Analisi dei difetti dei rivestimenti automobilistici

Fin dagli anni ’20, la lamiera d’acciaio è stata il materiale strutturale più comunemente utilizzato nell’industria automobilistica, grazie alla sua resistenza e rigidità che la rendono ideale per telai e parti saldate durevoli. L’acciaio è ora impiegato in una gamma sempre più ampia di applicazioni, tra cui l’alimentare (ad esempio, lattine), l’edilizia (ingranaggi e parti di macchinari) e gli utensili resistenti all’usura (come molle, utensili da taglio e fili ad alta resistenza).

L’acciaio ha anche dimostrato la sua capacità di offrire un valore imbattibile per le applicazioni di produzione di massa rispetto ad altri materiali. I numerosi vantaggi dell’acciaio sono evidenti, ma presenta un inconveniente fondamentale: la sua scarsa resistenza alla corrosione. La ruggine sui veicoli nuovi e usati continua a rappresentare un problema, tanto che ancora negli anni ’70 erano necessari miglioramenti nella qualità dei metalli di base e dei rivestimenti zincati per inibire ulteriormente la formazione di ruggine. La presenza di ruggine non solo influisce negativamente sull’aspetto esterno di un veicolo, ma compromette anche la sua struttura meccanica, portando potenzialmente a un guasto strutturale precoce che influisce negativamente sulla sicurezza del veicolo.

Negli anni ’70 si è assistito all’uso di componenti più spessi come soluzione parziale alla corrosione dell’acciaio, ma questi componenti pesanti non sono più un’opzione praticabile nel mondo odierno dei materiali leggeri ed efficienti dal punto di vista energetico. La durata di un veicolo dipende in gran parte dalla resistenza alla corrosione della sua carrozzeria, il che ha spinto l’industria automobilistica a lavorare sul miglioramento dei rivestimenti in zinco zincato a caldo o elettrozincato progettati per migliorare la resistenza all’ossidazione.

Figura 1. Schema (a sinistra) e immagine SEM (a destra) dei diversi strati. Crediti immagine: Thermo Fisher Scientific – Electron Microscopy Solutions

L’applicazione dello strato di zinco elettrozincato avviene in una serie di celle elettrolitiche, con la lamiera di acciaio immersa in una soluzione alcalina di zinco. Questa funge da catodo, con gli ioni di zinco ridotti a zinco metallico sulla superficie dell’acciaio quando la corrente elettrica attraversa la soluzione. Ciò porta alla creazione di uno strato protettivo denso e uniforme che si lega all’acciaio.

Uno strato di fosfato e un primer per la vernice vengono depositati sopra lo strato di zinco metallico, con una struttura simile a quella mostrata nella Figura 1. Il film di fosfato di zinco viene applicato per fornire una protezione aggiuntiva al metallo di base e migliorare l’adesione del primer. Per questo motivo è poroso. Gli spessori standard dei rivestimenti elettrozincati tendono a variare da 5 µm a 8 µm. L’omogeneità è fondamentale per garantire un comportamento adesivo ottimale, in termini di adesione degli strati superiori al rivestimento e di adesione del rivestimento al metallo.

Anche la planarità della superficie della lamiera di acciaio è fondamentale perché garantisce la disponibilità di un substrato adeguato per un rivestimento di alta qualità. L’elettrozincatura può essere compromessa se la superficie dell’acciaio laminato è imperfetta o alterata, con potenziali ripercussioni sulla successiva adesione del fosfato di zinco e del primer e, in ultima analisi, una riduzione della protezione dalla corrosione.

Figura 2. Rivestimento difettoso sulla portiera di un’auto. Crediti immagine: Thermo Fisher Scientific – Electron Microscopy Solutions

Materiali e metodi

Il rivestimento difettoso analizzato nell’esempio qui presentato proviene da una portiera di automobile fabbricata in acciaio a bassissimo tenore di carbonio stabilizzato al titanio. Il rivestimento si sta staccando (Figura 2), il che significa che è necessario determinare cosa sta causando la formazione di scaglie e il progressivo distacco della vernice dalla superficie dell’acciaio.

