Stato del materiale del rame e raggio minimo di piega

«Sbarra in rame, 100 × 10, 3 metri» non è una specifica acquistabile. Nomina un metallo e una sezione e tralascia l'unica proprietà che decide se la barra si piegherà al raggio del suo disegno oppure criccherà sulla faccia esterna al primo pezzo. Quella proprietà è lo stato del materiale, ed è un campo della filiera di fornitura prima di essere un problema di officina: una volta che la barra è in rastrelliera, nessuno può cambiarlo senza un forno.

Quello che segue indicizza le indicazioni sul raggio di piega ai codici di stato che compaiono su ordini d'acquisto e certificati di laminatoio, anziché al solo spessore. Lo spessore conta, ma è la seconda variabile.

Che cosa significano i codici della EN 13601

La EN 13601 copre tondi, barre e fili di rame per usi elettrici e, per il lavoro sulle sbarre, il grado di interesse è il Cu-ETP, designazione CW004A. La norma identifica la condizione del materiale in due modi, ed entrambi compaiono sui certificati.

La designazione R è legata alla resistenza a trazione minima in N/mm². R220 significa trazione minima 220. La designazione H è legata alla durezza Vickers minima. H040 significa 40 HV minimo. Le due corrono in parallelo, ed è per questo che le vede accoppiate.

Gli intervalli di trazione sono quelli della norma. I valori di carico di snervamento convenzionale, allungamento e durezza sono quelli che le schede tecniche dei laminatoi pubblicano accanto a queste designazioni per il Cu-ETP e vanno trattati come tipici e non come normativi; la guida sulle sbarre della Copper Development Association cita da 50 a 55 N/mm² di carico di snervamento per rame in sezione da sbarra completamente ricotto e da 170 a 200 N/mm² per il semicrudo, valori più bassi all'estremo tenero rispetto a quelli da nastro qui sopra.

Dalla tabella discendono due cose, ed entrambe contano più dei numeri stessi.

Primo, la catena è a senso unico. L'incrudimento alza la resistenza a trazione, alza il carico di snervamento, alza la durezza e taglia l'allungamento. Ogni proprietà della riga si muove insieme alle altre perché derivano tutte dalla stessa densità di dislocazioni. Non si può comprare rame crudo che abbia anche la formabilità del rame ricotto.

Secondo, la colonna dell'allungamento crolla molto più in fretta di quanto salgano le colonne di resistenza. Passare da R220 a R290 le fa guadagnare circa il 40% sulla resistenza a trazione e le costa circa l'88% dell'allungamento. È quell'asimmetria a fare sì che la scelta dello stato del materiale sia dominata da considerazioni di formatura e non di resistenza.

L'effetto dimensionale di cui nessuno parla

C'è una riserva sullo stato crudo che coglie di sorpresa sulle sezioni grandi. La resistenza massima ottenibile dipende dalla sezione, perché la quantità di riduzione a freddo che un laminatoio riesce a mettere in una barra è limitata dalla riduzione di area che il processo consente. Le indicazioni della CDA collocano la sbarra allo stato crudo nell'intervallo da 250 a 340 N/mm² a seconda dell'area della sezione, con le sezioni maggiori all'estremo basso.

Quindi «crudo» su una barra 30 × 5 e «crudo» su una barra 200 × 12 non sono lo stesso stato del materiale, anche quando entrambi i certificati dicono R290. La sezione grande starà più vicina al fondo della fascia, sarà leggermente più indulgente in piega e ritornerà leggermente di meno. Se sta trasferendo una tabella di correzione collaudata da una sezione piccola a una grande, si aspetti che risulti conservativa e non sbagliata.

Raggio minimo di piega, di piatto

Il punto di partenza pubblicato è l'indicazione della CDA per il rame ad alta conducibilità allo stato semicrudo o crudo, che dà i raggi minimi di stampo come multiplo dello spessore:

Sopra i 50 mm la barra normalmente non si piega affatto; la CDA osserva che si può fare con ricottura localizzata prima della formatura.

Quei valori assumono già gli stati più duri, quindi sono un pavimento sicuro per R240 e R290. Per R220 si può andare più stretti, ma raramente c'è una ragione per farlo. Quello che le fasce di spessore non mostrano è l'asse dello stato del materiale, quindi in pratica una tabella di lavoro assomiglia di più a questa:

Tratti la colonna R220 e la colonna R290 come indicative. La tabella CDA è l'ancoraggio verificato; la dispersione ai suoi due lati riflette la normale pratica di officina e andrebbe confermata su un primo pezzo per ogni combinazione di materiale, spessore e utensile.

