Jörg Fischer Bühner

Jörg Fischer Bühner
Legor Group Srl, Bressanvido, Italia
L’Ing. Jörg Fischer-Bühner si è laureato in Metallurgia Fisica e Tecnologia dei
Materiali in Germania, presso l’università RWTH Aachen. Attualmente si occupa
di Ricerca e Sviluppo per Legor Group Srl (Bressanvido, VI, Italia) e Indutherm
Erwärmungsanlagen GmbH (Walzbachtal, Germania). In precedenza è stato Responsabile della divisione di Metallurgia Fisica presso l’Istituto di Ricerca sui
Metalli Preziosi e la Chimica Metallurgica, FEM (Schwäbisch Gmünd, Germania).
Negli ultimi anni la fusione di precisione in cera persa dei gioielli in argento 925
è stata già tema di approfondite ricerche e pubblicazioni.
Nell’ottica del fornitore di leghe, sono stati necessari ulteriori studi per rispondere
in maniera ottimale alle crescenti richieste, spesso concorrenti, dei produttori di
gioielli in termini di superfici della massima qualità, minima difettosità, unicità del
design e processi di produzione efficienti dal punto di vista dei costi. Il presente
intervento motiva l’esigenza di una gamma di composizioni diverse per le leghe
in maniera che sia possibile rispondere ai diversi requisiti dei tanti produttori
esistenti a livello mondiale, illustrando pro e contro delle varie categorie di leghe,
soprattutto attraverso un confronto tra quelle che contengono silicio e quelle che
ne sono prive. Tra gli argomenti affrontati, porosità da gas e da ritiro, la reattività
con la cera persa, il riempimento dello stampo, la durezza, brillantezza degli alberi
di fusione, resistenza alle macchie di ossidazione, resistenza all’opacizzazione,
resistenza alla criccatura a caldo, formazione di residui nel crogiolo, la semplicità
d’uso, l’affidabilità e la produttività. Attraverso alcuni studi selezionati condotti su
articoli di clienti, si esemplificano le corrette impostazioni dell’apparecchiatura di
fusione e i parametri di fusione appropriati per ottenere un esito di alta qualità.
Rivisitazione della fusione dell’argento nell’ottica della Rivisitazione della fusione dell’argento
nell’ottica della lega
Introduzione
Negli ultimi anni la fusione di precisione in cera persa dei gioielli in argento 925 è stata già tema di approfondite ricerche e pubblicazioni,
e ciò ha contribuito a una maggiore comprensione di come si generano i difetti e delle misure atte a evitarli [1-3]. Tali ricerche, tuttavia,
sono state condotte per la maggior parte sul cosiddetto argento sterling standard (solo Ag+Cu), quantunque sul mercato mondiale risultino
dominanti le leghe d’argento contenenti tutta una varietà di aggiunte ulteriori, in svariate quantità. Nell’ottica del fornitore di leghe, sono
stati necessari ulteriori studi per rispondere in maniera ottimale alle crescenti richieste e alla grande varietà di esigenze specifiche dei
fabbricanti di gioielli.
A tale scopo, Legor ha condotto un progetto di ricerca interno che ha previsto prove di fusione con leghe che rappresentano l’intera gamma
delle variazioni esistenti. Sono stati realizzati degli alberi di prova composti da modelli appositi per la ricerca e pezzi tipici di clienti, in
condizioni di lavorazione definite, su una fonditrice VC 600 V Indutherm, con staffa a diverse temperature (Figura 1). L’analisi ha comportato
l’osservazione durante la fusione o allo stato grezzo di fusione, un’approfondita indagine metallografica del modello per la ricerca e la
valutazione delle superfici finite dei gioielli. I risultati sono stati interpretati anche in base al riscontro dei clienti sul comportamento di
tali leghe nel lungo periodo. Infine, sono state aggiunte alla prova anche le leghe di nuova composizione, o modificata, volte a migliorare
alcune proprietà specifiche. Come risultato, Legor ha recentemente proposto una nuova linea di leghe selezionate, disponibili sia pronte
per l’uso sia come materiale per lega madre, per la produzione di gioielli in argento di alta qualità (la linea Ag-Q).
Il presente intervento sintetizza le principali osservazioni e conclusioni della ricerca; esso intende ampliare le conoscenze tecniche e
trattare le diverse prestazioni delle leghe al variare delle condizioni di lavorazione – cosa che risulta difficilmente proponibile in dettaglio
sulle schede tecniche delle leghe generalmente fornite ai clienti.
Figura 1: Serie di alberi di prova realizzati in leghe differenti con identici parametri di fusione
L’aggiunta di sostanze leganti per le leghe in argento 925
La sezione seguente presenta, in sintesi, una panoramica delle sostanze leganti e le relative caratteristiche fondamentali per l’utilizzo nelle
leghe d’argento. I numeri qui riportati indicano la percentuale di peso e si riferiscono alla composizione finale della lega.
