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Proprietà e metallurgia del Bronzo
AREA I - ARTE TECNICO-SCIENTIFICA (ATS)
Cap. ATS-G10 - Proprietà metalli - Pag. ATS-G10.02
Gli argomenti trattati sono stati inseriti da Ing. Arch. Michele Cuzzoni nel 2008 - © Copyright 2007- 2024 - e sono desunti dalla documentazione indicata in Bibliografia a fondo pagina
Bronzi a base di stagno
Bronzi classici
Bronzi allo zinco
B Zn 8 UNI 1701
B Zn 7 UNI 1701
B Zn 2 UNI 7013
B Zn 4 UNI 1701
Bronzi al Piombo
B Pb 5 UNI 1701
B Pb 12 UNI 1701
B Pb 4 UNI 1701
Bs Pb 15 UNI 1701
Bs Pb 8 UNI 1701
Bronzi nell'industria galvanica
Questo tipo di bronzi è il più classico e il più antico.
L’aggiunta di stagno, in percentuale crescente, forma leghe che presentano un incremento di durezza e buone caratteristiche meccaniche.
Queste leghe sono lavorabili plasticamente e si possono laminare, estrudere, forgiare, stampare e trafilare.
Diagramma di fase della lega rame stagno:
Aumentando la percentuale di stagno si ricavano leghe con durezza maggiore e, quindi, minore malleabilità.
Fino al 6% di stagno, si ha un bronzo malleabile, dal 6 al 18% di stagno si ha una lega molto resistente tipica per costruire armature e cuscinetti. Solitamente si riscontra, come limite di malleabilità a caldo o a freddo, il 15% di stagno in lega.
Percentuali maggiori rendono infatti processi impieganti tale tipo di lavorazione proibitivi.
Le leghe con percentuali attestate attorno al 22% sono comunemente impiegate per fusi quali campane e, fino a non molte decadi fa, cannoni.
Leghe con il 33% di stagno formano una lega durissima impiegata in ambienti di nicchia per apparecchi di uso specifico data la sua elevata fragilità.
Le leghe bronzee hanno una colorazione che varia a seconda della percentuale di stagno apparendo rosso dorato in forte presenza di Rame. Colore che sbiadisce verso pallidi gialli argentati all’aumentare delle percentuali del metallo alligante.
Andamenti delle proprietà principali del bronzo classico al variare delle percentuali di Stagno presente:
Variazione di TS e Allungamento% contro percentuale Sn in Cu
Durezza Vickers contro percentuale Sn in Cu
Velocità di rilassamento sforzi contro percentuale di Sn in Cu
Conduttività elettrica contro percentuale di Sn in Cu
La lega binaria rame stagno è solitamente rara e non infrequentemente sono presenti in lega anche altri metalli quali zinco piombo e fosforo a coadiuvare lo stagno per portare, alla lega, le seguenti proprietà:
- Il Piombo abbassa la temperatura di fusione del metallo, lo rende più colante allo stato fuso e più malleabile a freddo; il piombo facilita anche il lavoro di ritocco durante la fase di rifinitura.
- Lo Zinco riduce la ritenzione dei gas che si formano, nella massa metallica, durante la fusione. Ne risulta così una materia più compatto e pulita da impurità gassose che possono portare ad infragilimento dovuto a locale amplificazione degli sforzi .
- Il Fosforo aggiunto sotto forma di fosforo di rame, viene utilizzato come disossidante del metallo in fusione. Quando la percentuale risulta poi compresa tra lo 0.1 e lo 0.2 se ne ricava un aumento della durezza della lega.
Le leghe bronzee manifestano un’elevata resistenza alla corrosione e questo ne spiega il larghissimo uso in ambienti che presentano atmosfere fortemente aggressive e corrosive.
Un altro tipico impiego dei bronzi è, indubbiamente, la costruzione di bronzine e cuscinetti. Tale scelta viene motivata dal basso coefficiente d’attrito che si instaura, solitamente, tra questa lega e i normali acciai meccanici.
