Ecometal

Consorzio per lo sviluppo sostenibile

Studi di caratterizzazione dei trattamenti di nichelatura e cromatura

Campionatura
Lorenzo Dalla Torre, Ecometal

Il progetto Infinitely Recyclable prende avvio nel secondo trimestre del 2002, con la definizione dei trattamenti e finiture da sottoporre per primi alla ricerca e sperimentazione e la conseguente decisione di procedere alla campionatura. Sono stati selezionati i seguenti trattamenti: nichel lucido, nichel satinato, nichel nero con cromatura e vernice protettiva cataforetica Electrolac della Mc Dermid. Come supporto dei trattamenti sono stati utilizzati lamierini di acciaio al carbonio di prima qualità, lucidato e protetto da pellicola pelabile, aventi superficie di 67.9 cm2 (per faccia corrispondenti ad una superficie totale trattata di 135.8 cm2). I campioni sono stati trattati in impianti di tipo statico, utilizzati per produzioni di larga serie di diverse tipologie e precisamente:

• a paranchi multifiniture
• a giostra monofinitura
• tipo Udylite monofinitura
• a giostra multifiniture.

Le lavorazioni sono state campionate nei diversi impianti produttivi rispettandone la relativa diffusione sul mercato. Sono stati pertanto campionati:

• 5 processi di Cromatura decorativa
• 2 processi di Cromosatinatura
• 1 processo di Nichel nero satinato (in rappresentanza anche della
  versione lucida)

Ogni processo ha prodotto il trattamento con lo stesso telaio campione a 24 posizioni ed i campioni sono stati estratti casualmente.
Completata la fase di ricerca con la caratterizzazione dei trattamenti superficiali, dagli stessi impianti sono stati prelevati numerosi campioni di articoli di normale produzione utilizzati per le prove di riciclo.
Gli studi di caratterizzazione dei trattamenti sono stati effettuati dall’Istituto Nazionale per la Fisica della Materia (INFM), Unità di Ricerca di Modena, impiegando diverse metodologie analitiche e di prova. Nelle pagine seguenti sono riportati i risultati più significativi e rappresentativi di questi studi.


Indagine al microscopio ottico da metallografia
Leonardo Rettighieri, INFM
Alberto Borghi, INFM

L’indagine al microscopico ottico da metallografia, di una sezione ortogonale alla superficie trattata, ha permesso di misurare gli spessori del rivestimento dei diversi campioni. Per ogni campione sono state compiute dieci misure in punti diversi e ne è stata fatta la media aritmetica.

Indagine al microscopio elettronico a scansione (SEM)

Leonardo Rettighieri, INFM
Alberto Borghi, INFM

L’analisi al microscopico elettronico a scansione, di una sezione ortogonale alla superficie trattata, ha permesso di verificare nei diversi campioni la assoluta omogeneità del trattamento. L’analisi è stata effettuata con strumentazione JSM 5500 e sonda EDS IXRF 2000/510.

Prove meccaniche

Leonardo Rettighieri, INFM
Alberto Borghi, INFM

Le caratteristiche fisico-meccaniche dei trattamenti sono state verificate mediante prove di adesione superficiale e di microdurezza a impronta. La prova di adesione superficiale è stata effettuata compiendo uno “scratch test” sulla superficie del trattamento utilizzando un indentatore, dotato di una punta di diamante avente raggio 0.2 mm. La prova di microdurezza a impronta è stata effettuata conformemente alla Norma UNI EN ISO 6507-1, utilizzando un durometro VEB con certificato di taratura Sit. I risultati sono riportati nella seguente tabella.

