Miglioramenti nel colaggio a cera persa
dell'argento sterling
Jörg Fischer-Bühner
FEM, (Istituto di Ricerca sui Metalli Preziosi),
Schwäbisch Gmünd, Germania
Jörg Fischer-Bühner è Responsabile della Divisione di
Metallurgia Fisica dell’Istituto Tedesco di Ricerca sui
Metalli Preziosi (FEM) a Schwäbisch Gmünd. Ha
sostenuto ed ha partecipato a molti progetti di ricerca che
interessano il settore orafo, finanziati dalla Comunità
Europea.
In questa memoria sono descritti i risultati principali del
progetto europeo CRAFT, che si è concentrato sulla
riduzione di difetti quali ossidazione a caldo, rottura a caldo
e porosità.
Saranno spiegati i meccanismi ed identificate le cause
principali di generazione di questi difetti di colaggio e
saranno consigliati gli accorgimenti pratici per evitarli.
Saranno decritti casi reali di questi difetti con esempi di
una vantaggiosa applicazione pratica nell'industria degli
accorgimenti consigliati.
1. Introduzione
La diminuzione della frequenza dei difetti ed il miglioramento della qualità hanno
grande importanza per permettere all'industria della gioielleria di rimanere
competitiva. Nel caso del colaggio a cera persa, la maggior parte degli studi
sull'influenza dei parametri di processo e sulle proprietà delle leghe ha riguardato
la produzione di gioielleria con leghe d'oro. I risultati di questi studi sono pubblicati
su manuali e riviste edite dal World Gold Council e in atti di congressi1-3.
Meno lavori sono stati eseguiti o pubblicati sul colaggio a cera persa della gioielleria
in argento sterling. Informazioni approfondite sui meccanismi fondamentali di
formazione dei difetti nei getti di argento sterling sono già disponibili in molte
pubblicazioni4-10, però c'è comune accordo sul fatto che una gran parte dei difetti
dipende dalla grande solubilità dell'ossigeno nell'argento fuso, che diminuisce
fortemente con la solidificazione, causando la liberazione di ossigeno gassoso, con
formazione di porosità da gas.
Negli ultimi anni la gioielleria in argento sterling si è diffusa sempre più. La
produzione di gioielleria in argento è aumentata ed altrettanto è aumentata
l'incidenza dei difetti, molto probabilmente a causa della combinazione di una
scarsa conoscenza di quanto già noto, delle scarse conoscenze su alcuni specifici
tipi di difetti, oltre che alle scarse risorse dedicate ad uno studio sistematico dei
difetti nei luoghi di produzione. A causa dei margini di guadagno ridotti e della
concorrenza sui prezzi, lo sforzo per identificare le cause dei difetti è un problema
specifico del mercato della gioielleria in argento.
Perciò lo scopo del Progetto Europeo di Ricerca in Cooperazione (CRAFT =
Cooperative Research Action for Technology) è stato quello di (ri)scoprire le cause
principali dei difetti nei getti in argento e di prendere in esame suggerimenti concreti
per il miglioramento del processo, la riduzione dei difetti ed il miglioramento globale
della qualità, in stretta collaborazione con aziende industriali. Questo progetto,
come pure questa memoria, si è concentrato su difetti (o meglio caratteristiche dei
difetti) che sono di importanza specifica per il colaggio a cera persa dell'argento,
cioè cattiva qualità delle superfici causata da porosità, inclusioni e ossidazioni a
caldo oltre che fratture (criccatura a caldo). Altri difetti di interesse generale,
specialmente quelli causati da fasi del processo riguardanti la produzione delle
cere, la preparazione dei cilindri, la deceratura e la calcinazione, non sono stati
trattati e le informazioni relative sono reperibili nelle citazioni bibliografiche.
In questa memoria sono presentati studi di casi reali di difetti specifici, sono spiegati i
meccanismi fondamentali della loro formazione, sono identificate le cause principali e
le altre cause possibili e sono consigliati provvedimenti pratici per ridurne l'incidenza.
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Sono anche presentati esempi di applicazioni industriali riuscite di alcuni dei
provvedimenti consigliati. In accordo con le preferenze delle aziende industriali
coinvolte, il progetto si è concentrato sull'argento sterling standard (solo Ag e Cu).
Poche osservazioni si riferiscono a leghe resistenti all'ossidazione a caldo ed ai loro
tipici elementi di lega, ma si deve sottolineare che i consigli per la riduzione dei difetti
sono stati elaborati e confermati principalmente per l'argento sterling standard.
2. Impostazione del progetto di ricerca cooperativa e
procedure sperimentali
Il consorzio per il progetto europeo, con partecipanti da Francia, Germania, Italia e
UK, era formato da 6 aziende di fonditori, un costruttore di apparecchiature per
colaggio, una raffineria oltre a quattro istituti con competenze complementari in
ricerca, trasferimento di tecnologia e addestramento.
All'inizio del progetto, tutti i partecipanti industriali sono stati visitati dal FEM, per
raccogliere dati sui parametri dei singoli processi, sui materiali prima e dopo la
lavorazione, sui difetti più comuni, sui problemi di produzione e sui tipi di pezzi difficili da
colare. È stato chiesto ai partecipanti di inviare regolarmente campioni con difetti di
colaggio. Cosa interessante, la grande maggioranza dei difetti inviati era formata da pezzi
con dimensioni da medie a "pesanti". Ad ogni partecipante è stato chiesto di colare un
alberello standard formato da modelli per lo studio oltre che da alcuni dei modelli di
gioielleria difficili da colare, applicando i parametri di processo da loro abitualmente usati.
Sono stati eseguiti studi su casi reali di difetti e sui getti industriali inviati.
La riproducibilità dei risultati sperimentali è stata controllata con almeno 2 prove in
condizioni nominalmente identiche. Per ogni colata sperimentale, sono state
eseguite misure di temperatura con termocoppie, per avere maggiori informazioni
sul processo di solidificazione e sul riscaldamento del materiale refrattario ed anche
per verificare i risultati complementari ottenuti con la simulazione al computer11.
Sono stati eseguiti esami in differenti punti di modelli opportunamente scelti per
valutare la porosità ed altri aspetti di interesse. Questi esami di solito hanno richiesto
osservazioni metallografiche al microscopio ottico ed al microscopio elettronico a
scansione (SEM) e, se ritenute necessarie, anche analisi chimiche (per es.,
determinazione dell'ossigeno). In totale sono state studiate circa 350 colate
sperimentali ed industriali, compresi anche i casi reali di difetti.
Basandosi sui risultati ottenuti, sono stati elaborati consigli per il miglioramento del
processo ed è stato chiesto alle aziende partecipanti di colare nuovamente gli
alberelli standard, variando come richiesto i parametri di processo. Infine le
procedure modificate sono state trasferite alla produzione. I risultati sono stati
controllati su modelli sperimentali aggiunti agli alberelli di produzione (fig. 1) e, cosa
più importante, anche dalle aziende cooperanti prima e dopo la finitura della
gioielleria prodotta.