•
Rame (Cu): l’unica aggiunta per l’argento sterling standard (92,5% del peso Ag, 7,5% del peso Cu) e l’aggiunta principale per
la maggior parte delle variazioni della lega (da ~ 4,5 a 7% del peso). Incrementa la durezza dello stato grezzo di colata (as cast),
consente l’invecchiamento mediante trattamento termico e aumenta la resistenza durante l’incrudimento. Abbassa il punto di fusione
dell’argento e dà un ampio intervallo di fusione, rendendo la lega intrinsecamente più suscettibile alla criccatura a caldo rispetto alla
maggior parte delle leghe d’oro. Inoltre, il rame si ossida facilmente creando uno strato superficiale di ossido scuro sul getto grezzo
durante la fase di raffreddamento in aria (o durante il riscaldamento successivo, per esempio per la brasatura). Provoca anche una
ossidazione interna o sub-superficiale che può presentarsi con macchie di ossidazione (firestain, aree grigie, bluastre o rossastre)
sulla superficie finita. Infine, il rame accelera anche l’opacizzazione dell’argento.
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Zinco (Zn): viene utilizzato fino a ~ 2,5% del peso. Diminuisce la tensione superficiale della colata, aumentando quindi la fluidità e
favorendo il riempimento dello stampo, e riduce la rugosità della superficie. Insieme al silicio, contribuisce a evitare che si crei uno
strato superficiale di ossido scuro di rame e che appaiano macchie di ossidazione. L’alta pressione di vapore dello zinco può portare
all’emissione di fumi durante la fusione di leghe contenenti zinco e di conseguenza, secondo le condizioni di fusione, anche alla
perdita di zinco per evaporazione.
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Silicio (Si): viene utilizzato fino a ~ 0,2% del peso. Presenta maggiore affinità con l’ossigeno che con l’argento, il rame e lo zinco
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e funge quindi da disossidante della lega fusa; porta talora alla formazione di incrostazioni superficiali, a seconda dell’attrezzatura
impiegata e delle condizioni di lavorazione. Il silicio evita la formazione di uno strato superficiale di ossido scuro di rame creando di
preferenza uno strato lucido e bianco di ossido di silicio sui getti grezzi. Come lo zinco, aumenta la fluidità e favorisce il riempimento
dello stampo. Allarga anche l’intervallo di fusione; tende alla segregazione e a formare fasi basso-fondenti al bordo del grano,
aumentando il rischio di criccatura a caldo. Se impiegato in quantità elevate, il silicio insieme allo zinco riduce la velocità di
opacizzazione (tarnish) delle leghe argento-rame.
Affinatori del grano: i microallinganti - metalli ad elevato punto di fusione quali l’iridio - vengono aggiunti per affinare la struttura
del grano allo stato grezzo di colata (o ricotto). Le minori dimensioni del grano sono essenziali per migliorare la resistenza alla
criccatura a caldo. Sono importanti anche per un aumento complessivo della duttilità e per evitare l’effetto buccia d’arancia durante la
successiva lavorazione a freddo (rettifica degli anelli) dei getti.
Altri: Qualche volta si impiegano minime aggiunte di un metallo come l’indio (In), lo stagno (Sn) o il gallio (Ga), principalmente
come (parziale) sostituto dello zinco. Alcune leghe di produttori concorrenti contengono germanio, invece del silicio, per migliorare
la resistenza all’opacizzazione.
Categorie di leghe
In base alla composizione delle leghe e al relativo spettro di proprietà caratteristiche, abbiamo deciso di raggruppare una selezione delle
nostre leghe nel modo indicato sotto (tabella 1). Tale categorizzazione si è dimostrata utile sia per fonditori e responsabili di produzione che
per rappresentanti tecnici e commercianti; è un riferimento valido quando è necessario scegliere una lega e valutare attentamente alcune
esigenze specifiche, problemi di lavorazione o l’incidenza delle apparecchiature disponibili.
Categoria
Codice lega Legor
Silicio
Zinco
Osservazioni
“INOX”
AG108MA
++++
+++
AG-LITE
- no -
++++
Massima fluidità, resistenza a firestain e ossidazione,
riduzione della velocità di
opacizzazione
“FLEX”
SF928CHA
AG113MA
AG114MA
+++
++
+
+++
+++
++
Resistenza medio-alta a firestain e ossidazione,
affidabilità, semplicità di utilizzo
“EASY”
S925PHA
- no -
+++
S925PTA
- no -
+
La più facile da fondere e meno delicata,
impiego universale, alta produttività
Tabella 1: Panoramica delle categorie di leghe d’argento
Le leghe “EASY” prive di silicio si possono considerare le più vicine all’argento sterling standard, con il vantaggio del grano alquanto
affinato – cosa che le rende particolarmente idonee sia per la fusione a cera persa sia per le lavorazioni meccaniche.
Le leghe “FLEX”, specialmente quelle con un basso tenore di silicio, si possono considerare un compromesso: il vantaggio dell’effetto
disossidante si abbina a un grado di protezione contro l’ossidazione del rame, con la semplicità d’uso e i vantaggi delle leghe prive di
silicio.
Una lega “INOX” a elevato tenore di silicio è in grado di dare i getti più bianchi, quindi è particolarmente indicata per la fusione con pietre
pre-incassate; presenta inoltre la protezione più elevata contro i fenomeni di scolorimento, in tutte le condizioni. La lega AG-LITE di questa
stessa serie, priva di silicio, è una nuova formulazione in grado di evitare le macchie di ossidazione e ridurre notevolmente l’opacizzazione
grazie all’assenza di rame; è illustrata in modo più particolareggiato in un altro documento di questa stessa pubblicazione [4].
