Ottoni caratteristiche

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GLI OTTONI

Introduzione.

Conosciuti in Palestina 1400 ¸ 1000 a.C.
Sono leghe fondamentalmente costituite da rame e zinco (ottoni comuni o binari).
Devono le loro applicazioni essenzialmente alle proprietà meccaniche nettamente superiori a quelle del rame puro, con rinuncia però alle eccezionali proprietà fisiche, in particolare alla conducibilità elettrica e termica che possiede il rame.
Nella loro preparazione, direttamente dai metalli puri per fusione o per rifusione da rottame, occorre proteggere il bagno dall'ossidazione, che provoca anche la presenza di ZnO (ossido di zinco) nel materiale con conseguente aumento della fragilità; occorre inoltre prestare attenzione alle elevate perdite di Zn che è facilmente volatile (punto di ebollizione 907 °C).
Le caratteristiche meccaniche degli ottoni variano con il tenore di zinco e la presenza di eventuali elementi alliganti aggiunti (nascono così gli ottoni speciali) ottimizza alcune proprietà mantenendone pressoché inalterate le altre.
La resistenza alla corrosione a freddo è buona e non molto dissimile da quella del rame.
Gli ottoni poveri di zinco cominciano ad ossidarsi a caldo ad oltre 200 °C; in presenza di più elevati tenori di zinco la formazione di ZnO attenua il fenomeno.
Lo zinco aumenta la fusibilità ed agisce sul rame come disossidante.
Nelle operazioni di saldatura, più agevoli di quelle del rame, occorre prestare attenzione alle perdite locali di zinco (il fenomeno viene attenuato utilizzando materiale d'apporto più ricco di zinco).
A seconda del tenore di zinco la lavorabilità per deformazione plastica degli ottoni è molto diversa.
La truciolabilità viene aumentata con piccole percentuali di piombo aggiunte alla lega (questa operazione viene considerata come "inquinante" ed in alcuni Stati tali prodotti non vengono accettati per l'impiantistica civile).

RAME Cu	generalità	ZINCO Zn
antichità	anno di scoperta	1746
rosso	colore	grigio azzurro
29	numero atomico	30
c.f.c. (cubica a facce centrate)	cella elementare	e.c. (esagonale compatta)
1083	Tfusione [°C]	419
2595	Tebollizione [°C]	907
8,96	massa volumica [kg×dm-3]	7,14
0,385	calore specifico o capacità termica massica a 20 °C [kJ×kg-1×K-1]	0,387
204,7	calore latente di fusione [kJ×kg-1]	102,2
16,5×10-6	coefficiente di dilatazione lineare a a 20 °C [K-1]	30×10-6
12400	modulo di elasticità longitudinale E [daN×mm-2]	9000
25	resistenza a trazione Rm, sR [daN×mm-2]	14
50	durezza espressa in punti brinell [HBW]	35
grande duttilità e malleabilità, ottimo conduttore di calore ed elettricità; incrudisce notevolmente se lavorato a freddo; diventa fragile se riscaldato fra 200 e 600 °C; ricottura per eliminare l'incrudimento eseguita a 650 °C	caratteristiche generali	fragile e poco malleabile a freddo, diventa malleabile fra 100 e 150 °C, ritorna fragile a 200 °C; intorno a 500 °C brucia con fiamma viva producendo fiocchi bianchi molto leggeri (lana filosofica: è ossido di zinco)

Generalità.

Le leghe di rame sono leghe con la percentuale di rame maggiore del 50%.
Si distinguono in:

leghe di rame da lavorazione plastica: a) allo stato grezzo di fusione;

b) allo stato di semilavorati;
Si classificano con la lettera P e con le seguenti categorie:
Pl laminato, Pe estruso, Pf fucinato, Ps stampato, Pt trafilatato;

leghe di rame da fonderia: a) allo stato di pani;

b) allo stato di getti;
Si classificano con la lettera G e con le seguenti categorie:
Gs sabbia, Gc conchiglia, GD colata sotto pressione, Gcf colata centrifuga, Gct colata continua.

OTTONI.

ottoni binari o comuni: rame e zinco più impurezze contestuali al processo di fabbricazione e tollerate; sia da fonderia che da lavorazione plastica;
ottoni speciali o legati: rame, zinco con altri elementi aggiunti più impurezze; sia da fonderia che da lavorazione plastica.

