Klaus Wiesner Wieland Industries, D

Klaus Wiesner
Wieland Industries, D
Klaus Wiesner opera nel settore dei metalli preziosi dal
1976. Attualmente lavora per la divisione metalli preziosi
presso Wieland Industries (Pforzheim, Germania), dove
è responsabile della sezione sviluppo nuovi prodotti, oltre che del supporto tecnico e della vendita di prodotti
industriali. Grazie alla sua esperienza, Wiesner è stato
pubblicamente riconosciuto dalla Camera dell’Industria
e del Commercio Tedesca quale esperto nella produzione di metalli preziosi. A tale riguardo, egli è iscritto
all’albo e offre consulenze private. Ha effettuato diversi
seminari sulle tecniche di fusione e lavora come consulente in Germania per Platinum Guild International. Ha
partecipato come relatore a vari simposi tecnici in tutto
il mondo ed è autore di rinomati articoli e memorie sulla
tecnologia orafa. Ha ottenuto più di un brevetto in tali
settori ed è un membro della German Foundry Association (Associazione delle Fonderie Tedesche).
La tecnologia di sinterizzazione, vale a dire l’utilizzo del calore (senza fusione) per creare una massa consistente che si
traduce in connessioni permanenti e nella saldatura, è sempre
stato un processo industriale comune. Negli ultimi 15 anni,
la sinterizzazione si è affermata nel settore della gioielleria, ha
semplificato ed ha reso più vantaggiosa la produzione di fedi ed
anelli multicolore. Tuttavia, anche se si tratta di una tecnologia
particolarmente semplice, il processo di lavorazione può presentare dei problemi ed è di fondamentale importanza possedere
un’esperienza consolidata nella lavorazione dei metalli e nella
produzione di gioielli per padroneggiare la tecnologia. L’articolo descrive il processo di sinterizzazione per la produzione di
gioielli e dispensa alcuni consigli e stratagemmi per beneficiare
della tecnologia.
Tecniche di sinterizzazione per gioielleria e per la produzione
di anelli multicolore.
Gli articoli di gioielleria fabbricati con diverse combinazioni di leghe allo scopo di
ottenere colorazioni caratteristiche e distintive, si sono conquistati un ampio favore
tra i consumatori più attenti ed esigenti. Queste combinazioni cromatiche sono
particolarmente apprezzate dai designer che ambiscono a creare pezzi innovativi, con
una forte connotazione distintiva che li differenzi nel mondo in costante evoluzione della
moda.
Le vetrine dei negozi di gioielleria più in vista espongono articoli sorprendenti, realizzati
nelle più svariate combinazioni di colore (giallo/bianco, rosso/bianco, rosso/giallo,
giallo/rosso/bianco e bianco/grigio), cui si aggiungono combinazioni con diverse
gradazioni di bianco. Alcune di queste combinazioni di metallo/colore sono prodotte
mediante placcatura galvanica; altri oggetti di gioielleria, come quali ad esempio le
fedi nuziali, non vengono semplicemente ricoperti con depositi metallici superficiali,
perché il rivestimento è destinato in breve tempo ad essere asportato per sfregamento
dalla superficie delle fedi, e questo in ragione del fatto che il processo di placcatura
galvanica non ha una resistenza prolungata all’usura. I fabbricanti combinano quindi
leghe metalliche di diverso colore per ottenere pezzi di gioielleria variamente colorati.
Interessanti combinazioni cromatiche possono essere ottenute in gioielleria grazie ad
una serie di tecniche di fabbricazione. Dispositivi di giunzione meccanica, quali rivetti,
viti, perni, ecc. possono essere impiegati per unire pezzi di diverso colore. Collegamenti
permanenti possono essere realizzati mediante brasatura dolce (allo stagno), brasatura
forte (ad ottone), saldatura autogena, puddellaggio, fusione bimetallica e sinterizzazione.
Ciascuna delle tecniche impiegate per l’unione di leghe allo scopo di ottenere accattivanti
combinazioni cromatiche si associa, naturalmente, a vantaggi e a svantaggi.
Figure 1 e 2 Anelli multicolore
January 2008 Gennaio
Le giunzioni meccaniche come rivetti, viti, ecc. sono inevitabilmente molto visibili e ciò
si ripercuote sull’attrattiva del pezzo creato, che risulta così sminuita.
