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Leghe di rame-berillio: quando la resistenza meccanica da sola non basta

Siamo abituati a pensare al rame come ad un materiale molto duttile e dalle proprietà meccaniche limitate, ma è sempre così? Come ogni altro metallo, anche il rame dà il meglio di sé in lega con altri elementi, in particolare con il berillio.

Categorie Chimica

Il rame (Cu) è un metallo conosciuto fin dall’antichità, tant’è vero che una delle sue leghe dà addirittura il nome ad un periodo preistorico: l’età del Bronzo (2300-700 a.C.). Nel tempo il rame ha contribuito in modo importante allo sviluppo tecnologico della civiltà umana fino a diventare uno dei metalli più consumati a livello globale. In particolare, questo metallo dal bell’aspetto è ampiamente utilizzato per il trasporto di energia. Infatti, il rame è il metallo con la maggior conducibilità termica ed elettrica, fatta eccezione solo per l’argento. Si potrebbe dire che se l’elettricità ha innescato il cambiamento del mondo, il rame è ciò che lo ha reso possibile. Tuttavia, le applicazioni di questo metallo non si esauriscono con il solo trasporto di energia, il rame e le sue leghe sono utilizzate anche in settori quali l’architettura, il navale, l’artistico, l’industriale e chi più ne ha più ne metta.

La celebre Statua della Libertà situata a New York è costituita da circa 80 tonnellate di lastre in rame che ossidandosi hanno acquisito il caratteristico color verde. (Fonte: Ronile da Pixabay)

Il berillio (Be), per contro, è un metallo conosciuto “solo” dal 1797 e anche un po’ meno noto al grande pubblico, ma non per questo meno importante. Pensate che il berillio è considerato dallo U.S. Department of Defense come un materiale strategico per la sicurezza nazionale. Difatti, circa l’80% del berillio negli U.S.A. viene utilizzato in lega con il rame per applicazioni critiche che spaziano dall’aerospaziale fino alla difesa. Il berillio è il più leggero (possiede numero atomico 4) fra i metalli alcalino terrosi e a temperatura ambiente si presenta come un cristallo grigio e fragile. La sua particolarità è quella di possedere un modulo elastico eccezionale intorno ai 290 GPa unito ad una densità di soli 1.85 g/cm3. Per darvi un’idea dell’eccezionalità di questi valori, sappiate che l’acciaio ha modulo elastico intorno ai 210 GPa e densità 7.9 g/cm3. Questo metallo a differenza del rame è pericoloso da maneggiare a causa della sua notevole tossicità, se inalate le polveri di berillio possono causare la berilliosi (o malattia da berillio) con possibili conseguenze anche mortali.

Leghe di rame-berillio

Esistono svariate leghe di rame, fra cui le più note sono probabilmente l’ottone (rame-zinco) e il bronzo (rame-stagno). Tuttavia, una lega in particolare spicca su tutte le altre per proprietà meccaniche: quella fra rame e berillio. La lega rame-berillio C17200 (standard UNS), ad esempio, è composta quasi totalmente da rame e da un 2% circa di berillio. Anche se può sembrare poco, la presenza del berillio è in grado di stravolgere le proprietà meccaniche del rame, ma solo se opportunamente trattato come vedremo in seguito. La C17200 è in assoluto la lega che presenta la maggiore resistenza meccanica rispetto a tutte le altre leghe di rame, ma non solo, le sue proprietà possono essere tranquillamente comparate a quelle di un acciaio ad alta resistenza.

LegaE [MPa]σy [MPa]UTS [MPa]
C17200113012001400
Armstrong®Ultra960MCL22109601100
Al 7075 T6370500430
Confronto fra proprietà meccaniche di una lega rame-berillio1, un acciaio ad alta resistenza2 e una lega di alluminio di grado aeronautico3. I valori sono da considerarsi come indicativi in quanto possono variare in base al prodotto semilavorato considerato.

Inoltre, accanto alle eccezionali proprietà meccaniche, questa lega di rame-berillio possiede un’ottima conducibilità termica, carattere amagnetico, resistenza alla corrosione e alla fatica. Tutte queste proprietà rendono questo tipo di materiale ideale per componenti meccanici ed elettronici in applicazioni critiche come l’aerospaziale.

Leghe rame-berillio
Numerosi jet da combattimento, fra cui l’F35 Lightning II, montano componenti meccanici ed elettronici in lega di rame-berillio. (Fonte: Lockheed Martin F35 media kit)

Le leghe di rame-berillio sono poi anche apprezzate per le loro proprietà anti-scintilla, il che permette di produrre utensili da utilizzare in ambienti ad alto rischio di esplosioni, come per esempio il settore dell’Oil&Gas.

Indurimento per precipitazione

Come accennato in precedenza, le leghe di rame-berillio sono le più performanti fra le varie disponibili a base di rame, ma questo solamente a patto di trattarle in modo opportuno. In realtà, ciò vale in generale, infatti, molte altre leghe come acciaio o leghe di alluminio-zinco hanno bisogno di un trattamento termico ad-hoc per poter dare il loro massimo dal punto di vista delle proprietà meccaniche. Nel caso specifico delle leghe rame-berillio, così come in altre leghe non-ferrose, si sfrutta un processo chiamato indurimento per precipitazione. Sostanzialmente in questo tipo di trattamento termico ci si avvale del limite di solubilità del berillio nel rame. Scaldando la lega ad alte temperature il berillio è in grado di dissolversi nel rame andando a formare una fase omogenea. In seguito, si procede a raffreddare rapidamente la lega ad una temperatura più bassa per la quale il berillio non è più solubile nel rame. Questo fa sì che gli atomi di berillio cerchino di formare una loro fase diversa da quella iniziale, cosa che però non può avvenire perché non hanno sufficiente energia termica per diffondere, ovvero muoversi all’interno del reticolo cristallino del materiale. L’ultimo passo è quello di riscaldare di nuovo la lega per un certo periodo di tempo in quello che viene detto invecchiamento artificiale, in modo tale da fornire sufficiente energia termica agli atomi di berillio per diffondere e formare così una fase propria. Se il processo viene eseguito correttamente ci si ritrova con una fase composta in prevalenza da rame in cui sono disperse microscopiche particelle composte per la maggior parte da berillio, le quali provvederanno a rafforzare la lega donandole le caratteristiche di cui abbiamo parlato sopra.

Leghe rame-berillio
Schematizzazione di un possibile processo di indurimento per precipitazione in una lega rame-berillio. Le illustrazioni nei cerchi rappresentano una schematizzazione della microstruttura del materiale, quella che vedreste con un microscopio per intenderci.

Articolo a cura di Axel Baruscotti

FONTI VERIFICATE

  1. ArcelorMittal – «Brochures and Grade tables.».
  2. Aviva Metals – C17200 Copper (CDA 172)
  3. AZoM. Beryllium – Mechanical Properties And Material Applications
  4. Boland, M. A. «Beryllium—Important for National Defense.» U.S. Geological Survey
  5. Copper Development Association Inc. – Beryllium Copper Overview
  6. Doebrich, Jeff. «Copper—A Metal for the AgesU.S. Geological Survey
  7. European Copper Institute – Leghe rame-berillio.
  8. European Copper Institute – Il rame (pdf)
  9. Lara, Abigail R. – Malattia da Berillio.