CATEDRA ŞTIINŢE TEHNICEEstetica materialelor: metalele – DOCUMENTARE (II)

CUPRUL

(Ovidiu Hătărăscu pag.106-108)Cuprul (denumit la noi şi aramă) este al doilea metal (după aur) descoperit, în ordine cronologică, având cea mai largă utilizare în lumea antică. Numele său derivă de la vechea denumire dată de romani acestui metal (cuprum) şi este legat de insula Cipru (aes ciprium), bogată în zăcăminte de cupru, de unde a fost adus în Europa. Se găseşte în natură, în stare nativă (în cantităţi reduse) şi îndeosebi sub formă de combinaţi chimici. Clarkul cuprului este destul de mic, ridicându-se la 0,1%.

Pag 112-113 Ovidiu HătărăscuCuprul este un metal având o culoare roşie-gălbuie caracteristică. Cristalizează în sistemul cubic cu feţe centrate şi nu prezintă alte forme alotropice. Este un metal maleabil, ductil şi tenace ale cărui caracteristici mecanice depind de procedeul de prelucrare la care a fost supus şi de impurităţile pe care le conţine. Astfel, rezistenţa la rupere la tracţiune variază între 40 şi 45 de daN/mm2, după laminare scăzând la 20 – 24 daN/mm2 daN/mm2 în urma unui tratament de recoacere. În acelaşi mod scade şi duritatea Brinell (HB) de la 120 la 35 – 40. Dintre impurităţile care influenţează negativ proprietăţile mecanice ale cuprului, fragilizându-l, menţionăm: oxigenul, sulful şi fosforul.Caracteristic cuprului este remarcabila sa conductivitate termică şi electrică. În comparaţie cu argintul, care posedă cele mai mari valori ale acestor caracteristici , cuprul se situează pe locul al doilea, cu o conductivitate termică de circa 75% faţă de argint şi cu o rezistivitate electrică mai mare decât argintul cu numai 11,8%. Cu toate acestea, cuprul este mai preferat argintului, deoarece are un preţ mult mai mic. Datorită acestor proprietăţi şi avantaje, din cupru se fabrică conducte, cabluri şi fire electrice. Din tabla de cupru se confecţionează diferite aparate şi instalaţii industriale: cazane industriale pentru încălzire şi distilare, cuve de evaporare, radiatoare etc. De menţionat că o serie de impurităţi ca: fierul, fosforul şi titanul înrăutăţesc considerabil conductivitatea termică şi electrică a cuprului.Ca proprietăţi tehnologice se consideră mai importante următoarele: temperatură de turnare 1150-1200 oC ; temperatură de prelucrare la cald 900-1050 oC; temperatură de recoacere 400-700 oC şi contracţia după turnare de 2,1%.

Datorită stabilităţii sale chimice, cuprul este apreciat ca un material cu o bună rezistenţă la coroziune. În aer uscat, umed sau în vapori supraîncălziţi cuprul nu corodează, dar în aer umed şi bogat în CO2 cuprul se acoperă cu un strat verde de carbonat (malahit). Butanul, freonul, hidrogenul şi gazul natural nu atacă cuprul doar acetilena, hidrogenul sulfurat, amoniacul gazos îl corodează formând diverşi compuşi chimici. De asemenea, apa potabilă, distilată sau de mare nu constituie agenţi corozivi faţă de cupru. În schimb, apa oxigenată, hidroxizi de sodiu, calciu, magneziu şi potasiu precum şi o serie de substanţe organice sau anorganice atacă într-o proporţie mai mare sau mai mică acest material.

În funcţie de puritate, normele prevăzute în standardele româneşti precizează următoarele sortimente de cupru: cupru de convertizor sau cupru brut, cupru rafinat termic, cupru rafinat electrolitic şi cupru fără oxigen. Cupru de convertizor conţine 97,8 % - 99,0 % Cu şi este destinat producerii cuprului rafinat termic şi electrolitic. Cuprul rafinat termic conţine min. 99,9 % Cu, iar cupru rafinat electrolitic are un conţinut mai mare de 99,9 % Cu. Pe lângă aceste sortimente, în românia se

1

mai fabrică cupru fără oxigen (99,99 % Cu) destinat îndeosebi industriei electrotehnice şi care se obţine printr-o dezoxidare avansată.Prin prelucrare plastică la cald sau la rece se obţin o serie de produse din cupru, ca: bare rotunde trase şi extrudate la cald, bare pătrate trase, bare dreptunghiulare trase şi extrudate, bare hexagonale trase, bare trapezoidale trase la rece pentru colectoarele maşinilor electrice, table laminate cu grosimi de 0,1-4 m, discuri cu diametrul între 50 şi 1000 mm, ţevi cu diametrul exterior între 5 şi 80 mm şi sârme trase la rece, cu secţiune circulară sau pătrată etc.

