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Proprietà e metallurgia del Rame

AREA I - ARTE TECNICO-SCIENTIFICA (ATS)

Cap. ATS-G06 - Proprietà metalli - Pag. ATS-G06.01

Proprietà chimiche e fisiche del Rame

INDICE:

Generalità
Proprietà fisiche del rame
Tipi di rame

Generalità

E’ un metallo che si ricava dalla calcopirite, dalla calcosina o dalla cuprite. Oppure si trova allo stato puro sottoforma di rame nativo. La produzione con Cu al 99% avviene attraverso la fusione del minerale con l’aggiunta di reagenti chimici in modo successivo, finché il rame diventa molto affinato (99,7%- 99,9%). Il resto è costituito da ossigeno; resiste alla corrosione e rimane inalterato nel tempo. Può essere anche riutilizzato.

I principali stati di ossidazione sono +1 e +2. I potenziali standard sono positivi per tutte le coppie seguenti:

Il rame metallico è ossidato solo da energici ossidanti, come l'acido nitrico, e anche dall'acido solforico concentrato a caldo:

I sali rameosi sono generalmente instabili. In soluzione il rame (I) è in grado di esistere solo a basse concentrazioni, altrimenti dismuta a rame(0) o rame (II):

Per questo motivo esso è stabile solo in composti poco solubili o in complessi stabili, in molecole cioè che realizzano una bassa concentrazione di Cu ⁺ in soluzione.

I sali rameosi sono quasi tutti insolubili: CuCN, CuCl, CuI (tutti bianchi) CuBr, giallo chiaro e Cu₂S nero.

A pH = 3 precipita l'idrossido CuOH, giallo, che si trasforma rapidamente in Cu₂O, giallo:

Forma molti complessi, soprattutto con ammoniaca, cianuri e cloruri.

Il catione rameico esiste libero in soluzione a pH < 5. E' di color azzurro tenue e precipita come Cu(OH)₂ che si ridiscioglie solo a pH molto elevati con formazione di anioni di color blu del tipo [Cu(OH)₄]^2- o con strutture più complesse. I sali sono quasi tutti molto solubili. Tra i più insolubili si ricordano CuS, un altro solfossido, nero, e il complesso Cu₂[Fe(CN)₆], rosso scuro. Da ricordare anche il tetraamminorame(II), [Cu(NH₃)₄]²⁺, di color blu intenso.

Le più importanti reazioni analitiche si hanno:

- con H₂S : precipita CuS, nero, solubile in acido nitrico 6 N;

- con ammoniaca: si ottiene una soluzione intensamente colorata in blu per la formazione di [Cu(NH₃)₄]²⁺;

- con K₄[Fe(CN)₆]: precipita Cu₂[Fe(CN)₆], rosso scuro.

Data la sua alta conducibilità elettrica il rame metallico trova un vastissimo uso come conduttore elettrico.

Importanti sue leghe sono i bronzi e gli ottoni. La Lega di Devarda, costituita dal 50% di rame, dal 45% di alluminio e dal 5% di zinco è facilmente polverizzabile e si usa nell'analisi qualitativa per la ricerca dei nitriti e dei nitrati, i quali vengono da essa ridotti ad ammoniaca in soluzione alcalina.

L’umidità dell’aria forma una patina superficiale, chiamata di "bronzo antico", di idrocarbonato di rame.

Se il rame viene riscaldato al contatto dell’aria, prima si ricopre di uno strato rosso, poi nero.

Molto plastico il rame si incrudisce rapidamente alla martellatura, divenendo fragile (incrudimento), per cui deve essere ricotto, cioè riscaldato al fine di ottenere la ricristallizzazione e la riduzione delle tensioni interne al materiale, annullando gli effetti dell’incrudimento.

INDICE

Proprietà fisiche del rame

Ha una buone malleabilità e duttilità può essere ben lavorato a freddo e ha un’ottima conducibilità elettrica. Molto utilizzato in elettronica ed elettrotecnica.

Simbolo chimico	Cu
Temperatura di fusione	1083°C
Massa volumica	8900 Kg/m³

Metallo rossastro della densità di 8,8 (8,790 alla fusione) e con un punto di fusione verso i 1100°. Punto di ebollizione 2100°.

Tuttavia piccole quantità di impurità esercitano una grandissima influenza sulla sua composizione finale e sulle sue proprietà.

Colato troppo caldo produce delle soffiature.

Per colarlo in lingotti e per evitare le soffiature si aggiunge, prima di colarlo, il 2% di magnesio metallico. Il magnesio (densità 1,75; punto di fusione 759°-800°) di tutti i metalli è quello che ha più affinità con l’ossigeno. E’ quindi il miglior riducente o diossidante nella fusione delle diverse leghe contenenti rame, nichel, stagno, alluminio, zinco, piombo, ecc.