Le leghe “EASY” presentano il grado maggiore di riutilizzabilità, dal quale consegue il rapporto più elevato tra scarto e nuovo metallo.
Per tutte le leghe contenenti silicio, bisogna sempre ricordare che il silicio si può consumare parzialmente in fase di fusione e colaggio,
così che cicli consecutivi di rifusione possono esaurirlo il silicio. In linea di massima, un rapporto tra scarto e nuovo metallo superiore al
50% non è consigliabile. Il consumo maggiore di silicio avviene nei sistemi di fusione aperti, in cui la protezione contro l’ossidazione è
scarsa.
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Preparazione della lega e granuli; lega madre contro lega pronta per l’uso
Se si utilizza una lega madre, la lega finale di argento 925 deve essere preparata con una pre-fusione e granulazione in acqua. La
migliore qualità si ottiene con la fusione per induzione in un’apparecchiatura a camera chiusa, che consente di realizzare la fusione in
condizioni protette o quanto meno controllate. La fusione per induzione genera agitazione e rimescolamento del bagno senza che sia
necessario effettuare manualmente il rimescolamento – cosa che consentirebbe l’ingresso di aria nel bagno. Per legare si dovrebbe
utilizzare argento puro opportunamente degassato (<10ppm ossigeno). Ove ciò non sia possibile, l’argento puro deve essere prima fuso
e degassato, preferibilmente sottovuoto, per poi procedere al riempimento della camera di fusione con un gas di protezione e all’aggiunta
della lega madre attraverso un alimentatore. La lega pronta non dovrebbe mai essere tenuta a lungo sottovuoto allo stato fuso, onde evitare
un’eccessiva evaporazione dello zinco.
Per una fusione di gioielli in argento di alta qualità, l’elemento cruciale è la qualità del materiale pre-fuso e granulato. I granuli dovrebbero
essere lucidi, sferici e di dimensioni uniformi; è rigorosamente necessario evitare l’utilizzo di granuli ossidati, dalla forma irregolare o che
presentano fori, poiché vi è il rischio di inclusioni d’acqua interne (Figura 2). L’esperienza ha dimostrato che con le leghe d’argento contenenti
silicio è più difficile preparare granuli di alta qualità. Per l’argento commerciale puro, inoltre, sono piuttosto comuni le fluttuazioni del
contenuto di gas. Per tutti questi motivi l’acquisto di leghe d’argento pronte per l’uso, già attentamente preparate dal fornitore con argento
puro di qualità certificata, apporta notevoli vantaggi e la massima affidabilità delle varie partite.
a
b
Figura 2: a) granuli di forma irregolare, contro b) granuli sferici
Residuo nel crogiolo
Qualunque fonditore vorrebbe vedere la superficie del bagno lucida come uno specchio. Con le leghe che contengono silicio, spesso
si nota la formazione di scorie sulla superficie del bagno e il deposito di un residuo nel crogiolo, dopo la colata. Ciò richiede dei tempi
ulteriori per la pulizia del crogiolo e dell’asta di colata, prima di poter preparare la colata successiva, con una conseguente perdita di
produttività. Le leghe prive di silicio tendono solitamente a lasciare dei residui trascurabili nel crogiolo, a prescindere dalle condizioni
di fusione e dall’apparecchiatura utilizzata. Perciò, per le aziende che devono realizzare la colata di un numero elevato di staffe ogni ora,
l’impiego di leghe prive di silicio o con un tenore minimo di silicio costituisce, da questo punto di vista, la scelta migliore.
In ogni caso, la tendenza a formare residui nel crogiolo dipende in misura cruciale dall’apparecchiatura di fusione e dalle condizioni di
lavorazione. La formazione di scorie e residui è dovuta all’esposizione dei granuli all’aria durante il riscaldamento e il colaggio, esposizione
che provoca una eccessiva ossidazione del silicio.
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Figura 3: Residuo nel crogiolo
La più importante ossidazione del metallo e formazione di residui potrebbe verificarsi in un impianto di fusione aperto privo di protezione.
Tuttavia, l’uso di un gas di copertura è una prassi standard che riduce di molto la formazione di scorie. Risulta inoltre abbastanza diffuso
l’impiego di borace per la fusione con impianto aperto, elemento che mantiene le scorie allo stato liquido e riduce la quantità di residui
nel crogiolo.