Le giunzioni permanenti, come nel caso della brasatura, dolce o forte, richiedono
l’apporto di un terzo materiale, indispensabile per far aderire e unire due diversi materiali
di partenza. Il materiale impiegato per la brasatura, ossia la lega saldante, ha proprie
caratteristiche fisiche che sono sempre completamente diverse da quelle dei due metalli
base da unire. Sfortunatamente, la maggior parte delle leghe saldanti sono meno resistenti
al tarnish e alla corrosione delle leghe da unire. I saldanti sono cromaticamente diversi
rispetto alle leghe che compongono i materiali da unire e ciò costituisce un ulteriore,
considerevole svantaggio. Il conseguente scolorimento dovrà quindi essere mascherato
mediante placcatura galvanica, anche questa destinata a consumarsi nel tempo per effetto
dello sfregamento. Quando un fabbricante ricorre a tecniche di giunzione permanente,
come nel caso della saldatura autogena, non sono richiesti materiali aggiuntivi, tuttavia,
il calore generato da questa tecnica di giunzione porta alla creazione di una lega di
nuova composizione e di una corrispondente, nuova colorazione nel punto d’unione
dei componenti. Quest’area assume le proprietà di una nuova lega, caratterizzata da un
diverso colore e questa tecnologia impedisce la creazione di linee di colore nettamente
distinte tra le diverse leghe.
Altri metodi di giunzione, come la fusione bimetallica, il rivestimento a rullo, la
compattazione con esplosivo/ saldatura per esplosione, ecc. sono operazioni ad
altissima intensità di lavoro e decisamente non convenienti nella fabbricazione di oggetti
di gioielleria. Tutti gli svantaggi e le difficoltà finora descritte costituiscono valide ragioni
a spiegazione del perché la tecnologia di sinterizzazione possa rivelarsi così interessante
per i produttori di gioielli. I vantaggi che questa tecnologia offre possono essere così
sintetizzati:
Il processo di sinterizzazione offre il miglior metodo di collegamento permanente
di materiali diversi per la produzione di articoli di gioielleria. L’eliminazione dei metalli
d’apporto consente la netta demarcazione dei bordi che delimitano leghe di diversa
colorazione. Scompaiono anche i cordoni di saldatura colorati e con essi le ovvie ed
evidenti porosità soggette a corrosione e a tarnish.
Joining techni ques for jewell ery production
Mechanical Joinings
Bi Metal Casting
Soldering/Brazing
Welding (MIG,
MA G, WIG, Laser etc.)
Sintering
Puddeling
Forming
E xplosion Co mpaction
Bo nding/G lueing
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L’utilizzo di questo processo nella produzione orafa apre nuovi orizzonti in termini di
inedite concezioni di design e di materiali. Nuove, sensazionali combinazioni di materiali,
spesso di difficile realizzazione in passato, diventano ora possibili grazie a questa tecnica.
Designer ed orafi creativi possono ora avvalersi di nuovi composti di materiali prodotti
dai fornitori di leghe. Questi nuovi materiali consentono di fabbricare articoli di gioielleria
in lotti di piccola o media quantità, in condizioni controllate e con una maggiore economia
di produzione.
La tecnologia impiegata per giungere parti di prodotti orafi è molto diversa da quella usata
nel processo di fabbricazione di componenti industriali. La tecnologia di sinterizzazione
è meglio definita come il processo di compattazione e agglomerazione (sinterizzazione),
per mezzo di elevate temperature, di materiali ridotti in polveri e la loro trasformazione
in un materiale solido ad alta densità. Nelle applicazioni specifiche per gioielleria, la
tecnica di produzione utilizza la tecnologia di saldatura per diffusione o per pressione.
Questo processo viene impiegato da molti anni per altre applicazioni, ad esempio nella
produzione di semilavorati ottenuti da laminati d’oro. Dal punto di vista terminologico,
il processo di “sinterizzazione” si è ormai affermato e consolidato nella sua corretta
accezione, divenendo generalmente accettato tra il largo pubblico, per cui mi avvarrò del
termine “sinterizzazione” in questa presentazione.
Definizione:
La Sinterizzazione è un trattamento termico cui sono sottoposti materiali ridotti in
polveri finemente triturate in cui gli atomi si spostano sulla superficie di contatto e
cristallizzano.
La saldatura per diffusione o saldatura a pressione, come implicato dal nome, è una
tecnica che si realizza grazie all’impiego dell’alta pressione (con o in assenza di metalli
d’apporto) e in cui il trattamento termico è spinto a volte fino ad incipiente fusione del
materiale da saldare.