Pag.107 Din punct de vedere chimic mineralele cuprului sunt oxidice sau sulfuroase. Principalele minerale oxidice sunt următoarele: cuprit (oxin de cupru) – Cu2 O, conţine 88,8% Cu; malahit (amestec de carbonat şi hidroxid) – Cu CO3 . Cu(HO)2 , cel mai răspândit mineral din grupul mineralelor oxidice şi conţine 57,4% Cu şi azurit (amestec de carbonat şi hidroxid) – 2 Cu CO3 . Cu)HO)2 , conţine 55,3% Cu. Dintre mineralele sulfuroase, cele mai frecvent uitlizate în extracţia de cupru, se menţionează: calcozina (sulfura de cupru) – Cu2S, conţine 79,8% Cu şi constituie materia primă de bază în producţia de cupru; calcopirita (sulfură de cupru şi fier) – Cu Fe S2 , conţine 34,6% Cu şi reprezintă al doilea mineral ca importanţă în extracţia cuprului şi covelina (sulfură de cupru) – Cu S, conţine 66,5% Cu.

Cele mai importante zăcăminte de cupru se găsesc în Africa, America de Nord (SUA şi Canada), America de sud (Chile) şi Europa (Statele Federaţiei Ruse, Spania, Portugalia etc.).Minereurile de cupru din România se exploatează la Baia Mare, Baia Sprie, Bălan, Deva, Altîntepe, Leşul Ursului etc.).

„Cuprul (pag 84 Cartea Australiana) este un metal aproape nobil care îşi poate conserva aspectul metalic pentru multe zile, chiar şi ani într-o climă uscată. Aspectul metalic al cuprului poate fi menţinut pentru o perioadă nedeterminată de timp, la interior, dacă suprafaţa i se tratează cu o peliculă transparentă care poate fi refăcută periodic. După o perioadă de timp, suprafaţa cuprului se schimbă în brun închis datorită formării unei pelicule de oxid. Această culoare se găseşte de obicei pe conducte de cupru, jgheaburi, burlane. Expunerea prelungită pe un acoperiş creează distrugerea acestei pelicule şi apariţia sulfatului bazic de cupru sau carbonatului bazic de cupru. Aceasta este patina verde a acoperişurilor de cupru, cauzată de culoarea sulfatului. Dioxidul şi trioxidul de sulf, ca şi dioxidul de carbon, sunt absorbite din aer şi procesul se accelerează în atmosferă poluată industrial. Cuprul este, oricum, foarte rezistent la poluare, şi formarea patinei poate dura 10 ani sau mai mult. Foaia de cupru poate fi distrusă la un moment dat dar procesul este extrem de îndelungat.”

„Cuprul este primul metal cu importanţă economică descoperit cu aproximativ 5000 de ani în urmă. Cu circa 2000 de ani în urmă romanii l-au utilizat în mod extravagant şi chiar la acea vreme era mai ieftin decât fierul. Uşile de bronz ale Pantheonului au fost iniţial aurite, ţiglele de bronz de pe acoperiş au fost duse la Constantinopol în anul 655 ca să fie topite şi turnate apoi în monede şi tunuri, bronzul din porticul Parthenonului a fost reutilizat în anul 1626 la coloanele torsadate ale baldachinului din interiorul Bazilicii Sf. Petru şi la tunuri pentru castelul Sant’Angelo din Roma.” (Cartea australiană Pag 83)

„Astăzi cuprul este pe locul al III-lea ca importanţă după oţel şi aluminiu şi nu se mai întâlneşte în construcţii la fel de des ca la începutul secolului. Cu toate acestea, cuprul nu a scăzut cantitativ din punct de vedere al utilizării în construcţii. Utilizăm mai mult ca niciodată datorită necesităţii alimentării cu energie electrică, iluminatului şi terminalelor şi circuitelor pentru calculatoare.

2

Cuprul are conductibilitatea electrică foarte bună, a doua după cea a argintului, care este mai bună şi cea mai bună în comparaţie cu a celorlalte materiale. Şi ca atare este cel mai bun material pentru conductori.

Cuprul este un material greu şi scump. De aceea este utilizat sub formă de foi susţinute integral pe suporturi constructive din lemn sau beton; adică nu se autosusţine. Grosimile tablelor variază între 0,25 şi 1 mm şi în mod curent au specificată în greutatea pe unitatea de suprafaţă.

