IL PROCESSO DI LUCIDATURA ELETTROCHIMICA

 

 

 

 

Quando la finitura superficiale di un componente di acciaio inossidabile assume particolare importanza per impieghi di elevata responsabilità oppure, a causa della conformazione dell’elemento stesso, risultano di difficile realizzazione od antieconomici altri trattamenti superficiali, questo processo costituisce sicuramente una delle alternative più valide, basti pensare, ad esempio, nel primo caso, a componenti impiegati nel settore elettronico e nelle protesi endossee e, nel secondo , ad esempio a componenti con un rapporto vuoti/pieni molto elevato come reti, tele, lamiere forate, ecc.

Esistono poi dei casi applicativi particolari dove la finitura superficiale assume degli aspetti estremamente importanti in taluni settori applicativi, ricordiamo, ad esempio, il problema dell’igienicità di un materiale, legato anche ai possibili fenomeni di cessione nei confronti della sostanza o dell’ambiente messo in contatto; oppure ai fenomeni di contaminazione da parte di altri metalli, che potrebbero creare, quando il componente è posto in servizio, problemi di corrosione o variazione delle caratteristiche fisiche.

I settori principali nei quali è necessario, per determinati componenti, porre particolare attenzione alla finitura superficiale sono soprattutto quello alimentare, quello farmaceutico, quello chimico e quello elettronico.

In tutti questi casi risulta necessario garantire prestazioni di resistenza alla corrosione particolarmente elevate ma anche di “inerzia” da parte delle superfici del componente nei confronti delle sostanze trattate.

Il trattamento di lucidatura elettrolitica consente, infatti, di ottenere una superficie estremamente “pulita” e liscia, condizioni queste necessarie per garantire buone premesse nei confronti degli inneschi corrosivi.

 

 

 

IL CONCETTO DI “RUGOSITÀ”

 

E’ bene richiamare alla mente, prima di ogni altra considerazione, il concetto di “rugosità”.

Ogni superficie metallica, se guardata molto da vicino, con notevoli ingrandimenti, mostra un profilo qualitativamente, più o meno, come quello rappresentato in Figura 1. Tale profilo deriva la propria morfologia dai cicli di lavorazione che il pezzo ha subito, pertanto l’aspetto irregolare della superficie, così come evidenziata dallo schema, è strettamente connesso al ciclo tecnologico fatto subire al materiale, vale a dire agli utensili che hanno lavorato il pezzo.

In figura, compaiono, oltre al profilo rilevato, la linea media che divide il profilo rilevato in modo tale che la somma delle aree al di sopra sia uguale alla somma delle aree al di sotto della linea medesima. Compare, infine, la lunghezza di base, che consiste nella lunghezza del profilo rilevato, scelta per la valutazione della rugosità. Se consideriamo i due assi cartesiani (xy), dove l’asse delle x coincide con la linea media, si nota come i diversi valori, in positivo o in negativo degli y, rappresentino gli scostamenti dei singoli punti, del profilo rilevato, dalla linea media.

 

 

 

 

 

 

Fig. 1 - Grafico del profilo di rugosità.

 

 

Il valore della rugosità, viene pertanto definito come la somma, in valore assoluto, di tutti i punti delle ordinate (y), rispetto alla linea media:

dove “n” indica il numero delle ordinate considerate.

 

Il valore della rugosità è misurato in micron (µm), unità di misura più utilizzata in assoluto e compresa nella normativa, sia italiana che estera.

Esistono comunque diversi altri parametri per effettuare questa misura come Rmax, definito, in micron, come la distanza tra il punto più alto ed il punto più basso del profilo rilevato; oppure Rm, definito come valore medio delle rugosità Rmax rilevato su 5 lunghezze di base adiacenti. Oltre a questi esistono anche altri parametri importanti per identificare completamente un profilo superficiale: questi non si riferiscono alle variazioni “in verticale” del profilo rilevato rispetto alla linea media (come visto per definire Ra,  Rmax, Rm), bensì ai fenomeni “orizzontali”, relativi cioè alle spaziature esistenti tra i diversi picchi

Da quanto sopra richiamato si può notare come non sia possibile esprimere un rapporto stretto fra rugosità e tipo di lavorazione superficiale di un determinato materiale metallico, dato che questo rapporto dipende da molti fattori.

Anche se la risposta ha una notevole valenza dal punto di vista dell’aspetto estetico, è bene ricordare che, in generale, un metallo che presenta una superficie molto scabra risulta certamente più soggetto ad inneschi corrosivi se paragonato al medesimo metallo che presenta invece una superficie più liscia.