Le prove di colaggio in laboratorio, eseguite usando l'alberello standard, sono state
eseguite e studiate per confermare le conclusioni ricavate dallo studio di casi reali,
mediante lo studio sistematico dell'effetto delle variazioni dei parametri di processo.
Per la serie di prove di colaggio sperimentali è stata usata la seguente serie di
parametri di processo:
- apparecchiature per colaggio dal fondo con aiuto del vuoto (Indutherm VC 500);
apparecchiatura normale di colaggio dal fondo con pressione su vuoto (Neutec J5),
- di solito argento sterling standard 925-935 (Ag, Cu, senza additivi); poche colate
con variazioni di composizione della lega (affinatori del grano, Zn, Si, Ge, ecc.),
- peso dell'alberello da 330 g a 560 g,
- diametro dell'alimentatore principale 10 mm, lunghezza degli alimentatori dei
getti 15-20 mm, angolo di giunzione di questi all'alimentatore principale 45°,
- refrattario a legante gesso (SRS classico),
- temperatura dei cilindri 400-500°C,
- gas protettivo argon, differenti procedure di trattamento del fuso (da discutere),
- temperatura massima del fuso 1020°C,
- temperatura di colaggio 970-1000°C,
- nessuna pressione supplementare, differenza di pressione ~ 1 bar,
- dopo il colaggio: differenti procedure di raffreddamento e tempra dei cilindri (da
discutere).
Come documento finale del progetto, da divulgare, è stato creato un catalogo dei
difetti, che mostra tipici difetti di colaggio dell'argento sterling con brevi spiegazioni
e consigli pratici per la loro riduzione18.
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Figura 1 - Alberello grezzo di colata di produzione industriale di un'azienda associata,
con modelli sperimentali inseriti in cima, a metà ed al fondo
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3. Porosità, inclusioni e cattiva qualità della superficie
In questo capitolo sono esaminate varie caratteristiche della porosità nell'argento
sterling, partendo dai pori molto grandi, alla porosità spugnosa e simile a quella da
ritiro, fino alla microporosità.
3.1 Studio di casi reali
Caso # 1: Pori grandi e inclusioni di ossido
Nella fig. 2a è mostrato un esempio tipico di pori grandi sulla superficie di un anello
grezzo di colata fatto di Ag935, con il 50% di materiale riciclato. L'esame
metallografico ha rivelato la presenza di pori grandi e piccoli, con una notevole
porosità anche all'interno del campione (fig. 2b). Il getto contiene zone fortemente
inquinate su tutta la sua sezione, con fini tracce di inclusioni di ossidi (fig. 2c), che
in parte sono state identificate come ossido di zinco, anche se lo zinco non era tra i
componenti nominali della lega. In molti casi analoghi è stata osservata una cattiva
qualità della superficie, a causa di inclusioni di ossidi sulle superfici finite.
Figura 3:
a) Esempio di superficie gravemente criccata di un alimentatore centrale (rottame) in
930 Ag, che è stato rotto di proposito, dopo sabbiatura e decapaggio;
b) Sezione metallografica attraverso la superficie di rottura, che mostra porosità
interdendritica e ossidazione interna
Un altro punto è l'inquinamento interno con residui di refrattario dopo la sua rottura.
Ovviamente una pulizia completa della superficie del rottame con sabbiatura e
decapaggio non è in grado di fornire un materiale da riciclare sufficientemente pulito.
Per ottenere materiale da riciclare di qualità da buona ad alta, sono necessarie
opportune operazioni aggiuntive per decomporre gli ossidi e degasare la lega.
Inoltre il forte inquinamento interno del rottame, causato dall'ossidazione interna,
può essere ridotto in modo efficace con un miglioramento della procedura di
raffreddamento dei cilindri dopo il colaggio (v. 4. Ossidazione a caldo).
Caso # 2: Porosità spugnosa, simile alla porosità da ritiro
Nella fig. 4 è mostrata la superficie grezza di colata di un anello in Ag 930, dopo
eliminazione del refrattario e pulitura.
Figura 2: Caso #1;
a) Grandi pori su superficie grezza di colata, 935 Ag, 50% di materiale riciclato;
b) Sezione metallografica che mostra porosità da gas;
c) Inquinamento interno da ossidi
La forte porosità da gas era causata dall'uso di materiale iciclato inquinato. Si
presume che le inclusioni di ossido si dissocino in parte durante la fusione ed
aumentino la concentrazione di ossigeno nell'argento fuso, causando poi la porosità
da gas durante la solidificazione. Lo studio di altri casi ha dimostrato che il rottame
può essere fortemente inquinato al suo interno da residui di scoria ed in particolare
da una forte ossidazione interna causata dal raffreddamento all'aria del cilindro dopo
il colaggio (fig. 3; v. anche Caso # 6, fig. 11 in 4.1 Ossidazione a caldo).
Figura 4: Caso # 2;
a) e b) Superficie grezza di colata di un anello in 930 Ag dopo rimozione del refrattario e pulitura,
con porosità spugnosa uniformemente distribuita, come visibile al microscopio stereoscopico;
c) Sezione metallografica che mostra forte porosità interdendritica in
contatto diretto con la superficie, che si estende anche all'interno del pezzo
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La porosità spongiforme è stata osservata su quasi tutta la superficie di questo
anello, che aveva diametro e forma uniformi. L'anello era stato colato con il 100% di
metallo fresco, con temperatura del cilindro e temperatura di colaggio
rispettivamente di 650°C e 1015°C.
Una sezione metallografica attraverso le zone difettose ha mostrato una forte
porosità in contatto diretto con la superficie (fig. 4c), che però si estende anche in
modo significativo verso l'interno e questo spiega perché una finitura prolungata non
riesca a migliorare la cattiva superficie.
La porosità è localizzata negli spazi tra i primi rami dei cristalli (chiamati dendriti) che
si formano durante la solidificazione. La così detta "porosità interdendritica"
assomiglia alla porosità da ritiro. Però è molto improbabile che pori da ritiro si
formino con distribuzione uniforme su tutta la superficie di un anello di forma
uniforme. Piuttosto, l'aspetto del difetto è caratteristico della porosità interdendritica
da gas, causata dalla decomposizione del refrattario. Se, a causa della reazione di
decomposizione, si genera gas all'interfaccia tra il refrattario e la superficie di un
getto parzialmente solidificato, si può avere un effetto di spinta sul resto del metallo
liquido che è ancora tra le dendriti, che si sono solidificate per prime. Il risultato è
una struttura aperta dendritica e spugnosa, che può espandersi in profondità
all'interno del getto. Nella fig. 5 si vede un altro esempio di porosità spongiforme.
Però l'aspetto è alquanto diverso da quello dell'altro caso, poiché si osservano anche
alcuni pori sferici che di solito sono associati più direttamente alla porosità da gas.