Ciascun componente aggiunto ha una sua influenza specifica sulle caratteristiche della lega; gli elementi alliganti normalmente aggiunti sono:

PIOMBO Pb; usato in quantità medie di circa il 2% (da 1 a 3%) rende "secco" l'ottone, ovvero aumenta la truciolabilità e quindi la lavorabilità alle macchine utensili con asportazione di truciolo;
SILICIO Si; elemento fortemente ossidante, capace di aumentare le caratteristiche meccaniche, migliora la resistenza alla corrosione ed alle elevate temperature; viene introdotto in percentuali dell'1% circa;
MANGANESE Mn; esplica azione ossidante ed aumenta la resistenza meccanica ed alla corrosione; è presente unitamente al ferro, di cui aumenta la solubilità, e all'alluminio negli ottoni ad alta resistenza; impiegato fino al 4%;
NICKEL Ni; aumenta la resistenza meccanica, la durezza e la resistenza alla corrosione; molto solubile nella lega Cu-Zn è impiegato fino al 20%;
FERRO Fe; introdotto in basse percentuali (fino allo 0,5%), è poco solubile nella lega Cu-Zn; affina il grano cristallino, aumenta la resistenza meccanica, diminuisce l'allungamento e la resistenza alla corrosione;
STAGNO Sn; introdotto fino al 6%, aumenta la resistenza meccanica e la resistenza alla corrosione; la sua solubilità nella lega Cu-Zn decresce all'aumentare del tenore di zinco;
ALLUMINIO Al; introdotto fino al 2% circa aumenta la durezza, la resistenza meccanica e la resistenza alla corrosione; nella lega Cu-Zn è solubile fino al 10% se il tenore di zinco è basso;
BERILLIO Be; fino allo 0,7% ha una azione affinante, maggiore dell'1% rende l'ottone suscettibile di trattamento termico; in presenza di nickel diventa inox a caldo ma a scapito della lavorabilità e delle proprietà meccaniche.

Si può trattare l'aggiunta di un elemento di lega negli ottoni, agli effetti di una eventuale modifica strutturale, come ad una modifica del tenore di zinco negli ottoni binari.
A tal proposito vengono utilizzati i coefficienti di equivalenza di Guillet per determinare il tenore fittizio di zinco.

elemento alligante X	coefficiente C
Mn	0,5
Fe	0,9
Sn	2
Al	6
Si	10
Pb	0
Ni	- 1,1 ¸ - 1,7

Il titolo fittizio di Zn viene ricavato con la seguente formula:

Esempio: Cu Zn 30 Al 2 che significa lega a base di rame con Zn = 30% ed Al = 2%, quindi ottone speciale all'alluminio; calcolo del titolo fittizio di zinco:

NB. Il coefficiente del piombo è zero: ecco perché alcuni autori trattano l'ottone al piombo come ottone comune (ricordo che il piombo non si lega con nessuno dei componenti la lega ma rimane distribuito in forma dispersa nella matrice).

Esempi di designazioni:
P - Cu Zn 30 UNI…ottone binario per lavorazione plastica con il 30% di zinco e 70% di rame.
NB: occorre sempre specificare la normativa di riferimento;
P - Cu Zn 40 Pb 2 UNI… ottone al piombo per lavorazione plastica con 40% di zinco, 2% di piombo e resto rame (100 - (40 + 2))%;
G - Cu Zn 16 Si 4 UNI… ottone speciale per getti con 16% di zinco, 4% di silicio e resto rame;
G - Cu Zn 35 Mn 2 Al 1 Fe 1 UNI… ottone speciale per getti con 35% di zinco, 2% di manganese, 1% di alluminio, 1% di ferro e resto rame.
NB. Lettura ideale perché sono sempre presenti le impurezze, per cui i valori letti dalle sigle unificate sono sempre valori medi; talvolta si usano anche le sigle in contrassegno, anche qui si leggono i valori medi, del tipo:
OT 70             ottone comune con il 70% di rame e resto zinco;
OT 58 Pb 2                 ottone "comune" con il 58% di rame, il 2% di piombo, resto zinco;
OTS 68 Al 6   ottone speciale con il 68% di rame, 6% di alluminio e resto di zinco.

Il diagramma Cu - Zn.

(NB. La porzione che riguarda le leghe di interesse industriale è fino a circa il 50% di zinco).
E' un diagramma complicato dalla presenza di cinque trasformazioni peritettiche ed un eutettoide.
Le soluzioni solide Cu-Zn degli ottoni sono di tipo sostituzionale, infatti atomi di Zn, in modo più o meno ordinato, prendono il posto del Cu nella cella cubica.
La struttura dell'ottone rimane pertanto cubica.
In tale processo la diversa dimensione degli atomi di zinco rispetto a quelli del rame (13,3 nm contro 12,8 nm; 1nm = 10-9 m) provoca dilatazione nel reticolo fondamentale del rame man mano che aumenta la percentuale di zinco entrato nella soluzione solida; questa tensione reticolare è una delle cause delle più elevate proprietà meccaniche dell'ottone rispetto al rame.

