Avete mai pensato all'importanza della selezione dei materiali in ingegneria? In questo post esploreremo l'affascinante mondo dell'ottone e le sue notevoli proprietà di resistenza alla corrosione. In qualità di ingegnere meccanico esperto, condividerò preziose intuizioni su come l'ottone resiste alla prova del tempo in varie applicazioni. Preparatevi a scoprire la scienza che sta alla base della durata di questa lega e imparate a sfruttarne i vantaggi nei vostri progetti.
L'ottone, una lega Cu-Zn con lo zinco come principale elemento di lega, prende il nome dal suo colore giallo.
A seconda del tipo e del contenuto di elementi di lega aggiunti, l'ottone può essere classificato in tre tipi principali: ottone monofase, ottone duplex e ottone speciale.
Quando il contenuto di zinco è inferiore a 36%, forma una soluzione solida monofase α, nota come ottone α. Quando il contenuto di zinco è compreso tra 36% e 45%, diventa ottone duplex α+β.
Gli ottoni con contenuto di zinco superiore a 45% non sono praticabili a causa dell'eccessiva fragilità dovuta all'eccessiva presenza della fase β. Gli ottoni speciali sono formulati aggiungendo alla base Cu-Zn elementi come Sn, Mn, Al, Fe, Ni, Si, Pb, ecc.
L'ottone si corrode lentamente nell'atmosfera e ha un basso tasso di corrosione anche nell'acqua dolce pura (0,0025-0,025 mm/anno). Tuttavia, si corrode più rapidamente in acqua di mare (0,0075-0,1 mm/anno).
I fluoruri hanno un impatto minimo sulla corrosione dell'ottone, i cloruri hanno un effetto più significativo, mentre gli ioduri causano una grave corrosione. In acque contenenti gas come O2, CO2, H2S, SO2, NH3, ecc. la velocità di corrosione dell'ottone aumenta notevolmente.
Si corrode facilmente in acqua minerale, soprattutto quella contenente Fe2(SO4)3. L'ottone subisce una forte corrosione in acido nitrico e cloridrico, si corrode più lentamente in acido solforico ed è resistente alle soluzioni di NaOH. L'ottone ha una migliore resistenza alla corrosione da impatto rispetto al rame puro.
Gli ottoni speciali hanno una migliore resistenza alla corrosione rispetto all'ottone comune. L'aggiunta di circa 1% Sn all'ottone riduce significativamente la corrosione da dezincatura e ne migliora la resistenza all'acqua di mare. L'incorporazione di circa 2% Pb nell'ottone ne aumenta la resistenza all'usura, riducendo notevolmente il tasso di corrosione in acqua di mare.
Per prevenire la dezincificazione, si possono aggiungere piccole quantità di As, Sb o P (0,02%-0,05%). L'ottone navale contenente 0,5%-1,0% Mn presenta una maggiore resistenza e un'eccellente resistenza alla corrosione. Nell'ottone contenente 65% Cu e 55% Cu, la sostituzione di parte dello Zn con 12%-18% Ni cambia il colore in bianco-argento, da cui il nome di alpacca o argento tedesco.
Questa lega presenta un'eccellente resistenza alla corrosione in presenza di sali, alcali e acidi non ossidanti. L'ampia sostituzione del Ni con lo Zn impedisce la dezincatura. Oltre a queste caratteristiche di corrosione, l'ottone è soggetto a due forme significative di corrosione: la dezincificazione e la cricca da tensocorrosione.
I fattori che influenzano la criccatura da tensocorrosione nell'ottone includono il mezzo corrosivo, le sollecitazioni, la composizione della lega e la microstruttura. Una lega specifica subisce la criccatura da corrosione solo in presenza di determinati mezzi e condizioni di stress specifiche.
L'ottone sottoposto a trazione può subire corrosione da stress in tutti gli ambienti contenenti ammoniaca (o NH4+), nonché nell'atmosfera, nell'acqua di mare, nell'acqua dolce, nell'acqua ad alta temperatura e ad alta pressione e nel vapore. Ad esempio, la cricca dei bossoli di ottone durante la stagione delle piogge in estate (nota anche come "cricca stagionale") è un tipico esempio di cricca da tensocorrosione nell'ottone.
