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Rame: proprietà, produzione, leghe e trattamenti termici

Indice

Proprietà e caratteristiche generali

Il rame è innanzitutto un metallo, dal colore marrone - rossastro.
Ha trovato un impiego diffuso in svariate applicazioni, perché si presta facilmente alle lavorazioni alle macchine utensili e alle lavorazioni per deformazione plastica. Presenta una elevata conducibilità elettrica e termica nonché una buona resistenza alla corrosione.
Va sottolineato inoltre che il rame presenta un'elevata solubilità con tanti altri elementi, il che permette la formazione di numerosi tipi di leghe.
Esso, nella serie elettrochimica degli elementi, è il vicino alla zona più nobile e non è attaccato dagli acidi, compresi quelli forti, potendo quindi rimanerne in contatto senza arrivare ad alcuna conseguenza. Resiste in ambienti fortemente alcalini e nelle soluzioni saline ed il suo accoppiamento con svariati metalli, molti dei quali meno nobili, non procura forme di corrosione del rame stesso.

immagine tratta da http://www.mineraliegemme.com/Rame.html

immagine tratta da http://www.mineraliegemme.com/Rame.html

Nella tabella che segue sono riportate le principali caratteristiche del rame:

Simbolo chimico Cu
Peso atomico 63.546
Reticolo cristallino CFC
Temperatura di fusione 1083 ° C
Resistività elettrica a 20° C 0.0167 μΩm
Conduttività termica a 20° C 393.56 Wm-1K-1
Resistenza a trazione 55 MPa
Durezza Brinell 15

I minerali

Il rame è raramente presente in natura in forma di metallo puro e si parla, in tal caso, di rame nativo. Il più delle volte, infatti, è estratto dai suoi minerali che sono composti chimici del rame associati a materiali estranei, genericamente chiamati ganga.
In particolare i minerali del rame sono svariati, anche se sono pochi quelli che, essendo abbondanti, ne permettono lo sfruttamento industriale.
Nella tabella che segue sono elencati alcuni dei minerali del rame:


Minerale % di rameFormula chimicaCaratteristiche e notizie
Rame nativo 100 Cu monometrico; rosso rame; lucentezza metallica; durezza Mohs 2,5-5; densità : 8,9 g/cm3; raro
Calcocite 79.88 solfuro: Cu2S trimetrico ; grigio-bluastro; lucentezza metallica; durezza Mohs 2,5-3; densità : 5,7 g/cm3
Covellite 66.65 solfuro: CuS esagonale; blu-nero; lucentezza metallica; durezza Mohs 1,5-2; densità : 4,6 g/cm3 (scoperta dal mineralogista Nicola Covelli, primi XIX secolo, sul Vesuvio)
Cuprite 88.82 ossido: Cu2O cubico; rosso carminio; lucentezza submetallica; durezza 3,5-4 Mohs; densità : 6,1 g/cm3
Azzurrite 55 carbonato: CuCO3.Cu(OH)2 monoclino; azzurro intenso, lucidezza vitrea; durezza Mohs 3,5-4; densità : 3,8 g/cm3
Bornite 63 solfuro: Cu5FeS4 cubico; rosso rame; lucentezza metallica; durezza Mohs 3; densità : 5 g/cm3
Calcopirite 30-40 solfuro: CuFeS2 tetragonale; giallo-verdastro; lucentezza metallica; durezza 4,2 Mohs; densità : 4,2 g/cm3; 80% produzione industriale rame
Malachite 57 carbonato: CuCO3.Cu(OH)2 monoclino; verde giada-smeraldo; durezza Mohs 3,5-5; densità : 4 g/cm3

Rame nativo

Rame nativo

Calcocite

Calcocite

Covellite

Covellite

Cuprite

Cuprite

Azzurrite

Azzurrite

Bornite

Bornite

Calcopirite

Calcopirite

Malachite

Malachite

Il ciclo produttivo

Vediamo insieme le fasi del ciclo produttivo del rame.
I minerali di rame sono ricavati dalle miniere e vengono ridotti grazie a potenti mulini. Essi diventano polvere con granulometria adeguata allo scopo di ottimizzare il successivo trattamento di flottazione, che permette di separare le frazioni contenenti rame da quelle contenenti gli inerti.
La concentrazione di rame che si può ottenere varia dal 30 al 50 %, dipendentemente dal tenore di rame del minerale di partenza.
Si ottengono dei fanghi che vengono fatti essiccare meccanicamente prima di essere immessi nel forno per l'arrostimento. Si procede in tal modo in quanto i fanghi contengono una quantità notevole di acqua, il che richiederebbe energia in più (e quindi anche uno spreco energetico)per consentire l'evaporazione. Si ottiene un concentrato a base di minerali solforati.
Successivamente si procede ancora termicamente: il tenore di zolfo viene ridotto facendo ricorso a quella che è la sua affinità chimica con l'ossigeno, la quale è maggiore rispetto a quella del rame.
Il minerale viene poi riscaldato fino ad una temperatura tra i 600 e i 700 °C, in presenza di aria. Il ferro, riscaldandosi, forma Fe2O3 e Fe3O4, mentre il rame rimane allo stato di solfuro.