Caso # 3: Microporosità
Nella fig. 6a si vede un esempio tipico di una superficie finita con microporosità fine
uniformemente distribuita (osservata con il microscopio stereoscopico), che
ovviamente ha influito in modo negativo sulla finitura finale. Questo specifico oggetto
era una piastrina quadrata piccola e piatta, spessa circa 3 mm, che era stata colata
con graniglia pre-legata di Ag 935 (senza materiale riciclato) con un'apparecchiatura
con pressione-sul-vuoto usando temperature di colaggio e del cilindro
rispettivamente di 980°C e 650°C.
Una sezione metallografica attraverso il getto mostra pochissima porosità, nessun
accumulo di porosità in zone prossime alla superficie e nessun indizio di
inquinamento con ossidi o di reazione con il refrattario. Solo un esame molto
approfondito ha rivelato la presenza di alcuni fini pori (punti scuri), per la maggior
parte dentro una fase di colore grigio (il cosiddetto eutettico), piuttosto che nella
matrice (di colore brillante) ed anche alcune inclusioni di ossido di rame (fig. 6b).
Figura 6: Caso # 3;
a) microporosità fine ed uniformemente distribuita su una superficie finita di 935 Ag,
come visibile al microscopio stereoscopico;
b) Sezione metallografica che mostra piccole quantità di porosità residua
Figura 5:
a) Porosità spugnosa di un anello in 930 Ag (2% Zn) come visibile al microscopio
stereoscopico sulla superficie finita;
b) Sezione metallografica attraverso la zona difettosa, che mostra forte porosità da gas
interdendritica e sferica
La microporosità presente sulla superficie è il risultato di una piccola quantità di
porosità da gas. I piccoli pori tondeggianti immersi nella fase eutettica grigia sono
caratteristici di una concentrazione di gas (principalmente ossigeno) leggermente
troppo alta nell'argento fuso. Durante la solidificazione la solubilità del gas nel
metallo diminuisce moltissimo. Il gas che si libera si accumula prima nel residuo di
liquido e poi forma micropori durante la fase finale della solidificazione, cioè durante
la formazione della fase eutettica basso-fondente.
Per il Caso # 2 la reazione con il refrattario è stata causata principalmente da
temperatura di colaggio e temperatura del cilindro troppo alte. Gli studi hanno
dimostrato che l'effetto di raffreddamento del materiale dello stampo sul metallo
liquido non è molto importante, tranne che per gli oggetti in filigrana. Il tempo di
solidificazione dei getti di argento sterling è relativamente lungo ed il conseguente
riscaldamento del refrattario nella zona di contatto con il fuso è importante 11. Perciò
in certe condizioni anche con i getti in argento sterling si può raggiungere la
temperatura di decomposizione del refrattario con legante gesso, in particolare con
modelli da "medi" a "pesanti". Si devono assolutamente evitare temperature di
colaggio e del cilindro inutilmente alte.
In questo caso la causa specifica dell'aumento della concentrazione del gas non è
stata identificata senza ambiguità, ma può essere attribuita ad una combinazione
non ottimale della qualità delle materie prime, della qualità della lega (in graniglia),
ed ai parametri del processo di fusione/colaggio. Le ultime ricerche hanno
dimostrato che si deve tener conto di una complicata combinazione di questi fattori
(v. 3.2 e 3.3). Secondo il tipo di apparecchiatura e l'origine della materia prima/lega,
è difficile evitare completamente la microporosità. Spesso la si osserva solo con un
esame molto approfondito delle superfici finite, con un ingrandimento superiore a
quello normalmente usato.
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Caso # 4: Microporosità; Cause dei difetti che si sovrappongono
Come sempre, l'esistenza e lo studio dei difetti sarebbero molto più semplici se le
cause dei difetti non si sovrapponessero in molti modi complicati, che non possono
essere trattati in questa rassegna.
Nella fig. 7 si vede una sezione metallografica trasversale di un oggetto piatto, a
forma di piastrina (di nuovo spesso circa 3 mm), che presenta sulla superficie finita
una microporosità alquanto più pronunciata che per l'esempio mostrato in fig. 6. Il
getto era stato colato in un apparecchio con aiuto del vuoto e con pressione-sulvuoto, usando graniglia per colaggio di lega 935 Ag acquistata, con temperatura di
colaggio e del cilindro rispettivamente di 1020°C e 600°C.
Figura 7: Caso # 4;
a) Sezione metallografica di un getto in 935 Ag con microporosità sulla superficie finita,
che mostra porosità de gas uniformemente distribuita;
b) Quantità maggiori di porosità da gas interdendritica vicina alla superficie,
lungo le superfici laterali meno ben finite
La fig. 7a fa pensare che una concentrazione notevolmente aumentata di ossigeno
nell'argento fuso abbia provocato porosità da gas e sia la causa principale della
microporosità osservata. Tuttavia il getto aveva alcune caratteristiche geometriche
specifiche, che causavano difficoltà di finitura per le facce laterali. La sezione
attraverso queste zone rivela chiaramente l'aumento della porosità in prossimità
della superficie lungo queste facce laterali. che sono state meno esposte al
trattamento di finitura. Perciò deve esserci stata una qualche reazione con il
refrattario, anche se meno pronunciata che nel Caso # 3, che ha portato
all'assorbimento di ossigeno da parte del metallo fuso nello stampo ed ha
contribuito alla porosità da gas.
Comunque il livello globale di microporosità da gas è molto più pronunciato che per
il Caso # 3, anche se è stata usata una regolare graniglia da colaggio proveniente da
una raffineria. Secondo i risultati di ulteriori ricerche (v. 3.2 e 3.3), sono possibili forti
miglioramenti, specialmente effettuando nell'apparecchio di fusione/colaggio, prima
del colaggio, un efficace degasaggio sotto vuoto della graniglia di lega acquistata.
3.2 Risultati di ulteriori studi
Sovrapposizione di porosità da gas e porosità da ritiro
Nel capitolo precedente non è stato mostrato un caso con tipica porosità da ritiro.
Ovviamente la porosità da ritiro è un problema anche per il colaggio a cera persa
dell'argento sterling, anche se la maggior parte dei casi studiati in questo progetto,
che in origine erano stati classificati come porosità da ritiro, alla fine è stata
identificata come porosità da gas interdendritica o almeno come sovrapposizione
con quest'ultima in vari modi.
La porosità da gas interdendritica, causata dalla reazione con il refrattario, è simile
alla porosità da ritiro ed è spesso limitata alla parte più spessa di un getto, poiché
vicino a queste zone il riscaldamento del refrattario è più marcato. La porosità
causata da questo meccanismo può anche essere limitata a zone dove la
dispersione del calore è ostacolata per effetto della progettazione (per es.
cambiamenti bruschi di sezione che portano a "spigoli").