Analisi composizionale mediante tecnica XPS

Leonardo Rettighieri, INFM
Alberto Borghi, INFM

Le misure XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) sono state effettuate utilizzando una sorgente di radiazione X con anodo di Magnesio che emette fotoni di energia 1253.6 eV e gli spettri sono stati ottenuti grazie ad un analizzatore di elettroni emisferico con risoluzione energetica fino a 0.5 eV. L’analisi è stata effettuata sulla superficie dei trattamenti e ha permesso di ottenere le concentrazioni relative degli elementi chimici presenti.
I campioni sono stati introdotti in camera di analisi in Ultra Alto Vuoto dopo essere stati sottoposti a procedimento di pulizia: i campioni senza vernice cataforetica sono stati lasciati per alcuni minuti in un bagno in alcool entro vasca ad ultrasuoni, quelli con vernice cataforetica sono stati risciacquati con acqua deionizzata.
I campioni sono stati sottoposti prima ad una analisi chimica superficiale generica, per determinare le specie chimiche e fornire dati quantitativi sulle loro concentrazioni. In seguito sono stati acquisiti grafici o “spettri” più particolareggiati, ad alta risoluzione, per studiare la forma di riga dei principali elementi e dare una valutazione sui tipi di legami che questi formano sulla superficie del campione. La scomposizione delle strutture caratteristiche è stata portata a termine utilizzando curve gaussiane. L’assegnazione delle componenti si è basata sui dati ricavati dalla letteratura scientifica. I risultati delle analisi sono riportati nella seguente tabella.

I campioni P3 e P5, con trattamento cataforetico superficiale presentano un forte segnale del Carbonio che forma la matrice polimerica. La concentrazione di Ossigeno, seppure alta, è inferiore a quella dei campioni cromati, perché dovuta solamente alle sostanze adsorbite in superficie e non all’ossidazione del Cromo. La presenza di Silicio suggerisce che la vernice sia di tipo siliconico.

Confronto tra gli spettri ottenuti dall’analisi chimica XPS della superficie del campione P1, con trattamento di cromatura satinata (a sinistra), e del campione P5 ricoperto da verniciatura cataforetica (a destra). In evidenza nello spettro P1 i picchi dei metalli assenti nello spettro P5.
 

Analisi ad alta risoluzione del segnale dell’Ossigeno (O1s) e scomposizione nelle sue componenti principali relative al campione P5. Circa la metà dell’Ossigeno si trova sotto forma di H2O dovuta all’umdità atmosferica adsorbita sulla superficie (49.5%, componenti E, F, G). Per l’altra metà, l’Ossigeno si trova legato al Silicio (14.4%, legame Si-O, componente B) e al Carbonio (36.5%, legame C-O, componente D) della vernice cataforetica di tipo siliconico.

Analisi composizionale mediante tecnica AES
Leonardo Rettighieri, INFM
Alberto Borghi, INFM

Le misure AES (Auger Electron Spectroscopy) sono state effettuate utilizzando una sorgente di elettroni di energia pari a 3 keV, accoppiata ad un analizzatore energetico cilindrico (Cylindrical Mirror Analyser).
L’analisi è stata effettuata a partire dalla superficie. L’erosione ionica è stata effettuata utilizzando ioni Ar+ aventi energia di 5 keV e densità di corrente pari a 125 µA/cm2. L’area di scansione del fascio ionico utilizzata è pari a 0.1x0.1 mm. I dati di concentrazione riportati nei grafici di profilo di concentrazione in profondità, si riferiscono all’analisi a una profondità di 1 µm dalla superficie.
I campioni sono stati introdotti in camera di analisi dopo un semplice procedimento di pulizia, differenziato a secondo del tipo di rivestimento esterno: con acqua deionizzata ed un panno morbido per quelli con vernice cataforetica, con bagno in alcool in vasca ad ultrasuoni per gli altri.
Nelle pagine seguenti per i campioni P1 e P2, rispettivamente relativi a Cromatura satinata e Cromatura lucida, sono riportati:

- il grafico che raccoglie in sequenza i segnali Auger provenienti dalla superficie analizzata, registrati a varie profondità nei momenti salienti dell’erosione, solitamente la superficie tal quale, l’interfaccia fra due zone a composizione chimica differente e lo spettro raccolto alla massima profondità (1 µm);
- il grafico che mostra la concentrazione degli elementi più rappresentativi al variare della profondità analizzata;
- la tabella relativa all’analisi chimica in profondità, in cui sono riportate le concentrazioni, elemento per elemento, al variare della profondità (espressa in nanometri 1nm = 1/1000 µm).

Spettri Auger registrati a profondità crescente nello strato di cromatura satinata del campione P1 (sinistra) e cromatura lucida del campione P2 (destra).

Analisi chimica per profondità crescenti dello strato di cromatura satinata del campione P1 (in alto) e di cromatura lucida del campione P2 (in basso).

Profilo di concentrazione dei principali elementi, al variare della profondità nello strato di cromatura satinata del campione P1 (sopra) e di cromatura lucida del campione P2 (sotto).

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• Riciclo dei beni metallici sottoposti a lavorazioni di nichelatura e cromatura
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