Cuprul este utilizat pentru jgheaburi, burlane şi garguie pentru a evita renovarea periodică a celor din oţel galvanizat sau plastic. Oţelul inoxidabil este un material care oferă o alternativă în acest sens. Cuprul este utilizat şi pentru şorţuri sau suprafeţe de protecţie orizontale în locul aluminiului sau plumbului. Pentru toate aceste domenii este necesară tablă de cupru relativ subţire.

Tablă cu grosimi mai mari este necesară atunci când cuprul sau bronzul sunt utilizate la pereţi-cortină. Superiori ca aspect, au primit o largă apreciere în detrimentul pereţilor-cortină din aluminiu colorat dar sunt mai scumpi, iar astăzi se poate obţine un aspect similar prin anodizarea de culoarea bronzului a aluminiului. Aluminiul anodizat a înlocuit pe scară piesele turnate din bronz ale uşilor. Totuşi, bronzul şi aliajul Nichel Argint sunt superioare pentru suprafeţe solicitate la impact.

BRONZUL

(Ovidiu Hătărăscu pag.114-115) „Bronzurile sunt cele mai vechi aliaje cunoscute şi folosite de om şi ele au marcat o epocă în istoria civilizaţiei umane – epoca bronzului. Bronzurile sunt aliaje de cupru şi staniu, unde staniu poate fi înlocuit şi cu alte metale (aluminiu, plumb, beriliu etc.). În acest caz bronzul capătă denumirea elementului de aliere: bronz cu plumb, bronz cu plumb, bronz cu beriliu etc.… Datorită calităţilor pe care le posedă (duritate mare, fluiditate la turnare mai bună) bronzul va lua locul cuprului, obiectele de bronz se vor obţine de preferinţă turnate, din cauza maleabilităţii sale mai scăzute.Bronzurile folosite în mod curent au un conţinut de staniu de 5-15%. Proprietăţile bronzurilor depind de conţinutul de staniu şi de metoda de prelucrare. Bronzurile cu 5-6% staniu prezintă cea mai bună plasticitate. După laminare sau trefilare la rece rezistenţa la tracţiune a bronzului poate ajunge la 90-110 dan/mm2.Pe lângă importantele caracteristici mecanice bronzurile constituie un material cu deosebite calităţi de antifricţiune (coeficient mic de frecare) şi posedă o fluiditate bună şi un coeficient mic de contracţii după turnare. La acestea se adaugă o înaltă rezistenţă la coroziune în mediul ambiant, în abur uscat sau umed, în apa dulce şi de mare precum şi faţă de oxigen.În prezent, utilizarea bronzului (cu staniu) este limitată din cauza staniului, un material deficitar.”

„Descoperirea că prin adausul unei cantităţi reduse de cositor cuprul devine mai dur este foarte veche: acest fapt era binecunoscut grecilor care producea bronz prin combinarea a circa nouă părţi de cupru la una de cositor. Astăzi, termenul bronz nu este utilizat exclusiv pentru aliajele cupru-cositor ci şi pentru aliajele cupru-zinc şi cupru-siliciu care a o culoare asemănătoare.„Bronzul a fost preferat fierului de civilizaţiile timpurii pentru duritatea sa şi modul de producţie mai facil. Bronzul este foarte rezistent vicisitudinilor timpului şi mediului. Bronzul vechi se recunoaşte după patina verzui-brună – o protecţie naturală care uneori se formează uniform pe suprafaţa materialului. Totuşi, pe o suprafaţă din bronz pot să apară dungi gri-verzui şi negre care se evidenţiază dacă este expusă timp îndelungat, unilateral, la vânt şi ploaie. Lipsa protecţiei în atmosfera poluată industrial poate atenta la integritatea sculpturilor

