Appunti Metalli non ferrosi

LEGHE PESANTI

4. Leghe di Rame

Leghe pesanti: hanno un peso atomico maggiore del Fe (densità superiore ai 7.8 g/m3)

Bronzo: lega Cu-Sn, importanza dal punto di vista evolutivo

Estrazione dai minerali: riciclabilità del Cu assoluta (al 100%, si sa dai tempi dei Romani), l’80% del Cu in Italia

è di quinta generazione; estrazione, frantumazione e macinazione, flottazione in acqua (selezione dei minerali

per differente peso, in base alla quota di galleggiamento si riconosce se è Cu puro, lega di Cu o altro),

concentrazione, arrostimento, alligazione chimica (di affinamento), fusione, raffinazione termica ed

elettrolitica, rifusione e colata; i minerali da cui si estrae il Cu è la Meloconite, la Malachite, l’Azurite e la

Cuprite (roccia proveniente da Cipro, da cui Cu), ben differenti tra loro per la morfologia della roccia; Cile

come primo produttore mondiale

Caratteristiche salienti: è amagnetico (non ha nessuna prerogativa di magnetizzazione, è un pregio in molti

contesti), forma leghe con tutti gli elementi (bronzi e ottoni di diversa natura), si può deformare plasticamente

sia a freddo che a caldo (è molto duttile e lavorabile), si può saldare, è un ottimo conduttore elettrico (cavi

elettrici) e termico (flange in vari impianti per distribuzione di calore), ottima resistenza a corrosione

Non si è mai voluto trovare un sistema unificato di classificazione per il Cu perché ogni Nazione storicamente

ha prodotto Cu per centinaia di anni

Cu commercialmente puro: di due tipi, Cu-DHP e Cu-ETP

Ottoni: Cu-Zn + altro

Bronzi: Cu-Sn + altro

Cupronickel: Cu-Ni

Cupralluminio: Cu-Al

ETP: affinazione elettrolitica (per togliere quanto possibile gli elementi ospite tipo Fe, Zn, St) e trattato al

tronco di pino (trattato termicamente ad alta temperatura a contatto con il tronco di pino perché si è visto

che trattandolo in questo modo l’O tende a entrare nella struttura reticolare e ad impedire che altri elementi

vengano dentro il composto di Cu, non è corrosione, è un legame a livello atomico e il Cu reagisce bene agli

agenti atmosferici, reticolo di Cu a CFC, O2 è sostituzionale, O è interstiziale); ottimizzazione dei processi di

saldatura con aggiunta di O, si formano degli intermetallici a bordo grano che non disturbano la continuità di

conducibilità elettrica della condotta elettrica, l’unica cosa che succede è l’infragilimento dovuto a potenziale

assorbimento di H a bordo grano (saldatura fatti con sufflaggio di Ar), cavi elettrici

DHP: deossidazione (riduzione O) con un alto residuo di P, è stato prodotto togliendo la componente O e

lasciando che si leghi in modo naturale al P, oppure si mette l’atmosfera satura di P in modo che il processo

duri un massimo di un paio di ore (P ha raggio atomico tale per cui è sempre interstiziale); calo significativo

di conducibilità elettrica (quasi a dimezzare, da 58 a 38) con un tenore di P modesto (0.05), rivestimenti

protettivi

Ottoni: 3 tipi, il primo ha una fase alfa (CFC) con Zn < 36%, il secondo è uno misto alfa-beta (36-45%), il terzo

ha una fase beta (> 45%, ma è talmente fragile che non trova applicazione, non ha valenza tecnologica); altri

elementi aggiunti sono il Pb (ottoni al Pb, è l’unico elemento che non forma legame con il Cu, forma un

gocciolamento interno che si forma al bordo di grano dell’ottone alfa tipicamente, diventa un autolubrificante

e riduce drasticamente i fenomeni di usura e un riscaldamento eccessivo degli utensili, ovvero diventa un

elemento che consente la lavorabilità in modo molto efficace), il Mn (aumenta la resistenza a corrosione e

quindi la durabilità), il Fe (aumenta il carico a rottura), l’Al (aumenta la resistenza a corrosione e ad usura, si

trovano negli strumenti musicali), l’As e l’St (inibiscono la dezincificazione, le leghe con Zn tendono nel tempo

a far isolare lo Zn dalla struttura, tende a smiscelarsi dal Cu e formare degli elementi sostituzionali, cala la

resistenza meccanica nel tempo, si usano se si vuole fissare la precipitazione secondaria di Cu-Zn)