Questo articolo presenta un approccio rapido e diretto per identificare la causa principale del difetto del rivestimento automobilistico e garantire la rimozione di eventuali difetti prima che il prodotto finale raggiunga i clienti. La caratterizzazione dei dettagli strutturali e composizionali tramite microscopia elettronica a scansione (SEM) e spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS) è fondamentale per raggiungere questi obiettivi.

La combinazione di Thermo Scientific^™ Axia^™ChemiSEM e del suo EDS integrato e sempre attivo offre agli utenti l’accesso immediato ai dati composizionali necessari per un’analisi accurata dei guasti. Questo approccio consente di collegare direttamente le informazioni qualitative sugli elementi all’immagine SEM, con un notevole risparmio di tempo.

Analisi

È stata analizzata la superficie di un pezzo difettoso proveniente dal campione di interesse. Il quadrato rosso visualizzato nella Figura 3 evidenzia l’area in cui è stata eseguita la caratterizzazione della superficie.

Figura 3. Superficie del campione. Crediti immagine: Thermo Fisher Scientific – Electron Microscopy Solutions

Figura 4. Immagine elettronica a basso ingrandimento con retrodiffusione (a sinistra) della superficie del campione e immagine ad alto ingrandimento dell’area di interesse (a destra). (Tensione di accensione 15 keV, corrente del fascio 0,85 nA). Crediti immagine: Thermo Fisher Scientific – Electron Microscopy Solutions

La figura 4 mostra una vista a basso ingrandimento della superficie di interesse acquisita utilizzando un rilevatore di elettroni retrodiffusi, che fornisce informazioni sul contrasto dei materiali. La regione luminosa al centro corrisponde a un materiale con un numero atomico medio più elevato, l’acciaio, indicando che quest’area non è protetta da alcun rivestimento. È stata quindi acquisita un’immagine ad alto ingrandimento per esaminare più dettagliatamente la morfologia del difetto e ottenere informazioni sugli elementi.

Figura 5. Immagine ChemiSEM che mostra la distribuzione degli elementi identificati (tutti attivati e mostrati in questa vista) e la loro distribuzione. (Tensione di accensione 15 keV, corrente del fascio 0,85 nA, tempo di acquisizione 60 s). Crediti immagine: Thermo Fisher Scientific – Electron Microscopy Solutions

È importante notare che uno dei principali vantaggi di Axia ChemiSEM è il collegamento diretto tra l’immagine SEM e l’acquisizione del segnale EDS. I raggi X vengono raccolti continuamente in background durante l’imaging SEM standard, fornendo un accesso immediato alle informazioni chimiche.

Non è necessario passare a un’altra applicazione software, come ad esempio nel caso di un sistema EDS tradizionale, che richiederebbe all’operatore di acquisire nuovamente l’immagine, avviare una nuova acquisizione dei dati EDS e quindi post-elaborare il segnale eseguendo operazioni quali la rimozione dello sfondo e la risoluzione delle sovrapposizioni dei picchi.

Le informazioni quantitative sugli elementi dell’area raffigurata nella Figura 4 possono essere visualizzate con un solo clic, insieme allo spettro. La caratterizzazione EDS dell’area di interesse evidenzia la presenza di una particella estranea nell’esempio qui presentato. Al fine di chiarire la natura della particella, gli utenti possono mostrare o nascondere determinati elementi per migliorare la loro comprensione della composizione della particella e della distribuzione degli elementi.

Figura 6. Immagini ChemiSEM della particella estranea. Dall’alto verso il basso: immagine a elettroni retrodiffusi, distribuzione di calcio, fluoro e silicio. (Tensione di ingresso 15 keV, corrente del fascio 0,85 nA, tempo di acquisizione 60 s). Crediti immagine: Thermo Fisher Scientific – Electron Microscopy Solutions

Gli elementi più abbondanti nella particella sono stati identificati come calcio, silicio e fluoro. È stata acquisita un’analisi dell’area del difetto della durata di 30 secondi e la Figura 7 mostra il suo spettro con la relativa quantificazione.