Vengono definiti bronzi classici i bronzi costituiti solo da rame e stagno. Di seguito le leghe commerciali con le tipiche applicazioni.
| Composizione chimica caratteristica | Prove di trazione |
Durezza Brinnel Hb
|
||||||
| Cu% | Sn% | Zn% | Pb% | Ni% |
Carico di rottura a trazione R kg/mm2 |
Carico di snervamento Rs kg/mm2 |
Allungamento A minimo % |
|
| 90 | 10 | - | - | - | 25 | 12 | 15 | 60 |
Con questa tipologia di lega viene solitamente impiegata nella costruzione di parti di macchinario quali boccole, ingranaggi, ruote dentate ecc. Usata per valvolame e altri manufatti di ambito navale e petrolchimico. Bronzo impiegabile anche in apparecchiature elettriche.
Tale tipologia di bronzo, risulta essere piuttosto morbida rispetto alle leghe seguenti e quindi le sue applicazioni risiedono tutte in manufatti che non debbono sopportare forti carichi di esercizio o particolari impieghi meccanici.
La specifica di tale lega è la B 10 UNI 1701.
| Composizione chimica caratteristica | Prove di trazione |
Durezza Brinnel Hb
|
||||||
| Cu% | Sn% | Zn% | Pb% | Ni% |
Carico di rottura a trazione R kg/mm2 |
Carico di snervamento Rs kg/mm2 |
Allungamento A minimo % |
|
| 86 | 14 | - | - | - | 18 | 13 | 3 | 85 |
Con tale lega vengono costruite parti soggette a forte attrito ed usura quali boccole e cuscinetti (senza rivestimento) fortemente caricati, ingranaggi a strisciamento, viti senza fine ed elementi di raccorderia.
Uso frequente anche per apparecchi idraulici per alte pressioni.
La specifica di tale lega è la B 14 UNI 1701.
| Composizione chimica caratteristica | Prove di trazione |
Durezza Brinnel Hb
|
||||||
| Cu% | Sn% | Zn% | Pb% | Ni% |
Carico di rottura a trazione R kg/mm2 |
Carico di snervamento Rs kg/mm2 |
Allungamento A minimo % |
|
| 80 | 20 | - | - | - | 15 | 150 | ||
L’elevata durezza presentata rende questa lega particolarmente interessante per manufatti sottoposti a forte attrito come settori per cuscinetti di spinta, fasce elettriche per pompe, piastre sottoposte a sfregamento, pattini, ecc.
La specifica di tale lega è la B 20 UNI 1701.
| Composizione chimica caratteristica | Prove di trazione |
Durezza Brinnel Hb
|
||||||
| Cu% | Sn% | Zn% | Pb% | Ni% |
Carico di rottura a trazione R kg/mm2 |
Carico di snervamento Rs kg/mm2 |
Allungamento A minimo % |
|
| 80 | 9-11 | 0,5 | 0,8-1 | 0,7 | 24-28 | 12-15 | 12-17 | 60-75 |
Lega utilizzabile per manufatti senza particolari proprietà meccaniche. Impiego di tipo generale (boccole, ingranaggi, ecc)
La specifica di tale lega è la G-Cu Sn 10 UNI 7013.
| Composizione chimica caratteristica | Prove di trazione |
Durezza Brinnel Hb
|
||||||
| Cu% | Sn% | Zn% | Pb% | Ni% |
Carico di rottura a trazione R kg/mm2 |
Carico di snervamento Rs kg/mm2 |
Allungamento A minimo % |
|
| 88 | 11-13 | 0,5 | 1 | 0,7 | 27-32 | 15-17 | 5-10 | 90-100 |
Lega utilizzabile in parti soggette a forte attrito ed usura e manufatti sottoposti a forte caricamento.
La specifica di tale lega è la G-Cu Sn 12 UNI 7013
Come gia accennato una percentuale elevata di zinco nella produzione del bronzo garantisce un materiale degasato e privo di bolle che ne potrebbero inificiare le proprietà meccaniche.
| Composizione chimica caratteristica | Prove di trazione |
Durezza Brinnel Hb
|
||||||
| Cu% | Sn% | Zn% | Pb% | Ni% |
Carico di rottura a trazione R kg/mm2 |
Carico di snervamento Rs kg/mm2 |
Allungamento A minimo % |
|
| 81 | 7 | 8 | 4 | - | 15 | - | 6 | 70 |
Tale lega ad elevate percentuali di zinco è indicata per accessori, guarniture e altri manufatti a cui sia richiesta una superficie lucida a fine lavorazione. La specifica di tale lega è la B Zn 8 UNI 1701.
| Composizione chimica caratteristica | Prove di trazione |
Durezza Brinnel Hb
|
||||||
| Cu% | Sn% | Zn% | Pb% | Ni% |
Carico di rottura a trazione R kg/mm2 |
Carico di snervamento Rs kg/mm2 |
Allungamento A minimo % |
|
| 84 | 6 | 7 | 3 | - | 16 | 8 | 10 | 60 |
Tale lega viene impiegata per valvolame che lavora, in esercizio, a temperature fino a 120°C; Impiegabile anche in parti di pompe e di condensatori e cuscinetti poco sollecitati (in quanto la durezza risulta essere modesta).
