Il piombo negli ottoni è l’alligante per eccellenza: la sua aggiunta permette di aumentare in maniera decisiva sia le caratteristiche di colabilità, sia le specifiche di lavorabilità a macchina utensile; peccato però che il piombo non entri effettivamente in lega con rame e stagno, finendo per costituire una dispersione solida all’interno della matrice dell’ottone. In questo articolo andremo ad esporre come tale condizione di dispersione fisica possa costituire, in particolari condizioni di raffreddamento, un fattore di forte criticità per la resistenza meccanica del materiale di base.
La metallurgia di base degli ottoni
Basilarmente l’ottone è una lega di rame e zinco, una lega che a temperatura ambiente si presenta sotto forma di “soluzione solida sostituzionale”, ossia una lega in cui gli atomi dei due costituenti rimangono fisicamente distinti, e in cui lo zinco assolve alla funzione di soluto e il rame quella di solvente.
Allo stato puro questi due metalli solidificano in sistemi cristallini diversi, presentando il rame un sistema cubico a facce centrate (Figura 1), mentre lo zinco presenta un sistema esagonale compatto (Figura 2).
Sempre riferendosi al caso della temperatura ambiente, per tenori di zinco inferiori al 37%, gli atomi di questo elemento sostituiscono semplicemente gli atomi del rame nel reticolo cubico a facce centrate di quest’ultimo, e in questo caso si parla di ottone in fase α.
Nel caso in cui l’ottone sia completamente in fase α la struttura rimane quindi cubica a facce centrate (CFC) e con una distribuzione ordinata degli atomi dei due metalli: condizione questa che garantisce al materiale una ottima deformabilità meccanica a freddo
Quando il tenore di zinco supera invece il 37%, si ha una graduale comparsa di una fase avente struttura cubica a corpo centrato, denominata fase β, che a seconda della temperatura può presentare due diverse organizzazioni: al di sotto dei 450° la fase β si presenta in una struttura ordinata (fase β propriamente detta), mentre al di sopra la struttura è disordinata e si parla di fase β’. Per tenori di zinco superiori al 47% è presente unicamente la fase β.
Fase α, fase β e fase β’ presentano caratteristiche di lavorabilità molto diverse:
• la fase α degli ottoni, caratterizzata da una struttura cubica a corpo centrato, è molto plastica e presenta una notevole deformabilità a freddo;
• la fase fase β presenta una elevata durezza e si presta soltanto a modeste deformazioni plastiche;
• la fase β’ risulta estremamente plastica e duttile.
in pratica, trovano utilizzo industriale unicamente le leghe che a temperatura ambiente risultano costituite da fase α o α + β, essendo le leghe costituite unicamente da fase β eccessivamente fragili e di difficile lavorazione.
Stante la plasticità e deformabilità a freddo della fase α, gli ottoni che risultano costituiti da questa fase presentano ottime caratteristiche di lavorabilità e deformabilità a freddo, ma con caratteristiche meccaniche relativamente limitate.
Gli ottoni in cui coesistano le fasi α e β sono invece essenzialmente leghe ad alte caratteristiche meccaniche a temperatura ambiente, ma lavorabili soprattutto ad alta temperatura: sono quindi essenzialmente leghe da stampaggio a caldo, potendo sfruttare le caratteristiche di lavorabilità della fase β’ alle temperature relativamente levate dello stampaggio, e le elevate caratteristiche meccaniche della struttura ordinata della fase β alla temperatura ambiente.