Per uso fonderia con il rame conviene il magnesio in forma di bacchette. Questo agisce non solo quale riducente dell’ossidulo di rame, ma forma altresì dei composti con le impurità contenute nel rame stesso, che restano così eliminate sotto forma di scorie con miglioramento delle qualità meccaniche del metallo (resistenza, allungamento).

Già in antico si comprese che per migliorare le qualità del rame bisognava aggiungere degli elementi quali l’arsenico e il fosforo che non potevano essere isolati nell’antichità, è probabile quindi che si adoperassero minerali arsenicati (solfuro o arseniuro) o fosforosi.

INDICE

Tipi di rame

DESIGNAZIONE RAME
Designazione UNI 5649	Composizione chimica						Tipo di rame
Designazione UNI 5649	Cu+Ag	Cu+Ag+As	Bi	Pb	P		Tipo di rame
Cu-CATH	99,90	-	0,001	0,005	-	As 0,0015	Rame elettroilitico e sotto forma di catodi
Cu-OF	99,95	-	-	-	-	-	Colato nelle forme commerciali adatte alle successive lavorazioni	Ottenuto da Cu-CATH esente da ossidalo di rame
Cu-ETP	99,90	-	0,001	0,005	-	O₂ 0,04		Ottenuto da Cu-CATH Obtained out of Cu-CATH
Cu-DLP	99,90	-	0,001	0,01	0,004 0,012	-		Basso residuo di P	Disossidato, ottenuto da rame elettrolitico o termico
Cu-DHP	99,90	-	0,001	0,01	0,013 0,050	-		Alto residuo di P	Disossidato, ottenuto da rame elettrolitico o termico
Cu-LSTP	99,90	-	0,001	0,005	-	Ag 0,02 0,12		Basso Contenuto di Ag	Ottenuto da Cu-CATH con aggiunta di Ag
Cu-HSTP	99,90	-	0,001	0,005	-	Ag 0,12 0,25		Alto Contenuto di Ag	Ottenuto per raffinazione termica
Cu-FRTP	99,80	-	0,002	0,01	0,05	-		Ottenuto per raffinazione termica
Cu-DPA	99,40	99,70	0,002	0,01	0,013 0,050	As 0,15 0,50		Ottenuto da rame elettrolitico con aggiunta di Ag

UNI 5649	APPLICAZIONI
Cu-CATH	Per semilavorati	Deve essere fuso in forma colata per le successive lavorazioni. Utilizzato nella produzione di conduttori elettrici e leghe pregiate.
Cu-OF		Per l’industria elettronica e per esigenze di massima lavorabilità plastica a freddo. Per conduttori elettrici e leghe pregiate.
Cu-ETP
Cu-DLP		Per semilavorati per i quali non vi sono esigenze di conduttività elettrica ma aventi buona lavorabilità plastica ed esenti da fenomeni di fragilità in ambiente riducente.
Cu-DHP
Cu-LSTP	Per semilavorati o getti	Per conduttori ove l’Ag eleva la temperatura di cristallizzazione (ricottura) del rame.
Cu-HSTP
Cu-FRTP		Senza esigenze di conduttività elettrica, buona deformabilità e saldabilità, non fragile in ambiente riducente se ossidato al fosforo.
Cu-DPA		Elevate temperature in ambiente ossidante. Piastre per focolari e in genere per parti di impianti termici, bruciatori, ecc.