Studi dettagliati sulla porosità da ritiro con l'aiuto della simulazione al computer sono
stati presentati altrove 11. Le simulazioni hanno dimostrato di essere particolarmente
utili per differenziare la porosità da gas da quella da ritiro. Come regola generale, si
dovrebbe tener presente che, se si abbassa la temperatura del cilindro per diminuire
il rischio di reazione con il refrattario, gli alimentatori dei getti devono essere progettati
e posizionati correttamente, altrimenti si aumenta il rischio di porosità da ritiro.
Ulteriori ricerche hanno dimostrato che la suscettibilità alla porosità da gas a causa
della reazione con il refrattario può essere innescata da tre ulteriori cause.
Prima e più importante causa, un peggioramento della situazione è causato
specialmente da processi di calcinazione inefficaci. Residui carboniosi nello stampo
creano un'atmosfera riducente ed abbassano la temperatura di decomposizione del
refrattario, aumentando il rischio di reazione tra metallo e refrattario 1, 2, 12.
In secondo luogo alcuni fonditori subito prima di colare fanno il vuoto non solo nella
camera di colaggio, ma anche in quella di fusione. In questo modo si fa il vuoto anche
nella cavità dello stampo. Ciò può essere utile per migliorare lo riempimento di pezzi in
filigrana, ma non è una buona scelta per pezzi di medie dimensioni o pesanti, a meno
che la temperatura di colaggio e quella del cilindro non siano abbassate in modo
significativo. Il vuoto nel cilindro abbassa la temperatura di decomposizione del
refrattario con legante gesso 1, 2, 12. Per i getti di dimensioni medie o pesanti si aumenta
il rischio di reazione con il refrattario. Per i pezzi in filigrana il rischio è basso, poiché il
tempo di solidificazione è breve ed il riscaldamento del refrattario non è marcato.
Un altro esempio di interazione complessa di più cause di difetti è fornito dal Caso
# 6 (v. 4.1 Ossidazione a caldo).
In terzo luogo è stato dimostrato che lo zinco aumenta la reattività delle leghe di
argento sterling con il refrattario, se la sua concentrazione è troppo alta e/o se non
sono presenti altre aggiunte come il Si. In molti casi con l'analisi SEM/EDX sono stati
identificati prodotti di reazione come il solfuro di zinco, che sono una prova diretta
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della reazione di decomposizione del refrattario. Quasi tutte le leghe commerciali
resistenti all'ossidazione a caldo contengono Zn solo in combinazione con Si e/o Ge.
L'effetto combinato di Zn e Si nella riduzione della reazione con il refrattario è stato
discusso recentemente per le leghe d'oro a 14K 13, e sembra ragionevole supporre
un meccanismo analogo per la maggior parte delle leghe di argento sterling
resistenti all'ossidazione a caldo.
Effetto della concentrazione dell'ossigeno nei materiali grezzi e pre-legati, nel rottame
e nel materiale riciclato
La graniglia di argento puro e di argento sterling pre-legato di solito contiene
significative concentrazioni residue di ossigeno, benché sia preparata in crogioli di
grafite, con atmosfera protettiva e copertura aggiuntiva con carbone di legna.
L'analisi della graniglia ricevuta da 6 fornitori differenti ha rivelato concentrazioni di
ossigeno tra 100 e 600 p.p.m. Concentrazioni di ossigeno di 200-300 p.p.m. nella
graniglia acquistata possono essere considerate comunissime. In confronto a questi
valori i materiali acquistati, prodotti con colata continua, hanno concentrazioni di
ossigeno decisamente minori, che vanno da 5 a 50 p.p.m. Questi dati sono in
accordo generale con i dati provenienti da altre fonti 11.
I casi di difetti studiati hanno indicato che, in funzione della qualità dei metalli e delle
leghe usate e dei parametri di processo, si ottengono livelli differenti di microporosità
o porosità da gas, cosa che è diventata più chiara durante le prove di colaggio
sperimentali.
Partendo con graniglia di qualità normale (200-300 p.p.m. di ossigeno), in
apparecchiature con assistenza del vuoto e pressione-sul-vuoto, si ottengono getti
esenti da porosità solo se il vuoto è applicato e mantenuto durante la fusione, per
degasare il materiale in modo efficace (fig. 8a). La procedura ottimale prevede un
breve sovrariscaldo di ~ 50°C al di sopra della temperatura di colaggio, prima di
riempire l'apparecchio con gas protettivo e colare. Se si esegue lo stesso ciclo senza
il trattamento sotto vuoto, si forma una certa quantità di porosità da gas, che dipende
dal contenuto di ossigeno nel materiale di partenza (fig. 8b).
Con le normali apparecchiature con pressione-sul-vuoto, non è possibile fare il vuoto
nella camera fusoria e spesso i programmi prevedono l'inizio del colaggio subito
dopo aver raggiunto la temperatura prevista per questo scopo. Se anche in questo
caso si parte dalla stessa graniglia di qualità normale, con colaggio diretto da 970°C,
si ottengono molte inclusioni di ossido di rame, distribuite in modo uniforme, che
causano una cattiva finitura delle superfici (fig. 8c). In generale un riscaldo a 1000°C
o a temperatura più alta è sufficiente per decomporre gli ossidi, ma l'ossigeno libero
si scioglie nel metallo fuso ed alla fine porta ai livelli di porosità da gas discussi in
precedenza (v. sopra e fig. 8b). Ciò conferma che il degasaggio del fuso nei crogioli
di grafite sotto gas protettivo non è abbastanza efficiente per ottenere getti senza
porosità da gas. Perciò, secondo l'apparecchiatura di colaggio disponibile e
secondo i parametri di processo preferiti ed anche in funzione degli specifici requisiti
di qualità, il materiale di partenza deve essere già degasato in modo ottimale.
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Figura 8 - Sezioni metallografiche di getti sperimentali, colati con graniglia di qualità
normale: a) con e b) senza fare il vuoto nella camera di fusione, c) simile a b),
ma senza sovrariscaldo alla temperatura di 1000°C o più
Il rottame di materiale colato a cera persa può contenere forti quantità di ossigeno, in
funzione delle condizioni di fusione, colaggio e raffreddamento. Sono state osservate
concentrazioni di ossigeno di 30-60 p.p.m. in getti "buoni", di 100-300 p.p.m. in getti da
meno buoni a scadenti e di 400-1500 p.p.m. in getti molto scadenti ("buono" e "scadente"
si riferiscono al grado di porosità ed alla quantità di ossidazione interna osservati).
Lo studio dei casi di difetti ha rivelato che alcuni fonditori usano riciclare il rottame
direttamente o senza adeguati trattamenti, cosa che porta a grandi quantità di
inclusioni di ossidi ed a pori da gas. All'estremo opposto, altri fonditori preferiscono
usare il 100% di metallo fresco, per evitare i problemi dovuti al riciclaggio di materiale
inquinato, mentre la maggior parte dei fonditori mescola una certa percentuale di
rottame con metallo fresco acquistato e prepara in azienda materiale pre-legato
mediante colaggio di graniglia o colata continua.