Per la produzione di volumi elevati, è senz’altro più diffusa la scelta di apparecchiature più moderne, a camera chiusa. Per queste
apparecchiature non è consigliato l’uso della borace, poiché la formazione di scorie si può evitare con una migliore lavorazione (in tal modo
si possono eliminare inconvenienti e rischi caratteristici della borace: strato vetroso sull’asta di colata che provoca perdite, deterioramento
qualitativo dello scarto metallico, formazione di inclusioni, ecc.). La camera di fusione chiusa viene continuamente spurgata con gas
di protezione, ma in questo caso il processo dipende dall’operatore e dal modo in cui la macchina è programmata. Può verificarsi una
più rilevante ossidazione del metallo e formazione di residui nel crogiolo se il metallo è alimentato in un crogiolo già preriscaldato alla
temperatura di fusione, e l’operatore impiega un tempo troppo lungo per la fase di riempimento e per la successiva chiusura della finestra
o del coperchio della macchina, lasciando così entrare troppa aria nella camera di fusione. Le condizioni di lavorazione ottimali prevedono
il riempimento di un crogiolo che sia stato lasciato raffreddare e portato a una temperatura inferiore, dopo la precedente colata; una
chiusura rapida del coperchio o finestra; l’immediata evacuazione della camera di fusione per ~ 1’ e, a seguire, il riempimento con il gas
di protezione. Un processo di questo tipo aumenta anche la durata dei crogioli in grafite, grazie alla minore bruciatura della grafite in aria.
In conclusione, anche con leghe dall’elevato tenore di silicio si possono realizzare con successo fusioni e colate senza la formazione di
residui nel crogiolo; tali leghe possono pertanto essere impiegate per la produzione di volumi elevati, se si provvede a un buon controllo
della lavorazione.
Brillantezza e ossidazione dell’albero allo stato grezzo di colata
Che un albero allo stato grezzo di colata sia di colore carico e lucido è spesso un requisito prioritario, specialmente per le aziende che
realizzano la fusione con pietre pre-incassate. In questi casi, le leghe delle categorie “FLEX” o “INOX” con un tenore di silicio medio-alto
costituiscono l’unica scelta sicura. Nel caso delle leghe prive di silicio, si possono eliminare con il decapaggio gli strati di ossido scuro
di rame dalla superficie degli alberi allo stato grezzo di colata, ma talora risulta difficile rimuoverli completamente da sotto le pietre. Una
lega “INOX” ad alto tenore di silicio consentirà di ottenere un albero di colore più vivo in tutte le condizioni di produzione (Figura 4a) e
un metallo dal colore più bianco dopo la finitura, motivo per cui essa risulta particolarmente interessante per la fusione con pietre preincassate. Inoltre, la maggiore fluidità della lega permette di utilizzare le staffe a una temperatura inferiore, riducendo quindi il rischio di
danneggiare le pietre.
Al di là di questo, spesso le esigenze delle aziende che realizzano la fusione conto terzi, fornendo quindi ai propri clienti dei getti grezzi,
differiscono da quelle delle aziende che lavorano i getti grezzi internamente realizzando anche la finitura. Per chi fonde conto terzi, l’aspetto
del prodotto grezzo è importante. Il colore e la brillantezza possono dipendere dal tipo di soluzione di decapaggio, da quanto questa è
“vecchia”, nonché dalla durata dell’operazione di decapaggio; perciò le leghe contenenti silicio, che presentano una superficie lucida già
allo stato grezzo di colata, consentono di ottenere risultati più uniformi. Per le aziende che realizzano internamente le operazioni di finitura,
il colore del metallo allo stato grezzo di colata o dopo il decapaggio dovrebbe rivestire minore importanza: un’alternativa possibile sono le
leghe “EASY”, che non contengono silicio, in particolare se si tiene conto delle questioni illustrate di seguito.
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a
b
c
Figura 4: Colore dell’albero allo stato grezzo di colata, dopo averlo liberato dal guscio (prima del decapaggio), con leghe differenti:
a) lega ad elevato tenore di silicio, AG108MA, raffreddamento staffa 1’ nella camera, 20’ in aria;
b) argento sterling standard privo di silicio, raffreddamento staffa 1’ nella camera, 20’ in aria;
c) lega senza silicio, S925PHA, raffreddamento staffa 1’ nella camera + tempra immediata.
In base alla composizione della lega, la brillantezza dell’albero allo stato grezzo di colata dipende in misura significativa anche dal
procedimento impiegato per il raffreddamento della staffa, dopo la colata. Il procedimento standard consiste nel togliere la staffa dalla
camera ~ 1’ dopo la colata, poi raffreddare in aria altri 10-20’ e infine procedere alla tempra. Nel caso delle leghe che non contengono
silicio, la superficie dell’albero allo stato grezzo di colata è ricoperta da uno strato grigio o scuro di ossido rame, secondo la temperatura
della staffa (Figura 4b). L’ossidazione può essere drasticamente ridotta lasciando la staffa nella camera per un tempo più lungo (per
esempio 3-5’), sottovuoto o con un gas di protezione (il vuoto va scaricato spurgando con gas di protezione, e non con aria); dopo aver
tolto la staffa dalla macchina si procede immediatamente alla tempra. In questo caso, si nota un leggero scolorimento grigio o talora
giallastro (Figura 4c). Con questo procedimento si evita anche l’ossidazione interna (sub-superficiale) del rame presente nella lega, cosa
che elimina le macchie di ossidazione per le leghe prive di silicio e migliora notevolmente la qualità del metallo di scarto. Per le leghe che
contengono silicio, un procedimento simile non ha pressoché alcuna rilevanza dal momento che le diverse modalità di raffreddamento
della staffa non incidono granché sulla brillantezza dell’albero allo stato grezzo di colata. Tuttavia, un raffreddamento in condizioni protette
riduce il consumo del silicio e migliora la qualità del metallo di scarto.