Figure 3 e 4 Semilavorati creativi realizzati in platino/oro a 18 carati rosso e lega argento/palladio 500
January 2008 Gennaio
Strisce tricolore
in oro a 18 carati
Strisce tricolore
in oro a 18 carati
Tricolore screziato
in oro a 18 carati
Tricolore screziato
in oro a 18 carati
Figura 5 Materiale piatto tricolore in oro a 18 carati con disegno a strisce e screziato
Figure 6 e 7 Materiali semilavorati creativi
2. Sinterizzazione
2.1 Il principio della tecnologia
Nella sinterizzazione o saldatura per diffusione, superfici metalliche accuratamente
preparate vengono portate a una specifica temperatura di saldatura (diffusione) in una
speciale atmosfera controllata, ad esempio mediante vuoto o gas protettivo. Il processo
di saldatura richiede tempi lunghi che possono spesso andare da mezz’ora fino a
ventiquatt’ore in specifiche condizioni di pressione prestabilite. Durante il processo di
saldatura, la pressione applicata sulla superficie dei metalli si propaga gradualmente
attraverso le leghe. La diffusione è conseguente al movimento degli atomi. In passato,
il controllo del processo di saldatura dipendeva sostanzialmente dalla perizia e
dall’esperienza di chi eseguiva la giunzione ed era l’abilità di quest’ultimo a decretare
il successo o l’insuccesso dell’operazione. Il saldatore osservava scrupolosamente il
mutare del colore del metallo sottoposto all’azione del calore e cercava di stimare il
tempo di mantenimento della pressione applicata. Il processo è stato quindi semplificato
con l’introduzione, in anni recenti, di nuove macchine dedicate per la sinterizzazione o
“sinterizzatrici”, in grado di regolare e controllare i parametri di processo con precisione
ed affidabilità. Ulteriori caratteristiche di questi nuovi impianti consentono la selezione di
diverse atmosfere durante la procedura di sinterizzazione mediante creazione di vuoto o
immissione di gas inerte, ossia in atmosfera protettiva. Le operazioni non sono più affidate
a congetture ed ipotesi e l’intero processo è sottoposto a un attento monitoraggio.
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Figura 8 Principio di sinterizzazione
LEGENDA della immagine non sovrascrivibile
DE
Vacuum -1 bar
Temperatur max. 820 °C (SI-01)
Temperatur max. 1300 °C (SI-05)
Pressdruck
Pressing force
IT
Vuoto -1 bar
Temperatura max. 820 °C (SI-01)
Temperatura max. 1300 °C (SI-05)
Pressione (forza di compressione)
Pressione (forza di compressione)
2.2 Fondamenti di metallurgia
Il processo di sinterizzazione per la produzione di articoli di gioielleria è il risultato di
una reazione (diffusione) tra parti metalliche solide. La diffusione allo stato solido è il
trasferimento di massa in corpi allo stato solido cristallini o amorfi. La diffusione opera
attraverso il movimento diretto degli atomi lungo i punti di contatto delle superfici, mentre
l’incremento di pressione e temperatura induce a una sorta di effetto di scorrimento
(creep) che dà inizio al processo di saldatura. Il meccanismo della diffusione consiste
nella propagazione del fenomeno di migrazione di atomi in aree circostanti e nella
migrazione di atomi attraverso il reticolo da vacanza a vacanza, ossia da uno spazio
vuoto all’altro.
Per ottenere giunzioni permanenti di buona qualità, si dovranno assolutamente rispettare
le istruzioni che seguono:
• I diversi materiali da saldare devono essere in contatto diretto. Le
superfici di contatto devono essere collocate in posizione pianoparallela e la pressione dev’essere esercitata durante l’intero
processo di sinterizzazione, così che le parti siano tenute assieme
con la massima precisione.
Il trasferimento di massa, o una reazione d’interferenza tra i diversi materiali si attiveranno
soltanto in presenza di contatto diretto in molte aree diverse delle superfici. Il risultato
è la saldatura per diffusione da elementi alliganti componenti i materiali base utilizzati,
in un’interferenza microscopica o submicroscopica. Per questa ragione, il grado di
scabrosità superficiale dovrà essere minimo e l’incontro delle superfici di contatto dovrà
essere molto preciso. La scabrosità superficiale media Ra dovrà essere inferiore a 1,6
micron e la superficie non dovrà essere molto lucidata. Al fine di ridurre i piccoli spazi tra
le parti e per instaurare molteplici e diversi punti di contatto, sarà necessario applicare
una determinata pressione sulle parti da saldare.
January 2008 Gennaio
Figura 9 Scabrosità superficiale
• Entrambi i componenti metallici devono essere completamente esenti
da qualsiasi impurità non metallica. è della massima importanza che
le superfici da saldare siano esenti da strati di separazione costituiti
da ossidi.
L’eventuale reazione del metallo con i gas o la presenza di sostanze chimiche
nell’atmosfera che dovessero depositarsi sulla superficie durante il processo di
sinterizzazione produrranno ripercussioni negative sui materiali da saldare e le superfici
saranno soggette al tarnish. I veli di ossido che si stratificheranno così sulla superficie
influenzeranno e addirittura ostacoleranno il processo di diffusione. Al fine di proteggere
le superfici dei metalli e impedire la formazione di tarnish/strati di ossido durante il ciclo
di riscaldamento dell’operazione, occorrerà utilizzare un’atmosfera controllata mediante
gas protettivo o vuoto. Si tenga presente che alcuni strati di ossido non sono stabili alle
alte temperature e possono venire distrutti durante la sinterizzazione.
