Standard e proprietà: metallurgia del rame

Di William D. Nielsen, Jr. Western Reserve Manufacturing Co., Inc.

Le proprietà di base delle leghe di rame sono largamente influenzate dalle proprietà del rame stesso. È noto che il rame possiede alcune qualità uniche che lo rendono il miglior materiale tecnico per le applicazioni dei cuscinetti. Questi sono:

Tutte e tre le qualità di cui sopra sono direttamente correlate alla struttura e al comportamento della struttura del rame su scala atomica.

Il rame solido può essere descritto come la disposizione degli atomi di rame in una configurazione cubica a facce centrate (fcc). Un atomo di rame si trova ad ogni angolo e al centro di ciascuna faccia di un cubo, come illustrato inFigura 1 . Questa è la cella unitaria che si ripete nello spazio tridimensionale per costituire la struttura cristallina del metallo.

Gli atomi sono tenuti in posizione nella struttura dall'energia delle attrazioni atomiche tra di loro. È questa particolare disposizione cubica degli atomi a facce centrate che conferisce al rame la sua elevata duttilità e tenacità. Tutti i metalli si deformano mediante un meccanismo chiamato scorrimento. Quando si verifica lo scorrimento, una forza sul metallo fa sì che gli atomi scivolino uno accanto all'altro in gruppi. Nella struttura FCC del rame questo movimento avviene preferenzialmente in una o tutte e tre le direzioni lungo uno specifico piano geometrico di atomi all'interno del reticolo, come mostrato infigura 2.

La combinazione di strutture elettroniche e cristallografiche del rame conferisce la sua eccellente resistenza alla corrosione. La nuvola di elettroni liberi è facilmente disponibile per formare pellicole coerenti sulla superficie metallica che proteggono il reticolo da ulteriore corrosione.

La struttura FCC che genera i piani di scorrimento conferisce un'altra caratteristica a questi stessi piani. Gli atomi sui piani di scorrimento sono raggruppati il ​​più strettamente possibile in qualsiasi sistema metallico (figura 2 ). Questa disposizione efficiente degli atomi concentra la maggior parte della materia in un dato spazio (come le api sembrano sapere quando costruiscono i favi). È molto difficile per gli ioni idrogeno farsi strada attraverso i piccoli spazi tra gli atomi e causare fessurazioni da tensocorrosione, tranne negli ambienti più aggressivi.

Abbiamo visto come il rame, il metallo base per la fusione del bronzo, se osservato su scala atomica, conferisce le caratteristiche importanti per buoni materiali per cuscinetti. Ma i cuscinetti non sono realizzati in rame puro, ma piuttosto in un'ampia gamma di leghe di rame oggi disponibili. Ognuna di queste leghe migliora le prestazioni del rame puro e adatta ulteriormente il nuovo materiale ad ambienti specifici. Esaminiamo alcuni dei sistemi di leghe più comuni rispetto alla metallurgia del materiale e al suo scopo nella progettazione dei cuscinetti.

I gradi dei cuscinetti in bronzo fuso possono essere classificati metallurgicamente in tre categorie:

Per comprendere le prestazioni delle diverse leghe, dobbiamo prima capire cosa succede alla struttura base del rame quando vengono aggiunte piccole quantità di metalli leganti. Le reazioni avvengono durante la solidificazione e il raffreddamento delle leghe dal loro stato fuso.

In termini semplici, la disposizione finale dei metalli lega rispetto al normale reticolo di rame fcc determina le proprietà del materiale della lega.

I metalli legati trovano il loro posto nel reticolo del rame in tre modi fondamentali:

La ricerca ha portato alla rappresentazione grafica di come reagiscono semplici sistemi di leghe binarie. Questa rappresentazione è chiamata diagramma di fase. I diagrammi di stato di alcuni sistemi binari rilevanti per il bronzo mostrano il comportamento degli elementi di lega che tipicamente risulta in uno dei tre casi menzionati in precedenza. Il diagramma di fase dell'equilibrio rame-stagno (Figura 3) illustra i casi (1) e (2).

Un esempio di tale lega commerciale monofase è la lega C90300, le cui proprietà sono confrontate con quelle del rame nella tabella seguente.

Se il contenuto di stagno viene aumentato all'11% o più, parte della fase alfa si trasformerà quando il metallo si raffredda sotto i 400°C. Appare una nuova fase, intervallata dai normali cristalli alfa fcc. Questa fase, detta delta, può essere preservata nel materiale con un raffreddamento abbastanza rapido (