Proprietà e metallurgia del Bronzo

AREA I - ARTE TECNICO-SCIENTIFICA (ATS)

Cap. ATS-G10 - Proprietà metalli - Pag. ATS-G10.01

Gli argomenti trattati sono stati inseriti da Ing. Arch. Michele Cuzzoni nel 2009 - © Copyright 2007- 2024 - e sono desunti dalla documentazione indicata in Bibliografia a fondo pagina

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INDICE:

• Bronzo: cenni storici

•     Definizione di lega

• Bronzo: generalità e metallurgia

• CLASSIFICAZIONE

•     Bronzi comuni o bronzi allo stagno

•     Denominazioni commerciali

•         Esempio

•     Bronzi speciali

•         Esempio

 

bronzo (forse dal lat. aes brundisinum, bronzo di Brindisi, oppure dal persiano biring, rame).
 

Le leghe bronzee sono note sin dagli albori dell’umanità. Gli archeologi hanno dato il nome di "età del Bronzo" al periodo di preistoria europea e asiatica nel quale gli uomini sviluppano la metallurgia del rame e delle sue leghe.

L'inizio dell'età del Bronzo varia a seconda delle società e delle culture. Nel Vicino Oriente precede di un millennio il nascere delle culture del Bronzo in Europa (circa2200 a.C.) e coincide, come più tardi in Cina, con tempi ormai storici.

La metallurgia del bronzo, nell’età che ne porta il nome, conobbe un periodo di grande sviluppo che portò alla scoperta di vari tipi di leghe scelte in funzione dall'oggetto da produrre. Venne poi perfezionata la fusione a cera persa e la produzione di lamine metalliche da utilizzare per i più svariati impieghi. Alcuni manufatti, come le cuspidi di lancia, raggiungono una perfezione tecnico-formale che non richiederà modificazioni per i secoli futuri.

In conseguenza di questo fervore creativo e tecnologico le attività di scambio registrano uno sviluppo senza precedenti e se l’uomo s’è evoluto, in parte, è dovuto anche a ciò che le scoperte nell’ambito della metallurgia bronzea hanno portato. Se, infatti, i primi impieghi del bronzo erano finalizzati alla fabbricazione di oggetti d'ornamento e di prestigio come armi dalla decorazione sofisticata, e quindi non incisive per l’economia sociale, i successivi impieghi nella vita di tutti i giorni hanno permesso al bronzo di diffondersi e di farsi diffondere per migliorare la vita dei nostri antenati. Utensili e strumenti da lavoro che, per secoli, erano stati fabbricati in selce, in pietra levigata, in osso o in corno, vengono a poco a poco sostituiti da manufatti metallici molto più versatili e potenti. Fu cosi che asce, scalpelli, punteruoli, martelli e incudini, lame, coltelli, falci e roncole furono fusi in bronzo.

 

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Con il termine lega si definisce un materiale metallico contenente due o più elementi quali componenti. Le leghe possono essere monofasiche o polifasiche in dipendenza degli elementi che le costituiscono e delle loro quantità.

I diagrammi di stato sono in grado di dare indicazioni sulle fasi presenti nelle leghe binarie o ternarie, cioè quelle contenenti rispettivamente due o tre elementi. Le leghe hanno, in genere, caratteristiche e proprietà diverse da quelle degli elementi che le costituiscono.

Gli acciai, leghe ferro-carbonio con l’eventuale aggiunta di altri elementi, rappresentano il gruppo maggiore e, forse, meglio caratterizzato delle leghe commerciali. La suddivisione tra queste è spesso fatta, per praticità, tra leghe ferrose e non ferrose. In quest’ultimo gruppo vengono classificate le leghe a base di rame, di metalli leggeri (alluminio e magnesio), di metalli bianchi (zinco, piombo, stagno, cadmio, ecc.), di titanio e delle superleghe.

Molte leghe commerciali del rame sono costituite da un’unica fase in quanto i componenti secondari si presentano dispersi entro il reticolo cristallino dell’elemento principale, cioè nella condizione di soluzione solida.

