Il rame è uno dei metalli non ferrosi più utilizzati e, insieme alle sue leghe ottone, bronzo e cupronichel, forma una famiglia di materiali che ogni progettista dovrebbe conoscere. Le leghe di rame uniscono un’eccellente conducibilità elettrica e termica a una buona formabilità e resistenza alla corrosione.
Questo articolo illustra le proprietà del rame, i diversi tipi di rame puro e di leghe di rame, come leggere le designazioni delle leghe di rame e a cosa prestare attenzione nella lavorazione meccanica di parti in rame e ottone.
Proprietà principali del rame
Il rame (Cu) è un importante metallo non ferroso, impiegato nell’industria in modo quasi altrettanto diffuso dell’alluminio. Le sue proprietà principali:
- Eccellente conducibilità elettrica e termica, superata tra i metalli solo da quella dell’argento
- Morbido, molto duttile e facile da formare
- Non diventa fragile alle basse temperature
- Completamente riciclabile senza perdita di qualità
- Buona resistenza alla corrosione grazie a uno strato superficiale protettivo che si forma nel tempo
- Antimicrobico, quindi adatto a superfici toccate di frequente e a impianti idraulici
- Gradevole colore rossastro, apprezzato per i materiali edili decorativi
Lo svantaggio: il rame è più pesante dell’acciaio, con una densità di circa 8,9 g/cm³, superiore a quella del ferro.
Tipi di rame puro
Con rame puro si indicano i materiali in rame con un tenore di rame pari o superiore al 99,90 %. In base al contenuto di ossigeno si distinguono tre tipi principali:
| Tipo | Designazione | Ossigeno | Conducibilità | Infragilimento da idrogeno | Impieghi tipici |
|---|---|---|---|---|---|
| Rame privo di ossigeno | Cu-OF, CW008A (JIS C1020) | Praticamente assente | Molto alta | Non sensibile | Elettronica, tecnologia del vuoto, parti brasate e saldate |
| Rame elettrolitico (ETP) | Cu-ETP, CW004A (JIS C1100) | In piccola quantità | Molto alta | Sensibile se riscaldato in atmosfera riducente | Barre collettrici, cavi, componenti elettrici |
| Rame disossidato al fosforo | Cu-DHP, CW024A (JIS C1220) | Assente; contiene fosforo residuo | Inferiore | Non sensibile | Tubi, scambiatori di calore, componenti brasati e saldati |
Il rame elettrolitico ETP è il tipo più diffuso. A causa del suo ridotto contenuto di ossigeno è soggetto a infragilimento da idrogeno quando viene saldato, brasato o ricotto in atmosfera contenente idrogeno. Per queste applicazioni è preferibile il rame privo di ossigeno o disossidato.
Proprietà del rame puro
Tra i materiali in rame, il rame puro presenta la conducibilità elettrica e termica più elevata. È amagnetico. Valori tipici:
| Proprietà | Valore |
|---|---|
| Densità | 8,89–8,94 g/cm³ |
| Resistenza a trazione | Circa 220–360 N/mm², a seconda dello stato metallurgico |
| Durezza | Circa 40–110 HV, a seconda dello stato metallurgico |
| Modulo di elasticità | Circa 117 kN/mm² |
| Conducibilità elettrica | Circa 100 % IACS |
| Coefficiente di dilatazione termica | 16,8 × 10⁻⁶/K |
| Conducibilità termica | Circa 390–398 W/(m·K) |
| Punto di fusione | Circa 1.083 °C |
| Punto di ebollizione | Circa 2.560 °C |
Vantaggi e svantaggi del rame puro
Vantaggi
- Conducibilità elettrica e termica più elevata tra tutti i materiali in rame
- Morbido e facile da formare
- Buona resistenza alla corrosione in atmosfera e in acqua
Svantaggi
- Pesante rispetto ad acciaio e alluminio
- Si ossida e si scurisce nel tempo; le superfici di contatto o le parti a vista vengono spesso rivestite galvanicamente
- La sua morbidezza e tendenza all’impastamento rendono la lavorazione meccanica più impegnativa rispetto all’ottone
Tipi di leghe di rame
Il rame si lega facilmente con altri metalli, il che ne modifica notevolmente le proprietà. La tabella offre una panoramica dei gruppi più importanti; le sezioni seguenti li descrivono uno per uno.