• C’è un indubbio vantaggio nel selezionare per il processo di
sinterizzazione leghe caratterizzate da un elevato potenziale diffusivo
e dalla capacità di instaurare fasi intermetalliche.
Il potenziale di diffusione di una lega può essere meglio descritto come la differenza di
potenziale nel punto di contatto di due materiali a diversa composizione. è richiesto come
requisito minimo che almeno un componente di una lega abbia la proprietà di costituire
una fase monocristallina, eutettica o intermetallica con un componente dell’altra lega cui
andrà a saldarsi.
• Le condizioni termiche devono essere sottoposte ad attento
monitoraggio al fine di ottenere un elevato tasso di diffusione.
Una temperatura elevata del materiale assicura una miglior saldatura. Il processo di
diffusione, nonché i processi metallurgici o chimici e la ricristallizzazione dei materiali
sono accelerati da temperature elevate. Inoltre, elevate temperature renderanno inefficace
dal punto di vista dei processi metallurgici la presenza di qualsiasi sostanza estranea
gassosa o altra sostanza estranea sugli strati superficiali.
• Per ottenere i migliori risultati, i materiali da unire dovrebbero
possedere caratteristiche fisiche affini. La presenza di caratteristiche
fisiche affini ha un effetto sostanziale su conducibilità termica,
coefficiente di dilatazione termica lineare α e proprietà meccaniche.
Quando la conducibilità termica dei materiali da saldare è troppo dissimile, il campo di
temperatura sulla superficie di contatto non sarà corretto, con risultati di scarsa qualità
della saldatura. Il coefficiente di dilatazione dev’essere corretto altrimenti potrebbero
verificarsi fenomeni di ingobbamento, deformazione e ritiro delle parti metalliche. Occorre
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aver cura che la forma del materiale non sia così diversa da generare la formazione di
potenziali cricche o la comparsa di rotture nell’area di saldatura.
Proprietà dei metalli
Metallo
Au
Ag
Pt
Pd
Ni
Cu
Zn
Fe
Densità (g/cm3)
19,3
10,5
21,4
12
8,9
8,9
7,1
7,85
Punto di fusione (°C)
1063
961
1769
1554
1453
1083
419
1528
Conducibilità termica
(W/Km)
309
417
71
75
92
414
111
71
Coefficiente di
dilatazione (mm/mK)
14,3
19
9
11,1
13
17
29
11
Resistenza alla rottura
0,2 (MPa)
25
25
49
49
• I gas provenienti dai materiali da saldare devono avere caratteristiche
di bassa solubilità. Occorre far attenzione a non impiegare quei gas
protettivi che si combinano con i materiali o gli elementi alliganti che
compongono i metalli.
Un’eventuale elevata solubilità dei gas dei metalli da saldare può essere causa di porosità e
di soffiature durante il processo di sinterizzazione. Questa tipologia di difetti, solitamente
visibile in forma di fasce lungo la giunzione, può determinare la formazione di cricche o
distruggere il legame di saldatura quando venga applicata una forza alle parti. è spesso
difficile prevedere con sicurezza quale sarà la qualità di certe combinazioni di materiali.
Abbiamo scarse conoscenze circa la correlazione tra proprietà e struttura dei materiali,
nonché tra la struttura e la composizione dell’interfaccia. Combinazioni di diverse leghe
d’oro o di leghe d’oro con altri metalli preziosi ben si prestano ad essere sottoposti a
sinterizzazione. Combinazioni comprendenti materiali più “esotici” richiedono test
approfonditi per stabilire se possano essere uniti con successo mediante sinterizzazione
oltre alla determinazione dei migliori parametri possibili.
Solubilità dei gas dei metalli
Stato
Il gas non
crea composti
Il gas crea
composti
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Solubilità
Idrogeno H2
Azoto N2
Ossigeno O2
Solubili
Al, Co, Cr, Cu,
Fe, Mn, Mo, Ni,
W, Zn, Pd
Fe
Fe, Ag
Insolubili
Au
Cu, Ag, Au, MGP
Au, MGP
Composti
altamente solubili
Ti, Zr, V, Nb, Ta
Ti, Zr, V, Nb, Ta
Ti, Zr, V, Nb, Ta
Composti meno
solubili
Li, K, Cu
Co, Cr, Fe, Mn,
Mo, W
Cu, Co, Cr, Fe,
Mn, Mo, Ni
Composti
insolubili
---
Li
Al, Mg, Be, Zn
2.3. Preparazione
Le parti da saldare richiedono una preparazione molto accurata. è di vitale importanza
mantenere strette tolleranze dimensionali. Ogni imprecisione a carico delle parti produrrà
minori e scadenti punti di contatto. Devono essere evitate soluzioni di continuità tra
le superfici di contatto. Sebbene le elevate temperature impiegate nel processo di
sinterizzazione e la pressione applicata ammorbidiscano la superficie dei materiali da
unire, questa circostanza non è in grado di eliminare completamente le imprecisioni.