L'allungamento ordina gli stati del materiale; non è un budget di deformazione in piega

La deformazione ingegneristica sulla fibra esterna di una piega discende direttamente dalla geometria:

ε = t / (2R + t) = 1 / (2·(R/t) + 1)

A R/t = 1 fa 33%. A R/t = 2 fa 20%. A R/t = 4 fa 11%. Confronti quei valori con la colonna dell'allungamento: R290 è specificato al 4% minimo, il che a lettura ingenua richiederebbe R/t sopra 11 prima che la fibra esterna sopravviva.

Non è così, e sapere perché evita di sovraspecificare i raggi. Una prova di trazione misura l'allungamento a rottura su un tratto utile uniforme in cui una strizione è libera di formarsi e propagarsi. In una piega la deformazione di picco esiste solo sulla superficie esterna e su un arco breve, e il materiale non deformato attorno impedisce a una strizione di svilupparsi. La deformazione di piega ottenibile supera quindi l'allungamento a trazione con ampio margine, ed è esattamente così che la CDA può specificare 1 t per rame crudo fino a 10 mm di spessore su un materiale con il 4% di allungamento.

Usi il valore di allungamento per ordinare gli stati del materiale fra loro e per prevedere quale criccherà per primo. Non lo usi come budget di deformazione in piega.

Che aspetto ha il guasto

La criccatura sulla fibra esterna procede per stadi riconoscibili, e coglierla al primo stadio salva il lotto.

Per prima arriva la buccia d'arancia. La superficie esterna si irruvidisce in una tessitura visibile mentre i singoli grani si deformano in modo indipendente. Di per sé è estetica, ma le dice che la fibra esterna è vicina al proprio limite, e peggiora con la grana grossa, che è a sua volta un sintomo di ricottura eccessiva.

Seguono le microcricche trasversali, che corrono parallele all'asse di piega attraverso la faccia esterna. Su una barra rivestita possono manifestarsi solo come interruzioni del rivestimento. A questo punto il pezzo è a rottame, perché la cricca è un concentratore di tensione posto esattamente dove in servizio il carico a fatica è massimo. La criccatura passante è lo stadio terminale e non ha bisogno di descrizione.

Sulla faccia interna il modo di guasto è diverso: instabilità a compressione, che si manifesta come imbozzamento o grinze. Su una piega di piatto è di solito il segno che la barra era sostenuta male. Su una piega di coltello è il vincolo che governa, non un fatto accidentale.

La piegatura di coltello richiede raggi radicalmente maggiori

Tutto quanto sopra vale per la piegatura di piatto, dove la barra si ripiega attraverso il proprio spessore ed è la dimensione piccola a governare la deformazione. Pieghi la stessa barra nel verso difficile, attraverso la larghezza, e la geometria cambia del tutto: la fibra esterna sta ora a metà della larghezza della barra dall'asse neutro invece che a metà dello spessore, e la fibra interna ha una lunga campata non sostenuta in compressione.

La prova pratica sta nelle tabelle di capacità delle macchine. La SMART-603CNC-S è dichiarata a 260 × 20 mm per la piegatura di piatto e 125 × 15 mm per quella di coltello, e quel dimezzamento all'incirca di entrambe le dimensioni è uno schema che ritroverà su tutte le attrezzature di piegatura per sbarre. I raggi minimi per il lavoro di coltello si esprimono in multipli della larghezza della barra, non dello spessore, e sono comunemente diverse volte il valore di piatto. Il confronto fra piegatura di coltello e di piatto tratta la meccanica e le alternative di progetto.

Non trasferisca una regola di raggio da piatto a una piega di coltello. È la via più rapida a un bordo esterno criccato.

Direzione della grana

Il rame laminato e trafilato porta una tessitura cristallografica allineata con la direzione di lavorazione e, di conseguenza, la formabilità è direzionale. Vale la regola generale della formatura della lamiera: una piega il cui asse corre perpendicolare alla direzione di laminazione è l'orientamento favorevole, e una piega il cui asse corre parallelo a essa è quella che cricca.

Per la sbarra ordinaria questo gioca a suo favore senza alcuno sforzo. La barra è laminata o trafilata lungo la propria lunghezza, e una normale piega trasversale mette l'asse di piega di traverso alla barra, perpendicolare alla direzione di lavorazione. È già nell'orientamento buono.

Dove smette di essere automatico è con la barra ricavata da lastra larga o refilata da bobina, dove la lunghezza della barra finita può non allinearsi con la direzione di laminazione originaria. Se un fornitore sostituisce materiale refilato a barra trafilata, il comportamento in piega può cambiare anche se il certificato risulta identico sulla resistenza. È un buon motivo per registrare la forma del materiale, e non solo grado e stato, nella registrazione di processo della piegatura.

