Die metallographische Präparation von Kupfer und Kupferlegierungen

Kupfer ist ein weiches und duktiles Metall, das sich leicht bearbeiten lässt. Bei der metallographischen Präparation neigt es jedoch zur Bildung von Kratzern und Verschmierungen. Dank seiner hervorragenden elektrischen und thermischen Leitfähigkeit findet Kupfer vielseitige Verwendung, beispielsweise in elektrischen Leitungen, der Telekommunikation, in Wärmetauschern oder als Kochgeschirr. Darüber hinaus spielt Kupfer eine zentrale Rolle für die Energiewende und ist unverzichtbar für Zukunftstechnologien wie Windkraftanlagen, Solarmodule und Elektrofahrzeuge. Mit seiner warmen, ansprechenden Optik wird es zudem gerne für dekorative und funktionale Elemente wie Griffe, Türklinken, Arbeitsplatten oder Tische eingesetzt.

Um die Mikrostruktur von Kupfer zuverlässig untersuchen zu können, ist eine sorgfältige metallographische Präparation unerlässlich. Unsachgemäße Handhabung kann schnell zu Artefakten wie Kratzern oder Verschmierungen führen. Auf der folgenden Seite begleiten wir Sie daher Schritt für Schritt durch die Präparation von Kupfer und Kupferlegierungen – vom Trennen und Einbetten über das Schleifen und Polieren bis hin zum Ätzen.

Die metallographische Präparation von Kupfer und Kupferlegierungen

Trennen und Einbetten von Kupfer und Cu-Legierungen

Kupfer und Cu-Legierungen sind relativ weiche und duktile Materialien, die in der Regel leicht zu trennen sind. Dabei bestehlt allerdings das Risiko von Verschmierungen, plastischer Verformung und thermischen Veränderungen, bei der Verwendung falscher Schnittparameter. Der Trennvorgang muss daher genau auf das Material und die Bauteilgeometrie abgestimmt werden:

• Reines Kupfer neigt beim Trennen besonders stark zum Verschmieren und zu Oberflächenverformungen. Um diese Effekte zu minimieren, ist der Einsatz einer kunstharzgebundenen Trennscheibe mit Siliziumkarbid (SiC) Abrasiv erforderlich. Hierfür eignet sich beispielsweise unsere NF-A Trennscheibe. Sie ist speziell für das Trennen von weichen und mittelharten Nichteisenmetallen und Legierungen bis zu einer Härte von 300 HV optimiert. Das Ergebnis: ein verformungsarmer und qualitativ hochwertiger Schnitt.
   
• Kupferlegierungen, wie Messing, Bronze oder Cu-Ni-Legierungen, können im Allgemeinen mit den gleichen Parametern wie reines Kupfer getrennt werden. Durch ihre etwas höhere Härte und die geringere Duktilität tolerieren sie oft höhere Vorschubgeschwindigkeiten, ohne dass die Schnittqualität beeinträchtigt wird.

Um präzises und artefaktfreies Trennen zu erreichen, empfehlen wir die Verwendung einer Präzisionstrennmaschine mit ausreichender Kühlmittelzufuhr. Eine niedrige Vorschubgeschwindigkeit hilft, thermische Veränderungen und Verschmieren zu reduzieren. Gleichzeitig sollte die Probe sicher, aber behutsam eingespannt werden, um Vibrationen oder Verformungen zu vermeiden. Dies ist besonders wichtig bei dünnwandigen oder röhrenförmigen Proben, die sich durch innere Spannungen beim Trennen verformen können. Bei extrem dünnen und druckempfindlichen Proben wie Kupferrohren oder Munition empfehlen wir, die Probe vor dem Einspannen und Schneiden einzubetten.

Das korrekte Trennen ist ein entscheidender erster Schritt bei der metallografischen Präparation und stellt sicher, dass beim anschließenden Schleifen und Polieren die Mikrostruktur störende Präparationsartefakten sichtbar wird.

Das Einbetten gewährleistet mechanische Stabilität beim Schleifen und Polieren und ist besonders wichtig für kleine oder unregelmäßig geformte Proben. Es erleichtert die Handhabung, schützt die Probenkanten und sorgt für gleichbleibende Präparationsergebnisse.

Aufgrund ihrer relativ niedrigen Wärmebehandlungs-Temperaturen, ist das Kalteinbetten die bevorzugte Einbettmethode für Kupferproben, aber auch das Warmeinbetten ist möglich.
Für das Warmeinbetten empfehlen wir die Verwendung von Bakelit (erhältlich in Rot, Schwarz oder Grün) für Routine-Einbettungen. Für transparente Präparationen (z. B. bei Zielpräparationen), empfehlen wir die Verwendung von THERMOPLAST. Dabei sollte die Heiztemperatur unter 190 °C liegen.