Questo concetto risulta ancora più valido se si considerano materiali autopassivanti quali, ad esempio, l’acciaio inossidabile (vedi brochure “Divisione Lavorazioni”).

Se si prende in considerazione infatti il concetto espresso nella brochure di cui sopra, relativo al fenomeno di autopassivazione, risulta intuitivo che tanto maggiore sarà il valore di rugosità, quanto maggiore risulteranno i “picchi”e le “valli”, vale a dire i valori di “y” in positivo e di “y” in negativo. Questo crea evidentemente un “terreno” molto adatto a trattenere depositi di varia natura che possono essere fonte di inneschi corrosivi.

Viceversa, tanto più una superficie (specie su metalli autopassivanti) sarà liscia e quindi con valori di “y”, in assoluto, molto limitati, tanto minore sarà la capacità del “terreno” superficiale del metallo a trattenere depositi.

Di conseguenza è intuibile come il basso valore di rugosità influisca anche sulla attitudine del metallo alla pulibilità, alla detersione o alla sanificazione.

Anche se, come detto più sopra, non può esistere correlazione biunivoca tra tipo di finitura e rugosità superficiale, a titolo del tutto sperimentale, sono state comunque condotte  delle prove su alcuni campioni per verificare i valori di rugosità registrati nei diversi stati di finitura.

I valori sono naturalmente da considerare indicativi e possono ritenersi validi solo per quella determinata popolazione di campioni prescelti.

In Figura 2 sono stati riportati i diagrammi di rugosità ricavati sui campioni testati. Tali valori sono poi stati messi in scala logaritmica (Figura 3). Infine (Tabella 1) sono stati tabulati i valori di rugosità espressi in mm per i tre tipi di finiture: per laminazione, per abrasione ed elettrolucidate.

 

 

 

Fig. 2 – Diagrammi di rugosità.

 

 

 

 

 

Fig. 3 Campi di valori medi registrati di rugosità in scala logaritmica.

 

 


Tabella 1 – Rugosità superficiale misurata su lamiere di acciaio inossidabile perpendicolarmente alla direzione di laminazione.

 

Andiamo ora a vedere in cosa consiste esattamente il trattamento di lucidatura elettrolitica.

 

 

 

IL PRINCIPIO DEL PROCESSO

 

Schematicamente, si può descrivere il processo nel seguente modo: il sistema consiste in un bagno di soluzione elettrolitica, in cui il manufatto da lucidare costituisce l’anodo di una cella per elettrolisi, mentre il catodo è di solito realizzato da un piatto di rame o di acciaio inox AISI 304 oppure, a volte, di piombo.

La vasca che contiene la soluzione elettrolitica è normalmente ricoperta, all’interno, di materiale plastico o di mattoni antiacido, oppure in piombo (Figura 4).

 

 

Fig. 4 – L’anodo è costituito dal manufatto da lucidare.

 

L’apparecchiatura elettrica deve essere in grado di erogare corrente continua ad una tensione di 5 ÷ 15 V e la densità di corrente riferita alla superficie da trattare di solito è al massimo 0,5 A/cm2 e pertanto è necessario disporre di intensità di corrente proporzionata al totale delle superfici di tutti i pezzi trattati nello stesso tempo.

La temperatura del bagno è sempre superiore a quella ambientale e deve essere fissata opportunamente in funzione del tipo di soluzione e del tipo di materiale da trattare.

Il principio della lucidatura elettrolitica è il contrario di quello della deposizione galvanica. Consiste in una asportazione di materiale con dissoluzione selettiva della superficie del pezzo inserito anodicamente entro un elettrolita, sotto l’azione di una fonte esterna di corrente.

La dissoluzione del metallo avviene in condizioni geometricamente spiananti senza attacco intergranulare e senza effetti meccanici, termici o chimici sul materiale.

Sotto l’effetto della corrente, durante il processo di lucidatura, si forma sulla superficie dei pezzi il cosiddetto film di lucidatura, uno strato polveroso d’acqua, viscoso con formazione di gas, con elevata resistenza alla diffusione e l’attività elettrochimica erode lentamente un sottile strato superficiale (mediamente tra i 20 ed i 30 micron) del particolare che si sta trattando. La forma che assume questa erosione è estremamente importante in quanto conferisce all’elettropulitura una delle sue principali caratteristiche, definita anche come microsbavatura. Le microbave del componente trattato ed i “picchi” presenti sulla superficie vengono, in modo progressivo, asportati e la superficie diventa sempre più levigata.

Punte di rugosità con dimensioni inferiori allo spessore del film di lucidatura, vengono preferibilmente asportate e da questo risulta una levigatura e un livellamento in campo micro. Strutture macroscopiche vengono levigate ed arrotondate sulla superficie, ma non livellate.

