Preparazione metallografica del rame e delle sue leghe

Il rame è morbido e duttile: facile da lavorare, ma soggetto a danni superficiali durante la preparazione. La sua combinazione unica di proprietà, in particolare la sua eccezionale conduttività elettrica e termica, lo rende il materiale preferito in applicazioni quali cablaggi elettrici, telecomunicazioni, scambiatori di calore e utensili da cucina. Il rame svolge un ruolo cruciale anche nella transizione energetica, essendo indispensabile in tecnologie come turbine eoliche, pannelli solari e veicoli elettrici. Il suo aspetto caldo e attraente lo rende inoltre popolare per oggetti decorativi e funzionali come maniglie, pomelli delle porte, piani di lavoro e tavoli.

Per valutare accuratamente la microstruttura del rame, è essenziale un'attenta preparazione metallografica, poiché una manipolazione impropria può facilmente introdurre artefatti come sbavature o graffi causati dall'estrazione dell'ossido. Questa guida illustra ogni fase della preparazione metallografica del rame e delle sue leghe, dal taglio e inglobamento alla levigatura, lucidatura e incisione.

Preparazione metallografica del rame e delle sue leghe

Taglio e inglobamento di Cu e leghe di Cu

Il rame e le sue leghe sono materiali relativamente teneri e duttili, il che facilita le operazioni di taglio ma aumenta anche il rischio di sbavature, deformazioni e danni termici se il processo non viene adeguatamente controllato. È quindi fondamentale adattare accuratamente il metodo di taglio al tipo di materiale e alla sua geometria.

• Il rame puro è particolarmente soggetto a sbavature e deformazioni superficiali durante il taglio. Per ridurre al minimo questi effetti, si consiglia di utilizzare un disco da taglio al carburo di silicio (SiC) con legante in resina. Per le troncatrici da banco e da pavimento, si raccomanda l’impiego del disco da taglio NF-A, appositamente progettato per metalli teneri non ferrosi con valori di durezza fino a 300 HV, garantendo tagli puliti e con minime deformazioni.
• Le leghe di rame, come ottoni, bronzi o sistemi Cu-Ni, possono generalmente essere tagliate utilizzando gli stessi parametri previsti per il rame puro. Tuttavia, la loro durezza leggermente superiore e la minore duttilità consentono spesso di utilizzare velocità di avanzamento o carichi meccanici maggiori senza compromettere la qualità del taglio.

Per garantire un taglio preciso e privo di danni, è fondamentale utilizzare una troncatrice di precisione con un adeguato flusso di refrigerante. Si raccomanda una bassa velocità di taglio per ridurre gli effetti termici e le sbavature. Il campione deve essere bloccato in modo sicuro ma delicato per evitare vibrazioni o deformazioni; questo è particolarmente importante per campioni a parete sottile o di forma tubolare, che possono deformarsi a causa di tensioni interne durante il taglio longitudinale. Per campioni estremamente sottili e sensibili alla pressione, come tubi di rame o munizioni, si consiglia di inglobare il campione prima del bloccaggio e del taglio.

Un taglio accurato rappresenta una fase fondamentale della preparazione metallografica e garantisce che le successive operazioni di pre-levigatura e lucidatura possano mettere in evidenza la reale microstruttura senza interferenze dovute ad artefatti di preparazione. Per questo motivo, il taglio a umido con troncatrici di precisione rappresenta la soluzione ottimale per ottenere campioni di rame con deformazioni minime.

L’inglobamento fornisce supporto meccanico durante la pre-levigatura e la lucidatura ed è particolarmente importante per campioni di rame di piccole dimensioni, dalla forma irregolare o sensibili ai bordi. Questa operazione garantisce una manipolazione stabile, protegge i bordi del campione e migliora la ripetibilità della preparazione.
Il metodo di inglobamento preferenziale per i campioni di rame, a causa della loro bassa temperatura di ricottura, è l’inglobamento a freddo, anche se è possibile utilizzare anche l’inglobamento a caldo. Per l’inglobamento a caldo, si consiglia l’uso della bachelite, disponibile nei colori rosso, nero o verde, per applicazioni di routine. Se si desidera una preparazione trasparente (ad esempio per preparazioni target), un’alternativa è rappresentata dal THERMOPLAST, avendo cura di mantenere la temperatura di riscaldamento al di sotto di 190°C.