Wenn thermische Veränderungen der Gefügestruktur vermieden werden müssen, etwa bei Fehleranalysen oder bei wärme- und druckempfindlichen Strukturen, ist zwingend auf Kalteinbetten zurückzugreifen. Häufig verwendete Kalteinbettmittel sind die PMMA-basierten Harze KEM 20 und KEM 30 sowie das Epoxidharz Qpox 93, das sich durch hervorragende Kantenbeständigkeit und minimale Schrumpfung auszeichnet.

Ätzen von Kupfer und Kupferlegierungen

Das Ätzen ist ein wesentlicher Schritt bei der metallographischen Präparation von Kupfer und Kupferlegierungen. Durch das Ätzen werden mikrostrukturelle Merkmale wie Korngrenzen, Zwillinge und Sekundärphasen unter dem Mikroskop sichtbar. Grundsätzlich sind Kupferlegierungen (Insbesondere Gusslegierungen) leicht zu kontrastieren. Bei Kupferknetlegierungen kann die Auswahl des richtigen Ätzmittels jedoch schwieriger sein, insbesondere bei Proben, die einer starken Kaltverformung unterzogen wurden. In diesen Fällen können Farbätzmittel für zusätzlichen Kontrast sorgen.

Gängige Ätzmittel lassen sich im Labor mit Standard-Chemikalien herstellen. Die folgende Tabelle fasst typische Formulierungen und Anwendungsparameter zusammen:

Sicherheitshinweis: Säuren immer mit Vorsicht verwenden. Tragen Sie Schutzausrüstung und befolgen Sie die Sicherheitsrichtlinien Ihres Labors.

_{Wenn die Probe Blei enthält, greifen die meisten Ätzmittel bleihaltige Einschlüsse an und hinterlassen schwarze Hohlräume. Zur genauen Bewertung der Bleiverteilung sollte diese im ungeätzten Zustand erfolgen.}

Kupfer zeichnet sich durch seine außergewöhnlich hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, seine moderate Festigkeit und seine gute Formbarkeit aus. Die physikalischen Eigenschaften von Kupfer sind in Tabelle 1 aufgeführt. Als eines der ältesten Metalle der Menschheit wird Kupfer seit Jahrtausenden verwendet und ist auch in der modernen Technologie und Industrie nach wie vor unverzichtbar. Die Erforschung von Kupfer und seinen Legierungen befasst sich mit deren Struktur, Eigenschaften, Verarbeitung und Anwendungen und liefert Erkenntnisse darüber, wie diese vielseitigen Werkstoffe für bestimmte Verwendungszwecke entwickelt werden können. Derzeit gibt es mehr als 400 Kupferlegierungen, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, und es werden weiterhin neue Legierungen entwickelt. Diese Werkstoffe werden so hergestellt, dass sie den höchsten technischen Standards entsprechen und für ein breites Spektrum von Anwendungen maßgeschneidert sind.

Kupfer kann mit einer Vielzahl verschiedener Elemente legiert werden. Zu den bekanntesten Kupferlegierungen gehören verschiedene Arten von Messing, die unterschiedliche Mengen an Zink enthalten, und Bronze, die aus Kupfer und Zinn hergestellt wird. Weitere bekannte Kupferlegierungen sind Kupfer-Nickel-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Rotguss (Cu-Sn-Zn-Legierung), Kupfer-Mangan-Legierungen und Kupfer-Blei-Zinn-Legierungen. Der 2013 vom Deutschen Kupferinstitut (DKI) entworfene Kupfer-Stammbaum ist das beste Bild, um Kupfer und seine Legierungen zu veranschaulichen.

Die Hauptziele der metallografischen Untersuchung von Kupfer und seinen Legierungen sind:

1. Charakterisierung der Mikrostruktur
   Beobachtung und Analyse der Kornstruktur, Phasenverteilung und Mikrostruktur, die die mechanischen, elektrischen und Korrosionseigenschaften beeinflussen.
    
2. Phasenbestimmung
   Identifizierung der verschiedenen vorhandenen Phasen (wie z. B. feste Lösungen, intermetallische Verbindungen oder Seigerungen), die durch Legierungselemente oder bestimmte Wärmebehandlungen entstehen.
    
3. Qualitätskontrolle
   Zur Erkennung und Bewertung von Fehlern wie Porosität, Einschlüssen, Rissen, Entmischung und nichtmetallischen Verunreinigungen, die die Eigenschaften und Zuverlässigkeit des Materials beeinträchtigen können.
    