Fusione e conversione

Nel forno viene eseguita la fusione del concentrato in un ambiente reso ossidante tramite insufflaggio di aria nel bagno. Il silicio, dopo essere stato aggiunto, consente di eliminare il ferro che è presente, formando la scoria composta da silicati, che galleggia e viene rimossa per sfioramento.
Il materiale arrostito viene portato a temperatura tra i 1200 e i 1250 °C. Se negli inerti (detti anche ganga) non è presente abbastanza silice, questa viene aggiunta e reagendo con l'ossido ferrico forma Fe2SiO4 che è allo stato liquido, in questo caso. Fonde pure il solfuro rameoso e si unisce al solfuro di ferro che si forma originando la metallina (composta da solfuro di rame e solfuro di ferro).
Metallina ed ossidi di ferro sono liquidi non miscibili e quindi si separano in due strati e vengono estratti da due fori diversi dal forno. Il rame, che è presente in tenore anche del 50 % nella metallina, viene estratto dal foro inferiore.


Raffinazione termica primaria

Tale trattamento serve a ridurre ancor di più la concentrazione di impurezze presenti nel rame.
Il metallo fuso viene trattato di nuovo mediante insufflaggio di aria permettendo alle impurezze di diventare scorie. In particolare la raffinazione termica del rame viene eseguita con un convertitore. Esso non è altro che un cilindro di acciaio di lunghezza pari a 7 - 8 m e con diametro pari a 3 - 4 m. E' disposto in posizione orizzontale con una corrente di aria che lambisce la superficie del bagno.
"Chimicamente" parlando, si forma l'ossido ferroso:


\ 2FeS+3O_{2}\rightarrow 2FeO+2SO_{2}


che reagisce con la silice aggiunta:


\ 2FeO+SiO_{2}\rightarrow 2FeO.2SiO_{2}

formando un silicato, che costituisce poi la scoria.
Il solfuro di rame si trasforma in ossido rameoso:


\ 2Cu_{2}S+3O_{2}\rightarrow 2Cu_{2}O+2SO_{2}

e con una nuova reazione (con il solfuro di rame) forma rame metallico:


\ 2Cu_{2}O+Cu_{2}S\rightarrow 6Cu+SO_{2}


Si viene a creare una massa metallica fusa per il 98 % formata da rame con piccole quantità di Cu2O e impurezze varie come arsenico, zolfo, ferro e nichel.
L'ossido di rame dà un colore scuro alla massa metallica, per cui il prodotto ottenuto è detto anche rame nero.


Talvolta è necessario procedere ad una operazione detta pinaggio. Essa consente di ridurre il tenore di ossigeno, introducendo nel forno un tronco verde di pino che, bruciando, permette di sprigionare vapore acqueo e altri gas riducenti. Tale operazione permette di ottenere gli anodi che saranno sottoposti alla fase successiva di raffinazione elettrolitica. Se però la raffinazione termica è stata molto accurata, non è obbligatorio procedere a tale operazione.


Raffinazione elettrolitica

Consente di ottenere i livelli massimi di purezza del rame.
Si effettua con il processo ad anodo solubile in delle vasche contenenti una soluzione di solfato di rame ed in cui gli anodi si alternano ai catodi.
I catodi sono composti da lamierini sottili di rame ad elevata purezza di origine elettrolitica.
Una corrente elettrica viene fatta circolare tra anodi e catodi, in modo tale da dissolvere l'anodo in ioni che, migrando, si vanno a depositare sul catodo. Regolando differenza di potenziale ed intensità di corrente si può far sì che i metalli che formano le impurezze si depositino separatamente dal rame. I metalli meno nobili del ramerestano in soluzione, mentre i più nobili vanno a finire nei fanghi da cui sono separati ad intervalli periodici.
Ad anodi esauriti si interrompe il processo e i catodi, una volta estratti, sono sottoposto a lavorazioni successive o commercializzati.

Rifusione e colata

I catodi devono, prima di subire lavorazioni per deformazione plastica, essere rifusi. Questa operazione è molto delicata poichè una conduzione errata del forno potrebbe inquinare il metallo.
In fase di rifusione si può intervenire sul bagno al fine di modificarne la composizione per ottenere determinati prodotti finiti. Il metallo liquido viene poi viene periodicamente estratto dal forno e conservato in delle siviere apposite oppure in dei forni di attesa per le operazioni di colata che avverranno nel seguito.


Classificazione e designazione

Il rame è classificato in base alla sua qualità. In base alla norma UNI EN 1412 si riconoscono 7 classi o tipi di rame non legato.
La sigla con cui vengono individuati e che accompagna il simbolo chimico del rame Cu sta ad indicare il processo con cui è stato ottenuto.
I tipi di rame maggiormente impiegati e commercializzati sono il rame Cu-ETP e il Cu-DHP.
Vediamo, con la tabella che segune, le composizioni chimiche dei due tipi di rame:


Tipo di rame Cu + Ag Bi Pb O2 P
Cu-ETP 99.90 0.001 0.005 0.04 -
Cu-DHP 99.90 0.001 0.010 - 0.013 - 0.050



Come si può vedere le differenze tra i due tipi sono molto piccole e prevalentemente dovute alla presenza diversa di ossigeno e fosforo. Il fosforo, in particolare, influenza le caratteristiche del rame in maniera non indifferente. Infatti la conduttività elettrica del Cu-DHP si riduce anche fino al 30 % rispetto a quella del Cu-ETP.