3

expuse la exterior sau a detaliilor externe ale clădirilor, un pericol nu întotdeauna prezent la obiectele de bronz aflate la interior sau la uşi. Clădiri publice precum biblioteci, tribunale, clădiri poştale şi primării conţineau uşi metalice unicat şi alte elemente decorative care includeau teme istorice adecvate spaţiilor şi funcţiunilor respective. Bronzul era opţiunea frecventă pentru astfel de situţii datorită durităţii sale, a capacităţii de a fi turnat în reliefuri înalte şi a gradului relativ înalt de rezistenţă la intemperii. La sfârşitul secolului al XIX-lea, arhitecţii americani au utilizat foarte mult bronzul la detaliile şi decoraţiile marilor clădiri publice şi comerciale neoclasice.…Tratamentele suprafeţelor produselor din bronz variază de la finisaje cu lustru de mare reflecţie până la finisaje mate. Unul dintre cele mai vechi tratamente este acoperirea metalică a bronzului care imită aurul. …Metalurgiştii au adăugat alte metale amestecului de cositor şi cupru pentru a produce cantităţi speciale pentru utilizări specifice. Adaosul de zinc şi plumb permitea obţinerea unui aliaj mai ductil care permitea turnări foarte fine. Capacitatea de mulare fină ale bronzului este importantă pentru detaliile arhitecturale şi statui. Aluminiu sau fier în amestec cu bronzul conferă materialului duritate suplimentară. Pentru a obţine bronzuri cu diferite culori, proporţia fiecărui metal ce intră în amestec poate fi modificată. Similar cuprului şi alamei, bronzul a fost utilizat pentru acoperiri metalice. Sir Henry Bessemer a utilizat bronz pentru acoperiri suprafeţe din fontă utilizând o pulbere „aurie”. Acest procedeu l-a utilizat înainte de a un procedeul de obţinere a oţelului. Existau şi alte metode de acoperire a suprafeţelor din fier de la vopseaua bronz până la acoperiri metalice.…Diverse cataloage ofereau fontă bronz ca şi fondă pregătită pentru vopsire. …Bronzul continuă să fie utilizat pentru uşi şi ferestre, rame, mâini curente, lifturi, scări rulante, lămpi şi componente constructive. (Cartea americană pag 27-31)Astăzi, „bronzul” comercial şi „bronzul” arhitectural conţin zinc în loc de cositor; aceste materiale sunt de fapt alame dar sunt comercializate ca „bronzuri” pentru că bronzul se consideră un metal cu prestigiu. Un astfel de exemplu este peretele cortină al clădirii Seagram din New York City a arhitectului Mies van der Rohe. ” (Cartea americană pag 27-31)

ALAMA

Alama este un aliaj ce rezultă din amestecul cuprului cu zincul. Culoarea alamei diferă în funcţie de cantitatea de zinc din amestec şi în funcţie de alte metale prezente în amestec. Alamele ce conţin o cantitate relativ mare de zinc sunt de culoare galbenă; adaosul de aluminiu conferă o culoare uşor aurie; un procent redus de mangan produce o culoare spre bronz; şi adaosul de nichel produce un metal argintiu denumit nichel-argint.Rezistent, durabil, un metal utilitar, alama permite turnări excelente, poate fi prelucrat la cald şi extrudat. Alamă foarte lucrabilă poate fi obţinută prin adăugare unei mici cantităţi de plumb. Procedeul de extrudare este utilizat cel mai frecvent pentru a produce piese arhitecturale mari inclusiv uşi şi lifturi şi pentru elemente precum profile pentru ancadramente de ferestre, mâini curente şi balustrade. Alama a fost utilizată pentru elemente de arhitectură datorită rezistenţei la coroziune. ” (Cartea americană pag 27-31)

În America colonială clădirile publice şi locuinţele preţioase aveau deseori cuiere din alamă, clanţe, piese de bătut al uşă, candelabre, şi piese pentru şemineuri. …

4

Marii arhitecţi, cunoscuţii autori ai primilor zgârie-norilor, Burnham & Root sau Adler & Sullivan au utilizat mari cantităţi de alamă pentru a accentua aspectul teatrelor, sediilor de companii, bancilor, şi magazinelor. Corporaţii şi municipalităţi angajau meşteri şi arhitecţi pentru a le înfrumuseţa construcţiile; alama lustruită era preferată pentru mâinile curente sau balustradele scărilor, în lifturi, la mobilierul holurilor, la panouri indicatoare, cutiile de poştă din holuri, placi cu inscripţii şi panouri directoare în clădiri. …Odată ce stilurile neoclasic şi Beaux Arts deveneau populare, apartamente, hoteluri şi birouri guvernamentale erau deseori decorate cu alamă deopotrivă în spaţii private şi publice. Erau mai mult frumuseţea, strălucirea şi culoarea alamei care au influenţat opţiunea decât mult mai practica sa rezistenţă la coroziune.

În anii ’20 si ’30 ai secolului al XX-lea , unii arhitecţi au preferat să utilizeze metale albe (nichel-argint, Monel-metal, oţel inoxidabil şi aluminiu) pentru a conferi accente designului lor dar alţi arhitecţi au utilizat alamă în moduri mai puţin tradiţionale pentru a obţine efecte speciale de design ca de exemplu benzi de alamă utilizate la interiorul hotelului Edison din New York City.