Resistenza alle macchie di ossidazione
Le macchie di ossidazione (firestain o firescale) si presentano come aree scolorite o “nubi” grigie (talora bluastre o rossastre) sulla superficie
finita (Figura 5a), e una finitura accurata non è sufficiente per eliminarle completamente [2]. Quantunque questo difetto si possa evitare
con una scelta più adeguata della lavorazione o della lega, alcune aziende semplicemente lo nascondono con uno strato sottile di argento
galvanico. Le macchie di ossidazione sono causate da un particolare fenomeno di ossidazione sub-superficiale, ossia l’ossidazione interna
del rame presente nella lega, quando l’ossigeno dell’aria ha la possibilità di diffondersi all’interno del metallo caldissimo durante la fase di
raffreddamento della staffa in aria, dopo la colata. Per le leghe “EASY” prive di silicio, si può evitare la formazione di tali macchie con un
raffreddamento controllato delle staffe, già illustrato sopra: ~ 4’ nella camera, basandosi sulla temperatura della staffa, e a seguire subito
la tempra (Figura 5b). Le macchie di ossidazione possono svilupparsi anche durante il successivo riscaldamento del metallo in aria, per
un processo di brasatura. Il correttivo cui ricorrere contro le macchie di ossidazione, in qualunque condizione e nella massima sicurezza,
è la scelta di una lega contenente silicio della gamma “INOX” o “FLEX” (Figura 5c), dato che il silicio protegge il rame dall’ossidazione
formando di preferenza ossido di silicio. L’efficacia a lungo termine di questa misura, nell’ambito di un processo di produzione che
presuppone la rifusione degli scarti, dipende comunque dal contenuto di silicio della lega. Per le leghe a basso tenore di silicio, il possibile
consumo del silicio può costituire un problema; bisogna pertanto prestare particolare attenzione al controllo delle fasi di riscaldamento e
fusione (evitando la formazione di scorie e residuo nel crogiolo), nonché a quella di raffreddamento delle staffe dopo la colata.
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a
b
c
d
e
f
Figura 5: Studio di un caso concreto con leghe differenti per il pezzo di un cliente: superfici finite e sezioni metallografiche:
a)+b) lega senza silicio, raffreddamento staffa 1’ nella camera, 20’ in aria (campione così come ricevuto per l’analisi dei difetti);
c)+d) lega senza silicio, S925PHA, raffreddamento staffa 4’ nella camera + tempra immediata;
e)+f) lega ad elevato tenore di silicio, AG108MA, raffreddamento staffa 1’ nella camera, 20’ in aria.
A prescindere dal tipo di lega, la quantità di ossidazione dei costituenti della lega (che si parli di rame, zinco, silicio...) si riduce al
minimo con un raffreddamento delle staffe in condizioni controllate, che garantiscano una maggiore protezione, e ciò si traduce anche
in una migliore qualità degli scarti di metallo e, di conseguenza, una migliore qualità delle colate pur mantenendo la stessa proporzione
tra scarti e nuovo metallo: minore contaminazione da ossigeno, che significa minore porosità da gas e meno difetti per inclusioni di
ossidi. Un’argomentazione che va contro il procedimento in condizioni protette è quella del tempo aggiuntivo da dedicare alla fase di
raffreddamento, con un conseguente calo della produttività. Benché ciò sia vero per il reparto fusione, si trascura il fatto che si potranno
risparmiare tempo e sforzi in fase di finitura e di riparazione. In ogni modo, la produttività può aumentare nuovamente se la sequenza della
fusione viene organizzata in modo che i passaggi si sovrappongano, ossia: iniziare la fusione per la colata successiva mentre la staffa
precedente è in fase di raffreddamento controllato nella camera.
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Si tratta di un’operazione facile da realizzare con una macchina ad azionamento manuale, ma anche le più moderne macchine programmate
possono essere impostate per utilizzarle in questo modo.
Resistenza all’opacizzazione
L’opacizzazione (tarnish) è un processo di scolorimento delle superfici finite (dall’ingiallimento all’annerimento); può verificarsi a
temperatura ambiente per la reazione chimica dell’argento con un’atmosfera ricca di umidità, di composti di cloro o zolfo, agenti chimici,
sudore, materiali da imballaggio e così via. Poiché numerosi testi di pubblicazioni passate e presenti [4] approfondiscono il tema delle
leghe che presentano una maggiore resistenza al tarnish, tale argomento non è trattato qui in dettaglio. Bisogna tuttavia notare che alcune
leghe disponibili sul mercato e commercializzate come “anti-tarnish”, “esenti da tarnish” o “a prova di tarnish” sono semplicemente leghe
a base rame con un tenore di silicio da basso a medio, paragonabili alle leghe della gamma “FLEX” di Legor. Se si possono definire
“disossidate”, “prive di firescale” o “resistenti al firestain”, queste leghe sono comunque lungi dall’essere resistenti al tarnish. Possono
offrire solo una velocità di opacizzazione leggermente ridotta, a paragone delle leghe prive di silicio o dell’argento sterling standard, a
seconda delle prove di laboratorio e delle condizioni ambientali. In ogni caso, un significativo miglioramento della resistenza al tarnish per
le leghe a base rame si ottiene solamente con un elevato tenore di silicio o germanio oppure, nel caso di leghe speciali, con una drastica
riduzione o addirittura assenza del rame, talora sostituito da metalli preziosi assai costosi quali palladio o addirittura platino.