Lo stato dei materiali che compongono le parti da saldare è un elemento di cruciale
importanza per il buon esito del processo di sinterizzazione e per la qualità della giunzione
di saldatura. Le proprietà meccaniche, fisiche e chimiche dei metalli e delle leghe sono
influenzate dalla struttura dei materiali. La texture dei materiali, creatasi mediante
solidificazione, laminazione o trattamento termico determina la genesi di diverse proprietà
dei materiali. Un materiale ottenuto per formatura a freddo offre le migliori condizioni
ai fini della sinterizzazione. Potrà essere infatti utilizzata una temperatura inferiore e
la diffusione avverrà più rapidamente, consentendo di ottenere un’ottima struttura di
ricristallizzazione. L’impiego di metallo ottenuto per formatura a freddo darà luogo a un
grano di dimensioni più fini rispetto all’impiego di metallo ottenuto mediante colata o
ricottura; inoltre la saldatura risulterà più resistente.
Figura 10 Struttura allo stato grezzo di colata
Figura 11 Struttura ottenuta mediante formatura a freddo
Figura 12 Struttura ottenuta mediante ricottura
10
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La qualità delle superfici da saldare è estremamente importante ai fini del processo
di sinterizzazione. Le superfici metalliche devono essere pulitissime e passibili di
attivazione per effetto termico al fine di consentire l’instaurarsi di un collegamento
durevole, permanente mediante saldatura per diffusione. Per garantire i migliori risultati,
la pulizia e la preparazione dei componenti dovranno aver luogo immediatamente prima
del processo di sinterizzazione. Strati superficiali di ossido possono essere agevolmente
rimossi con metodi meccanici o chimici.
Nel caso di combinazioni di materiali difficili da produrre per sinterizzazione è possibile
depositare sulla superficie mediante processo di placcatura galvanica degli strati di
materiali con funzione di metallo d’apporto o d’innesco del fenomeno di diffusione. La
soluzione migliore consiste nello scegliere strati di materiali che siano allo stesso tempo
elementi alliganti dei metalli che intendiamo saldare.
Quando determinate combinazioni di materiali risultano difficili da saldare per
sinterizzazione è possibile depositare sulla superficie mediante processo di placcatura
galvanica degli strati di materiali con funzione di metalli d’apporto o d’innesco della
diffusione.
Figure 13 e 14 Placcatura di strati di materiali prima e dopo il processo di sinterizzazione
La soluzione migliore consiste nello scegliere per la deposizione in strati, materiali che
siano anche elementi alliganti dei metalli da saldare.
Prima di attivare il processo di sinterizzazione è meglio assicurarsi che le parti non si
spostino durante l’operazione di saldatura. A ciò si potrà provvedere mediante puntatura.
Questa tecnica permetterà di scongiurare le deformazioni e di mantenere in sede le parti
durante l’intero ciclo di riscaldamento e di saldatura nell’impianto di sinterizzazione.
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11
2.4 Sinterizzatrici
Non sono richieste apparecchiature speciali per la produzione di oro laminato, materiali
di deposizione e semilavorati creativi. Nel processo produttivo sono necessari enormi
forni a camere, con e senza gas protettivo e presse idrauliche.
Per la fabbricazione di pezzi di gioielleria e di fedi nuziali dal design più complesso
è più conveniente utilizzare attrezzature di sinterizzazione sviluppate ad hoc. Tali
macchine consentono agli operatori un ampio intervallo di regolazione dei parametri di
sinterizzazione e permettono loro di controllare la produzione impiegando comandi che
replicano con la massima fedeltà grandi volumi di pezzi.
Un sostanziale vantaggio che l’utilizzo di attrezzature di sinterizzazione comporta è che i
cilindri di azionamento/pressatura sono fabbricati in grafite, caratteristica d’importanza
decisiva qualora si debbano saldare leghe d’oro e d’argento. L’impiego di grafite consente
d’instaurare un’atmosfera ridotta nel cilindro di pressatura con conseguente riduzione
degli strati di ossido che possono venire a formarsi durante il ciclo di riscaldamento.
L’eccellente conducibilità termica della grafite consente di mantenere una temperatura
omogenea durante l’intero processo di sinterizzazione e tutti questi parametri sono di
vitale importanza per il controllo del processo. In alcune circostanze, può accadere che
le particolari combinazioni di materiali da saldare impongano l’impiego di materiali
ceramici per la fabbricazione dei cilindri di azionamento/pressatura nell’impianto di
sinterizzazione, ma ogni qualvolta sia possibile, la grafite costituirà il materiale d’elezione.
