Stato del materiale del rame e raggio minimo di piega

"Sbarra in rame, 100 × 10, 3 metri" non è una specifica acquistabile. Indica un metallo e una sezione, ma omette l'unica proprietà che determina se la sbarra si piegherà al raggio indicato sul disegno o se si spaccherà sulla faccia esterna già alla prima lavorazione. Tale proprietà è il temper, e prima di essere un problema di officina è un dato della catena di approvvigionamento: una volta che la sbarra è sullo scaffale, nessuno può modificarla senza un forno.

Le tabelle seguenti collegano le indicazioni sul raggio di piega ai codici di temper presenti sugli ordini di acquisto e sui certificati del laminatoio, piuttosto che allo spessore da solo. Lo spessore conta, ma è la seconda variabile.

Significato dei codici EN 13601

EN 13601 copre barre, fili e vergelle in rame per usi elettrici; per le sbarre in rame il grado di interesse è Cu-ETP, denominazione CW004A. Lo standard identifica lo stato del materiale in due modi, entrambi riportati sui certificati.

La denominazione R è legata alla resistenza a trazione minima in N/mm². R220 indica una trazione minima di 220. La denominazione H è legata alla durezza Vickers minima. H040 indica 40 HV minime. Le due scale procedono in parallelo, ed è per questo che vengono accoppiate.

I range di trazione sono quelli dello standard. I valori di snervamento, allungamento e durezza sono quelli pubblicati nei datasheet del laminatoio accanto a queste denominazioni per Cu-ETP e vanno considerati come tipici e non normativi; la guida alle sbarre in rame della Copper Development Association riporta uno snervamento di 50–55 N/mm² per il rame ricotto a sezione sbarra e di 170–200 N/mm² per il mezzo duro, valori più bassi all'estremità morbida rispetto a quelli delle strisce sopra indicati.

Dalla tabella derivano due considerazioni, entrambe più rilevanti dei numeri stessi.

Innanzitutto, la catena è unidirezionale. La lavorazione a freddo aumenta la resistenza a trazione, aumenta lo snervamento, aumenta la durezza e riduce l'allungamento. Ogni proprietà nella riga si muove insieme perché deriva dalla stessa densità di dislocazioni. Non è possibile acquistare rame duro che abbia anche la deformabilità del rame morbido.

In secondo luogo, la colonna dell'allungamento crolla molto più rapidamente di quanto le colonne di resistenza salgano. Passando da R220 a R290 si guadagna circa il 40% sulla resistenza a trazione e si perde circa l'88% dell'allungamento. Questa asimmetria è il motivo per cui la scelta del temper è dominata dalle esigenze di formatura piuttosto che dalla resistenza.

L'effetto della sezione, spesso trascurato

Esiste una nota sul temper duro che spesso sorprende su sezioni di grandi dimensioni. La resistenza massima ottenibile dipende dalla sezione trasversale, perché la quantità di riduzione a freddo che un laminatoio può applicare a una sbarra è limitata dalla riduzione di area che il processo consente. La guida della CDA colloca le sbarre in rame in condizione dura nell'intervallo 250–340 N/mm² a seconda della sezione trasversale, con le sezioni più grandi all'estremità inferiore.

Quindi "duro" su una barra 30 × 5 e "duro" su una barra 200 × 12 non rappresentano lo stesso stato del materiale, anche se entrambi i certificati riportano R290. La sezione maggiore si troverà più vicina alla parte inferiore della banda, sarà leggermente più facile da piegare e subirà un leggero ritorno elastico ridotto. Se una tabella di piegatura a scarti fissi collaudata viene trasferita da una sezione piccola a una grande, il risultato sarà conservativo piuttosto che errato.

Raggio minimo di piegatura, piatto

Il punto di partenza pubblicato è la linee guida CDA per il rame ad alta conduttività meccanica allo stato semiduro o duro, che indica i raggi minimi delle matrici come multipli dello spessore:

Al di sopra di 50 mm, la barra normalmente non viene piegata; la CDA nota che l'operazione è possibile con tempra localizzata prima della formatura.

Questi valori considerano già le finiture più dure, quindi rappresentano un limite sicuro per R240 e R290. Per R220 è possibile utilizzare un raggio più stretto, ma raramente vi è motivo di farlo. Ciò che le fasce di spessore non indicano è l'asse delle finiture; pertanto, in pratica, una tabella operativa appare più simile a questa:

La colonna R220 e la colonna R290 devono essere considerate indicative. La tabella CDA è il riferimento verificato; la dispersione su entrambi i lati riflette la pratica normale in officina e deve essere confermata sul primo pezzo per ogni combinazione di materiale, spessore e attrezzatura.