Resistenza alla criccatura a caldo
Specialmente per le leghe caratterizzate da un ampio intervallo di fusione, come tutte le leghe d’argento 925, la criccatura o frattura a caldo
(hot cracking, hot tearing) può rappresentare un problema. La criccatura a caldo si verifica principalmente quando una sollecitazione
meccanica agisce sul metallo durante le fasi finali della solidificazione, cioè quando, durante la crescita del grano, non rimane che una
piccola quantità di metallo liquido tra i grani. Il ritiro termico del metallo in via di solidificazione abbinato alla dilatazione termica dello
stampo (che si riscalda a contatto con il metallo caldissimo) esercita delle sollecitazioni localizzate che fratturano il metallo. La frattura
a caldo si produce generalmente sul gambo dell’anello, dal lato opposto rispetto al punto di attacco del canale di alimentazione; il
problema è ben noto per le leghe d’argento sterling standard a grano grosso. Di conseguenza, i problemi di criccatura a caldo si riducono
notevolmente, in generale, utilizzando leghe a grano affinato, per esempio quelle della gamma “EASY”.
Per prevenire i problemi di criccatura a caldo è utile anche evitare ulteriori sollecitazioni non necessarie del metallo durante la fase di
solidificazione. Per questo motivo (oltre che per quelli già indicati in precedenza) si raccomanda, come procedura standard per le leghe
della gamma “EASY”, di lasciare le staffe nella macchina di fusione per qualche minuto, dopo la colata; è possibile invece procedere
alla tempra subito dopo aver tolto le staffe dalla camera (senza che si verifichi alcun problema di criccatura a caldo). Anche gli oggetti
dal disegno più pesante risultano completamente solidificati nell’arco di ~ 3-4’ dopo la colata, a meno di non aver portato la staffa a una
temperatura inutilmente elevata.
Si dice spesso che le leghe contenenti silicio sono più suscettibili alla criccatura a caldo, rispetto alle leghe prive di silicio. Per la fusione
di leghe contenenti silicio, la procedura standard di raffreddamento della staffa consiste ancora nel togliere la staffa ~ 1’ dopo la colata, e
procedere alla tempra dopo un raffreddamento in aria, fuori dalla macchina, di 10-20’. Così facendo è raro che si presentino problemi di
criccatura a caldo, a prescindere dalla temperatura della staffa, se la staffa viene spostata con attenzione e lasciata fuori dalla macchina
senza muoverla.
In base alla nostra ricerca, neanche la fusione con le leghe della gamma “FLEX” e “INOX”, che contengono silicio, presenta problemi di
criccatura a caldo – se la staffa rimane protetta e non viene mossa per ~ 4’ all’interno della camera (e, a seguire, passa immediatamente
alla tempra oppure subisce un ulteriore raffreddamento in aria prima della tempra), purché la temperatura della staffa non sia superiore a
~ 500-540°C (930-1000°F), secondo il disegno dei pezzi. Per temperature della staffa più elevate si dovranno aumentare i tempi delle fasi
di raffreddamento all’interno della camera e di tempra.
Il rischio maggiore di criccatura a caldo che per certi versi contraddistingue le leghe contenenti silicio, a confronto con le leghe prive di
silicio, ha una spiegazione teorica. Il silicio tende a segregare nelle aree ai bordi del grano durante la fase di solidificazione, dove può
arrivare a formare delle fasi basso-fondenti. Ciò si traduce in un più ampio intervallo di fusione, da un’ampiezza tipica ∆T~120°C (250°F)
per le leghe prive di silicio, a ∆T~150-170°C (300-340°F) per le leghe dal tenore di silicio medio-alto. Anche il tempo di solidificazione
risulta aumentato: per esempio, un pezzo per la completa solidificazione del quale siano necessari 1,5’ impiegando una lega priva di silicio,
con una temperatura della staffa di 500°C (930°F), necessiterà invece di circa 2,5’ impiegando una lega a medio-alto tenore di silicio. Di
conseguenza, per le leghe che contengono silicio risulta più ampia la zona di rischio (intervallo di temperatura e temporale) durante la
quale può verificarsi la criccatura a caldo. Se l’operatore sa tutto questo e ne tiene conto controllando tutte le fasi del processo, le leghe
d’argento contenenti silicio si possono impiegare senza maggiori problemi di eventuale criccatura a caldo.
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Porosità
Dopo quanto illustrato sopra, rimane da considerare la porosità – che è il problema dominante nella fusione dell’argento, in particolare per
quelle aziende o prodotti per i quali conta la qualità della superficie, pur in presenza di margini ridotti.
La porosità, inoltre, può essere di diversi tipi, i quali possono persino sovrapporsi sullo stesso oggetto; a volte risulta quasi impossibile
distinguere tra uno e l’altro senza un’approfondita analisi di laboratorio. Di seguito si esaminano i diversi tipi di porosità e le relative
differenze tra le leghe.