Bronzi: varie possibilità di concentrazioni di Sn, <6% bronzo malleabile, <18% (lega molto resistente), =22%

(pressofusi per realizzare campane e cannoni), =33% (quando si vuole avere un rullo di macinazione per rocce,

ma molto fragile, se subisce urti si può crepare); bronzi complessi al Si, Mn, Al, Ni, Be, Pb

Cupronichel: si può aggiungere Fe, Mn, Sn; Ni conferisce un colore diverso alla lega e il 20% di Ni è sufficiente

affinché abbia un colore grigio intenso (si vede nella monetazione), è un elemento che ha un’ottima resistenza

ad usura, corrosione, erosione ed è ben saldabile, è quindi utilizzato in ambiente marino (filtri per acqua di

mare, dispositivi di trattamento di acqua di mare, varie componentistiche dei motori di navi)

Cupralluminio: diverso tenore di Al, destinato per le eliche delle navi

Leghe Cu-Be: l’unica che si può bonificare in modo da avere proprietà meccaniche comparabile a quelle degli

acciai (800 MPa negli altri casi, qui 1000 con T6 o 1500 MPa con T8)

Applicazioni: alpacche, leghe Cu-Zn-Ni apprezzate unicamente per il loro colore risultane (carta colore: Cu-Zn

paritari: blu, Ni: verde, Zn: rosso, Ni e poco Zn: bianco panna), apprezzati in rubinetteria, bigiotteria,

abbigliamento; in edilizia, trasporti, elettricità ed elettronica, macchine ed attrezzature industriali,

monetazione (facile coniabilità, essendo duttile e malleabile, resiste bene agli urti e all’usura, elevata

resistenza da corrosione, riciclabilità, amagnetico, batteriostatico, presenta caratteristiche elettriche e

magnetiche, questo serve al riconoscimento elettronico della moneta, è come funzionano i sistemi di acquisto

con monete tipo distributori automatici, parcometri e similari, si utilizzano tre comparatori, uno per il

diametro, uno per il peso e uno per la conducibilità elettrica, ma che può cambiare con la temperatura, valore

troppo alto per temperature basse, questi tre controlli si fanno per evitare che ci siano monete provenienti

da altre Nazioni che hanno simili geometrie ma che sono fatte di metalli diversi)

5. Superleghe

Leghe a base Ni e leghe a base Co

In termini di confronto con gli acciai inossidabili sono quelle leghe che eccedono le caratteristiche degli acciai

inossidabili arrivano ad arrivare prerogative superiori e migliorative per le quali gli acciai non potevano

arrivare, questi materiali saranno destinati ad essere utilizzati in ambienti potenzialmente aggressivi corrosivi,

c’è bisogno di una buona stabilità superficiali ed esenza di fenomeni di attacco

Base Fe: modifica degli acciai inossidabili tipicamente austenitici, si ha infatti Fe-Cr-Ni-Co (Ni: rende la

struttura austenitica a Tamb, Cr: garantisce la stabilità ambientale, in aggiunta c’è Co: mantiene una struttura

ad alta resistenza e soprattutto conferisce a questa lega delle prerogative di resistenza alle alte temperature)

Punto di forza delle superleghe: resistono bene ad ambiente potenzialmente corrosivi con buone proprietà

meccanica e riescono a lavorare bene continuativamente (a fatica meccanica) alle alte temperature

