Klaus Wiesner Wieland Industries, D
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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 Jewelry Technology Forum 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. Jewelry Technology Forum 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 Jewelry Technology Forum 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 January 2008 Gennaio 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 Jewelry Technology Forum 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. January 2008 Gennaio 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 Jewelry Technology Forum 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 January 2008 Gennaio 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 Jewelry Technology Forum 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. January 2008 Gennaio 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 Jewelry Technology Forum 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 Jewelry Technology Forum 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 19