Studi di caratterizzazione del trattamento Chromeless

Leonardo Rettighieri, INFM

Alberto Borghi, INFM

 

Indagine al microscopio ottico da metallografia

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 il cui valore è: 40 µm.

 

100 µm

Figura 1 - Campione N3, sezione metallografica.

 

 

Adesione al substrato

L’adesione al substrato del rivestimento è stata misurata mediante “scratch test” ed ha fornito valori compresi tra 18,6 N e 29,6 N.

 

Modalità di prova

Strumentazione CSEM-REVETEST. Un indentatore, dotato di punta di diamante avente raggio di 200 µm, è messo a contatto con il rivestimento e sottoposto ad un carico assiale crescente. Il campione è situato su una piattaforma che si muove in moto rettilineo con velocità e corsa massima fissate all’inizio della prova. Il carico corrispondente alla rottura del rivestimento è misurato tramite un sistema che rileva l’emissione acustica e consente di metterla in relazione con eventuali discontinuità riscontrate nel trascinamento della punta sotto carico.

 

Microdurezza a impronta

La prova di microdurezza a impronta è stata effettuata conformemente alla Norma UNI EN ISO 6507-1, utilizzando un microdurometro Shimadzu con certificato di taratura Sit. La prova ha misurato valori di microdurezza compresi tra 752 HV e 825 HV.

 

Analisi composizionale della superficie mediante tecnica XPS

 

Metodica analitica

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 pari a 1253.6 eV e gli spettri sono stati ottenuti grazie ad un analizzatore di elettroni emisferico con risoluzione energetica massima di 0.5 eV. L’analisi è stata effettuata sulla superficie dei rivestimenti e ha permesso di ottenere le concentrazioni relative degli elementi chimici presenti.

I campioni sono stati introdotti nella camera di analisi in Ultra Alto Vuoto dopo essere stati sottoposti a pulizia mediante bagno in alcool in vasca ad ultrasuoni per alcuni minuti e poi asciugati.

I campioni sono stati dapprima sottoposti ad una analisi chimica superficiale generica (Figura 2) per determinare le specie chimiche e fornire dati quantitativi sulle loro concentrazioni. I risultati di questa analisi sui campioni N3 e P4, espressi come concentrazione atomica relativa percentuale (at. %), sono riportati nella seguente tabella.

 

Tabella 1 - Composizione superficiale dei campioni N3 e P4 (at. %).

 

O

C

Sn

Cr

S

Ca

Na

Cl

Si

P

N3

46,8

34,4

6,6

2,9

4,2

3,4

1,7

-

-

-

P4

31,3

53,6

7,2

2,0

-

-

-

0,6

3,0

2,3

 

Ossigeno e carbonio, che sono gli elementi largamente prevalenti, sono naturalmente “adsorbiti” sul rivestimento quando questo viene esposto in atmosfera. Il contenuto di stagno è pressoché costante così come quello di cromo utilizzato per la passivazione della superficie del deposito elettrolitico mentre molto diverso è il contenuto degli inquinanti (Si, S, P, Cl, Na, Ca) probabilmente riconducibili all’acqua del bagno passivante.

In seguito sono stati acquisiti “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.

 

L’analisi ad alta risoluzione del segnale XPS dello stagno (Figura 3) ha messo in evidenza che la componente metallica è pari a circa 1/3 mentre quella dovuta al legame stagno-ossigeno costituisce i 2/3. L’analisi ad alta risoluzione del segnale XPS dell’ossigeno ha messo in evidenza che il vapore acqueo adsorbito alla superficie è molto importante (72%) così come importante è la componente dell’ossigeno legato al carbonio (22%) mentre solo il restante 6% dell’ossigeno è legato allo stagno.

 

Figura 2 – Spettro XPS della superficie del campione P4 e particolare della zona a bassa energia di legame.

 

Figura 3 - Scomposizione del segnale XPS relativo all’orbitale 3d dello Stagno presente sulla superficie del campione N3. Concentrazione atomica relativa percentuale (at. %) delle diverse componenti:

A: Stagno – Stagno = 36,3 %

B: legame Stagno – Ossigeno = 63,7 %

 

 

Analisi composizionale mediante tecnica AES

 

Metodica analitica AES

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’erosione ionica è stata ottenuta con un fascio di ioni Ar+ aventi energia di 5 keV e densità di corrente variabile fino ad un massimo di 225 µA/cm2. E’ stato utilizzato un fascio ionico con area di scansione pari a 0.5x0.5 mm. L’analisi è stata eseguita a partire dalla superficie fino alla profondità di 1000 nm ed ha interessato l’intero spessore del rivestimento galvanico SnCo.

I campioni sono stati introdotti in camera di analisi in Ultra Alto Vuoto dopo una semplice pulizia mediante bagno in alcool in vasca ad ultrasuoni per alcuni minuti e asciugatura.

 

Nello spettro della figura 4, ottenuto dall’analisi Auger della superficie tal quale del campione N3, si possono notare le strutture caratteristiche degli elementi già evidenziati con l’analisi XPS. Il confronto tra i dati e il diagramma della tabella 2 e della figura 5, consente di determinare lo spessore dello strato di rivestimento di SnCo. Lo spessore, misurato all’intersezione tra le curve della concentrazione dello stagno e del nichel, risulta pari a circa 8 nm che diventano 16 nm se si considera come limite la scomparsa di stagno e cobalto (nel campione P4 i valori di spessore sono rispettivamente di 50 nm e 72 nm). Nel rivestimento di SnCo lo stagno prevale sempre sul cobalto, soprattutto verso l’esterno. In superficie (fino a 1,2 nm) si rinvengono minime tracce del cromo utilizzato per le passivazione. Anche lo strato di nichel, fino alla profondità analizzata di 1 µm, è leggermente ossidato.

 

Figura 4 – Spettri AES della superficie e a profondità crescenti del campione N3.

 

Tabella 2 – Composizione chimica, espressa come concentrazione atomica relativa percentuale (at. %), per profondità, espresse in nanometri (nm), crescenti del rivestimento del campione N3.

 

Figura 5 – Diagramma di variazione della concentrazione (at. %) degli elementi Sn, Co, Ni, O al crescere della profondità nel campione N3.