L’ottone è forse la lega al rame più conosciuta e contiene, in genere, il 70% in peso di rame e il 30% di zinco; l’ottone ha un reticolo fcc, come il rame puro, in quanto gli atomi di zinco sono tali da poter sostituire gli atomi di rame nelle posizioni reticolari, purché non superino il 40% in peso della lega, che rappresenta il limite di solubilità dello zinco nel rame. L’ottone è tecnologicamente molto interessante per alcune sue caratteristiche: la soluzione solida di rame e zinco è meccanicamente più resistente del rame da solo, e lo zinco è meno costoso del rame. Si ha, quindi, a disposizione una lega meno cara e più resistente, da impiegare al posto del rame tutte le volte che ciò è possibile. Questa riserva è motivata, ad esempio, dalla conducibilità elettrica relativamente bassa dell’ottone che non può sostituire il rame in molte applicazioni elettriche. Sono note ed impiegate diverse altre leghe monofasiche come quelle rame-nichel (Cu-Ni), l’argento da conio (Ag + Cu) e il bronzo.

 

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Con Bronzo s’intende una lega tra Rame (Cu) e Stagno (Sn) in cui il rame risulta essere il metallo preponderante. Inutile dire come tale lega sia quasi inutilizzata con solo i due classici costituenti. Vengono, infatti, soventemente addizionati altri elementi alla lega base onde poterne variare, e migliorare, le proprietà meccaniche e chimiche. Tali elementi sono, tipicamente, il piombo, lo zinco, il manganese, il fosforo, il nickel e il silicio.

Il termine Bronzo si estende anche alle leghe Rame-Alluminio; leghe a base di rame che contengono, rispettivamente, percentuali di alluminio variabili dal 5 al 12% (ed eventualmente ferro, nichel, manganese, silicio, ecc.). Come si è visto, quindi, il bronzo è un termine che racchiude in se un’ampia varietà di leghe metalliche delle proprietà estremamente variabili.

Il colore varia da rosso rame (con Sn meno del 5%), giallo oro (con Sn dal 5% al 10%), giallo chiaro (con Sn dal 10% al 25%), bianco (con Sn più del 25%). Nell’industria meccanica si usano bronzi con Sn dal 6% al 16%.

 

I bronzi sono leghe che si ottengono fondendo in crogioli di grafite prima il rame e aggiungendo quindi lo stagno; la fusione avviene in ambiente protetto dall'ossidazione superficiale; prima della colata si aggiunge un disossidante (fosfuro di rame).

La formatura dei getti di bronzo si effettua di solito in forme di sabbia; il materiale fuso ha generalmente una struttura eterogenea per cui viene sottoposto a ricottura di omogeneizzazione.

I lingotti ottenuti vengono lavorati per fucinatura, laminazione e trafilatura, effettuata a freddo, per bronzi con tenore di stagno inferiore al 10%, a caldo quando lo stagno supera questa percentuale. In funzione dell'aumento della percentuale di stagno il colore del bronzo varia dal rosa al giallo verdastro fino al grigio chiaro e fonde a temperature progressivamente più basse (da 1.070° scende a 830 °C).

I bronzi a basso tenore di stagno (Sn tra il6% e l’8%) vengono classificati per impiego in lavorazioni plastiche (piegatura, trafilatura).

I bronzi con tenore di stagno dall’8% al 20% vengono impiegati per lavorazioni di fusione (in getti) e sono utilizzati nella costruzione di valvole e rubinetti. In particolare tipo di bronzo con stagno dal 20% al 30% viene utilizzato per costruire campane. Il bronzo è più duro e resistente del rame.

 

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Si classifica in:

1)      Bronzo comune: è soltanto legato al rame e allo stagno.

2)      Bronzo speciale: lega di rame e stagno + altri elementi che migliorano le caratteristiche meccaniche e tecnologiche.

Quando lo stagno è sostituito in parte da altri metalli (eccetto lo zinco) si hanno bronzi speciali, quali: bronzo allo stagno, al nichel, al ferro, all’alluminio e al fosforo.