L'allungamento classifica le finiture; non prevede lo sforzo di piega

La deformazione ingegneristica nella fibra esterna di una piega è determinata direttamente dalla geometria:

ε = t / (2R + t) = 1 / (2·(R/t) + 1)

A R/t = 1 il valore è del 33%. A R/t = 2 è del 20%. A R/t = 4 è dell'11%. Confrontando questi valori con la colonna dell'allungamento, si evidenzia che R290 è specificato con un minimo del 4%, il che, con una lettura semplicistica, richiederebbe un R/t superiore a 11 prima che la fibra esterna sopravviva.

Non è così, e conoscerne il motivo evita la sovradimensionamento dei raggi. Una prova di trazione misura l'allungamento a rottura in una lunghezza di misura uniforme dove si può formare e propagare un collo (neck). In una piega, la deformazione di picco esiste solo sulla superficie esterna su un arco breve, e il materiale non deformato circostante impedisce lo sviluppo di un collo. La deformazione di piega ottenibile supera quindi l'allungamento a trazione di un ampio margine, e proprio per questo la CDA può specificare 1 t per il rame duro fino a 10 mm di spessore su un materiale con 4% di allungamento.

Il valore di allungamento viene utilizzato per classificare i temper rispetto a uno all'altro e per prevedere quale si crepperà per primo. Non è un limite per la deformazione di piega.

Aspetto del cedimento

La frattura delle fibre esterne avviene attraverso fasi riconoscibili, e intercettarla alla prima fase salva il lotto.

La buccia d'arancia (orange peel) si verifica per prima. La superficie esterna si irruvidisce con una texture visibile quando i singoli grani si deformano indipendentemente. Di per sé è solo un difetto estetico, ma indica che la fibra esterna è vicina al suo limite, e peggiora con una dimensione del grana grossolana, che a sua volta è un sintomo di surriscaldamento.

Seguono le microfratture trasversali, che corrono parallelamente all'asse di piega sulla faccia esterna. Su una barra placcata possono apparire solo come interruzioni della placcatura. A questo punto il pezzo è da rottamare, perché la frattura è un addensatore di tensione situato esattamente dove il carico a fatica è massimo in servizio. La frattura completa (through-cracking) è lo stadio terminale e non necessita di descrizione.

Sulla faccia interna il modo di cedimento è diverso: instabilità a compressione, che si manifesta come pieghevole o increspatura. In una piega planare (flatwise) è generalmente un segno che la barra non era adeguatamente supportata. In una piega di bordo (edgewise) è il vincolo determinante, non un vincolo accessorio.

La piegatura di bordo richiede raggi molto più grandi

Tutto quanto sopra si riferisce alla piegatura planare, dove la barra si piega attraverso il suo spessore e la piccola dimensione governa la deformazione. Piegare la stessa barra nel modo difficile, attraverso la sua larghezza, cambia completamente la geometria: la fibra esterna si trova ora a metà della larghezza dell'asse neutro invece che a metà dello spessore, e la fibra interna ha un lungo tratto non supportato in compressione.

Le prove pratiche si trovano nelle tabelle di capacità delle macchine. La SMART-603CNC-S è classificata per 260 × 20 mm in piega planare e 125 × 15 mm in piega di bordo, e quella dimezzamento approssimativo di entrambe le dimensioni è un modello trovato trasversalmente nelle macchine per piegatura delle sbarre in rame. I raggi minimi per lavori di bordo corrono in multipli della larghezza della barra, non dello spessore, e sono comunemente diverse volte il valore planare. Il confronto tra piegatura di bordo e planare delle sbarre in rame esamina la meccanica e le alternative di progettazione.

Una regola per il raggio planare non deve essere estesa a una piega di bordo. È il percorso più rapido verso una frattura del bordo esterno.

Direzione del grano

Il rame laminato e trafilato presenta una texture cristallina allineata con la direzione di lavorazione, con conseguente anisotropia della deformabilità. La regola generale della formatura di lamiera si applica: un piegatura il cui asse è perpendicolare alla direzione di laminazione è l'orientamento favorevole, mentre un piegatura il cui asse è parallelo a essa tende a creparsi.

Nelle barre in rame comuni, questo fenomeno favorisce il progettista senza sforzo aggiuntivo. La barra è laminata o trafilata nella sua lunghezza, e una piegatura trasversale normale pone l'asse di piega attraverso la barra, perpendicolare alla direzione di lavorazione. Questo è l'orientamento corretto.