Le sinterizzatrici consentono di selezionare diverse atmosfere protettive e ciò è un aspetto
importante per la produzione di combinazioni di sinterizzazione con impiego di materiali
reattivi.
Figure 15, 16 e 17 Sinterizzatrici di diversi fornitori
12
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2.5 Processo di sinterizzazione
Si elencano di seguito i parametri più importanti del processo di sinterizzazione:
◆
◆
◆
◆
◆
◆
selezione della corretta atmosfera di sinterizzazione,
rampa di riscaldamento,
selezione della temperatura di sinterizzazione,
attrezzatura di fissaggio/ pressione di compattazione,
tempo di mantenimento,
rampa di raffreddamento.
S i nt e r c y c l e
800
700
600
500
I nducti v heati ng
r es i s tance heated
400
300
200
100
0
0
30s
150s
15mi n
20mi n
t i me
Figura 18 Ciclo del processo di sinterizzazione con impiego di sinterizzatrici con riscaldamento a resistenza e a
induzione
LEGENDA Didascalie non sovrascrivibili
DE-EN
Sintercycle
Temperature (°C)
Time
Inductive heating
Resistance heating
IT
Ciclo di sinterizzazione
Temperatura (°C)
Tempo
Riscaldamento a induzione
Riscaldamento a resistenza
2.5.1 Atmosfera di sinterizzazione
La selezione della corretta atmosfera di sinterizzazione è estremamente importante e
dipende dalla combinazione di materiali da sottoporre a saldatura. L’oro inteso come
metallo fino è resistente all’aria, all’ossigeno e all’idrogeno. Le leghe d’oro contenenti
argento, rame e zinco come elementi alliganti non sono resistenti all’aria, all’ossigeno
e all’idrogeno e possono formare ossidi. L’ossigeno disciolto può reagire con l’idrogeno
con conseguente diffusione nella lega e formazione di soffiature. Il processo di saldatura
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13
subisce ripercussioni negative quando elementi di lega reattivi generano strati di
ossido.
Reazione dei gas con i metalli
Metal
Au
Ag
Pt
Pd
Ni
Cu
Zn
Sn
Fe
Aria
▬
▼
▬
▼
▼
▼
▼
▼
▼
Ossigeno O2
▬
▼
▬
▼
▼
▼
▼
▼
▼
Idrogeno H2
▬
▼
▬
▼
▼
▬
▼
▼
▬
▬
▬
▬
▼
▬
▬
▬
▼
▬
▬
▬
▬
▬
▬
▬
▬
▬
▬
▬
▬
▬
▬
▬
▬
▼
▬
▼
▬
▬
▬
Nitrogeno N2
Azoto N2
Formano gas
N2H2 80/20
Argon
Reazione con
grafite
▼
▼
▼
▼
▼
▼
In
Si
▼
▼
▼
▼
▬
▬
▬
▼
▬
▬
▬
▼
▼
▬
▬
▬
▬
▬
▬
▬
▬
▬
▬
▼
▼
▬
▬
▼
▼
Ti
▼
Mn
▼
▼
▼
▼
▼
▼
▼
▼
▬ Assenza di reazione ▼ Reazione ▼ ▼ Reazione forte
Figura 19 Soffiature formatesi all’interfaccia
14
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2.5.2 Rampa di riscaldamento
La rampa di riscaldamento utilizzata nel processo può variare in funzione del tipo di
sinterizzatrice impiegata. Entrambe le sinterizzatrici, sia quelle con riscaldamento a
resistenza, sia quelle con riscaldamento a induzione, sono reperibili sul mercato. Le
sinterizzatrici con riscaldamento a resistenza realizzano velocità di riscaldamento fino
a 25 ºC/secondo. Se durante il processo le velocità di riscaldamento sono troppo
elevate, le mutazioni strutturali che normalmente hanno luogo potrebbero non giungere
a completamento nell’arco del processo stesso. Strutture disomogenee non possono
essere eliminate e questa condizione può generare tensioni nei materiali. Una velocità di
postriscaldo troppo elevata genera criccature nei materiali. Una velocità di riscaldamento
troppo elevata porta all’instaurazione di campi di temperatura disomogenei all’interno
del pezzo che generano tensioni nei materiali con conseguente formazione di cricche
nel tempo.
2.5.3 Temperatura di sinterizzazione
La temperatura sviluppata durante il processo di sinterizzazione ha un’enorme influenza
sulla velocità di diffusione. Velocità di diffusione elevate sono il risultato di temperature
elevate. La saldatura di leghe diverse richiede la massima attenzione nell’esecuzione,
dal momento che quando la fusione ha luogo a più stadi diversi, il metallo fondente a
temperature inferiori rischia di essere danneggiato durante il processo di sinterizzazione.
La temperatura di sinterizzazione richiesta per la lega basso fondente può risultare spesso
troppo bassa e non essere quindi in grado di conseguire una sufficiente attivazione del
materiale fondente a temperature più elevate, per cui la diffusione non ha luogo.
