Metalli non ferrosi: rame e sue leghe (ottone e bronzo)

Quando si parla di metalli si pensa subito all’acciaio, ma una parte enorme dell’ingegneria moderna poggia sui metalli non ferrosi: rame, alluminio, titanio, nichel, magnesio. Il capostipite è il rame, primo metallo lavorato dall’uomo e ancora oggi insostituibile dove servono conducibilità elettrica e termica eccellenti, resistenza alla corrosione e facilità di lavorazione.

Vediamo perché il rame è così speciale, come nascono le sue leghe principali — ottoni e bronzi — e perché si modifica un metallo puro per ottenere proprietà su misura.

Che cosa sono i metalli non ferrosi

Sono tutti i metalli e le leghe che non hanno il ferro come elemento base. Si usano quando l’acciaio non basta: dove serve leggerezza (alluminio, titanio, magnesio), conducibilità elettrica e termica spinta (rame), resistenza alla corrosione in ambienti aggressivi o alle altissime temperature (titanio, nichel). Costano in genere più dell’acciaio, ma offrono combinazioni di proprietà che il ferro non può dare. Il grosso del settore non ferroso è fatto proprio dalle leghe di rame, alluminio, titanio e nichel.

Il rame: conducibilità e lavorabilità

Il rame deve il suo primato a una combinazione rara: alta conducibilità elettrica e termica, buona resistenza alla corrosione, ottima lavorabilità e una discreta resistenza meccanica. Per i conduttori elettrici si usa rame purissimo, con titolo oltre il 99,9%. La qualità più diffusa è il cosiddetto rame elettrolitico, che contiene una piccola frazione di ossigeno (dell’ordine dello 0,02–0,05%) combinato come ossido rameoso (Cu₂O); esiste anche un rame esente da ossigeno, scelto in elettronica perché sigilla bene sul vetro.

Anche al rame si aggiungono piccole quantità di elementi per affinarne il comportamento: una traccia di arsenico (intorno allo 0,3%) ne migliora la resistenza a certe condizioni corrosive; circa lo 0,6% di tellurio lo rende eccellente da lavorare alle macchine utensili; una piccola aggiunta di argento ne alza la temperatura di ricristallizzazione, evitando che si ammorbidisca quando viene saldato. Dettagli da officina che mostrano come anche il metallo «puro» sia in realtà ingegnerizzato.

Gli ottoni: rame e zinco

Gli ottoni sono leghe di rame e zinco. Lo zinco si scioglie nel rame fino a circa il 32–39% formando la fase α (cubica a facce centrate, duttile); oltre questa soglia compare una seconda fase β, più dura e fragile a freddo. Da qui due famiglie: gli ottoni α, ricchi di rame, ideali per la lavorazione a freddo, e gli ottoni α+β, lavorabili a caldo. Il classico ottone «da bossolo» ha composizione 70% rame e 30% zinco, scelta che dà il miglior compromesso fra resistenza e duttilità.

I bronzi: rame e stagno (e altro)

Il termine bronzo nasce per le leghe rame-stagno, ma oggi indica quasi ogni lega di rame diversa dagli ottoni, in cui l’elemento principale (stagno, alluminio, silicio, berillio) arriva fino a circa il 12%. I bronzi hanno fama di lega «nobile» rispetto all’ottone: lo stagno indurisce e rende il rame resistente all’usura, l’alluminio dà bronzi (i bronzi all’alluminio) molto resistenti alla corrosione e all’erosione di fluidi in rapido movimento, il berillio permette bronzi durissimi e capaci di mantenere l’elasticità nelle molle.

Perché si fanno le leghe

Il filo conduttore è sempre lo stesso: introdurre nel reticolo atomi di dimensione o natura diversa ostacola lo scorrimento dei piani atomici, cioè il movimento delle dislocazioni che permette al metallo di deformarsi. Risultato: la lega è quasi sempre più dura e resistente del metallo puro di partenza. Lo zinco nel rame, lo stagno nel bronzo, il carbonio nell’acciaio: lo stesso principio in metalli diversi. La metallurgia del ferro è trattata nell’articolo dedicato all’acciaio; qui restiamo sul mondo non ferroso.

metallo puro + elemento alligante  →  ostacolo alle dislocazioni  →  più resistenza

Perché conta nella pratica

Per chi lavora con i materiali, conoscere il mondo delle leghe di rame significa scegliere il componente giusto: rame puro per un conduttore, ottone da bossolo per un raccordo da imbutire, ottone navale per un condensatore esposto al mare, bronzo all’alluminio per una girante di pompa. La composizione, fin nelle frazioni di percento, decide conducibilità, lavorabilità e durata in servizio. È chimica dei materiali che si traduce direttamente in scelte di progetto e in costi.

Domande frequenti

Che cosa sono i metalli non ferrosi?

Sono tutti i metalli e le leghe che non hanno il ferro come base: rame, alluminio, titanio, nichel, magnesio e le loro leghe. Si impiegano quando servono proprietà che l’acciaio non offre, come alta conducibilità elettrica e termica, leggerezza, resistenza alla corrosione in ambienti aggressivi o alle altissime temperature. In genere costano più dell’acciaio, ma danno combinazioni di proprietà altrimenti irraggiungibili.

Perché il rame è così usato nei conduttori elettrici?

Perché ha una conducibilità elettrica e termica tra le più alte fra i metalli comuni, unita a buona resistenza alla corrosione e ottima lavorabilità. Per i conduttori si usa rame purissimo, con titolo oltre il 99,9%, perché anche piccole impurezze ne abbassano la conducibilità. È un compromesso ideale fra prestazioni elettriche, costo e facilità di fabbricazione di fili e cavi.

Qual è la differenza tra ottone e bronzo?

L’ottone è una lega di rame e zinco; il bronzo nasce come lega di rame e stagno, ma oggi indica quasi ogni lega di rame diversa dagli ottoni, in cui l’elemento principale (stagno, alluminio, silicio, berillio) arriva fino a circa il 12%. In genere il bronzo è considerato più «nobile» e resistente, con migliori proprietà di usura e corrosione, mentre l’ottone è più economico e facile da lavorare.

Perché si aggiunge stagno all’ottone navale?

Per aumentarne la resistenza alla corrosione in acqua salata. Una piccola aggiunta di stagno (intorno all’1%) a un ottone 60% rame – 39% zinco migliora nettamente il comportamento in ambiente marino. È il motivo per cui i tubi dei condensatori, gli alberi delle eliche e altri componenti esposti al mare usano questo tipo di ottone, che dura molto più di una semplice lega binaria rame-zinco.

Perché una lega è più resistente del metallo puro?

Perché gli atomi aggiunti, di dimensione o natura diversa, distorcono il reticolo cristallino e ostacolano il movimento delle dislocazioni, cioè lo scorrimento dei piani di atomi con cui il metallo si deforma. Rendendo più difficile questo scorrimento, la lega risulta più dura e resistente del metallo di partenza. È lo stesso principio per lo zinco nel rame, lo stagno nel bronzo o il carbonio nell’acciaio.