In commercio si trova sottoforma di pani, barre, lastre, nastri, fili ecc.

 

Vengono riportate, (Tabella 1.0), le nomenclature inerenti al bronzo secondo le designazioni imposte dall’Unified Numbering System (UNS)

 

Tabella 1.0: Designazione  leghe bronzee secondo normativa UNS

 

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Sono  composti soltanto da rame e da stagno, le cui percentuali variano a seconda dell'uso cui sono destinati. Debbono contenere:

3-8% di stagno, per la coniatura di monete e di medaglie, partendo da tondini ottenuti per laminazione; questa lega è dotata di buona resistenza all'usura e ha un aspetto e una lucentezza soddisfacenti, per cui viene anche usata per fare barre, aste, fili per articoli ornamentali e di bigiotteria;

8-12% di stagno, per la fabbricazione di pezzi meccanici, organi di trasmissione, ingranaggi e in genere di particolari che debbano resistere alla corrosione delle acque marine o di altri agenti; la lega è usata nell'industria chimica per fabbricare contenitori, rubinetterie, ecc.;

13-20% di stagno, per la fabbricazione di particolari meccanici sottoposti ad attrito (cuscinetti, boccole);

20-30% di stagno, per la fabbricazione di campane e piatti da orchestra; questi bronzi hanno una limitata capacità di smorzamento delle vibrazioni, quindi risultano particolarmente sonori;

30-40% di stagno, per la costruzione degli specchi di bronzo; questa lega era molto usata un tempo poichè dura e fragile, di colore biancastro e facilmente lucidabile.
 

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Bronzo navale, per rubinetteria, per ingranaggi, per cuscinetti a frizione, per campane.

 

Simboli per leghe di  lavorazioni plastiche		Simboli per leghe da fonderia
Categoria	Simbolo	Categoria	Simbolo
1)Lega per lavorazioni plastiche	P	1)Leghe allo stato di pani	G
2)Laminati a caldo	Pc	Leghe allo stato in getti
3)Laminati a freddo	Pb	1)Colati in sabbia	Gs
4)Estrusi	Pe	2)Colati sotto pressione	Gp o Gd
		3)Colati centrifugati	Gc

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Da norma UNI 4244/70 e 4855/78.

 

P-CuSn6

P =  uso plastico       Cu =rame       Sn 6= stagno al 6%

 

G-CuSn14

G = prodotto per getti           Cu =rame                 Sn =stagno al 14%

 

G-Cu Sn8 Zn3

G =prodotto per getti         Cu =rame         Sn 8= stagno all’ 8%    Zn 3= zinco al 3%

 

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Sono bronzi a cui vengono aggiunti uno o più elementi che conferiscono particolari proprietà abbassandone anche il prezzo di costo. I più usati sono:

- Bronzi al cadmio: è utilizzato per conduttori elettrici.

- Bronzi al cobalto: molto resistenti a corrosione.

- Bronzi al silicio: resiste sia a sollecitazioni che a corrosione.

- Bronzi al manganese: con Mn minore o uguale al 30%. Unitamente ad Ni, Al, Fe, Si. Utilizzato per resistori elettrici.

- Bronzo all’alluminio: con Al max al 14% utilizzato nell’industria chimica ed elettrotecnica. Utilizzai per ingranaggi, eliche, valvole.

- Bronzi allo zinco. L'aggiunta di zinco facilita la colata dei getti; la lega detta “Ammiragliato”, all'8-10% di stagno e al 3% di zinco, è usata per flange, staffe, raccordi, valvole; ha costo minore degli altri bronzi.

- Bronzi al piombo. La presenza di piombo aumenta la lavorabilità con macchine e la plasticità, perciò questa lega (2-10% di stagno, 5-30% di piombo) è utilizzata per cuscinetti, anelli, boccole, organi di scorrimento.