Porosità da gas
Le leghe d’argento e l’argento fuso, se esposti all’aria, possono assorbire ingenti quantità di ossigeno. Il gas disciolto allo stato liquido
viene nuovamente espulso durante la solidificazione, e ciò genera pori da gas di forma grosso modo sferica. Una certa quantità di residui
di gas disciolto viene espulsa durante le fasi finali della solidificazione, quindi in zone interdendritiche, cosa che genera una microporosità
delle superfici finite difficilmente distinguibile dalla microporosità provocata da livelli residui di porosità interdendritica (da ritiro).
La porosità da gas si riduce al minimo evitando l’ossigeno disciolto nella colata, quindi principalmente con delle condizioni di lavorazione
ottimali. Vi sono una serie di misure che è possibile adottare, come illustrato più dettagliatamente altrove [2]:
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Utilizzo di argento puro, degassato, per la preparazione della lega – meglio: impiego di una lega pronta per l’uso
opportunamente preparata dal fornitore
Pulizia accurata (meglio se rifusione e degassaggio) dello scarto metallico prima della nuova fusione
Tutte le operazioni di fusione sempre con gas di protezione; meglio se si effettua l’evacuazione della camera di fusione per ~
1’ dopo aver introdotto il metallo nel crogiolo, e a seguire riempimento con gas di protezione
Riempimento della staffa nell’apparecchiatura di fusione almeno 1’ prima del colaggio, per assicurare l’evacuazione lasciando
un tempo sufficiente affinché lo stampo si svuoti d’aria
Dopo il colaggio: scaricare il vuoto dopo ~ 1’ riempiendo la camera della staffa con gas di protezione, poi lasciare la staffa
nella camera con il gas di protezione, meglio se fino alla completa solidificazione
Il silicio contenuto nelle leghe della gamma “FLEX” o “INOX” agisce da disossidante e può combinarsi con l’ossigeno disciolto per formare
ossido di silicio. Per ciò, le leghe di queste tipologie presentano una minore suscettibilità alla porosità da gas rispetto alle leghe prive di
silicio, in condizioni di lavorazione non ottimali (quali, ad esempio, la fusione in un impianto aperto). Tuttavia, ciò porta inevitabilmente al
consumo del silicio, alla formazione di scorie durante la fusione e talora alla formazione indesiderata di residui nel crogiolo. Nel caso delle
leghe contenenti silicio, pertanto, è preferibile adottare migliori condizioni di lavorazione.
Porosità da ritiro
I pori da ritiro presentano solitamente forma irregolare. Sulle superfici possono apparire cavità di ritiro di dimensioni maggiori nonché
zone “spugnose” (la cosiddetta porosità interdendritica da ritiro). La causa è da ricercare nell’improvviso ritiro dell’argento (diversi punti
%) in fase di solidificazione, cosa che avviene per la maggior parte dei metalli.
Un prodotto è esente da porosità da ritiro soltanto se il metallo liquido scorre in modo continuo dal canale di colata, attraverso il canale di
alimentazione, all’interno del prodotto. A tale scopo è necessario dimensionare e posizionare correttamente i canali di alimentazione, in modo
tale che questi ultimi si solidifichino dopo rispetto al prodotto, e il canale di colata ancora più tardi rispetto al canale di alimentazione: questa
è la cosiddetta solidificazione direzionale. Se funziona perfettamente, la porosità da ritiro si accumula tutta nel sistema di alimentazione.
Se i canali di alimentazione non sono correttamente dimensionati o posizionati, il rischio di ottenere un prodotto che presenta porosità da
ritiro aumenta al diminuire delle temperature della staffa e della colata [1]. In molti casi non è facile apportare un miglioramento al sistema
di alimentazione, e si ricorre allora a una temperatura superiore della staffa e della colata per compensare le mancanze del sistema di
alimentazione e per favorire la solidificazione direzionale. Questa pratica è accettabile nella misura in cui le temperature troppo elevate non
danno luogo a reazioni tra metallo e stampo (si veda la sezione seguente).
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Figura 6: Porosità da ritiro di leghe differenti, con identiche condizioni di fusione, temperatura della staffa 380°C (716°F); a) modello di prova progettato
per lo sviluppo di porosità da ritiro; b) lega senza silicio, S925PHA; c) lega a medio tenore di silicio, SF928CHA; d) lega ad alto tenore di silicio,
AG108MA
Le leghe con un intervallo di fusione molto ampio sono più soggette alla porosità da ritiro, dal momento che diventa via via più difficile fare
scorrere il metallo liquido attraverso la rete interdendritica in fase di crescita. Le nostre ricerche ne danno conferma; abbiamo riscontrato,
in modo riproducibile (con pezzi identici e i medesimi parametri di processo), una quantità leggermente maggiore di porosità da ritiro per
le leghe che contengono silicio (maggiore ampiezza dell’intervallo di fusione), a confronto con le leghe prive di silicio (Figura 6a+b). Per le
leghe con un tenore di silicio molto elevato, questo inconveniente viene in certa misura compensato dalla maggiore fluidità, che favorisce
non solo il riempimento dello stampo ma anche lo scorrimento interdendritico durante la solidificazione (Figura 6c).