Le leghe

Sono dette leghe di rame quelle in cui vi è un tenore di rame superiore al 50 % in massa. Le leghe di rame più importanti sono:

  • ottoni (leghe rame + zinco);
  • bronzi (leghe rame + stagno);
  • cuprallumini (leghe rame + alluminio);
  • cupronichel (leghe rame + nichel + zinco).

Queste leghe, oltre all'alligante principale, possono contenere anche degli elementi in più con tenore ovviamente inferiore a fine di migliorare determinate proprietà.


Trattamenti termici delle leghe

Si verifica spesso nelle lavorazioni plastiche delle leghe di rame il fenomeno dell'incrudimento. Ciò provoca scorrimenti relativi dei grani cristallini e suddivisioni di piani che determinano condizioni di rigidità tale che ogni deformazione viene impedita e il materiale acquista una durezza molto elevata.
Tramite una operazione detta ricottura, ad una temperatura detta di ricristallizzazione, si possono ripristinare le condizioni di plasticità prima dell'incrudimento.
L'operazione va eseguita con delicatezza in quanto vanno evitate le atmosfere riducenti ma anche quelle ossidanti e il materiale non deve venire in contatto con le fiamme.
A tal fine si usa immergere i pezzi in acqua o olio che, evaporando, rendono neutra l'atmosfera.
La temperatura consigliata per le leghe di rame è 480 °C. Il raffreddamento avviene in acqua.
Gli ottoni, ad esempio, vengono sottoposti alla normalizzazione che elimina le tensioni interne e il pericolo di crepe e rotture, dette di stagionatura, che appaiono dopo un certo tempo di lavorazione a freddo degli ottoni stessi. Il raffreddamento avviene in aria.


Classificazione e designazione delle leghe

Le leghe di rame sono classificate in:

  • leghe di rame da fonderia;
  • leghe di rame da lavorazione plastica.


Le leghe di rame da fonderia si classificano poi in:

  • leghe allo stato di pani;
  • leghe allo stato di getti.


Le leghe allo stato di pani sono indicate con la lettera G anteposta alla designazione.
Le leghe allo stato di getti sono indicate con la lettera G seguita da una o due lettere a seconda del modo in cui è stato ottenuto il getto:


Gs getti colati in sabbia
Gc getti colati in conchiglia
Gp getti colati in pressione
Gcf getti colati in centrifuga
Gct getti colati in continuo



Le leghe di rame da lavorazione plastica si classificano a seconda dello stato di approvigionamento in:

  • leghe allo stato grezzo di fusione;
  • leghe allo stato di semilavorato.


Le leghe allo stato grezzo di fusione sono indicate con la lettera P.
Le leghe allo stato grezzo di semilavorato sono indicate con la lettera P seguita da una seconda lettera che indica lo stato di lavorazione:


Pl semilavorato laminato
Pe semilavorato estruso
Pf semilavorato fucinato
Ps semilavorato stampato
Pt semilavorato trafilato


Inoltre sempre per i semilavorati la designazione è completata aggiungendo una delle seguenti lettere che indicano lo stato di fornitura:


R ricotto
H incrudito
T temprato
B bonificato
V rinvenuto
D normalizzato
A invecchiato artificialmente


Inoltre la sigla H è seguita sempre da un numero di due cifre che indica il grado di incrudimento, cioè la percentuale di riduzione di sezione subita dal semilavorato dopo l'ultima ricottura:


\ \frac{S_{0}-S_{1}}{S_{0}}\cdot 100

Infine, le leghe di rame sono designate mediante i simboli chimici degli elementi componenti.
Essi si succedono in ordine decrescente dei tenori relativi. Ogni simbolo, eccettuato quello del rame, è seguito da un numero indicante la percentuale con la quale è presente.


Bibliografia

Tecnologie generali dei materiali - Caiazzo, Sergi.

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Commenti e note

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di ,

Sono perfettamente d'accordo con te Robert8, davvero. Grazie, ovviamente, del tuo apprezzamento. :)

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di ,

Complimenti, interessante! Il tuo articolo mi ha fatto tornare indietro di 5000 anni all'età del bronzo pensando quale avanzato stadio di conoscenze metallurgiche e abilità avessero già raggiunto i nostri antenati. Chi di noi oggi, con tutte le conoscenze che abbiamo, sarebbe in grado di ricavare il rame e men che meno il bronzo con gli utensili di quel tempo? Spesso siamo così boriosi e presuntuosi che ci scordiamo di essere, biologicamente, identici (stesse facoltà intellettive) all'homo sapiens di 100.000 anni fa.

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