Riassumendo, l'abbassamento del contenuto di ossigeno durante la preparazione di
leghe o il riciclaggio in azienda è essenziale, e può essere ottenuto con pratiche
efficienti di degasaggio e disossidazione durante la fusione prima del colaggio in
graniglia o della colata continua, preferibilmente nel modo seguente:
- riscaldare il metallo fino a circa 50-100°C sopra la normale temperatura di
colaggio/formazione di graniglia, in presenza di una atmosfera riducente (per es.
azoto + idrogeno, copertura con carbone di legna),
- abbassare la temperatura alla solita temperatura di colaggio/formazione di
graniglia prima di avviare il processo.
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Con il colaggio di graniglia si possono ottenere in modo ripetibile concentrazioni di
ossigeno < 20 p.p.m. o più basse, ma di solito le si può ottenere più facilmente con
la colata continua.
Assorbimento di ossigeno da parte del metallo liquido dopo il colaggio
La necessità di fondere l'argento sterling sotto atmosfera protettiva, per evitare
l'assorbimento di ossigeno da parte del metallo fuso, che causerebbe la formazione di
porosità e di ossido di rame, è ben compresa ed osservata. Però il rischio di assorbire
ossigeno dopo il colaggio nel cilindro è preso molto meno in considerazione.
In molti campioni di getti industriali sono state osservate notevoli quantità di porosità
da gas, anche se era stato usato materiale di partenza ottimamente degasato ed
erano stati usati parametri di processo ottimizzati per la fusione ed il colaggio.
È già stata dettagliatamente discussa la possibilità di decomposizione del refrattario,
a causa del forte riscaldamento dello strato di refrattario che viene in contatto diretto
con il metallo fuso. Oltre alla porosità da gas interdendritica affiorante in superficie di
cui si è già parlato, questa decomposizione può anche portare ad un significativo
assorbimento di ossigeno da parte del metallo fuso, che porta poi ad una porosità
da gas interdendritica e sferica distribuita in modo più omogeneo.
Durante le prove di colaggio industriale congiunte sono state individuate due ulteriori
cause per la porosità da gas.
Primo, è stato notato che i fonditori preferiscono spostare il cilindro dal forno di
calcinazione alla camera di colaggio immediatamente prima di iniziare il colaggio. Sono
stati ripetutamente osservati tempi di formazione del vuoto nei cilindri inferiori a 1 minuto.
Le prove di colaggio sperimentali hanno rivelato che la porosità da gas diminuisce in
modo regolare aumentando il tempo in cui il cilindro rimane sotto vuoto dopo essere
stato introdotto nella camera di colaggio (fig. 9).
Durante questo tempo gas protettivo passa dalla camera di fusione attraverso il
refrattario dello stampo e lo "pulisce" dall'ossigeno. L'abbassamento della
temperatura del cilindro in questi primi minuti è trascurabile. Si suppone che il
metallo liquido possa assorbire l'ossigeno residuo dopo lo riempimento dello
stampo, se questa "pulizia" è stata troppo breve. Un'altra spiegazione potrebbe
essere che l'interno dello stampo è "ripulito" dal CO gassoso, che si è formato
durante la calcinazione, nel caso di un deceramento incompleto.
In ogni caso, l'effetto dipenderà molto dalla temperatura del cilindro e dalla
permeabilità del refrattario.
Perciò non si dovrebbe riempire di aria la camera di colaggio e non si dovrebbe
estrarre da questa il cilindro prima del completamento della solidificazione.
È stato dimostrato che una buona scelta è estrarre il cilindro circa 4 minuti dopo il
colaggio, basandosi anche su ulteriori considerazioni riguardanti il modo di evitare
ossidazione a caldo e rotture (v. 4 e 5).
Figura 9 - Sezioni metallografiche di getti sperimentali colati con graniglia di
ottima qualità e tempi differenti di permanenza sotto vuoto dei cilindri
nella camera di colaggio prima dello riempimento
3.3 Consigli
Riassumendo, per ridurre la porosità e le inclusioni di ossido si consigliano i seguenti
provvedimenti:
Secondo, i fonditori spesso tolgono il cilindro della camera di colaggio poco tempo
dopo il colaggio, per aumentare il numero di operazioni di colaggio. Sono stati
spesso osservati tempi di rimozione del cilindro di 1 minuto o meno dopo il colaggio.
Però il tempo di solidificazione dei getti di argento sterling è alquanto più lungo,
anche per getti di dimensioni medie, e per i getti pesanti possono occorrere anche
parecchi minuti 11 (v. anche 5.2). Perciò, se si toglie troppo presto il cilindro dalla
camera di colaggio, il metallo può essere ancora parzialmente liquido. Durante lo
riempimento con aria della camera di colaggio e l'ulteriore raffreddamento in aria,
l'ossigeno penetra rapidamente nel materiale dello stampo e può diffondere nel
metallo fuso, portando poi alla formazione di porosità da gas e/o di ossidi di rame.
- controllare regolarmente il contenuto di ossigeno nelle materie prime (argento
puro, rame), nelle leghe già preparate e nel materiale riciclato;
- ridurre la concentrazione dell'ossigeno durante la preparazione delle leghe ed il
riciclaggio mediante un efficace processo di degasaggio/disossidazione, con
un'operazione di fusione sotto atmosfera riducente, prima del colaggio di graniglia
o della colata continua;
- trattare in modo adeguato il metallo fuso nell'apparecchiatura di colaggio:
per gli apparecchi con aiuto del vuoto (con possibilità di fare il vuoto nella
camera fusoria): garantire un vuoto sufficiente nella camera fusoria prima della
fusione; mantenere il vuoto anche durante la fusione e sovrariscaldare fino ad
almeno 1000°C, per degasare (di nuovo) efficacemente il metallo fuso; riempire
la camera fusoria con gas inerte prima del colaggio nel cilindro;
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per gli apparecchi normali con pressione-sul-vuoto (senza possibilità di fare il
vuoto nella camera fusoria): l'uso di materiale prelegato degasato a fondo o Ag
e Cu puri di alta qualità è della massima importanza (concentrazioni minime di
ossigeno e di impurezze di ossidi); riscaldare a 1000°C per decomporre gli
ossidi residui, evitando di prolungare eccessivamente il mantenimento sopra
~ 1000°C; flusso moderato di gas protettivo sul metallo fuso per evitare
turbolenza nel gas;
- evitare assorbimento di ossigeno da parte del metallo fuso dopo il colaggio nel
cilindro:
evitare la reazione con il refrattario (v. più avanti);
prima del colaggio fare per un tempo sufficiente il vuoto nella camera di
colaggio, cioè introdurre il cilindro nella camera di colaggio almeno 2 minuti
prima di colare;
dopo il colaggio aumentare il tempo prima di estrarre il cilindro dalla camera di
colaggio (si consigliano ~ 4 minuti, con tempi più lunghi per getti molto pesanti);
- evitare la reazione con il refrattario:
abbassare la temperatura di colaggio e quella del cilindro, specialmente con
getti di dimensioni medie o pesanti. Nota: può essere necessario riposizionare
l'alimentatore dei getti su o vicino alla sezione più spessa del modello, per
evitare porosità da ritiro;
controllare/migliorare il processo di deceratura e calcinazione.
