentano la durezza e la resistenza a trazione, ma
ne aumentano anche la fragilità; il nichel migliora anche il
comportamento alla corrosione. Zinco, ferro e stagno, eventualmente accoppiati,
vengono introdotti per evitare il cosiddetto
autoinvecchiamento, che nel
tempo fa decadere le proprietà meccaniche di questa lega. Fra i
b.
all'alluminio contenenti altri elementi ricordiamo il
b. tipo SAE 68 B
(1% di ferro), il
b. tipo SAE 68 A (3,5% di Fe), oltre al tipo al 4% di
Fe e quello all'11% di Al, 5% di Fe e 5% di Ni. 13)
B. al silicio: sono
leghe rame-silicio contenenti l'1 ÷ 3% di questo elemento accanto a
percentuali minori di altri elementi quali manganese, zinco, ferro, stagno, ecc.
Sono caratterizzate da ottime caratteristiche meccaniche e da buona
lavorabilità sia a caldo che a freddo. Il
b. al silicio tipo A
contiene oltre al rame il 3% circa (limiti 2,75 ÷ 3,50 per cento) di
silicio; altri elementi sono saltuariamente aggiunti (uno o più
contemporaneamente) tra i quali principalmente manganese (1,5% max), zinco (1,5%
max), ferro (1,6% max), stagno (0,785% max) e nichel (0,60% max); il piombo
è presente soprattutto come impurezza (0,05% max). È usato per
tubi, corpi di valvole, tubi per scambiatori di calore e così via. Il
b. al silicio tipo B è simile al precedente tipo A, ma ha una
percentuale minore di silicio (1,5% nominale); i suoi impieghi sono simili a
quelli del tipo A, ma trova anche diversi usi in elettrotecnica. 14)
B. al
berillio: sono leghe rame-berillio contenenti dall'1,9 al 2,5% di questo
elemento accanto a percentuali minori di altri elementi, solitamente nichel o
cobalto. Esse, soprattutto dopo trattamento termico, hanno delle
proprietà meccaniche elevatissime, comparabili a quelle dei migliori
acciai oltre a presentare un'ottima resistenza alla corrosione in molti
ambienti. Queste leghe sono impiegate per la fabbricazione di molle, contatti
elettrici, pezzi di meccanica di precisione, ecc., cioè in quei casi in
cui il loro alto costo è giustificato da un netto miglioramento della
qualità del manufatto finito. Un'altra loro caratteristica preziosa
è l'elevata resistenza all'usura e al creep e l'amagneticità; per
questo specifico motivo vengono spesso usate al posto di acciai. Per quanto
riguarda la resistenza alla corrosione, notiamo che il
b. al berillio
resiste bene all'atmosfera sia industriale che marina, alle soluzioni alcaline e
acide anche cloridriche (ma non di acidi ossidanti) come pure alla maggior parte
delle sostanze organiche. Non resiste invece al mercurio liquido e alle
atmosfere di alogeni ad alta temperatura. Le leghe rame-berillio hanno anche una
notevole importanza teorica, in quanto sono state fra le prime leghe di
interesse industriale che presentano il fenomeno dell'
indurimento per
precipitazione (in inglese
precipitation hardening). Il fenomeno
dell'indurimento per precipitazione consiste nella formazione di fasi intermedie
metastabili che permangono anche a temperatura ambiente con un raffreddamento
non troppo lento. Portando il materiale a una temperatura opportuna (esempio
circa 350 °C) per qualche ora e poi raffreddandolo si nota per le leghe
rame-berillio un notevole miglioramento delle caratteristiche (resistenza a
trazione, durezza, ecc.) a differenza di quanto succede per la maggior parte dei
metalli e leghe, per i quali un simile trattamento (che sarebbe una ricottura)
produrrebbe un peggioramento delle proprietà meccaniche eccetto per
l'allungamento a rottura. Il trattamento di indurimento per precipitazione
è però più delicato degli altri trattamenti termici; un
tempo troppo lungo (o una temperatura troppo elevata) porta a una eccessiva
segregazione delle fasi metastabili, con peggioramento delle caratteristiche. La
lega di questa classe che è più conosciuta è il cosiddetto
rame al berillio o
b. al berillio, che contiene il 2% circa di
berillio e lo 0,25% di cobalto o lo 0,35% di nichel. Il trattamento termico
migliore per questa è di circa 3 ore (totali, cioè fra
riscaldamento, permanenza di temperatura e raffreddamento a circa 316 °C);
temperature e tempi diversi possono anche essere usati in casi particolari, in
funzione del forno impiegato e dello spessore della parte trattata,
nonché dell'impiego di questa.