Microstructuren van koperlegeringen en gangbare etsmiddelen

De microstructuren van koper en koperlegeringen worden onderzocht door het etsmiddel af te stemmen op het materiaal en het te bestuderen kenmerk. Messing en brons vertonen verschillende fasepatronen; de onderstaande oplossingen brengen korrels, fasegrenzen, insluitsels en lasstructuren aan het licht onder bepaalde veeg- of onderdompelingsomstandigheden.

Microstructurele kenmerken

Messing en brons zijn de meest gebruikte industriële koperlegeringen.

Messing kan worden onderverdeeld in eenfasige en tweefasige legeringen. Gegoten eenfasig α-messing vertoont vaak dendritische segregatie. Door vervorming gevolgd door gloeien wordt de segregatie opgeheven en ontstaan er uniforme korrels met gloeidwelling. In α+β’-tweefasig messing precipiteert de α-fase uit de β-fase tijdens het afkoelen, en de morfologie ervan hangt af van de verwerkingsomstandigheden. In de gegoten toestand vormt α een grove Widmanstättenstructuur. Langzame afkoeling na warmvervorming leidt tot uniforme, equiaxiale α-korrels, terwijl snelle afkoeling een fijne, naaldvormige Widmanstätten-structuur oplevert. Behalve bij NH₄OH en H₂O₂ In waterige oplossingen tasten de hieronder genoemde etsmiddelen bij voorkeur de β-fase aan, waardoor deze donker wordt, terwijl de α-fase helder blijft.

Tinbrons, aluminiumbrons en berylliumkoper hebben een gemeenschappelijk structureel kenmerk: een α-matrix in vaste oplossing met een kleine hoeveelheid eutectische of eutectoïde bestanddelen. Tinbrons bevat α+(α+δ) eutectoïde; aluminiumbrons bevat α+(α+γ₂) eutektoïde; berylliumkoper bevat α+(α+β) eutektoïde; en fosforbrons bevat α+(α+Cu₃P) eutektisch plus (α+δ+Cu₃P) eutektoïde. Tinbrons vertoont eveneens sterke segregatie en kan aanzienlijk afwijken van het evenwichtsfasediagram, omdat het liquidus-solidus-interval breed is en tin langzaam diffundeert. Aluminiumbrons vertoont slechts geringe segregatie. Bij lage vergroting lijkt de structuur ervan op tweefasig messing, terwijl de (α+γ₂) wordt de eutectoïde structuur bij hoge vergroting zichtbaar. Berylliumkoper wordt doorgaans gebruikt na een oplossingsbehandeling en veroudering. Door de oplossingsbehandeling ontstaat een uniforme structuur uit één fase. Door veroudering ontstaan zeer fijne CuBe-deeltjes van de tweede fase binnen de korrels of langs de korrelgrenzen. Met optische microscopie zijn de deeltjes die langs glijlijnen zijn uitgelijnd vaag waarneembaar, maar voor een gedetailleerde weergave is elektronenmicroscopie nodig.

Veelgebruikte etsmiddelen

De volgende methoden worden vaak gebruikt om de microstructuur van koper en koperlegeringen zichtbaar te maken.

Onderzoek van insluitsels

Het identificeren van soorten en kenmerken van insluitsels wordt steeds belangrijker bij microscopisch onderzoek, omdat insluitsels een directe invloed hebben op de vervormbaarheid en bewerkbaarheid van koper. Insluitsels kunnen in gepolijste toestand worden onderzocht. Als alternatief kunt u het gepolijste oppervlak kort afvegen met een ammoniumhydroxideoplossing (Etchant 1 hierboven) om ze beter zichtbaar te maken.

Zwavel en zuurstof kunnen Cu+Cu vormen₂S en Cu+Cu₂O-eutectica in koper. Zowel Cu₂S en Cu₂O zijn broze verbindingen die bij koudvervorming gemakkelijk breken; daarom gelden voor koper strenge grenswaarden voor zuurstof en zwavel. Naast chemische analyse kan metallografie een indicatie geven van het gehalte aan onzuiverheden. Onder normaal licht zijn koperoxide en kopersulfide niet van elkaar te onderscheiden, omdat beide blauwgrijs lijken. Onder gepolariseerd licht verschijnt koperoxide robijnrood en kan het daardoor worden onderscheiden van kopersulfide. In de gegoten toestand kan het zuurstofgehalte worden beoordeeld door vergelijking met standaardmicrografieën die verschillende zuurstofniveaus weergeven.

Sporen van bismut en lood vormen met koper eutectica van het type Cu+Bi of Cu+Pb. Beide elementen scheiden zich af uit het eutecticum, maar hun verdeling verschilt. Bismut vormt een netwerk langs korrelgrenzen en veroorzaakt uitgesproken warmtebreuk. Lood heeft minder de neiging om een continue verdeling langs de korrelgrenzen te vormen; door roeren vóór het stollen kan Pb als fijne deeltjes in de matrix worden verspreid. Kleine toevoegingen van lood kunnen daarom de bewerkbaarheid verbeteren.