Nel sistema ferro‑rame, il rame può disciogliersi nel ferro fuso, formando una soluzione solida liquida su un ampio intervallo di concentrazioni. A 1477 °C, la solubilità del rame γ‑Fe è dell’8%; al diminuire della temperatura, la solubilità tende addirittura ad aumentare. Ad esempio, a 1094 °C, la solubilità può raggiungere l’8,5%. Al di sotto di 650 °C, la solubilità si avvicina a un valore fisso, pari circa allo 0,35%. A temperatura ambiente, la solubilità del rame nel ferro è molto bassa. Sia nello stato liquido sia in quello solido, quando la quantità di rame supera la solubilità a diverse temperature, si forma una fase ricca di rame. La solubilità del rame nella ghisa fusa è dell’ordine del 3–5%. Manganese, alluminio, nichel e altri elementi presenti nella ghisa aumentano la solubilità del rame, mentre il magnesio la riduce. In presenza di magnesio, quando la percentuale di rame supera il 2%, precipita una fase gialla ricca di rame, contenente il 97% di rame. Quando la concentrazione di rame sale al 3,8%, il numero delle fasi ricche di rame aumenta notevolmente.
Il rame ha un effetto limitato sulla temperatura di transizione eutettica della ghisa. Si tratta di un elemento debolmente grafitizzante, che può ridurre leggermente la tendenza alla formazione di grano bianco. Inoltre, il rame abbassa la temperatura di trasformazione eutettoidica: per ogni aumento dell’1% di rame, la temperatura eutettoidica diminuisce di 6–10 °C, contribuendo a stabilizzare l’austenite. Il rame può inoltre aumentare la quantità di perlite, affinare la microstruttura eutettica e favorire l’ottenimento di una struttura perlitica durante la normalizzazione della ghisa. Pertanto, il rame promuove la trasformazione dell’austenite in perlite e ostacola la grafitizzazione durante la trasformazione eutettoidica. Inoltre, il rame rinforza la ferrite, migliorandone la resistenza.
Quando il contenuto di rame è inferiore al 2,0%, non si osservano effetti significativi sul tasso di sferoidizzazione, sul numero delle sferule e sul loro diametro; il tasso di sferoidizzazione può essere mantenuto superiore al 90%. Quando il contenuto di rame supera il 2%, l’effetto sferoidizzante viene compromesso: sia il tasso di sferoidizzazione sia il numero delle sferule diminuiscono drasticamente. Al raggiungimento del 2,5% di rame, compaiono grafite agglomerata e fasi ricche di rame di colore giallo. La fase ricca di rame presenta un punto di fusione più basso rispetto a quello della ghisa liquida. In seguito alla precipitazione della grafite, la fase ricca di rame può inglobare parte della grafite, determinando così una progressiva trasformazione della grafite da sferica ad agglomerata.
L’effetto antisferoidizzazione del rame è correlato ad altri elementi. Ad esempio, per una ghisa nodulare al magnesio contenente lo 0,04% di titanio, se nel grado di rame allo 0,94% si osserva la presenza di grafite agglomerata, l’aggiunta dello 0,02–0,03% di cerio può contrastare tale effetto antisferoidizzante del rame.
L’influenza del rame sull’effetto nodularizzante dipende dalle dimensioni e dallo spessore della colata. Aggiungendo il 3–4% di rame a una colata con uno spessore parete superiore a 300 mm, è possibile eliminare la grafite agglomerata presente nel cuore della colata. Va precisato che questo effetto del rame risulta efficace solo in presenza di elementi delle terre rare.
Il rame favorisce la formazione di perlite nella ghisa nodulare; questa è 10 volte più abbondante rispetto al nichel, ma soltanto un decimo rispetto allo stagno. In alcuni test, aggiungendo circa lo 0,5% di rame, la percentuale di perlite in una barra di prova di ghisa duttile del diametro di 25 mm raggiunge il 90%; quando la quantità di rame sale all’1,5%, la frazione di perlite sfiora il 100%. Tuttavia, oltre l’1,5%, compare invece ferrite. Questo positivo effetto del rame consente di ottenere ghisa duttile perlitica come colata, senza necessità di trattamento termico.
Effetto del rame sulle proprietà della ghisa grigia. Quando il contenuto di rame è inferiore allo 0,5%, la resistenza alla trazione, il limite di snervamento e il modulo elastico aumentano, sebbene la relazione non sia lineare. Con un contenuto di rame intorno allo 0,8%, la resistenza raggiunge valori elevati. Al crescere della percentuale di rame, la tenacità all’urto della ghisa grigia diminuisce.
Il rame influisce sulle proprietà meccaniche della ghisa nodulare promuovendo la formazione di perlite e rinforzando la matrice metallica. Con una piccola quantità di rame (inferiore allo 0,5%) aggiunta, la frazione di perlite aumenta rapidamente, così come la resistenza alla trazione, il limite di snervamento e la durezza, mentre l’allungamento si riduce sensibilmente. Quando la quantità di rame supera lo 0,5%, la matrice diventa perlitica, ma la resistenza e la durezza continuano a crescere, mentre l’allungamento non diminuisce più. Ciò è dovuto al fatto che il rame rinforza la matrice metallica. Il rame svolge inoltre un’azione di affinamento delle sferule di grafite, migliorando la resistenza a fatica della ghisa nodulare contenente rame.
La solubilità solida del rame nella ghisa a temperatura ambiente è pari allo 0,35%. L’aggiunta di oltre lo 0,5% di rame modifica la velocità di diffusione degli atomi di carbonio durante le trasformazioni austenitica ed eutettoidica, favorendo la formazione di perlite e affinando la struttura perlitica. Durante il raffreddamento della colata, in particolare durante il processo di invecchiamento, il rame precipita dalla soluzione solida, rinforzando la matrice e migliorando significativamente la microdurezza della perlite. Un aumento del contenuto di rame può accrescere la resistenza all’usura dei getti. Inoltre, durante il ricottura di rilassamento delle tensioni, il rame non riduce la durezza, ma anzi ne incrementa ulteriormente il valore HB10.