Lo spessore degli strati da asportare con la lucidatura elettrochimica è esattamente riproducibile mediante densità di corrente e tempo di lavorazione.

La maggior parte dei metalli e delle leghe tecnicamente utilizzabili possono venir trattati con la lucidatura elettrochimica, operazione in cui solitamente si impiegano elettroliti costituti da miscele di acidi minerali concentrati.

 

 

 

CARATTERISTICHE DELLE SUPERFICI

 

La lucidatura elettrochimica elimina strati superficiali danneggiati e resi impuri da materiali estranei unitamente alle tensioni ed alle microcricche in essi contenute, in modo tale che la superficie finale sia costituita dalla struttura di base pura e non danneggiata del materiale di volta in volta in questione.

La superficie lucidata elettrochimicamente è metallicamente pura, levigata e compatta in campo micro ed inoltre rivela uno sviluppo notevolmente ridotto in confronto alle superfici trattate meccanicamente. Tale superficie si trova ad un livello di energia potenziale basso e di regola è esente da tensioni locali di trazione e compressione.

In campo macro è contraddistinta da una certa ondulazione residua, la cui dimensione dipende dallo strato iniziale delle superfici, dalla durata della lucidatura elettrochimica e dalla finezza della struttura cristallina. Questa ondulazione residua di solito non è significativa per il comportamento funzionale delle superfici, ma dà tuttavia una falsa immagine della qualità superficiale, se per la sua definizione vengono indicati esclusivamente i valori di rugosità.

Questi rappresentano dati geometrici e non sono determinanti per il confronto funzionale delle superfici, che sono state ottenute con procedimenti differenti.

Il grado di lucentezza delle superfici lucidate elettrochimicamente è, in generale, più elevato di quello delle superfici lucidate meccanicamente, tuttavia – a causa della ondulazione residua – non si ha un effetto di lucentezza a specchio, ma una riflessione leggermente diffusa. L’elettrolucidatura difficilmente consente di raggiungere gradi di lucidatura a specchio, ottenibili con la lucidatura meccanica.

Le superfici lucidate elettrochimicamente sono esenti in tutta la loro estensione, anche nelle zone più difficilmente accessibili, da bave, lamelle e bavette incluse e microcricche.

 

MIGLIORAMENTO DELLE CARATTERISTICHE FUNZIONALI DELLE SUPERFICI

 

Con la lucidatura elettrochimica si diminuisce l’usura delle superfici di scorrimento e negli accoppiamenti di materiale metallo/plastica.

Inoltre la lucidatura elettrochimica viene impiegata per aumentare la resistenza a fatica grazie all’eliminazione dell’origine delle cricche, per ridurre le perdite per irradiazione negli assorbitori solari e scambiatori di calore, per diminuire le perdite di temperatura nei gas liquidi, per migliorare le caratteristiche elettriche nella tecnica dell’alta frequenza, per eseguire il pretrattamento prima di processi di deposizione galvanica, chimica o fisica, per migliorare le caratteristiche tecniche di brasatura e saldatura ed anche per migliorare la velocità di degasaggio negli impianti sotto vuoto spinto.

Un settore molto importante di applicazione per la lucidatura elettrochimica è rappresentato dalla sbavatura fine di superfici e spigoli nel campo della meccanica di precisione, nella costruzione di macchine, nell’elettrotecnica, nell’idraulica e nell’industria pneumatica.

 

 

 

RESISTENZA ALLA CORROSIONE E PASSIVITA’

 

Le superfici lucidate elettrochimicamente, grazie all’eliminazione di elementi locali come impurità, difetti strutturali e tensioni, hanno la miglior resistenza alla corrosione possibile per il materiale di volta in volta impiegato, specie per gli acciai inox.

Durante la lucidatura elettrochimica sulla superficie dei pezzi si libera ossigeno, che si arricchisce nel film di lucidatura e porta alla formazione di strati passivi contenenti ossidi subito dopo aver disinserito la corrente di lucidatura.

La lucidatura elettrochimica crea, specialmente sulle superfici di acciaio inossidabile, le premesse ideali per una formazione dello strato passivo, in cui un leggero arricchimento degli elementi di lega Cromo e Nichel rappresenta un ulteriore vantaggio.

Si sono effettuati diversi studi tesi a comparare il comportamento di superfici trattate meccanicamente con superfici trattate con l’elettrolucidatura, a parità di tipologia di acciaio inossidabile.

 

     

 

Fig. 5 – A sinistra, superficie di un tubo ottenuto per laminazione a caldo e decapato. A destra, stesso tubo         dopo il trattamento di lucidatura elettrolitica.