Porosità da gas “simile al ritiro” dovuta alla reazione con lo stampo
Le leghe d’argento e l’argento allo stato fuso sono molto più reattivi con stampi a legante gesso di quanto probabilmente si ritenesse finora.
Una delle reazioni possibili è la decomposizione del materiale dello stampo in prodotti gassosi che, a loro volta, causano una porosità da
gas nel getto. Il problema relativo a questo particolare tipo di porosità da gas è che, nel caso delle leghe con un intervallo di fusione ampio
quali l’argento 925, generalmente essa produce delle zone “spugnose” sulle superfici allo stato grezzo di colata oppure finite, di aspetto
molto simile a quello alla porosità da ritiro. Il gas prodotto dalla decomposizione dello stampo semplicemente respinge la colata dalle
regioni interdendritiche esposte inviandola verso la superficie, cosicché rimane una superficie dendritica aperta [2].
Contrariamente alla porosità da ritiro, la porosità da gas “simile al ritiro” si accentua con l’aumento delle temperature di staffa e di colata.
Se essa ha come causa ovvia le temperature di processo troppo elevate, spesso il fattore scatenante è una deceratura inadeguata, cottura
inadeguata, stampo scadente oppure oltre la durata di conservazione a magazzino.
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Figura 7: Porosità di leghe differenti in condizioni di fusione identiche, temperatura della staffa 580°C (1076°F); a) modello di prova; b) lega senza
silicio, S925PHA; c) lega a medio tenore di silicio, SF928CHA; d) lega ad alto tenore di silicio, AG108MA
Le leghe che contengono disossidanti sono note per la loro maggiore reattività con il materiale dello stampo. Ciò è indicato anche dalle
nostre ricerche, che rivelano una suscettibilità leggermente maggiore alla porosità da gas “simile al ritiro” (superficie allo stato grezzo
di colata più irregolare e scanalata) per le leghe contenenti silicio, rispetto alle leghe prive di silicio, ricorrendo a una temperatura della
staffa elevata (Figura 7). Anche un più ampio intervallo di fusione e una maggiore durata della fase di solidificazione delle leghe contenenti
silicio, in teoria, possono incidere in questo contesto.
In sintesi, le leghe prive di silicio della gamma “EASY” si possono considerare di più semplice impiego per quanto riguarda la porosità.
Per le leghe “FLEX” e “INOX”, che contengono silicio, può essere necessario prestare maggiore attenzione al sistema di alimentazione e
alla scelta della temperatura della staffa e della colata. Ciò risulterà più facilmente attuabile nel caso di produzione di serie numerose di
un medesimo pezzo, piuttosto che di fusione di serie limitate di pezzi o di pezzi singoli, in cui disegni diversi sono collocati insieme sullo
stesso albero.
Conclusione
Sono molti i diversi criteri e priorità che possono portare a considerare la stessa lega come “eccellente” per un cliente e “pessima” per un
altro. Nel caso dei gioielli in argento realizzati per fusione, esistono una serie di leghe differenti che si possono suddividere in 3 gamme
principali; tutte si dimostrano valide, a seconda delle esigenze del cliente e delle condizioni di lavorazione.
Un parametro importante per le leghe è il contenuto di silicio. Tanto le leghe prive di silicio quanto quelle ad elevato tenore di silicio
presentano vantaggi e svantaggi caratteristici. Nasce perciò l’esigenza di avere a disposizione una serie di leghe dal tenore di silicio
intermedio (da basso a medio), che rappresenta un compromesso tra vantaggi e svantaggi.
Il primo compito del fornitore è quello di conoscere in maniera dettagliata i pro e i contro delle diverse leghe; in secondo luogo, il fornitore
deve comprendere le esigenze del singolo cliente per poter fare, insieme a questi, la scelta migliore possibile sulla lega adeguata. Infine,
è possibile realizzare gioielli d’argento d’alta qualità con tutte le leghe di tipo diverso, anche se a tal fine spesso saranno necessari degli
aggiustamenti specifici delle condizioni di lavorazione.
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Ringraziamenti
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Ai colleghi del Laboratorio di ricerca Legor: Fabio Bottelli, Jacopo Carli e Matteo Miconi
Alle molte aziende che hanno collaborato, in particolare Indutherm GmbH (Germania)
Riferimenti
1. J. Fischer-Bühner, “Computer simulation of jewellery investment casting: What can we expect?”, in 3rd International conference on
Jewellery Production Technology 2006 (JTF, Vicenza1 / Italia), p. 248-268; e in The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing
Technology 2006, ed. Eddie Bell (Albuquerque: Met-Chem Research, 2006), p. 193-215
2. J. Fischer-Bühner, “Improvement of sterling silver investment casting”, in 3rd International conference on Jewellery Production
Technology 2006 (JTF, Vicenza / Italia), p.124-149; e in The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology 2006, ed.
Eddie Bell (Albuquerque: Met-Chem Research, 2006), p. 217-249
3. Riferimenti in [1] e [2]
4. A. Basso et al., “The silver tarnishing: Reasons and possibilities”, in attesa di pubblicazione in 6th International conference on
Jewellery Production Technology 2010 (JTF, Vicenza / Italia, 2010)
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