4. Bewertung von Einflussfaktoren beim Fertigungsprozess
   Untersuchung der Auswirkungen von Fertigungs- und Umformprozessen (Gießen, Schmieden, Walzen, Glühen usw.) auf die Mikrostruktur und damit auf die Eigenschaften des Materials.
    
5. Korrosions- und Degradationsanalyse
   Untersuchung von Korrosionsmechanismen, Bewertung von Zersetzungsprozessen und Bestimmung von kritischen Bereichen, die anfällig für Korrosion oder andere Formen von Umwelteinflüssen sind.
    
6. Schadensanalyse
   Ermittlung der Ursachen für Ausfälle im Betrieb durch Untersuchung der Mikrostruktur an und um die Bruch- oder Ausfallstelle herum.
    
7. Homogenität und Legierungsverteilung
   Zur Beurteilung der Gleichmäßigkeit der Legierungselemente und zur Erkennung von Seigerungen oder ungleichmäßigen Verteilungen, die die Materialeigenschaften beeinträchtigen könnten. Die metallografische Untersuchung liefert wichtige Erkenntnisse für die Optimierung der Verarbeitungsparameter, die Sicherstellung der Qualität und die Verbesserung der Leistung und Langlebigkeit von Kupfer und seinen Legierungen in verschiedenen Anwendungen.

Metallografische Untersuchungen liefern wichtige Erkenntnisse zur Optimierung der Verarbeitungsparameter, zur Sicherstellung der Qualität und zur Verbesserung der Leistung und Langlebigkeit von Kupfer und seinen Legierungen in verschiedenen Anwendungen.

Einbetten

Das Einbetten ist bei folgenden Proben erforderlich:

1. Unhandliche Proben mit kleinen oder komplizierten Abmessungen
2. Empfindliches Probenmaterial, z. B. weich, spröde, zerbrechlich, porös.
3. Zusammenführung von getrennten Teilen zu einer Probe.
4. Zur Erhaltung von Randschichten und Beschichtungen, wie bei nitrierten Stählen, Plasmaspritzschichten oder Lackbeschichtungen.
5. Um eine weitere automatisierte Verarbeitung zu ermöglichen, müssen die Proben eine einheitliche Größe und Form aufweisen.

Kalteinbetten und UV-Einbetten sind die bevorzugten Einbettverfahren für Kupferproben. Eine Warmeinbettung ist möglich, jedoch sollten die folgenden Punkte genau beachtet werden. Die Temperatur der Warmeinbettung sollte unter 190 °C liegen, da die Glühtemperatur für die meisten Kupferlegierungen, wie bereits erwähnt, zwischen 200 und 400 °C liegt. Eine Überschreitung der Temperaturen über 190 °C während des Warmeinbettens kann die Mikrostruktur beeinträchtigen werden. Nachfolgend finden Sie einige Beispiele für das Einbetten von Kupfer.

UV-Einbettung

Kalteinbetten

Kupferlegierungen

Die Eigenschaften von reinem Kupfer sind für viele Anwendungen nicht geeignet, daher kann die Zugabe von Legierungselementen den Anwendungsbereich von Kupfer erheblich erweitern. Jedes Legierungselement kann eine oder mehrere Eigenschaften von reinem Kupfer deutlich verbessern, wie z. B. Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Zerspanbarkeit. Einige Legierungen können auch die Farbe von reinem Kupfer verändern, wie z. B. Ni, Sn oder Zn. Nachfolgend finden Sie zwei Bilder, die den Einfluss verschiedener Legierungselemente in Kupferlegierungen zusammenfassen.

Vibrationspolieren elektronischer Proben

Um die elektronischen Bauteile frei von Verformungen und Kratzern vorzubereiten, reicht manchmal das kurze Endpolieren nicht aus. In diesen Fällen kommt eine spezielle Technik namens Vibrationspolieren zum Einsatz. Dieser Teil der Vorbereitung wird sehr schonend durchgeführt, um eine polierte Oberfläche ohne Verformungen zu erzielen. Ein spezieller Mechanismus zur Erzeugung der Vibrationen sorgt für eine optimale Energieübertragung auf die Probe. Da Verformungen und die damit verbundenen Schichten unter der Oberfläche die Mikrostruktur verzerren, ist eine Vorbereitung, die eine polierte Oberfläche ohne Artefakte gewährleistet, von großer Bedeutung.

Das Vibrationspoliergerät Qpol Vibro wurde für die nahezu verformungsfreie Vorbereitung von Probenoberflächen entwickelt.

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