Nota applicativa | Prove sui rivestimenti dei fili
Valutazione di usura e scratch di fili di rame trattati in superficie
Confronto tra due trattamenti superficiali del filo con prove di usura al tribometro e prove di micro scratch
Ricerca e prove sperimentali
Duanjie Li, Jonathan Thomas & Pierre Leroux
Progetto grafico e redazione
Andrew Shore
Introduzione
Il rame è usato da molto tempo nei cablaggi elettrici, fin dall'invenzione dell'elettromagnete e del telegrafo. I fili di rame si impiegano in un'ampia gamma di apparecchiature elettroniche, come quadri, strumenti di misura, computer, macchine per ufficio ed elettrodomestici, grazie alla resistenza alla corrosione, alla saldabilità e alle prestazioni a temperature elevate fino a 150°C. Circa la metà di tutto il rame estratto è usata per produrre fili elettrici e conduttori per cavi.
Perché la valutazione di usura e scratch dei fili di rame è importante
La qualità superficiale dei fili di rame è decisiva per le prestazioni e la durata in servizio. I microdifetti nei fili possono portare a usura eccessiva, innesco e propagazione di cricche, minore conducibilità e saldabilità inadeguata. Un trattamento superficiale adeguato dei fili di rame elimina i difetti superficiali generati durante la trafilatura, migliorando la resistenza alla corrosione, allo scratch e all'usura. Molte applicazioni aerospaziali con fili di rame richiedono un comportamento controllato per evitare guasti imprevisti delle apparecchiature. Servono misure quantificabili e affidabili per valutare correttamente la resistenza all'usura e allo scratch della superficie dei fili di rame.
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Obiettivo della misura
In questa applicazione simuliamo un processo di usura controllato su diversi trattamenti superficiali di fili di rame. La prova di scratch misura il carico necessario a provocare il cedimento dello strato superficiale trattato. Questo studio presenta il tribometro e il tester meccanico NANOVEA come strumenti ideali per la valutazione e il controllo qualità dei fili elettrici.
NANOVEA T2000 High Load
Tribometro pneumatico
Condizioni e procedure di prova
Il coefficiente di attrito (COF) e la resistenza all'usura di due diversi trattamenti superficiali su fili di rame (filo A e filo B) sono stati valutati con il tribometro NANOVEA dotato di modulo di usura lineare alternato. In questa applicazione il controcorpo è una sfera in Al₂O₃ (diametro 6 mm). La traccia di usura è stata esaminata con il profilometro 3D senza contatto NANOVEA. I parametri di prova sono riassunti nella Tabella 1.
In questo studio è stata usata come esempio una sfera liscia in Al₂O₃ come controcorpo. Qualsiasi materiale solido, con forma e finitura superficiale diverse, può essere impiegato con un attrezzo su misura per simulare la reale situazione applicativa.
| Parametro di usura | Valore |
|---|---|
| Forza normale | 15 N |
| Ampiezza | 10 mm |
| Velocità | 60 cicli/min |
| Durata della prova | 10 min |
Tabella 1: parametri di prova delle misure di usura.
Il tester meccanico NANOVEA, dotato di una punta in diamante Rockwell C (raggio di 100 µm), ha eseguito prove di scratch a carico progressivo sui fili rivestiti in modalità micro scratch. I parametri della prova di scratch e la geometria della punta sono riportati nella Tabella 2.
| Parametro di scratch | Valore |
|---|---|
| Tipo di carico | Progressivo |
| Carico iniziale | 0.01 N |
| Carico finale | 15 N |
| Velocità di carico | 15 N/min |
| Lunghezza dello scratch | 3 mm |
| Velocità di scratch | 3 mm/min |
| Geometria dell'indentatore | Conica a 120° |
| Materiale dell'indentatore (punta) | Diamante |
| Raggio della punta dell'indentatore | 100 µm |
Tabella 2: parametri della prova di scratch.
Risultati e discussione
Usura del filo di rame
La Fig. 2 mostra l'evoluzione del COF dei fili di rame durante le prove di usura. Il filo A mostra un COF stabile di ~0,4 per tutta la prova, mentre il filo B presenta un COF di ~0,35 nei primi 100 giri, che aumenta progressivamente fino a ~0,4.