P1 P2 punti peritettici
NB. Nel diagramma non vengono distinti i cristalli primari (quelli formatisi direttamente dal liquido) da quelli secondari (quelli formatisi per saturazione).

Si possono individuare:

la soluzione solida a con cella cubica a facce centrate di zinco "sciolto" nel rame; essa è caratterizzata da elevata malleabilità e duttilità a freddo, ma fragilità nei processi di lavorazione a caldo. Queste ultime, se necessarie, vengono eseguite con alcuni accorgimenti quali la costanza della temperatura durante il processo di lavorazione ed il controllo della purezza della lega. Quando gli ottoni hanno, a temperatura ambiente, una struttura completamente di tipo a si dicono OTTONI a o OTTONI DI PRIMO TITOLO.

La percentuale di zinco per avere questi ottoni è fino al 39% circa (per alcuni autori questa percentuale è minore a causa della incertezza nella determinazione della curva di saturazione della soluzione solida a); la "sicurezza" si può avere per una % di Zn minore del 32,5.
NB. Causa la fattezza della curva di saturazione, visto che per percentuali di zinco comprese fra 32,5 e 39 ho, a temperatura elevata, coesistenza di fasi, sarà necessario per avere a temperatura ambiente la sola fase a, procedere con raffreddamento per stati di equilibrio al fine di garantire il processo di solubilizzazione.
Se il raffreddamento è veloce si avrà, a temperatura ambiente, coesistenza di più fasi e quindi non la sola fase a come si evince dal diagramma di equilibrio;

soluzione solida b con cella cubica a corpo centrato di zinco "sciolto" nel rame, di tipo disordinata (cioè con gli atomi di zinco e di rame distribuiti a caso tra le possibili posizioni nella cella cubica); al di sotto della linea tratteggiata essa assume il nome di b' con cella elementare sempre di tipo c.c.c. ma di tipo ordinata: l'atomo di Zn sempre al centro del cubo della cella e gli atomi di Cu sui vertici. Tale trasformazione (b ® b') avviene con un arresto

della temperatura sulle curve di raffreddamento come fosse una trasformazione di tipo allotropico.
(NB. questa distinzione viene trascurata ai fini pratici per cui useremo sempre il nome b).
La soluzione solida b presenta buone capacità nelle deformazioni plastiche a caldo (è bene lavorare al di sopra della temperatura di trasformazione, la linea tratteggiata) e scarse capacità nelle deformazioni plastiche a freddo; verranno eseguite a freddo minime deformazioni se necessarie per la finitura dei pezzi.
Quando gli ottoni hanno, a temperatura ambiente, una struttura mista di tipo a e b si dicono OTTONI ab o OTTONI DI SECONDO TITOLO; per calcolare le quantità di a e b coesistenti in equilibrio a temperatura ambiente si ricorre alla regola della leva;

soluzione solida g con struttura complessa, dura e fragile, non ha significato dal punto di vista pratico: essa non è lavorabile né a caldo né a freddo.

NB. In generale tutte le leghe con Zn > 37% possono essere temprate (tempra di soluzione, sul tipo di quella delle leghe leggere a base di alluminio) fissando a temperatura ambiente strutture metastabili: ma tale trattamento non ha alcuna importanza pratica, si preferisce infatti aumentare Rm ed HBW (cioè la resistenza a trazione e la durezza) attraverso la via dell'incrudimento a freddo. (Si ricorda che una lavorazione si intende eseguita a freddo se la temperatura alla quale si effettua è minore del 30% della temperatura di fusione, espressa in kelvin, del materiale in lavorazione).

Proprietà degli ottoni.

r massa volumica (densità), a coefficiente di dilatazione lineare, A allungamento dopo rottura a trazione, HBW durezza espressa in punti brinell con sfera di carburi di wolframio (tungsteno)

Per gli ottoni a l'unica possibilità per aumentare le proprietà meccaniche è la via dell'incrudimento con la deformazione plastica a freddo.

Quindi la lavorazione plastica a freddo è un metodo utile per migliorare le proprietà del materiale quali la resistenza a trazione e la durezza ma occorre bilanciarlo per lasciare un idoneo margine di duttilità il cui parametro è l'allungamento dopo rottura a trazione A.