L’inglobamento a freddo è raccomandato quando è necessario evitare l’esposizione al calore, come nelle analisi dei guasti, nelle strutture sensibili al calore o alla pressione, o nella preparazione di geometrie complesse. Tra i sistemi più utilizzati vi sono le resine a base di PMMA KEM 20 e KEM 30, oltre alla resina epossidica Qpox 93, che offre un’eccellente tenuta dei bordi e un ridotto ritiro.

Incisione di Cu e leghe di Cu

L’attacco elettrolitico rappresenta una fase fondamentale nella preparazione metallografica del rame e delle sue leghe. Questo processo consente di rendere visibili al microscopio caratteristiche microstrutturali come i bordi dei grani, i geminati e le particelle di seconda fase. Nella maggior parte dei casi, soprattutto per le leghe da colata, l’attacco chimico risulta semplice. Tuttavia, la scelta del mordente ottimale può essere più complessa per le leghe di rame lavorate a freddo, in particolare se sottoposte a forti deformazioni. In tali situazioni, l’attacco chimico a contrasto (colour etching) può offrire maggiore chiarezza e definizione.

I mordenti più comuni possono essere preparati in laboratorio utilizzando reagenti chimici standard. La tabella seguente riporta le formulazioni tipiche e le relative condizioni d’uso:

Avviso di sicurezza: Gli acidi devono essere usati con cautela. Indossare dispositivi di protezione individuale e seguire le linee guida sulla sicurezza in laboratorio.

_{Nota: Se il campione contiene piombo, la maggior parte dei mordenti attaccherà le inclusioni, lasciando vuoti neri. Per una documentazione accurata della distribuzione del piombo, è consigliabile acquisire le immagini prima dell’attacco elettrolitico.}

Il rame è caratterizzato da un'eccezionale conduttività termica ed elettrica, un'eccellente resistenza alla corrosione, una resistenza moderata e una buona formabilità. Le proprietà fisiche del rame sono riportate nella Tabella 1. Il rame è uno dei metalli più antichi dell'umanità e viene utilizzato da migliaia di anni, rimanendo indispensabile nella tecnologia e nell'industria moderne. Lo studio del rame e delle sue leghe ne esplora la struttura, le proprietà, la lavorazione e le applicazioni, offrendo spunti su come questi materiali versatili possano essere progettati per usi specifici. Attualmente esistono più di 400 leghe di rame, ciascuna con proprietà specifiche, e si continua a svilupparne di nuove. Questi materiali sono progettati per soddisfare i più elevati standard tecnici e sono personalizzati per un'ampia gamma di utilizzi. Il rame può essere legato con una varietà di elementi diversi. Tra le leghe di rame più note ci sono vari tipi di ottone, che contengono diverse quantità di zinco, e il bronzo, che è fatto di rame e stagno. Altre leghe di rame note sono le leghe rame-nichel, le leghe rame-alluminio, il bronzo (lega Cu-Sn-Zn), le leghe rame-manganese e le leghe rame-piombo-stagno. L'albero genealogico del rame, progettato nel 2013 dal German Copper Institute (DKI), è l'immagine più rappresentativa per illustrare il rame e le sue leghe.

Gli obiettivi principali dell'indagine metallografica del rame e delle sue leghe sono:

1. Caratterizzazione microstrutturale:
   Per osservare e analizzare la struttura del grano, la distribuzione delle fasi e la microstruttura, che influenzano le proprietà meccaniche, elettriche e di corrosione.
    
2. Identificazione della fase:
   Per identificare le diverse fasi presenti (come soluzione solida, composti intermetallici o precipitati) derivanti da elementi di lega o trattamenti termici specifici.
    