| Lega | Elemento di lega principale | Proprietà principali | Impieghi tipici | Esempio EN |
|---|---|---|---|---|
| Ottone | Zinco | Ottima lavorabilità alle macchine utensili, colore dorato | Raccordi, valvole, parti tornite, connettori | CW614N (CuZn39Pb3), CW509L (CuZn40) |
| Bronzo | Stagno | Più duro, resistente all’usura e alla corrosione | Cuscinetti, boccole, ingranaggi, molle | CW453K (CuSn8) |
| Cupronichel | Nichel | Eccellente resistenza all’acqua di mare, colore argenteo | Tubazioni navali, scambiatori di calore, monete | CW352H (CuNi10Fe1Mn) |
| Leghe ad alto tenore di rame | Piccole quantità, ad es. di berillio o cromo | Conducibilità prossima a quella del rame con resistenza meccanica superiore | Molle, contatti, elettrodi | CW101C (CuBe2) |
Ottone
L’ottone è una lega di rame e zinco. Offre un’eccellente duttilità, una buona stampabilità a caldo e un’ottima lavorabilità alle macchine utensili, ed è leggermente più leggero del rame puro. La sua lucentezza dorata lo rende apprezzato per le parti a vista. L’ottone automatico (da lavorazione meccanica) come il CW614N contiene una piccola quantità di piombo, che spezza il truciolo e lo rende uno dei metalli più facili da lavorare. Per le applicazioni a contatto con acqua potabile sono richieste qualità di ottone senza piombo.
Bronzo
Il bronzo è rame legato con stagno. In atmosfera forma lentamente una patina verde. Il bronzo è più duro del rame puro e ha un punto di fusione più basso, motivo per cui è stato uno dei primi metalli utilizzati dall’uomo. Oggi si impiega per cuscinetti a strisciamento, boccole, ingranaggi, molle e componenti navali, oltre che per campane e sculture.
Cupronichel
Il cupronichel è rame legato con nichel, spesso con piccole aggiunte di ferro e manganese. Ha un colore argenteo e un’eccellente resistenza all’acqua di mare, per questo viene utilizzato per tubazioni navali, scambiatori di calore e monete.
Leghe ad alto tenore di rame
Le leghe ad alto tenore di rame contengono più del 96 % di rame. Offrono una conducibilità termica ed elettrica vicina a quella del rame puro, con una resistenza meccanica e al calore superiore. Si impiegano in dispositivi di precisione come computer e smartphone e in componenti automobilistici. Le loro proprietà dipendono dagli elementi aggiunti: il rame-berillio, ad esempio, unisce conducibilità elettrica ed eccellenti proprietà elastiche.
Come leggere le designazioni delle leghe di rame
In Europa i materiali in rame sono designati secondo la EN 1412 con un codice di sei caratteri, ad esempio CW614N:
- C sta per rame (copper).
- La seconda lettera indica la forma del prodotto: W per i semilavorati plastici come barre, lamiere e tubi, C per i getti.
- Il numero a tre cifre identifica il singolo materiale.
- La lettera finale indica il gruppo di materiali: ad esempio A o B per il rame, C o D per il rame basso legato, H per rame-nichel, K per rame-stagno (bronzo), L o M per rame-zinco (ottone) e N o P per rame-zinco-piombo (ottone automatico).
Il CW614N è quindi una lega rame-zinco-piombo per lavorazione plastica, cioè un ottone automatico. Accanto al numero viene spesso indicata la composizione chimica, ad esempio CuZn39Pb3.