Figura 20 Temperatura di
sinterizzazione troppo elevata
2.5.4 Pressione
La pressione è un elemento essenziale della sinterizzazione. I parametri di questo
processo sono molto importanti e influenzano fortemente la qualità della saldatura.
All’inizio delle ciclo di sinterizzazione, quando i componenti cominciano a riscaldarsi,
l’attrezzatura utilizzata per applicare la pressione e per sorreggere e fissare saldamente le
parti dovrà essere in grado di mantenerli in posizione in maniera precisa.
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15
Questa procedura permetterà di ridurre deformazioni e flessioni e impedirà che si vengano
a creare dei vuoti tra le parti da unire. Con il graduale riscaldamento, le leghe iniziano
a rammollirsi e il materiale perde di resistenza. La contestuale pressione applicata in
queste circostanze ha la funzione di aumentare le zone di microcontatto superficiale
con una conseguente accelerazione del fenomeno di saldatura per diffusione. Al
termine del processo di sinterizzazione, in fase di raffreddamento, la pressione dovrà
essere mantenuta e i componenti dovranno essere mantenuti in posizione per ridurre
ingobbamenti o qualsiasi altra deformazione dei materiali. In questo modo si avrà anche
una riduzione delle tensioni nei materiali/ componenti e un minor rischio di criccature a
carico dei materiali.
Durante il ciclo di sinterizzazione, la pressione esercitata sui componenti dovrà essere
controllata e stabilizzata. Durante la fase di riscaldamento il materiale andrà incontro a
dilatazione e si avrà un incremento della pressione, per cui sarà necessario monitorare
accuratamente e mantenere una pressione uniforme. Una pressione troppo elevata e le
condizioni instaurate per la formazione di nuove leghe nel punto di giunzione possono
generare una situazione passibile di indurre una liquefazione delle leghe prima che
raggiungano il rispettivo punto di fusione.
2.5.5 Tempi
La tempistica del processo di saldatura costituisce un elemento critico ed è quindi
decisiva per la realizzazione di una giunzione di buona qualità. Il tempo di mantenimento
della temperatura di sinterizzazione rappresenta un aspetto importante del processo.
Se il tempo di mantenimento è troppo breve, il processo di diffusione non giungerà a
compimento e le necessarie trasformazioni nella struttura dei materiali non potranno aver
luogo. Se il tempo di mantenimento della temperatura di sinterizzazione è troppo lungo
si avrà un incremento della crescita del grano e la superficie del materiale svilupperà
un’evidente struttura a buccia d’arancia. Il pezzo finale sarà caratterizzato da scadenti
proprietà dei materiali, dovrà essere sottoposto a finitura e dopo la lucidatura risulterà
meno brillante. Modificando ad esempio le dimensioni di un anello, il fenomeno della
buccia d’arancia in superficie diviene evidente ad occhio nudo.
2.5.6 Velocità di raffreddamento
Nelle sinterizzatrici le velocità di raffreddamento sono molto inferiori alle velocità
di riscaldamento e ciò influenza il ciclo del processo di sinterizzazione. Gli stampi in
grafite dell’apparecchiatura di sinterizzazione mantengono le temperature molto più a
lungo dell’interno delle parti metalliche. Questo lento effetto di raffreddamento protegge
dalla formazione di tensioni e di criccature dei materiali. Cicli di processo più rapidi
si possono ottenere rimuovendo i pezzi dagli stampi in grafite e quindi sottoponendoli
a tempra in acqua. Quest’operazione può essere eseguita quanto il materiale si è
raffreddato, ma è consigliata esclusivamente per alcune combinazioni di materiali. I
materiali devono presentare coefficienti di dilatazione affini e devono essere temprati
in un certo modo, ossia mediante immersione delle parte in acqua per conseguire un
corretto raffreddamento.
16
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2.6 Risultati
Abbiamo visto nel corso della trattazione che molte combinazioni di leghe si prestano ad
essere sottoposte a sinterizzazione e che alcune permettono di ottenere risultati migliori
rispetto ad altre, per le ragioni di cui si è detto. Per verificare la qualità della saldatura in
termini di resistenza degli anelli sinterizzati, gli anelli sono stati ridotti a misura un paio
di volte. Quando la qualità della giunzione sinterizzata è buona, le dimensioni dell’anello
potranno essere modificate fino a 10 misure. Le giunzioni sinterizzate di cattiva qualità
possono andare incontro a immediata criccatura e non sarà possibile modificarne le
dimensioni di nemmeno una misura. Anche una ridotta tensione sull’anello può rompere
la giunzione e distruggere il pezzo. In alcuni casi, ad un esame alla lente d’ingrandimento
della superficie che aveva evidenziato la presenza di cricche si rileveranno evidenti strati
di ossido di color scuro. Questo è solitamente uno dei maggiori difetti e la ragione del
cattivo esito della saldatura.