Quando il processo di deformazione è profondo possono essere previste ricotture intermedie al fine di ripristinare il grano cristallino (ricotture di ricristallizzazione).

La dimensione del pezzo è un parametro molto importante in quanto la lavorazione a freddo è un processo localizzato: ad esempio la durezza decresce dall'esterno verso il centro del pezzo.

Pertanto la massima efficacia si osserva lavorando a freddo pezzi di sezione ridotta come lamiere sottili e barre di piccolo diametro.

La lavorazione a freddo è applicabile anche agli ottoni ab, che essendo meno duttili, avranno un grado di deformazione limitato.

La dimensione del grano è un parametro importante per le lavorazioni a freddo; essa influirà sulla finitura superficiale e sulle proprietà meccaniche.

Se il grano è grossolano la superficie lavorata sarà irregolare con tipico aspetto a buccia di arancia e risulterà difficile da lucidare; inoltre è bene avere dimensioni del grano uniformi per evitare differenze locali di proprietà.

Se per modificare le proprietà occorre aggiungere elementi alliganti agli ottoni binari è bene ricordare che, per esempio, l'indurimento dipenderà dall'entità della distorsione prodotta dagli atomi in soluzione e che i soluti più simili al rame come dimensioni hanno più solubilità e presentano minore capacità di indurimento; nel caso di presenza di più soluti gli effetti dipendono dalla percentuale presente e dalla interazione fra gli stessi soluti

Trattamenti termici.

Ricottura: trattamento termico volto a ridurre o eliminare le alterazioni microstrutturali indotte dalla deformazione; la temperatura e la durata del trattamento vengono scelte in relazione al materiale e alle proprietà dello stesso

HBW HBW

a b c durata a b c temperatura
a ® recupero
b ® ricristallizzazione
c ® crescita del grano

Si può parlare di temperatura di ricristallizzazione che può essere definita in modi diversi; per esempio:

(se reciproco = 1 oppure 0,5).

Essa dipenderà da molte variabili come il tempo di permanenza, la composizione della lega, l'entità ed il tipo di deformazione plastica subito, la dimensione originaria del grano e la temperatura di deformazione.
Gli effetti della ricottura dipendono anche dalle velocità di riscaldo e di raffreddamento.
Per esempio, negli ottoni al piombo, si possono formare cricche con riscaldamenti rapidi se in essi sono presenti tensioni residue.

Distensione: scopo di attenuare gli sforzi residui nel materiale senza modificare apprezzabilmente le sue proprietà; la temperatura del processo sarà minore rispetto a quella di ricottura e con tempi generalmente più lunghi.

Indurimento per precipitazione: si esegue una tempra di soluzione più un invecchiamento artificiale eseguito ad una temperatura ben definita nella quale si ottiene la precipitazione del soluto (in modo simile alla bonifica delle leghe leggere a base di alluminio); se l'ottone è binario il processo non è efficace ma lo diventa con l'aggiunta di elementi alliganti quali il nickel e l'alluminio. Prima dell'invecchiamento si sottopone il materiale a deformazione plastica a freddo.

Un esempio.

P - Cu Zn 40 Pb 2 UNI… (P - OT 58 Pb 2)

composizione chimica percentuale:
Cu 57 ¸ 60 Pb 1 ¸ 3 Femax 0,60       Almax    0,15 Snmax 0,90 Simax 0,20 Mnmax 0,20 Nimax 0,50
impurità totale max 1,60, resto Zn.
- massa volumica a 20 °C       r = 8,40 kg×dm-3
- intervallo di fusione:                        880 ¸ 895 °C
- calore specifico a 20 °C:      0,380 kJ×kg-1×K-1
- coefficiente di dilatazione lineare da 25 ¸ 300 °C:            a = 20,7×10-6 K-1
- modulo di elasticità longitudinale: E = 10500 daN×mm-2
- struttura cristallina a 20 °C:             a + b

STATO	Rm o sR daN×mm-2	A %	durezza HBW
ricotto	36	25	80
semiduro	42	12	100
duro	53	4	140

- lavorazioni a cui è adatto: estrusione, fucinatura, lavorazioni alle macchine utensili
- caratteristiche tecnologiche: lavorabilità plastica a freddo scadente, a caldo buona, brasatura dolce e forte ottima, saldatura ossiacetilenica o ad arco con elettrodi rivestiti scadente
- temperatura di ricottura: 425 ¸ 600 °C
- temperatura di distensione: 250 ¸ 350 °C
APPLICAZIONI: valvole, rubinetteria, viti, dadi, bulloni, accessori per impianti idrosanitari, manigliame, materiale bellico.