Inoltre, la morfologia delle cricche da tensocorrosione dell'ottone può essere intergranulare o transgranulare. Nelle soluzioni filmogene si verificano principalmente fratture intergranulari, mentre nelle soluzioni non filmogene sono più comuni le fratture transgranulari.
Il meccanismo della cricca da tensocorrosione dell'ottone è generalmente ritenuto implicare la formazione di una pellicola fragile di ossido rameoso sulla superficie dell'ottone in soluzioni filmogene. Questa pellicola si rompe sotto sforzo e tensione, portando alla propagazione della cricca verso il metallo di base, che poi si arresta per slittamento, esponendo la punta della cricca alla soluzione corrosiva.
Il processo di penetrazione intergranulare, formazione di film, frattura fragile e propagazione della cricca si ripete, dando luogo a una superficie di frattura a gradini. Nelle soluzioni che non formano film, la sollecitazione provoca la dissoluzione preferenziale delle dislocazioni della superficie dell'ottone, portando alla propagazione della cricca lungo il percorso della massima densità di dislocazioni, causando la frattura.
Nell'ottone con un contenuto di zinco inferiore, le dislocazioni sono principalmente cellulari e i confini dei grani hanno la più alta densità di dislocazioni, portando a fratture intergranulari.
Nell'ottone ad alto tenore di zinco, le dislocazioni sono principalmente planari e le faglie di impilamento sono le aree a più alta densità di dislocazioni, che portano a fratture transgranulari.
Inoltre, la congregazione di atomi di zinco nelle dislocazioni sotto sforzo aumenta la reattività in questi siti, incrementando così il tasso di propagazione delle cricche con un contenuto di zinco più elevato.
Studi sperimentali dimostrano che, in condizioni atmosferiche, le atmosfere industriali causano più facilmente cricche da tensocorrosione nell'ottone, con la vita di frattura più breve, seguite dalle atmosfere rurali; le atmosfere marine hanno l'effetto minore.
Queste differenze tra gli ambienti atmosferici sono dovute alle variazioni del contenuto di SO2 (più alto nelle atmosfere industriali, più basso in quelle rurali e quasi inesistente in quelle marine).
In sintesi, le sostanze che causano principalmente la cricca da tensocorrosione nell'ottone sono l'ammoniaca e i suoi derivati o i solfuri. L'effetto dell'ammoniaca è ben noto, mentre il ruolo dei solfuri è meno chiaro. Inoltre, vapore, ossigeno, SO2, CO2, CN- hanno un effetto accelerante sulla corrosione da stress.
La tensione di trazione è una condizione necessaria per il verificarsi di cricche da tensocorrosione nell'ottone. Maggiore è la tensione di trazione, maggiore è la sensibilità alla cricca da tensocorrosione.
L'eliminazione delle tensioni residue di trazione attraverso il rinvenimento a bassa temperatura può prevenire le cricche da tensocorrosione nell'ottone.
Più alto è il contenuto di zinco nell'ottone, maggiore è la sua sensibilità alle cricche da tensocorrosione. Il contenuto specifico di zinco al di sotto del quale non si verifica la tensocorrosione dipende dalla natura del mezzo.
Ad esempio, l'ottone con un contenuto di zinco inferiore a 20% generalmente non subisce corrosione da stress in ambienti naturali, ma l'ottone a basso contenuto di zinco può subire cricche da corrosione da stress in acqua ammoniacale.
Gli effetti di altri elementi di lega sulla tensocorrosione sono i seguenti:
Il silicio previene efficacemente le cricche da tensocorrosione nell'ottone α. Si e Mn migliorano la resistenza alla tensocorrosione dell'ottone α+β e β. In atmosfera ammoniacale, elementi come Si, As, Ce, Mg migliorano la resistenza alla tensocorrosione dell'ottone α.
In condizioni atmosferiche, Si, Ce, Mg, ecc. aumentano la resistenza alla tensocorrosione. I test di esposizione in atmosfera industriale indicano che l'aggiunta di Al, Ni e Sn alle leghe Cu-Zn riduce la loro tendenza a subire cricche da tensocorrosione.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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