- Bronzi fosforosi. Il fosforo entra normalmente, in piccole percentuali (0,01%), nella fabbricazione del bronzo poichè è usato come disossidante; se la percentuale supera lo 0,1% si forma fosfuro di rame Cu3P, duro e fragile, che migliora però le qualità antiattrito della lega. Questi bronzi vengono lavorati a getto (cuscinetti, corpi di valvole) e a estrusione e possono essere trafilati e laminati; i lamierini incruditi, impiegati come molle nelle apparecchiature elettriche, possono arrivare a un carico di rottura di 80 kg/mm².

- Bronzi allo zinco e al piombo. Sono leghe usate soprattutto per il loro basso costo, la lavorabilità, le caratteristiche di scorrimento; contengono il 5-8% di stagno, il 2-5% di zinco, l'1-5% di piombo e hanno un carico di rottura di 25 kg/mm² con un allungamento del 30%.

- Bronzi antifrizione. Per realizzare organi antifrizione (cuscinetti, anelli, boccole, pattini, ruote, ingranaggi) si adoperano vari tipi di bronzo, comuni e speciali, la cui struttura micrografica è costituita da una matrice di lega rame- stagno sufficientemente malleabile, nella quale è diffuso un componente duro (Cu3Sn o Cu3P sotto forma di eutettico o eutettoide): questa struttura è comune ai bronzi allo stagno (13-20% di stagno) e a quelli contenenti zinco o fosforo (bronzi fosforosi). Il bronzo antifrizione viene usato nei cinematismi in cui le condizioni di lavoro sono tali da rischiare un grippaggio per surriscaldamento o una rottura per sforzo. A seconda dell'impiego specifico la composizione di questi bronzi varia: dall'85% di rame, 10% di stagno, 5% di piombo (alta resistenza all'attrito, scorrimento dolce e senza urti a velocitΰ ridotta), al 68% di rame, 2% di stagno, 30% di piombo (basso carico specifico, ma possibilità di velocità elevata).

- Bronzi da orefici. Sono leghe costituite principalmente da rame e zinco (per cui dovrebbero essere chiamati ottoni) di colore rosa dorato, facili da lavorare, agevolmente trasformabili in aste e fili. Ricordiamo il similoro (rame 84-89%, zinco 9-10%, stagno 1-7%) e il tombacco, detto anche oro falso (rame 72-95% e il resto zinco, salvo piccole aggiunte di stagno e di piombo), usato per finta doratura; ridotto in fili, viene usato anche per confezionare tessuti (lamι).

- Bronzi d'arte. Sono leghe usate per la fusione di oggetti d'arte (statue, vasi, pendole, articoli ornamentali); hanno composizione molto varia, tale comunque che permetta una facile colabilità e che la superficie del getto assuma un colore particolare. I bronzi antichi hanno un contenuto di stagno variabile dall'8 al 15%; l'aggiunta di piombo e zinco, che facilita la colata, dà leghe che è difficile classificare fra i bronzi o gli ottoni al piombo. Nei bronzi d'arte non pregiati il tenore di zinco sale fino al 25% con conseguente riduzione del costo; il classico bronzo da pendole è composto dall'80% di rame, dal 4% di stagno, dal 14% di zinco e dal 2% di piombo. I getti di questi bronzi vengono in generale effettuati in forme di sabbia o di terra oppure ottenuti per fusione a cera persa; la superficie viene trattata chimicamente perchè assuma una patina di colore variabile dal giallo oro al verde- giada, al nero imitante i bronzi antichi.

- Bronzo per cannoni. Non più usata da quasi un secolo, perchè sostituita dal ferro, questa lega aveva un tenore di stagno compreso fra l'8 e il 12% (facile gettabilità e buona resistenza allo scoppio).

- Bronzo al berillio.

- Bronzo al glucinio.

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- G Cu Sn20

Bronzo col 20% di stagno utilizzato per costruire campane e monete.

 

- G Cu Sn14

Bronzo col 14% di stagno, utilizzato per produrre cuscinetti a strisciamento detti bronzine e ruote dentate.

 

- G Cu Sn10

Bronzo col 10% di stagno adatti ad essere facilmente lavorati con macchine utensili.

 

- P Cu Sn8

Bronzo con l’8% di stagno adatto a lavorazioni plastiche a freddo, resiste a corrosione.

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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

 

 

 

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