4. Ossidazione a caldo
Benché l'ossidazione a caldo sia un fenomeno ben capito 5-7,14,15, vale la pena di
ricordare qui come la si può ridurre al minimo anche per getti di argento sterling
standard (solo Ag e Cu).
4.1 Studio di casi reali
Caso # 5: Zone grigie ingiallite sulle superfici finite
Nella fig. 10a si vede un esempio tipico di un campione con ossidazione a caldo, cioè
zone grigie e ingiallite sulla superficie finita di un anello, che possono essere
eliminate solo in parte prolungando la lucidatura. Il getto era stato lasciato raffreddare
per 1-2 minuti nella camera di colaggio dopo lo riempimento del cilindro. Il vuoto era
stato tolto riempiendo la camera con aria ed il cilindro era stato lasciato raffreddare
all'aria ~ 25 minuti prima della tempra in acqua.
Figura 10: Caso # 5;
a) Superficie finita di un anello in Ag 925 che mostra zone di colore grigio,
cioè ossidazione a caldo;
b) Sezione metallografica che mostra uno strato grigio di ossidazione interna
sotto alcune parti della superficie;
c) Sezione metallografica che mostra uno spesso strato di ossidazione interna in
un getto di Ag 930 che è stato raffreddato all'aria fino a temperatura ambiente
In generale, i getti di argento sterling che sono raffreddati all'aria prima della tempra
hanno sotto la superficie uno strato di ossidazione interna. Lo strato è formato da piccole
particelle di ossido di rame nella matrice di argento e si forma durante il raffreddamento
dei cilindri all'aria, a causa della diffusione dell'ossigeno nel materiale solido ma ancora
caldo. Lo spessore dello strato può variare in funzione del peso e della forma del getto
e dei parametri di processo e, secondo lo spessore, lo strato può non essere asportato
con gli abituali trattamenti di sabbiatura, decapaggio e ulteriore finitura.
Si può evitare l'ossidazione a caldo usando leghe ad essa resistenti, contenenti Zn,
Si e/o Ge 9,14,15, ma la si può ridurre ed anche eliminare completamente migliorando
il processo di raffreddamento dei cilindri dopo il colaggio (v. 4.2).
Nella fig. 10c è mostrato un esempio di uno spesso strato di ossidazione a caldo
osservato su un getto che era stato raffreddato in aria fino alla temperatura ambiente.
Caso # 6: ossidazione a caldo, porosità e inclusioni
Sulla superficie finita del braccialetto in Ag 925 mostrato nella fig. 11 sono state
osservate larghe macchie grigie e giallastre, che non potevano essere eliminate
proseguendo la lucidatura. Nelle zone giallastre sono anche presenti alcuni pori ed
inclusioni. Similmente al Caso # 5, dopo lo riempimento il cilindro era stato lasciato
raffreddare per 1-2 minuti nella camera di colaggio e poi era stato raffreddato all'aria
per ~ 25 minuti prima della tempra in acqua. La sezione metallografica attraverso le
zone difettose mostra vaste zone di colore grigio con forte ossidazione interna che si
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La sezione metallografica attraverso le zone difettose mostra chiaramente uno strato
grigio di ossidazione interna sotto la superficie (fig. 10b). Queste zone, dove lo strato
ossidato non viene asportato completamente con la finitura meccanica, dopo la
lucidatura mostrano un colore grigio.
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estendono quasi su tutta la sezione (fig. 11b). Ciò spiega perché in questo caso
anche una finitura prolungata non era riuscita ad eliminare l'ossidazione a caldo.
Ulteriori esami a maggior ingrandimento mostrano una fine porosità interdendritica
e sottili linee di ossidi al centro delle zone grigie (fig. 11c).
4.2 Ulteriori risultati dello studio
Nel corso del progetto le aziende industriali coinvolte hanno preferito le leghe di
argento sterling standard (Ag, Cu, senza additivi), rispetto alle leghe resistenti
all'ossidazione a caldo. Perciò si è puntato a trovare metodi adatti per evitare
l'ossidazione a caldo modificando il processo. Basandosi sulla causa del difetto, cioè
la diffusione dell'ossigeno nel metallo durante il raffreddamento dei cilindri all'aria,
l'idea di base era di ridurre al minimo il tempo in cui dopo il colaggio il cilindro con il
metallo ancora caldo era esposto all'aria.
La fig. 12 indica come la variazione delle condizioni di raffreddamento influenzano lo
spessore dello strato di ossidazione interna sotto la superficie. I dati sono stati
ottenuti su getti sperimentali di Ag 925 con temperatura di colaggio e del cilindro
rispettivamente di 970°C e 500°C. Per ogni getto lo spessore medio dello strato è
stato determinato su sezioni metallografiche di 5 pezzi sperimentali (anello con sfera
Ø 10 mm) disposti regolarmente sulla lunghezza dell'alberello (cima…fondo).
Figura 11: Caso # 6;
a) Superficie finita di un braccialetto in Ag 925 che mostra ampie zone di colore grigio
(ossidazione a caldo) oltre a porosità fine e inclusioni di ossido;
b) e c) Sezioni metallografiche, che mostrano: b) forte ossidazione interna che si propaga
in profondità nel materiale e c) fine porosità interdendritica,
ossidazione interna e inclusioni di ossido
In questo caso, durante il raffreddamento del cilindro all'aria, l'aria calda era
penetrata all'interno del materiale lungo il percorso della porosità interdendritica.
Perciò la causa del difetto più grave rispetto al Caso # 5 è correlata con la porosità
interdendritica, che probabilmente è una sovrapposizione di porosità da ritiro e da
gas, dove quest'ultima è causata da materiale contaminato nel bagno fuso.
Durante l'avanzamento della solidificazione, l'ossigeno e le altre impurezze si
accumulano nel liquido residuo e nelle fasi finali della solidificazione sono espulse come
inclusioni di ossidi. Perciò la formazione di inclusioni di ossidi lungo le superfici
interdendritiche è un forte indizio di presenza di materiale inquinato nel metallo fuso.
Per evitare questa complessa combinazione di ossidazione a caldo, porosità e inclusioni,
si devono prendere in esame parecchi provvedimenti, compreso il miglioramento della
progettazione e del posizionamento degli alimentatori, il miglioramento delle procedure
di preparazione e di riciclaggio delle leghe ed il miglioramento del processo di
raffreddamento dei cilindri dopo il colaggio. Questo caso è un altro esempio tipico di forte
contaminazione interna del rottame, causata dal raffreddamento all'aria dei cilindri dopo
il colaggio (v. i commenti al Caso #1 , 3.1 Porosità).