3. Controllo di qualità:
   Per rilevare e valutare difetti quali porosità, inclusioni, crepe, segregazione e impurità non metalliche che possono influire sulle prestazioni e sull'affidabilità.
    
4. Valutazione degli effetti dell'elaborazione:
   Studiare gli effetti dei processi di fabbricazione e formatura dei metalli (fusione, forgiatura, laminazione, ricottura, ecc.) sulla microstruttura e, di conseguenza, sulle proprietà del materiale.
    
5. Analisi della corrosione e del degrado:
   Per studiare i meccanismi di corrosione, valutare l'entità del degrado e identificare le aree soggette a corrosione o altre forme di attacco ambientale.
    
6. Analisi dei guasti:
   Per determinare le cause del guasto in servizio esaminando la microstruttura in corrispondenza e attorno al sito di frattura o guasto.
    
7. Omogeneità e distribuzione della lega:
   Per valutare l'uniformità degli elementi di lega e rilevare eventuali segregazioni o distribuzioni irregolari che potrebbero influire sulle prestazioni del materiale.

L'indagine metallografica fornisce informazioni fondamentali per ottimizzare i parametri di lavorazione, garantire la qualità e migliorare le prestazioni e la longevità del rame e delle sue leghe in varie applicazioni.

Inglobamento

L'inglobamento è richiesto per:

1. Campioni poco maneggevoli con dimensioni piccole o complicate
2. Materiale campione sensibile, ad esempio morbido, fragile, poroso.
3. Combinazione di campioni di tagli in un unico campione.
4. Per la conservazione di strati e rivestimenti marginali come acciai nitrurati, rivestimenti spruzzati al plasma o strati di vernice.
5. Per consentire l'ulteriore elaborazione, è necessario che i campioni abbiano dimensioni costanti.

I processi di inglobamento preferibili per i campioni di rame sono l'inglobamento a freddo e l'inglobamento UV. Per l'inglobamento a caldo è possibile farlo, ma è necessario considerare attentamente il punto seguente. La temperatura di inglobamento a caldo deve essere inferiore a 190 °C, poiché la temperatura di ricottura per la maggior parte delle leghe di rame, come già accennato, è compresa tra 200 e 400 °C e temperature superiori a 190 °C durante l'inglobamento a caldo possono compromettere la microstruttura. Di seguito alcuni esempi del processo di inglobamento.

Inglobamento a UV

Inglobamento a freddo

Leghe di rame

Le proprietà del rame puro non sono adatte a molte applicazioni; per questo motivo, l’aggiunta di elementi di lega consente di ampliare notevolmente i campi di impiego del rame. Ogni elemento di lega può migliorare sensibilmente una o più proprietà del rame puro, come la resistenza meccanica, la resistenza alla corrosione, le caratteristiche di usura e la lavorabilità. Alcune leghe possono anche modificare il colore del rame, come nel caso di Ni, Sn o Zn. Di seguito sono riportate due immagini che riassumono l’effetto dei diversi elementi di lega nelle leghe di rame.

Lucidatura a vibrazione di campioni elettronici

Per ottenere componenti elettronici privi di deformazioni e graffi, la sola lucidatura finale di breve durata può talvolta non essere sufficiente. In questi casi, si ricorre a una tecnica specifica chiamata lucidatura a vibrazione. Questa fase della preparazione viene eseguita in modo estremamente delicato, al fine di ottenere una superficie lucida senza deformazioni. Un meccanismo apposito per la generazione delle vibrazioni assicura una trasmissione ottimale dell’energia sul campione. Poiché la deformazione e gli strati associati sotto la superficie possono alterare la microstruttura, una preparazione che garantisca una superficie lucida priva di artefatti è di fondamentale importanza. Il dispositivo di lucidatura a vibrazione Qpol Vibro è progettato per la preparazione delle superfici dei campioni con una deformazione pressoché nulla. (Link a QPOL Vibro)

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