Gefüge von Kupferlegierungen und gängige Ätzmittel

Das Gefüge von Kupfer und Kupferlegierungen wird mit einem Ätzmittel untersucht, das auf den Werkstoff und das zu untersuchende Merkmal abgestimmt ist. Messing und Bronze weisen unterschiedliche Phasenverteilungen auf. Die folgenden Lösungen machen beim Tupfätzen oder Tauchätzen unter den angegebenen Bedingungen Körner, Phasengrenzen, Einschlüsse und Schweißgefüge sichtbar.

Gefügemerkmale

Messing und Bronze sind die am häufigsten verwendeten industriellen Kupferlegierungen.

Messinge lassen sich in einphasige und zweiphasige Legierungen unterteilen. Gegossenes einphasiges α-Messing weist häufig eine dendritische Ausscheidung auf. Durch Verformung und anschließendes Glühen wird die Ausscheidung beseitigt und es entstehen gleichmäßige Körner mit Glühzwillingen. In α+β’-Zweiphasenmessing scheidet die α-Phase während des Abkühlens aus der β-Phase aus, wobei ihre Morphologie von den Verarbeitungsbedingungen abhängt. Im Gusszustand bildet α eine grobe Widmanstätten-Struktur. Langsames Abkühlen nach der Warmumformung führt zu gleichmäßigen, gleichachsigen α-Körnern, während schnelles Abkühlen eine feine, nadelförmige Widmanstätten-Struktur erzeugt. Mit Ausnahme von NH₄OH und H₂O₂ In wässrigen Lösungen greifen die unten aufgeführten Ätzmittel vorrangig die β-Phase an, wodurch diese sich dunkel verfärbt, während die α-Phase hell bleibt.

Zinnbronze, Aluminiumbronze und Berylliumkupfer weisen ein gemeinsames strukturelles Merkmal auf: eine α-Lösungsmatrix mit einem geringen Anteil an eutektischen oder eutektoiden Bestandteilen. Zinnbronze enthält α+(α+δ)-Eutektoid; Aluminiumbronze enthält α+(α+γ₂) eutektoid; Berylliumkupfer enthält α+(α+β) eutektoid; und Phosphorbronze enthält α+(α+Cu₃P) Eutektikum plus (α+δ+Cu₃P) eutektoid. Zinnbronze weist ebenfalls eine starke Entmischung auf und kann erheblich von ihrem Gleichgewichtsphasendiagramm abweichen, da der Liquidus-Solidus-Bereich breit ist und Zinn nur langsam diffundiert. Aluminiumbronze entmischt sich nur geringfügig. Bei geringer Vergrößerung ähnelt ihre Struktur einer Zweiphasen-Messinglegierung, während die (α+γ₂) Bei hoher Vergrößerung wird die Eutektoidphase sichtbar. Berylliumkupfer wird in der Regel nach einer Lösungsglühung und einer Alterung eingesetzt. Durch die Lösungsglühung entsteht eine gleichmäßige einphasige Struktur. Bei der Alterung lagern sich sehr feine CuBe-Partikel der zweiten Phase innerhalb der Körner oder entlang der Korngrenzen ab. Unter dem Lichtmikroskop lassen sich Partikel, die entlang von Gleitlinien ausgerichtet sind, zwar schwach erkennen, ihre Details lassen sich jedoch nur mit Hilfe der Elektronenmikroskopie darstellen.

Gängige Ätzmittel

Die folgenden Verfahren werden üblicherweise eingesetzt, um die Mikrostrukturen von Kupfer und Kupferlegierungen sichtbar zu machen.

Untersuchung von Einschlüssen

Die Identifizierung von Einschlussarten und -merkmalen gewinnt bei der mikroskopischen Untersuchung zunehmend an Bedeutung, da Einschlüsse die Formbarkeit und Zerspanbarkeit von Kupfer direkt beeinflussen. Einschlüsse können im polierten Zustand untersucht werden. Alternativ kann die polierte Oberfläche kurz mit einer Ammoniumhydroxidlösung (Etchant 1, siehe oben) abgetupft werden, um sie besser sichtbar zu machen.

Schwefel und Sauerstoff können Cu+Cu bilden₂S und Cu+Cu₂Eutektika in Kupfer. Sowohl Cu₂S und Cu₂O sind spröde Verbindungen, die bei der Kaltumformung leicht brechen; daher gelten für Kupfer strenge Grenzwerte für den Sauerstoff- und Schwefelgehalt. Neben der chemischen Analyse kann die Metallographie einen ungefähren Hinweis auf den Verunreinigungsgehalt liefern. Unter normaler Beleuchtung lassen sich Kupferoxid und Kupfersulfid nicht unterscheiden, da beide blaugrau erscheinen. Unter polarisiertem Licht erscheint Kupferoxid rubinrot und lässt sich daher von Kupfersulfid unterscheiden. Im Gusszustand lässt sich der Sauerstoffgehalt durch Vergleich mit Standardmikroskopaufnahmen, die unterschiedliche Sauerstoffgehalte darstellen, beurteilen.

Spuren von Wismut und Blei bilden mit Kupfer eutektische Legierungen vom Typ Cu+Bi oder Cu+Pb. Beide Elemente scheiden aus dem Eutektikum aus, ihre Verteilung unterscheidet sich jedoch. Wismut bildet ein Netzwerk entlang der Korngrenzen und verursacht eine ausgeprägte Warmbrüchigkeit. Blei neigt weniger dazu, sich kontinuierlich an den Korngrenzen zu verteilen; durch Rühren vor der Erstarrung kann Pb als feine Partikel in der Matrix verteilt werden. Geringe Bleizugaben können daher die Zerspanbarkeit verbessern.