Le prime prove, in cui si è semplicemente riempita la camera di colaggio con un gas
protettivo, (Ar, N2) non hanno portato a miglioramenti soddisfacenti.
Lo stesso risultato è stato ottenuto anticipando la tempra dei cilindri: raffreddare i
cilindri all'aria anche solo per tempi brevi (2 minuti) era sufficiente per formare strati
di ossidazione interna spessi più di 10 µm. Alla fine è stata ottenuta una riduzione
sostanziale dell'ossidazione interna in prove in cui i cilindri erano temprati in acqua
subito dopo essere stati estratti dalla camera di colaggio. Le frecce corte in fig. 12
indicano che l'ossidazione interna può essere eliminata quasi completamente se
l'operazione è eseguita con sufficiente rapidità e se durante la tempra i cilindri sono
fatti muovere nell'acqua. Se tutto funziona alla perfezione, gli alberelli temprati sono
di colore giallognolo invece che grigio scuro ed anche nero.
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Figura 12 - Effetto delle condizioni di raffreddamento dei cilindri dopo lo riempimento
sullo spessore dello strato di ossidazione interna per getti sperimentali in Ag 925
19
Con la presente combinazione di composizione della lega, peso dei modelli, e
parametri del processo di colaggio, la solidificazione è completa dopo 2 min., così che
si sono ottenuti getti senza cricche, anche se i cilindri erano stati temprati solo 2 min.
dopo il colaggio. Allungando il tempo a 4 min., si ottiene un programma ragionevole
per la maggior parte dei getti, compresi quelli con modelli relativamente pesanti.
Come indicato in fig. 12 il processo di raffreddamento modificato funziona meglio se,
dopo l'eliminazione del vuoto, la camera di colaggio è riempita con gas protettivo.
Nel trasferimento di questa pratica alla produzione industriale, si è trovato che per
alcuni apparecchi di colaggio lo riempimento con gas protettivo poteva essere difficile
da realizzare senza grosse modifiche dell'apparecchiatura. Gli esempi mostrati in fig.
13 dimostrano che, colando nelle condizioni di produzione, si possono ottenere
miglioramenti molto soddisfacenti anche con un rapido riempimento con aria o un
lento riempimento con gas attraverso una sovrapressione nella camera fusoria
(semplicemente spegnendo la pompa da vuoto), purché i cilindri siano temprati
immediatamente dopo essere stati estratti dalla camera di colaggio.
A scopo di completezza si ricorda che la tempra in acqua non è fattibile nel caso del
colaggio con pietre. Una soluzione pratica per le aziende che producono piccole
quantità di getti con pietre può essere un prolungamento del mantenimento del cilindro
sotto vuoto nella camera di colaggio. Altre possibilità sono indicate più avanti, ma l'uso
di leghe resistenti all'ossidazione a caldo può essere la sola soluzione valida per le
aziende che colano molti cilindri al giorno, con una grossa parte di getti con pietre.
4.3 Consigli
Riassumendo, per ridurre al minimo l'ossidazione a caldo dei getti di argento sterling
standard, si consigliano i seguenti provvedimenti:
- abbreviare il tempo in cui, dopo lo riempimento, il cilindro con il metallo caldo è
esposto all'aria, cosa che si può ottenere con:
allungare al massimo il tempo tra lo riempimento e l'estrazione del cilindro
dalla camera di colaggio (si consigliano ~ 4 minuti, o più per getti molto
pesanti);
dopo aver tolto il vuoto, riempire la camera di colaggio con gas protettivo
invece che con aria;
punto più importante: temprare immediatamente il cilindro, subito dopo averlo
tolto dalla camera di colaggio (solo per getti colati senza pietre).
Per getti con pietre: portare il cilindro in un ambiente con gas protettivo subito
dopo averlo tolto dalla camera di colaggio:
--- per es. metterlo in un forno con circolazione di gas protettivo,
--- scelta ottimale: metterlo in una apposita "cassetta di raffreddamento", in cui si
possa fare il vuoto, per riempirla poi con gas protettivo.
5. Fratture nel materiale grezzo di colata
Le cricche in getti grezzi di colata possono rappresentare un fenomeno molto
complicato. Tuttavia, per l'argento sterling, in molti casi la rottura avviene a causa di
tensioni inutili a cui è sottoposto il metallo che si sta solidificando.
5.1 Studio di casi reali
Figura 13 - Sezioni metallografiche di getti sperimentali da colaggio industriale,
che documentano l'effetto di procedure di raffreddamento
migliorate sull'ossidazione interna dei getti:
a) Riempimento della camera di colaggio con aria 75 s dopo lo riempimento del cilindro /
raffreddamento all'aria 25 min. / tempra in acqua
b) Riempimento lento della camera di colaggio con N2, iniziato 1 min. dopo lo riempimento
del cilindro, attesa di 3-4 min., estrazione del cilindro e tempra immediata in acqua
c) Riempimento della camera di colaggio con aria 4 min. dopo lo riempimento del cilindro
/ tempra immediata in acqua
Caso # 7: cricche nel gambo di un anello
Nella fig. 14a è mostrato un anello di Ag 935 con cricche nel gambo. Una sezione
metallografica attraverso la cricca ha evidenziato qualche piccola porosità locale, ma
non sono visibili impurezze o inclusioni. L'esame della superficie della cricca al
microscopio elettronico a scansione (SEM) ha mostrato che le superfici dei cristalli
(dendriti) sono arrotondate (fig. 14b), fatto che dimostra che la cricca si è aperta
quando il materiale era ancora parzialmente liquido: solo i liquidi formano superfici
arrotondate, per via della tensione superficiale.
Le caratteristiche delle superfici di frattura sono tipiche della criccatura a caldo, che
è causata da sforzi durante la solidificazione. Il cilindro era stato tolto dalla camera
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di colaggio solo 50 s dopo lo riempimento, mentre il tempo per la solidificazione di
getti in argento con quelle dimensioni dovrebbe essere circa 90 s, secondo le
temperature di colaggio e del cilindro usate. Perciò, quando il cilindro era stato tolto
dalla camera di colaggio, l'anello era ancora parzialmente liquido e si suppone che
in questo caso questa sia stata la causa principale per l'aumento localizzato degli
sforzi. È stato dimostrato che, allungando il tempo prima di estrarre il cilindro dalla
camera di colaggio, in molti casi si evitano cricche a caldo di questo tipo.
esattamente nello stesso posto (anche se meno frequentemente) dopo essere stati
lasciati per 4 minuti nella camera di colaggio prima della tempra. Perciò, in questo
caso particolare, le tensioni si erano formate principalmente per cause geometriche
e per la differente contrazione del refrattario rispetto al metallo. Il solo modo per
superare questo problema è una modifica della progettazione dell'alimentatore e dei
parametri di processo per il colaggio di questo anello.