L'automatismo viene meno quando la barra è tagliata da lamiera larga o sfilata da coil, poiché la lunghezza della barra finita può non allinearsi con la direzione di laminazione originale. Se un fornitore sostituisce materiale sfilato a barra trafilata, il comportamento in piega può cambiare, anche se il certificato riporta identicamente i valori di resistenza. Ecco perché è opportuno documentare la forma del materiale, non solo la qualità e la condizione termica, nel registro di lavorazione della piegatrice per barre di rame.

Lettura del certificato del laminatoio

Un certificato utile per le barre in rame riporta la qualità e la norma, Cu-ETP CW004A secondo EN 13601. Riporta la designazione della condizione termica in entrambe le forme quando il laminatoio le cita entrambe, R240 / H065. Riporta la resistenza a trazione misurata, l'allungamento e la durezza rispetto al numero di colata o lotto. Riporta la conducibilità come percentuale di IACS, che per il materiale ricotto dovrebbe essere ≥ 100% e per il materiale trafilato a freddo almeno 97%, poiché la lavorazione a freddo costa dal 2 al 3% di conducibilità.

Di solito non riporta, se non richiesto, la resistenza nominale al 0,2%. Questo è il valore necessario per il calcolo del ritorno elastico, e per R220 presenta l'intervallo di variazione più ampio consentito. La norma fissa un limite massimo di resistenza nominale per il materiale morbido, non un minimo, quindi due barre R220 conformi possono differire fino al doppio per quanto riguarda il ritorno elastico. Se rame morbido viene utilizzato in produzione, il Rp0.2 misurato dovrebbe essere richiesto nell'ordine d'acquisto.

L'altro aspetto da verificare è che il certificato si riferisca al lotto consegnato e non a un test su tipo. I certificati di test su tipo sono comuni e non costituiscono la stessa evidenza.

Quando il ricottura è la risposta corretta

Esistono casi legittimi. Barre di spessore superiore a 50 mm, dove la ricottura localizzata sulla 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 nella stessa posizione la creperebbe. Raggi di piega molto stretti su retrofit dove la barra è già tagliata e l'alternativa è lo smaltimento.

Esiste anche un caso comune che non è un motivo legittimo: acquistare barra dura perché era quella disponibile dal distributore, per poi ricuocerla per renderla piegabile. Questa sequenza paga la lavorazione a freddo, poi paga di nuovo per rimuoverla e scarta le proprietà meccaniche che la condizione dura garantiva. La barra dura resiste al fiaccamento su campate lunghe senza supporto e resiste alla distorsione permanente sotto le forze elettromagnetiche in cortocircuito. Ricuocere l'intera barra non acquisisce né la deformabilità dell'R220 né la rigidità dell'R290.

Due vincoli tecnici si applicano prima di impegnarsi nella ricottura. Il Cu-ETP si ammorbidisce progressivamente sopra i circa 150 °C, e una ricottura di ricristallizzazione completa viene tipicamente eseguita attorno ai 400 °C, dove la ricristallizzazione è essenzialmente completa entro {minutes}. Immersioni più lunghe ingrossano il grano, e un grano ingrossato produce una buccia d'arancia sulla successiva piega, quindi una ricottura prolungata può peggiorare la finitura superficiale rendendo il materiale più morbido.

Il secondo vincolo è specifico per questa qualità. Il Cu-ETP contiene ossigeno residuo. Ricuocerlo in un'atmosfera contenente idrogeno permette all'idrogeno di diffondersi, ridurre le inclusioni di ossido e formare vapore ai bordi del grano, rendendo il materiale fragile in modo irreversibile. EN 13601 riporta un requisito di assenza di fragilità da idrogeno proprio per questo motivo. Se la ricottura fa parte del processo, l'atmosfera del forno deve essere controllata oppure deve essere specificata una qualità esente da ossigeno.

Scrittura dell'ordine di acquisto

Il set minimo per un ordine di sbarre comprende grado e norma, codice di trattamento termico, sezione, forma e requisito del certificato. L'aggiunta della resistenza a snervamento provata non costa nulla al produttore e rimuove la fonte principale di deviazione nella piegatura. Se una sbarra deve essere caricata su una macchina piegatrice con una tabella di compensazione dell'arretramento immagazzinata, il codice di trattamento termico è la chiave di quella tabella, e un trattamento termico non specificato significa che la tabella non contiene una voce valida.

Il trattamento termico non ha inoltre alcuna incidenza sulla portata di corrente, che è definita dalla sezione, dalla disposizione e dall'ambiente termico; se quello è il vincolo in esame, il calcolatore di portata in ampere lo gestisce indipendentemente dal modo in cui la sbarra è stata lavorata. Le due decisioni sono separabili, e mantenerle separate impedisce che le argomentazioni sulla deformabilità si infiltrino nelle argomentazioni sul dimensionamento.