In ambiente nautico tale tipologia di lega viene utilizzata per costruire camicie di alberi portaeliche.
La specifica di tale lega è la B Zn 7 UNI 1701.
| Composizione chimica caratteristica | Prove di trazione |
Durezza Brinnel Hb
|
||||||
| Cu% | Sn% | Zn% | Pb% | Ni% |
Carico di rottura a trazione R kg/mm2 |
Carico di snervamento Rs kg/mm2 |
Allungamento A minimo % |
|
| 88 | 8.5-11 | 1-3 | 1.3-1.5 | 1 | 27-30 | 14-17 | 7-10 | 80-90 |
Utilizzato per Flange per tubi - Parti da saldare
La specifica di tale lega è la B Zn 2 UNI 7013.
| Composizione chimica caratteristica | Prove di trazione |
Durezza Brinnel Hb
|
||||||
| Cu% | Sn% | Zn% | Pb% | Ni% |
Carico di rottura a trazione R kg/mm2 |
Carico di snervamento Rs kg/mm2 |
Allungamento A minimo % |
|
| 86 | 10 | 4 | - | - | 20 | 10 | 10 | 65 |
Tale lega conosce un grande impiego per costruzioni meccaniche ed apparecchiature elettriche in generale; parti a pareti sottili e complicate come, ad esempio, casse di pompe e recipienti soggetti a pressione di vapore saturo (fino a 225°C).
Utile anche per valvole e saracinesche, accessori per tubazioni e altri condotti per fluidi caldi (fino a 225°C) e camicie di alberi.
La specifica di tale lega è la B Zn 4 UNI 1701.
L’aggiunta di piombo si rende necessaria quando si ha bisogno di un fluido con elevata fluidità.
| Composizione chimica caratteristica | Prove di trazione |
Durezza Brinnel Hb
|
||||||
| Cu% | Sn% | Zn% | Pb% | Ni% |
Carico di rottura a trazione R kg/mm2 |
Carico di snervamento Rs kg/mm2 |
Allungamento A minimo % |
|
| 85 | 5 | 5 | 5 | - | 15-30 | 8-12 | 14-21 | 65-80 |
Lega particolarmente adatta per boccolame di vario genere e per elementi fortemente caricati (bussole e supporti, impiegati nei laminatoi a freddo).
La specifica di tale lega è la B Pb 5 UNI 1701.
| Composizione chimica caratteristica | Prove di trazione |
Durezza Brinnel Hb
|
||||||
| Cu% | Sn% | Zn% | Pb% | Ni% |
Carico di rottura a trazione R kg/mm2 |
Carico di snervamento Rs kg/mm2 |
Allungamento A minimo % |
|
| 80 | 8 | - | 12 | - | 15 | - | 8 | 60 |
Cuscinetti adatti per alte pressioni superficiali (ad es.: laminatoi a freddo).
La specifica di tale lega è la B Pb 12 UNI 1701.
| Composizione chimica caratteristica | Prove di trazione |
Durezza Brinnel Hb
|
||||||
| Cu% | Sn% | Zn% | Pb% | Ni% |
Carico di rottura a trazione R kg/mm2 |
Carico di snervamento Rs kg/mm2 |
Allungamento A minimo % |
|
| 86 | 10 | - | 4 | - | 18 | - | 15 | 70 |
Lega utilizzata per cuscinetti per laminatoi a caldo. Impiegabile anche macchine elettriche. La specifica di tale lega è la B Pb 4 UNI 1701.
| Composizione chimica caratteristica | Prove di trazione |
Durezza Brinnel Hb
|
||||||
| Cu% | Sn% | Zn% | Pb% | Ni% |
Carico di rottura a trazione R kg/mm2 |
Carico di snervamento Rs kg/mm2 |
Allungamento A minimo % |
|
| 76 | 8 | - | 15 | 1 | 15 | - | 5 | 60 |
Bronzo impiegato per la realizzazione di cuscinetti adatti per velocità e sollecitazioni elevate.