Astăzi alama este utilizată încă la piese constructive, elemente de instalaţii (uzual cromate), uşi, ferestre lifturi şi scări rulante. Este disponibilă într-o varietate de finisaje –lustruită fin, pătată, periată etc. În mod curent, suprafaţa este protejată prin lăcuire pentru a preveni pătarea şi pentru a elimina necesitatea lustruirii.

„Alama, produsă în secolul al XVII-lea, este un aliaj cupru-zinc, ce conţine până la 40% zinc. Atât bronzul cât şi alama şi-au găsit utilizări substanţiale în domeniul militar, reflectate în denumirile diferitelor varietăţi produse: alama pentru cartuşe – în englezeşte Cartridge Brass – conţine circa 30% zinc iar alama navală – în englezeşte Naval Brass – circa 38%, Gunmetal – în traducere liberă: metal pentru arme – conţine 8% cositor şi 2% zinc iar restul, în fiecare caz este cupru. Există astăzi un sistem internaţional de cod alcătuit pe principii similare cu cel al aliajelor aluminiului. Iată principalele aliaje ale cuprului utilizate în construcţii:

- 110 Cupru: 99,9% cupru;- 122 Cupru: 99,9%, 0,02% fosfor (aliajul principal pentru conducte din cupru);- 220 Bronz comercial – Commercial Bronze: 90% cupru, 10% zinc (un metal de

culoarea bronzului);- 230 Alamă roşie – Red Brass: 85% cupru, 15% zinc (principalul aliaj pentru

conducte din alamă);- 260 Alamă pentru cartuşe – Cartridge Brass: 70% cupru, 30 zinc (o alamă

galbenă)- 280 Muntz Metal: 60% cupru, 40% zinc (o alamă roşiatic-gălbuie)- 385 Bronz arhitectural – Architectural Bronze: 57% cupru, 3 plumb, 40% zinc;- 655 Bronz siliciu - Silicon Bronze: 97% cupru, 3% siliciu (un aliaj roşiatic cu

nuanţa de aur vechi);- 745 Nichel Argint – Nickel Silver: 65% cupru, 25% zinc, 10% nichel (un aliaj de

culoare argintie);- 796 Plumb Nichel Argint – Leaded Nickel Silver: 45% cupru, 42% zinc, 10%

nichel, 2% mangan, 1% plumb (un aliaj de culoare argintie).”

Alama pentru cartuşe se utilizează doar pentru interioare. Celelalte aliaje primesc o tentă brună şi apoi verzuie dacă sunt expuse în mediul exterior un număr suficient de ani. Prin tratament chimic patina poate fi produsă imediat.

5

Patina brună a cuprului se poate fixa la exterior prin ungere sau ceruire dar necesită tratamente periodice. Lăcuirea incoloră sau peliculele transparente tratate termic durează mai mult. La interior, aspectul metalic poate fi menţinut prin lustruire periodică sau lăcuire (lacuri pe bază de poliuretan sau răşini epoxidice).

Aliajele cuprului pot fi prelucrat prin laminare la cald, laminare la rece, extrudare, ambutisare sau turnare dar numai anumite aliaje pot fi prelucrate prin toate procedeele. Îmbinările pot fi executate cu nituri montate la rece, buloane, sau şuruburi prin sudură respectiv sudură cu alamă sau cositor. Din nou, doar anumite aliaje suportă orice procedeu.

În afară de utilizarea sub formă de conductoare, cuprul şi alama sub formă de ţevi permit alimentarea cu apă rece şi caldă. Ţevile din oţel galvanizat sunt de asemenea utilizate pentru alimentarea cu apă rece dar necesită înnoiri periodice. Tuburile din materiale plastice sunt astăzi de asemenea utilizate pentru instalaţiile de alimentare cu apă. Cuprul este un material excelent pentru rezervoare de apă caldă şi pentru colectori de energie solară utilizaţi în legătură cu sisteme de apă caldă. În toate aceste cazuri de utilizare cuprul nu este la vedere. Utilizarea aparentă a cuprului este evident în declin. Cuprul este încă utilizat pentru învelitori şi pentru placări acolo unde se cere un finisaj de înaltă calitate şi/sau impermeabilitate totală a suprafeţelor. Pentru acest scop se utilizează în mod obişnuit Cupru 110 cu sau fără acoperire cu plumb ceea ce conferă un aspect de plumb.

* * *

6