DENOMINAZIONE E SIGLE
ISO	UNI	BS	AFNOR	DIN	ASTM
Cu-CATH	Cu-CATH 5649/3-88	Cu-CATH-2		KE-Cu 2.0050 1708	CATH B 115-83
Cu-ETP	Cu-ETP 5649/1-88	Cu-ETP C 101 6017 :1981	Cu-a1 51-50 1983	E-Cu 57 2.0060 1787 E-Cu 58 2.0065 1787	ETP C 11000
Cu-FRHC	Cu-FRHC 5649/1-88	Cu-FRHC C 102 6017 :1981	Cu-a2 51-50 1983		FRHC C 11020
Cu-OFE		Cu-OFE C 110 6017 :1981	Cu-c2 51-50 1983		OFE C 10100 B 170-82
Cu-OF 1337 – 1980 (E)	Cu-OF 5649/1-88	Cu-OF C 103 6017 :1981	Cu-c1 51-50 1983	OF-Cu 2.0040 1787	OF C 10200 B 170-82
Cu-HCP 431 – 1981	Cu-HCP 5649/1-88			SE-Cu 2.0070 1787	OFXLP C 10300 B 379-80
Cu-DLP 1337 – 1980 (E)	Cu-DLP 5649/1-88		Cu-b2 51-50 1983	SW-Cu 2.0076 1787	DLP C 12000
Cu-DHP 1337 – 1980 (E)	Cu-DHP 5649/1-88	Cu-DHP C 106 6017 :1981	Cu-b1 51-50 1983	SF-Cu 2.0090 1787	DHP C 12200 B 379-80
	Cu-Ag 0,05 5649/2-88		Cu-Ag 0,05
	Cu-Ag 0,1 5649/2-88		Cu-Ag 0,1	Cu Ag 0,1 2.1203 17666
Cu-Ag 0,05 (OF) 1336 – 1980 (E)	Cu-Ag 0,05 (OF) 5649/2-88		Cu-Ag 0,05 (OF)
Cu-Ag 0,1 (OF) 1336 – 1980 (E)	Cu-Ag 0,1 (OF) 5649/2-88		Cu-Ag 0,1 (OF)
Cu-Ag 0,05 (P) 1336 – 1980 (E)	Cu-Ag 0,05 (P) 5649/2-88		Cu-Ag 0,05 (P)
Cu-Ag 0,1 (P) 1336 – 1980 (E)	Cu-Ag 0,1 (P) 5649/2-88		Cu-Ag 0,1 (P)	Cu Ag 0,1 P 2.1191 17666
	Cu Cd 0,5 5649/2-88	C 108			C 16200
	Cu Cd 1 5649/2-88
	Cu As (P) 5649/2-88	C 107			DPA C 14200 B 379-80
	Cu S (P 0,01) 5649/2-88	C 111	Cu-S (P 0,01)	Cu S P 2.1498 17666
	Cu S (P 0,03) 5649/2-88		Cu-S (P 0,03)		C 14710
	Cu Te (OF) 5649/2-88
	Cu Te (P) 5649/2-88	C 109	Cu-Te (P)	Cu Te P 2.1546 17666	DPTE C 14500

CARATTERISTICHE ELETTRICHE DEL RAME
RAME UNI 5649-1	RESISTIVITÀ DI MASSA W x g/m² max.	RESISTIVITÀ DI VOLUME W x g/m² max.	CONDUTTIVITÀ
RAME UNI 5649-1	RESISTIVITÀ DI MASSA W x g/m² max.	RESISTIVITÀ DI VOLUME W x g/m² max.	m/Ohm x mm²	IACS % min
Cu-ETP	0,15328	0,017241	58,00	100
Cu-FRHC	0.15328	0,01241	58,00	100
Cu-OF	0,15328	0,017241	58,00	100
Cu-HCP	0,15614	0,017565	56,93	98,16
Cu-DLP	0,158 »	0,0178 »	56 »	97 »
Cu-DHP	0,222 »	0,025 »	40 »	69 »
N.B. I valori riportati sono riferiti allo stato fisico ricotto.

CARATTERISTICHE MECCANICHE DEL RAME
Stato fisico	Sezione (barre poligonali) mm²	Dimensione (barre tonde) mm	Carico di rottura N/mm²	Carico di snervamento N/mm²	Allungamento % min	Durezza Brinell HB
Estruso grezzo	Tutte	Tutte	> 195		30	< 50
Trafilato ricotto	Tutte	Tutte	195÷245		40	40÷60
Trafilato semicrudo	< 1200	< 50	245÷295		12	70÷90
Trafilato semicrudo	> 1200	> 50	> 230		15	> 65
Trafilato crudo	< 200	< 14	295÷365	> 255	7	90÷110
	200 < s < 600 ----------------- 600 < s < 1200	14 < d < 24 24 < d < 60 60 < d < 95	> 295 > 285 > 275	> 255 > 215 > 205	10 12 12	85÷100 80÷95 70÷90
	> 1200	> 95	> 225	> 165	15	70÷90

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Bibliografia

Bib-TS-010 - M. Cavallini, F. Iacoviello - Materiali Metallici - Francesco Ciolfi Editore, via E. De Nicola, Cassino

Bib-TS-011 - W. Nicodemi - Metallurgia - Masson, Milano

Bib-TS-012 - A. Cigada - Struttura e proprietà dei materiali metallici - Città Studi, Milano

Bib-TS-092 - L. Mugnani - Manuale pratico di fonderia - Milano, 1928

Bib-TS-093 - Dispense di Chimica - A.A. 1992/1993 - Facoltà di Ingegneria Edile / Architettura - Pavia

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Cu-Ag 0,05

5649/2-88