La specifica di tale lega è la BS Pb 15 UNI 1701.
| Composizione chimica caratteristica | Prove di trazione |
Durezza Brinnel Hb
|
||||||
| Cu% | Sn% | Zn% | Pb% | Ni% |
Carico di rottura a trazione R kg/mm2 |
Carico di snervamento Rs kg/mm2 |
Allungamento A minimo % |
|
| 84 | 7 | - | 8 | 1 | 19 | - | 6 | 65 |
Lega bronzea per impieghi classici quali parti di macchinario (boccole ed ingranaggi).
La specifica di tale lega è la Bs Pb 8 UNI 1701.
| Composizione chimica caratteristica | Prove di trazione |
Durezza Brinnel Hb
|
||||||
| Cu% | Sn% | Zn% | Pb% | Ni% |
Carico di rottura a trazione R kg/mm2 |
Carico di snervamento Rs kg/mm2 |
Allungamento A minimo % |
|
| 80 | 10 | - | 7 | 3 | 20 | - | 6 | 80 |
Cuscinetti adatti per velocità e sollecitazioni elevate.
Ecco ora un esempio di particolare lega bronzea detta “Bronzo bianco”.
La recente messa al bando, da parte della Comunità Europea, di oggettistica il cui rilascio di nichel è superiore a 0,5 mg/cm2 settimana (quantitativo capace di far insorgere forti reazioni allergiche in soggetti predisposti) ha provocato la necessità di trovare un'alternativa a questo metallo nei rivestimenti.
Il nickel, infatti, depositato per via galvanica produce superfici estremamente lucenti e gradevoli alla vista e, per tale motivo, era largamente utilizzato in ambiente orafo come metallo atto a simularne altri ben più preziosi. Tale impedimento ha generato non pochi scompensi alle aziende galvaniche in quanto non si trova un metallo che, come il nichel, sia in grado di produrre depositi di grande brillantezza e notevole capacità di livellamento a prezzo contenuto.
Si tratta quindi di trovare un processo in grado di realizzare un deposito elettrochimico esente da nickel ma che deve possedere, possibilmente, la stessa brillantezza e capacità di livellamento. La soluzione è stata trovata grazie al deposito di una lega quaternaria di rame-zinco-stagno-piombo in grado di produrre depositi sia di colore giallo-oro sia di colore bianco brillante come il palladio.
Tale particolare tipologia di lega è detta, appunto, bronzo bianco e viene depositata per via elettrochimica ottenendo superfici compatte con densità da 8.0 a 8.5 g/cm3 e durezza pari a 500 HV. Gli indubbi vantaggi della bronzatura sono:
Aspetto identico a quello di un deposito di palladio con un costo per oggetto notevolmente inferiore (oltre 10 volte).
Capacità di formare uno strato barriera, e quindi di bloccare la diffusione dei depositi sottostanti
-
Scarsa propensione all'inquinamento.
-
Ottima resistenza alla corrosione.
Grande versatilità (possibilità di realizzare due colori solamente variando la corrente di deposizione) e facilità di utilizzo.
L’impiego del bronzo bianco in questo particolare settore, tuttavia, non è esente da problematiche quali:
-
Un contenuto dai 25-30 g/l di cianuro libero nei bagni di deposizione e questo può rappresentare un problema per chi ancora non ha ottenuto le opportune autorizzazioni per l'acquisto di cianuri.
Per quanto economico rispetto a rivestimenti di metalli nobili la bronzatura è caratterizzata da elevati costi di produzione (circa il doppio della deposizione del nickel).
Nonostante l’elevata resistenza alla corrosione del bronzo bianco tale proprietà non è paragonabile alle caratteristiche di durezza e resistenza all’abrasione tipiche dei metalli nobili.
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Bib-TS-014 - Aldigheri P. Le leghe bronzee e le loro applicazioni, Università di Trento, 2003
Bib-TS-076 - Mark Pollard and Carl Heron, Archaeological Chemistry. The Royal Society of Chemistry (1996)
Bib-TS-079 - Mauro Matteini e Arcangelo Moles, La Chimica del Restauro. Nardini Editore (1989)
Bib-TS-080 - J.B.Lambert Traces of the Past. Helix Book (1997)