(temperature di esercizio attorno a 0.6Tf = 1000°C, essendo Tf = 1700-2000°C)

Base Co

Base Ni: le più importanti e anche le più costose

Requisiti: devono avere una resistenza in esercizio alle temperature per un dato tempo minimo garantito (per

10.000 ore sono adatte, appena sufficienti, per 100.000 ore buone caratteristiche di superlega, ottime a

1.000.000 ore), non devono essere soggette a shock termici (hanno sensibilità allo shock termico, il ciclaggio

termico troppo veloce potrebbe essere un problema tecnologico, e non di lega, si fa un ciclaggio termico

alternato), dimensionalmente stabile nel tempo (dimensioni ottenute con pressofusione o con lavorazione

meccanica), la resistenza meccanica non deve variare nel tempo (la fatica meccanica deve essere garantita)

Applicazioni: aeronautico (realizzazione turbine e testate di missili), impiantistica (palette di turbine a gas),

medicale (protesi), nucleare (barre di controllo e molle di fissaggio del reattore)

Classi: sono tutti nomi commerciali (i più importanti sono INCOLOY e Stellite)

Base Fe: INCOLOY

Base Co: Stellite/Haynes/MAR

Base Ni: HASTELLOY/INCOLOY/INCONEL/NIMONIC/RENE’/UDIMET

Struttura: matrice austenitica (gamma, FCC) con cuboidi (deformati, gamma’ a FCC, fattore di scala 1:10

rispetto al grano di austenite) in mezzo ai quali c’è un’altra struttura (gamma’’, fattore di scala 1:100,

circondano in modo continuo i cuboidi, BCT tetragonale a corpo centrato, si forma consumando Nb presente

nella gamma’), ci possono essere anche dei rettangolini alternati attorno alla direttrice (fase delta, alternativa

alla gamma’’, cambia la morfologia cristallografica), altre fasi mu ed eta (che consuma gamma’), laves e carburi

(determinano un calo di resistenza meccanica nel tempo, consumano gamma’ e gamma’’); la struttura non è

così dall’inizio, quando si mette in esercizio il pezzo si ha gamma e gamma’, nel tempo comincia l’evoluzione

di delta (a spese di gamma’), nel tempo si forma eventualmente la eta (a spese di gamma’), si sta degradando

la superlega, sta insorgendo qualche problema di fatica meccanica (la vita residua si è ridotta, per capire di

quanto si fanno dei test con delle linee di estrapolazione)

Base Fe: T esercizio fino a 800°C, resistenza a corrosione scarsa, proprietà meccaniche basse (500-550 MPa),

costi 1-10 (n volte rispetto agli acciai inossidabili equivalenti); applicazioni in termocoppie

Base Co, fino a 1100°C, resistenza a corrosione buona, proprietà meccaniche medie (600-700MPa), costi 30-

50

Base Ni: fino a 1000°C, resistenza a corrosione ottima, proprietà meccaniche medio-alte (800 MPa), costi 40-

80

Superleghe ODS: si parte da polveri metalliche, vengono compattate insieme a degli ossidi, che rafforzano

ulteriormente le superleghe (1400°C di esercizio) e si ha a che fare con la stabilizzazione del Ni3Al (fase

gamma’, si inibisce la formazione della fase eta), gli ossidi che si immettono di rinforzo sono insolubili fino allo

0.9Tf, siccome in esercizio si arriva massimo a 0.6Tf questi sono stabili costantemente per tutte le temperature

di esercizio di questi componenti (vantaggio in termini di capacità tecnologiche, incremento di costi finali)

Attualmente utilizzate nelle palette statoriche delle turbine a gas nelle camere di combustioni dei bruciatori

e altre applicazioni dell’industria aerospaziale

Si aggiungono ossidi di Y (molto costoso) e il 3.5% di peso di Al e Ti per la formazione di gamma’ (è tutto

calibrato), a esempio la IN853 (una delle più alte in termini di capacità di propriet&agr