Figura 7. Quantificazione (a sinistra) e spettro (a destra) di un’analisi dell’area di 30 secondi acquisita sul difetto (tensione Acc 15 keV, corrente del fascio 0,44 nA). Crediti immagine: Thermo Fisher Scientific – Electron Microscopy Solutions

Sia lo spettro che la quantificazione del difetto sono risultati in linea con un potenziale residuo di polvere di stampo proveniente dal processo di colata continua utilizzato nella produzione dell’acciaio. Questi flussi di stampo sono scorie sintetiche costituite da una miscela complessa di ossidi, principalmente silice (SiO₂ ) e ossido di calcio (CaO). I rapporti CaO/SiO₂  sono risultati compresi tra 0,7 e 1,3, con viscosità ridotta dall’aggiunta di fluorite (CaF₂ ) e soda (Na₂ O). Alla loro composizione vengono aggiunti anche materiali carboniosi.

Le polveri per stampi sono utilizzate nella produzione dell’acciaio per diversi motivi, tra cui:

• Prevenzione dell’ossidazione, grazie alla quale il flusso dello stampo funge da barriera che aiuta a evitare la riossidazione dell’acciaio a contatto con l’aria.
• Controllo del calore, nei casi in cui è necessario gestire il trasferimento di calore nello stampo.
• Lubrificazione dello stampo, garantendo la lubrificazione (la funzione più importante dei flussanti per stampi) ed evitando il rischio di future crepe nel guscio di acciaio in fase di solidificazione.

Le disomogeneità superficiali impediscono l’adesione del rivestimento protettivo di zinco all’acciaio, con conseguente corrosione futura. Esiste anche il rischio che inclusioni esogene, come goccioline di polvere liquida dello stampo, entrino nell’acciaio attraverso il flusso turbolento del metallo. Per questo motivo è stata effettuata un’ulteriore caratterizzazione della sezione trasversale dell’ROI. La presenza di inclusioni subsuperficiali è confermata nella Figura 8.

Figura 8. Sezione trasversale dell’acciaio che mostra i rivestimenti coinvolti e la presenza di inclusioni sub-superficiali. (Tensione Acc 15 keV, corrente del fascio 0,44 nA). Crediti immagine: Thermo Fisher Scientific – Electron Microscopy Solutions

Figura 9. Immagini ChemiSEM di una delle inclusioni sub-superficiali. Dall’alto: immagine elettronica retrodiffusa, mappe di calcio, fluoro e silicio che mostrano la loro distribuzione all’interno delle inclusioni (tensione Acc 15 keV, corrente del fascio 0,44 nA). Crediti immagine: Thermo Fisher Scientific – Electron Microscopy Solutions

Conclusione

I pannelli in acciaio per automobili (come tetti, porte e pannelli laterali) devono offrire un’elevata durata e resistenza alla corrosione per soddisfare le esigenze dei produttori di veicoli. È essenziale che tutti questi componenti mantengano le loro prestazioni per molti anni, continuando a garantire un’elevata resistenza alla corrosione atmosferica. I prodotti finali devono quindi essere ispezionati per verificare la presenza di difetti in uno qualsiasi degli strati di rivestimento protettivo. Ciò è necessario per comprendere la causa principale del difetto e prevenirne il ripetersi in futuro.

Questo articolo ha descritto una procedura che ha consentito di verificare rapidamente la presenza di particelle estranee e di valutare in modo semplice e veloce la composizione delle particelle. A differenza dei SEM tradizionali, Axia ChemiSEM fornisce accesso immediato a tutte le informazioni elementari necessarie per individuare con precisione i difetti e analizzare i guasti.