Leggere il certificato di laminatoio

Un certificato utile per le sbarre porta grado e norma, Cu-ETP CW004A secondo EN 13601. Porta la designazione dello stato del materiale in entrambe le forme dove il laminatoio le indica entrambe, R240 / H065. Porta resistenza a trazione, allungamento e durezza misurati, riferiti al numero di colata o di lotto. Porta la conducibilità come percentuale IACS, che per materiale ricotto dovrebbe essere 100% o meglio e per materiale crudo almeno 97%, perché l'incrudimento costa dal 2 al 3% di conducibilità.

Quello che di solito non porta, se non lo chiede, è il carico di snervamento convenzionale allo 0,2% misurato. È il numero che serve al calcolo del ritorno elastico e, per R220, è quello con la dispersione ammessa più ampia. La norma fissa un tetto al carico di snervamento per il materiale ricotto, non un pavimento, quindi due barre R220 entrambe conformi possono differire di un fattore due su quanto ritornano. Se in produzione lavora rame ricotto, metta l'Rp0,2 misurato sull'ordine d'acquisto.

L'altra cosa da controllare è che il certificato si riferisca al lotto consegnato e non a una prova di tipo. I certificati di prova di tipo sono comuni e non sono la stessa evidenza.

Quando la ricottura è la risposta giusta

Ci sono casi legittimi. Barra oltre 50 mm di spessore, dove la ricottura localizzata in corrispondenza della piega prima della formatura è l'unica via praticabile. Rilavorazione di una barra già formata, dove la zona di piega è stata incrudita dalla prima operazione e una seconda piega nello stesso punto criccherebbe. Raggi molto stretti in un intervento su impianto esistente, dove la barra è già tagliata e l'alternativa è il rottame.

C'è anche un caso comune che non è una ragione legittima: comprare barra cruda perché era quello che aveva il rivenditore, e poi ricuocerla per renderla piegabile. Quella sequenza paga l'incrudimento e poi paga di nuovo per toglierlo, e butta via le proprietà meccaniche che lo stato crudo stava fornendo. La barra cruda resiste all'inflessione su lunghe campate non sostenute e resiste alla distorsione permanente sotto le forze elettrodinamiche di cortocircuito. Ricuocia l'intera barra e non avrà comprato né la formabilità dell'R220 né la rigidezza dell'R290.

Prima di impegnarsi sulla ricottura valgono due vincoli tecnici. Il Cu-ETP rammollisce progressivamente sopra i 150 °C circa, e una ricottura completa di ricristallizzazione si esegue tipicamente attorno ai 400 °C, dove la ricristallizzazione è sostanzialmente completa in pochi minuti. Permanenze più lunghe ingrossano la grana, e la grana grossa dà buccia d'arancia alla piega successiva: una ricottura lunga può quindi peggiorare la finitura superficiale mentre rende il materiale più tenero.

Il secondo vincolo è specifico di questo grado. Il Cu-ETP contiene ossigeno residuo. Lo ricuocia in atmosfera contenente idrogeno e l'idrogeno diffonde all'interno, riduce le inclusioni di ossido e forma vapore ai bordi di grano, cosa che infragilisce il materiale in modo irreversibile. La EN 13601 porta un requisito di assenza di infragilimento da idrogeno esattamente per questa ragione. Se la ricottura fa parte del suo processo, controlli l'atmosfera del forno oppure prescriva invece un grado esente da ossigeno.

Scrivere l'ordine d'acquisto

L'insieme minimo per un ordine di sbarre è grado e norma, designazione dello stato del materiale, sezione, forma e il requisito di certificato. Aggiungere il carico di snervamento misurato non costa nulla al laminatoio e toglie la singola fonte di deriva più grande in piegatura. Se una barra andrà su una piegatrice con una tabella di correzione del ritorno elastico memorizzata, il codice di stato è la chiave su cui quella tabella è indicizzata, e uno stato non specificato significa che la tabella non ha una voce valida.

Lo stato del materiale non ha inoltre alcuna influenza sulla portata di corrente, che è fissata da sezione, disposizione e ambiente termico; se è quello il vincolo su cui sta lavorando, il calcolatore di portata delle sbarre lo gestisce indipendentemente da come la barra è stata lavorata. Le due decisioni sono separabili, e tenerle separate evita che le discussioni sulla formabilità sconfinino in quelle sul dimensionamento.