Considerazioni.

Decapaggio: rimozione degli ossidi per via chimica; nel caso degli ottoni ottenuto immergendo il materiale in una soluzione acquosa con il 10% di acido solforico (H2SO4).

Liquazione o segregazione: nell'intervallo di temperatura in cui avviene la solidificazione i grani cristallini o gli stati di accrescimento formati a temperature più elevate, cioè in tempi precedenti saranno più poveri in soluto; a causa della lentezza dei moti diffusivi la loro composizione non varierà in modo apprezzabile e la lega solidificata avrà una composizione non omogenea. Si potranno anche avere fasi non attese osservando il diagramma di stato. Il fenomeno è meno preoccupante per quelle leghe che presentano una breve distanza tra le linee del liquidus e del solidus. Il grado di omogeneità e compattezza dei lingotti o dei pezzi dipende dunque dalle modalità di colata e dalle forme e dimensioni. Le disuniformità esistenti in leghe solidificate possono essere attenuate mediante un trattamento di omogeneizzazione consistente in un prolungato mantenimento a temperatura elevata (minore di qualche decina di gradi a quella della linea del solidus); il tempo dipenderà dalla microstruttura della lega: se fine tempi minori.
NB. Si potrebbe ottenere l'omogeneità strutturale anche con un raffreddamento molto lento a partire dalla temperatura di fine solidificazione: è però una via poco pratica.

Shape Memory Alloys: leghe a memoria di forma. Sono leghe che a temperature diverse assumono forma diverse; ritornando dunque ad una certa temperatura acquistano di nuovo la forma che avevano a quella temperatura. Questo fenomeno viene provocato da cambiamenti di struttura nella matrice. L'applicazione di queste leghe a memoria di forma comprende sistemi di controllo, componenti elettrici,…
Un esempio di queste leghe è formato da leghe Cu - Zn - Al.

Ottone al piombo.

Il piombo è un elemento che non forma soluzione solida con il rame o con la soluzione Cu-Zn, ma rimane completamente separato; essendo l'ultimo a solidificare per la sua bassa temperatura di solidificazione (328 °C) si troverà ai bordi della lega Cu-Zn. Gli ottoni al piombo hanno generalmente un basso contenuto di rame, quindi hanno presente maggiormente la fase b e saranno molto sensibili ai fenomeni della dezincificazione (separazione dei componenti Cu e Zn) per la facilità con i quali essi si manifestano nella fase b. Le barre in ottone al piombo, specialmente quelle di grandi dimensioni, presenteranno notevoli tensioni interne distribuite in modo disuniforme nella sezione per il diverso grado di deformazione che subiscono nelle zone vicino alla filiera nella trafila di finitura a freddo; tali tensioni possono indurre rotture per corrosione sotto sforzo (season cracking), fenomeno favorito dalla fase b presente. Pertanto le barre di ottone al piombo dovranno essere accuratamente normalizzate dopo la finitura a freddo, anche se questa è eseguita con modesta deformazione.

Lavorazioni meccaniche.

Anche le lavorazioni meccaniche, a causa di surriscaldi locali, possono provocare in alcuni ottoni la formazione di cristalli b. Tali strutture metastabili tenderanno a trasformarsi a temperatura ambiente provocando l'insorgere di tensioni interne capaci di generare criccature nei pezzi (rotture spontanee); per evitare l'inconveniente è sufficiente un riscaldo (per esempio a 300 °C) atto a rendere omogenea la struttura riportandola nelle condizioni previste dal diagramma di equilibrio. Attenzione in particolare agli ottoni speciali in quanto gli elementi di lega aggiunti tendono generalmente ad aumentare il tenore fittizio di zinco creando con maggiore facilità la nascita della fase b.

Bibliografia.

D. Lucchesi: "Tecnologia Meccanica" vol. I ed. Sansoni
Enciclopedia EST Mondadori: varie voci
C. Gaggia - S. Gaggia: "Tecnologia Meccanica" vol. I ed. Zanichelli
A. Secciani - G. Villani: "Produzione Metalmeccanica" voll. I e II ed. Cappelli
A. Burdese: "Metallurgia" ed. UTET
W. Nicodemi - R. Zoia: "Metallurgia Applicata" ed. Tamburini
V. Loconsolo - L. Nobili: "Manuale degli Ottoni" ed. CONSEDIT

Ottoni caratteristiche