La Fig. 3 confronta le tracce di usura dei fili di rame dopo le prove. Il profilometro 3D senza contatto NANOVEA ha permesso un'analisi superiore della morfologia dettagliata delle tracce di usura. Consente di determinare in modo diretto e accurato il volume della traccia, fornendo una comprensione di base del meccanismo di usura. La superficie del filo B presenta un danno significativo dopo una prova di usura di 600 giri. La vista 3D del profilometro mostra che lo strato trattato in superficie del filo B è stato rimosso completamente, il che ha accelerato notevolmente il processo di usura. Ciò ha lasciato sul filo B una traccia appiattita con il substrato di rame esposto, il che può accorciare in modo significativo la vita delle apparecchiature elettriche in cui si usa il filo B. Il filo A, invece, mostra un'usura relativamente lieve, con una traccia poco profonda sulla superficie. Nelle stesse condizioni lo strato trattato del filo A non è stato rimosso come quello del filo B.
Fig. 3: tracce di usura del (a) filo A e del (b) filo B al microscopio e in scansione 3D.
Resistenza allo scratch della superficie del filo di rame
La Fig. 4 mostra le tracce di scratch sui fili dopo le prove. Lo strato protettivo del filo A mostra un'ottima resistenza allo scratch: si delamina a un carico di ~12,6 N. Lo strato protettivo del filo B, invece, ha ceduto a un carico di ~1,0 N. Una differenza così marcata nella resistenza allo scratch contribuisce alle prestazioni a usura di questi fili, con il filo A che ha una resistenza all'usura nettamente migliore. L'evoluzione di forza normale, COF e profondità durante le prove di scratch, mostrata nella Fig. 5, fornisce ulteriori informazioni sul cedimento del rivestimento durante le prove.
Conclusioni
In questo studio controllato abbiamo mostrato il tribometro NANOVEA eseguire una valutazione quantitativa della resistenza all'usura di fili di rame trattati in superficie e il tester meccanico NANOVEA fornire una valutazione affidabile della loro resistenza allo scratch. Il trattamento superficiale del filo ha un ruolo decisivo nelle proprietà tribomeccaniche durante la sua vita utile. Il trattamento superficiale adeguato del filo A ha migliorato nettamente la resistenza all'usura e allo scratch, aspetto fondamentale per le prestazioni e la durata dei fili elettrici in ambienti difficili.
Il tribometro NANOVEA offre prove di usura e attrito precise e ripetibili in modalità rotativa e lineare conformi a ISO e ASTM, con moduli opzionali per usura ad alta temperatura, lubrificazione e tribocorrosione in un unico sistema preintegrato. La gamma senza pari di NANOVEA è la soluzione ideale per determinare l'intera gamma di proprietà tribologiche di rivestimenti, film e substrati sottili o spessi, morbidi o duri.
Domande frequenti sulle prove di usura e scratch dei fili di rame
Perché provare la resistenza all'usura e allo scratch dei fili di rame?
La qualità superficiale dei fili di rame è decisiva per le prestazioni e la durata in servizio. I microdifetti possono portare a usura eccessiva, innesco e propagazione di cricche, minore conducibilità e scarsa saldabilità, e le applicazioni aerospaziali richiedono un comportamento controllato per evitare guasti imprevisti delle apparecchiature.
A che cosa serve il trattamento superficiale dei fili di rame?
Un trattamento superficiale adeguato elimina i difetti superficiali generati durante la trafilatura, migliorando la resistenza alla corrosione, allo scratch e all'usura.
Come è stata provata l'usura dei fili?
Un tribometro NANOVEA ha fatto scorrere una sfera in Al₂O₃ da 6 mm in moto lineare alternato lungo ogni filo a 15 N, con ampiezza di 10 mm e 60 cicli/min per 10 minuti (600 giri), e le tracce di usura sono state esaminate con un profilometro 3D senza contatto.
Come si sono comportati all'usura i due trattamenti?
Il filo A ha mantenuto un COF stabile di ~0,4 e ha mostrato una traccia di usura poco profonda. Sul filo B lo strato trattato in superficie è stato rimosso completamente dopo 600 giri, lasciando una traccia appiattita con il substrato di rame esposto.
A quale carico hanno ceduto i rivestimenti dei fili nella prova di scratch?
Nelle prove di micro scratch progressivo da 0,01 a 15 N con una punta in diamante da 100 µm, lo strato protettivo del filo A si è delaminato a ~12,6 N, mentre quello del filo B ha ceduto a ~1,0 N.
Quali strumenti NANOVEA sono stati usati?
Un tribometro NANOVEA con modulo lineare alternato e profilometro 3D senza contatto per l'usura, e un tester meccanico NANOVEA in modalità micro scratch per la resistenza allo scratch.