 

Tutti i test condotti, in diverse situazioni sia di temperatura che di concentrazione di elementi corrosivi, portano come conclusione che comunque il trattamento elettrochimico, anche se non molto spinto, porta un incremento della resistenza alla corrosione del materiale.

A testimonianza di quanto sopra affermato, si può far riferimento, ad esempio, al parametro CPT (Critical Pitting Temperature), vale a dire la temperatura critica di innesco della corrosione vaiolante (“pitting corrosion”), per tre tipi di finitura: decapato, satinato ed elettrolucidato, per un tubo di acciaio AISI 316 L (EN 1.4404). Tale parametro può essere messo in correlazione con la capacità di un acciaio inox di resistere agli “inneschi corrosivi localizzati, quali appunto la “pitting corrosion”. A tale proposito si riportano in Tabella 2 e Figura 7 i dati ricavati da: “Influence of Various surface conditions on pitting corrosion resistance of stainless steel tubes type EN 1.4404” di Troels Mathesen, Torben S. Nielsen, Jan Elkjaer Frantsen - Force Technology, Brøndby, Denmark e John Kold, Anne R. Boye-Moeller, Danish Technological Institute, Kolding, Denmark.

 

Tabella 2 – Temperature critiche di pitting determinate secondo ASTM G150

a. Pitting Resistance Equivalent, PRE = Cr +3,3 Mo + 16 N

 

Nella Tabella 2 si nota che il parametro CPT (determinato secondo ASTM G150) relativo a tre differenti composizioni chimiche di tubo in AISI 316, risulta comunque essere molto maggiore con il trattamento di elettrolucidatura.

Dal grafico di Figura 6 risulta evidente l’effetto positivo del trattamento di elettrolucidatura nei confronti del potenziale di pitting.

 

 

Fig. 6 – Potenziale di pitting in funzione delle temperature (polarizzazione). Confronto tra una finitura decapata, satinata ed elettrolucidata su tubi in AISI 316 L (EN 1.4404), in una soluzione con 5% di Cl -.

 

LA NORMATIVA

 

Le principali normative, relative al trattamento di lucidatura elettrolitica, sia per il processo vero e proprio che relative alla preparazione di provini per i test, sono le norme internazionali ISO e le norme americane ASTM.

Commercialmente, tuttavia, si fa spesso riferimento anche a norme, ancora largamente in uso, dei singoli paesi europei, come ad esempio le DIN tedesche.

Qui sono elencate le più significative sia a carattere internazionale che nazionale:

 

  • ISO 15730
  • ASTM B-912
  • ASTM E-712
  • DIN 8590
  • VDI 3401 (foglio 2)

 

 

 

ESEMPI APPLICATIVI

 

Di seguito è stata riportata una carrellata di esempi di manufatti che sono stati sottoposti ad un trattamento di lucidatura elettrolitica a scopo puramente funzionale, vale a dire al fine di migliorare le performance chimico-fisiche della superficie dell’acciaio inossidabile costituente il componente stesso.

 

 

 

 

Fig. 7 – Serbatoio di processo per industria farmaceutica, di acciaio inossidabile EN 1.4401 (AISI 316). E’ stato presatinato con grana 240 e quindi elettrolucidato internamente con rugosità pari a Ra 0,40mm.

 

 

 

Fig. 8 – Stent in acciaio inox austenitico eletrolucidato utilizzato per mantenere aperto un passaggio nelle arterie bloccate. La lavorazione dell’intricata maglia superficiale lascia microscopiche bave che vengono rimosse con l’elettropulitura.

 

 

 

 

 

Fig. 9 – Collettore a quattro posizioni (dosatore) in EN 1.4401 (AISI 316) utilizzato nell’industria farmaceutica. Il trattamento eseguito è stato: prelucidatura meccanica a specchio e successiva elettrolucidatura, interna ed esterna, con rugosità finale Ra inferiore a 0,10 mm.

 

 

Fig. 10 – Componenti di acciaio inossidabile elettrolucidati ricavati da filo a formare reti.

 

 

 

 

 

 

Fig. 11 – Stampi per gelati in EN 1.4301 (AISI 304) dove l’elevata lucidità, ottenuta tramite l’elettrolucidatura, consente l’ottimale riempimento e svuotamento del prodotto alimentare.

 

 

Fig. 12 – “Moving On” opera in acciaio inox elettrolucidato dello scultore inglese Michael Condron (Rochford, Essex) posta all’ingresso della nuova Beechwood School di Slough (Berkshire) per celebrare la costruzione del nuovo edificio.