Le schede tecniche internazionali utilizzano spesso la designazione giapponese JIS: una «C» seguita da quattro cifre, come C1100 per il rame elettrolitico ETP o C3604 per l’ottone automatico. La prima cifra indica il gruppo di leghe, ad esempio 1 per il rame e le leghe ad alto tenore di rame, 2 per l’ottone e 3 per l’ottone al piombo.
Consigli per la lavorazione meccanica di rame e ottone
Il rame e le sue leghe sono morbidi, quindi facili da tagliare, ma proprio la morbidezza crea alcune difficoltà, soprattutto con il rame puro.
- Bave: il rame puro è morbido e molto duttile, per questo durante il taglio tende a formare bave e a impastarsi.
- Tagliente di riporto: il materiale, che tende a impastarsi, aderisce al tagliente e forma un tagliente di riporto, che peggiora la qualità superficiale e la precisione dimensionale.
- Calore: la lavorazione genera calore che deve essere smaltito con il refrigerante. Alcuni refrigeranti a base acquosa possono macchiare il rame, per cui si consigliano spesso refrigeranti a base oleosa o compatibili con il rame.
Per ridurre la resistenza al taglio, usa utensili affilati con un ampio angolo di spoglia superiore positivo e lavora ad alte velocità di taglio. L’ottone automatico come il CW614N è molto più semplice: i trucioli corti consentono una lavorazione rapida e pulita di parti tornite e fresate complesse. Per approfondire i processi, leggi i nostri articoli sul processo di tornitura e sul processo di fresatura.
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| Materiale | Tipo | Disponibile per |
|---|---|---|
| EN CW008A equiv. (rame privo di ossigeno) | Rame privo di ossigeno | Fresatura CNC |
| EN CW004A equiv. (rame elettrolitico raffinato, contenente ossigeno) | Rame elettrolitico (ETP) | Fresatura CNC |
| EN CW509L equiv. (ottone, ottone giallo) | Ottone | Fresatura CNC |
| EN CW614N equiv. | Ottone automatico | Fresatura CNC e Tornitura CNC |
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Domande frequenti sulle leghe di rame
Qual è la differenza tra rame, ottone e bronzo?
Il rame è il metallo puro. L’ottone è una lega di rame e zinco con ottima lavorabilità alle macchine utensili e colore dorato. Il bronzo è una lega di rame e stagno, più dura e resistente all’usura, quindi ideale per cuscinetti e boccole.
Il rame è magnetico?
No. Il rame puro è amagnetico, come le comuni qualità di ottone e bronzo. Per questo i materiali in rame sono adatti ad applicazioni vicine a elettronica sensibile e campi magnetici.
Quale materiale in rame è il più facile da lavorare?
L’ottone automatico come il CW614N (CuZn39Pb3). Il contenuto di piombo spezza il truciolo, per cui si lavora rapidamente con un’ottima qualità superficiale. Il rame puro è molto più impegnativo, perché è morbido e tende a impastarsi.
Qual è la differenza tra CW004A e CW008A?
Il CW004A (Cu-ETP) contiene una piccola quantità di ossigeno ed è il rame standard per le applicazioni elettriche. Il CW008A (Cu-OF) è privo di ossigeno, quindi non è soggetto a infragilimento da idrogeno ed è preferito per applicazioni saldate, brasate e sottovuoto.
Come scegliere tra rame puro e leghe di rame
Il rame è un metallo non ferroso impiegato in modo quasi altrettanto diffuso dell’alluminio. Offre un’elevata conducibilità termica ed elettrica ed è facile da riciclare. La famiglia delle leghe di rame comprende rame puro, ottone, bronzo, cupronichel e leghe ad alto tenore di rame. Anche se il rame si lavora facilmente, bave e tagliente di riporto richiedono attenzione e, per parti lavorate complesse, l’ottone automatico è spesso la scelta più economica.