Combinazioni di leghe esotiche e materiali caratterizzati da proprietà differenti offrono di
solito le situazioni più problematiche al processo di sinterizzazione. Di qui la necessità di
un’attenta e meticolosa programmazione dei parametri di processo. Soltanto attraverso
cicli di sinterizzazione precisi e scrupolosamente controllati si potranno garantire qualità
e durata delle giunzioni ottenute.
Saggi di qualifica effettuati su diverse combinazioni di metalli
Combinazione di
metalli
14 ct Oro giallo/Oro rosso
14 ct Oro giallo/Pd-Oro
bianco
14 ct Oro rosso/Pd- Oro
bianco
14 ct Oro giallo/Oro rosso/
Pd-Oro bianco
14 ct Oro giallo/Argento
Velocità di
Temperatura
riscaldamento
(°C)
(°C/sec)
Atmosfera
Saldabilità
20
750
Vuoto/Grafite
Facile
20
780
Vuoto/Grafite
facile
20
760
Vuoto/Grafite
Facile
20
760
Vuoto/Grafite
Facile
25
750
Vuoto/Grafite
Facile
Vuoto/Grafite
Facile
14 ct Oro rosso/Argento
14 ct Oro giallo/Bronzo
25
750
Vuoto/Grafite
Media
14 ct Oro rosso/Bronzo
10
680
Vuoto/Grafite
Media
18 ct Oro giallo/Oro rosso
10
680
Vuoto/Grafite
Facile
20
750
Vuoto/Grafite
Facile
20
780
Vuoto/Grafite
Facile
18 ct Oro giallo/Pd- Oro
bianco
18 ct Oro rosso/Pd- Oro
bianco
January 2008 Gennaio
17
18 ct Oro giallo/Oro rossoPd-Oro bianco
20
760
18ct Oro giallo/Pt 950
20
760
18ct Oro giallo/Pt 950
1,5
800
18ct Pd-Oro bianco/ Pt
950
1,5
800
18 ct Oro giallo/Acciaio
1,5
900
18 ct Oro rosso/Acciaio
10
840
18 ct Oro giallo/Argento
10
780
Vuoto/Grafite
Facile
18 ct Oro rosso/Argento
25
750
Vuoto/Grafite
Facile
18ct Pd-Oro bianco/
Argento
25
750
Vuoto/Grafite
Facile
18 ct Oro giallo/Oro rosso/
Pd-Oro bianco/Argento
25
750
Vuoto/Grafite
Facile
18 ct Oro giallo/Ti
25
750
18 ct Oro rosso/Ti
10
840
Argon/
Ceramica
Argon/
Ceramica
Molto
difficile
Molto
difficile
Argento/ Oro 900
10
840
Vuoto/Grafite
Facile
Argento/Cehapall 950
25
720
Argento/Cehapall 500
1,5
750
Argento/Acciaio
10
760
Argento/Ottone
25
680
Vuoto/Grafite
Vuoto/
Ceramica
Vuoto/
Ceramica
Vuoto/
Ceramica
Vuoto/
Ceramica
Vuoto/
Ceramica
Vuoto/
Ceramica
Vuoto/
Ceramica
Vuoto/
Ceramica
Vuoto/Grafite
Facile
Media
Difficile
Facile
Difficile
Difficile
Difficile
Difficile
Difficile
Facile
Figura 21 Combinazione argento/ottone
Figura 22 Combinazione oro 18 ct/platino con strato
di placcatura
18
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Figura 23 oro 14 ct/ottone
Figura 24 oro 18 ct/acciaio inossidabile
3. Conclusione
La tecnologia di sinterizzazione è uno strumento fantastico a disposizione dell’industria
della gioielleria. Essa offre un ampio ventaglio di possibilità per la creazione di
combinazioni multicolore, anche con impiego di materiali esotici. Una preparazione in
campo metallurgico associata al possesso di un know-how tecnico assicureranno il
corretto esito dell’applicazione della tecnologia di sinterizzazione alla produzione orafa.
Il processo di sinterizzazione è un metodo già ben consolidato nella fabbricazione di fedi
nuziali. In futuro, maggiori energie e ricerche miglioreranno le conoscenze nel campo
della sinterizzazione.
Avete ancora domande sulla tecnologia di sinterizzazione?
Contattate [email protected]
5. Bibliografia
VDI Lexikon Werkstofftechnik (Dizionario di ingegneria dei materiali dell’Associazione
tedesca degli Ingegneri), VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 1991
Degussa Edelmetall Taschenbuch (Degussa, I metalli nobili, Edizione tascabile), Hüthig
Verlag Heidelberg 1995
January 2008 Gennaio
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