5.2 Ulteriori risultati della ricerca
Figura 14: Caso # 7;
a) Cricche nel gambo di un anello in Ag 925;
b) Dettaglio della superficie di frattura al microscopio elettronico a scansione
Caso # 8. Cricche nel gambo di un anello vicino al giunto con l'alimentatore
Si verificano spesso cricche nella parte interna del gambo di un anello, esattamente in
corrispondenza del giunto con l'alimentatore, come mostrato nella fig. 15a. In questo
caso le cricche si sono formate in posizioni identiche su circa il 10% degli anelli di
quell'alberello. Una sezione metallografica attraverso la zona criccata ha mostrato una
cricca profonda con percorso a zig zag lungo un bordo di grano (fig. 15b). Non sono
state osservate inclusioni di ossidi o altre impurezze e nemmeno porosità da ritiro.
Figura 15: Caso # 8;
a) Cricche sul raggio interno del gambo di un anello in Ag 925;
b) Sezione metallografica attraverso la zona della cricca
È stato spesso osservato che i fonditori marchiano le materozze dei loro cilindri
punzonandoci dei numeri subito dopo aver tolto il cilindro dalla camera di colaggio.
Questa operazione può certamente indurre sforzi intensi nel materiale interno,
specialmente se i cilindri sono estratti troppo presto dalla camera di colaggio ed il
materiale colato è ancora parzialmente liquido.
È possibile ridurre la suscettibilità alla criccatura a caldo, principalmente evitando
sforzi nel metallo dentro il cilindro durante la solidificazione. È stato provato che in
molti casi l'allungamento del tempo prima dell'estrazione del cilindro dalla camera di
colaggio evita le cricche a caldo. La suscettibilità alle cricche a caldo può essere
fortemente aumentata in alcune delle moderne leghe resistenti all'ossidazione a
caldo, che contengono aggiunte di Zn, Si e/o Ge, ecc. Questi elementi formano al
bordo dei grani fasi a basso punto di fusione e allungano notevolmente il tempo
totale di solidificazione, in confronto all'argento sterling standard. Perciò le molte
leghe resistenti all'ossidazione a caldo aumentano il rischio di criccatura a caldo ed i
parametri di processo devono essere adattati in corrispondenza.
Tuttavia in molti casi le cricche si formano a causa di porosità, specialmente
interdendritica, o per ragioni geometriche o di progettazione, come dimostrato dal
Caso # 8. Differenze forti e brusche di sezione e/o di diametro spesso causano
problemi a causa della differente contrazione del materiale refrattario rispetto al
metallo, che induce sempre tensioni nei getti. La forma dell'alimentatore centrale,
come pure la forma e la posizione degli alimentatori dei getti controllano il
comportamento dei getti durante il raffreddamento. Questi parametri interagiscono in
modo complicato anche con la temperatura di colaggio e quella del cilindro.
Esperimenti programmati con variazioni per es. della progettazione degli alimentatori
dei getti e dei parametri di colaggio per un dato modello sono il metodo più pratico
per trovare una soluzione che "funzioni"2. In alcuni casi una modifica del diametro
dell'alimentatore centrale può essere la sola soluzione 17. Concludendo, certe
cricche nei getti si possono formare a causa di interazioni molto complicate e
richiedono un esame molto dettagliato di tutti i parametri. In futuro la simulazione al
computer della formazione di tensioni durante il raffreddamento potrà aiutare a
capire e prevenire la criccatura a caldo.
Analogamente al caso precedente, la superficie della cricca ha fatto pensare che la
rottura si fosse verificata a causa di sforzi durante la solidificazione, che possono
essere stati amplificati a causa di una estrazione prematura del cilindro dalla camera
di colaggio dopo lo riempimento. Tuttavia getti dello stesso tipo si sono criccati
5.3 Consigli
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Riassumendo, per ridurre o evitatare fratture nei getti di argento sterling standard, si
consigliano i seguenti provvedimenti:
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- evitare sforzi meccanici non necessari nei getti durante la solidificazione, cosa
che si può ottenere con:
allungamento del tempo prima di estrarre il cilindro dalla camera di colaggio
dopo lo riempimento (si consiglia ~ 4 minuti, aumentabili per getti molto
pesanti),
evitare di marchiare le materozze punzonandole poco tempo dopo che i
cilindri sono stati estratti dalla camera di colaggio,
ottimizzazione della progettazione degli alimentatori dei getti, specialmente nel
caso di cricche vicino al giunto tra alimentatore e modello; evitare bruschi
cambiamenti di sezione.
6. Riassunto e conclusioni
In accordo con lavori precedenti 4-10, si può affermare che la riduzione della maggior
parte dei difetti (forse ad eccezione delle fratture) ed il miglioramento della qualità dei
getti in argento sterling per gioielleria risalgono invariabilmente ad un problema
principale: ossigeno e argento.
L'argento fuso può assorbire grandi quantità di ossigeno, che si libera durante la
solidificazione, causando porosità da gas. Il materiale di partenza e quello riciclato
possono contenere quantità significative di ossigeno o di ossidi, che possono
causare porosità se durante la preparazione della lega o il riciclaggio e prima del
colaggio non si esegue un adatto degasaggio del metallo. Parametri di processo non
adeguati possono portare all'assorbimento di ossigeno durante la fusione o dopo il
colaggio (cioè dentro il cilindro prima della e durante la solidificazione).
Probabilmente nel caso dei getti in argento è sottostimato il rischio di reazione tra
metallo fuso e refrattario, cioè la decomposizione del refrattario, che può causare
porosità da gas. Una grande maggioranza dei difetti studiati negli ultimi anni, che
all'inizio erano stati classificati come porosità da ritiro a causa del loro aspetto
spugnoso, sono risultati alla fine essere porosità da gas interdendritica causata dalla
reazione con il refrattario.
Anche l'ossidazione a caldo è in relazione con la diffusione di ossigeno nel materiale
solidificato, dopo il colaggio. Un'altra conseguenza di questo fatto è che il rottame di
colaggio (alimentatori, ecc.) può essere fortemente inquinato internamente e
causare porosità da gas e inclusioni dure sulla superficie se non si usano adatti
processi di riciclaggio. Perciò il problema "ossigeno e argento" può accompagnare il
processo di colaggio dall'inizio alla fine e può dare origine a molte cause di difetti e
di peggioramento della qualità.
Negli ultimi anni sono state messe a punto molte leghe con differenti combinazioni
di elementi aggiuntivi, che mirano alla resistenza all'ossidazione a caldo, alla
disossidazione, all'affinamento del grano, al miglioramento della fluidità e della
resistenza alla macchiatura (tarnishing). Questi tipi di leghe sono spesso indicati
come più "tolleranti" nel campo della produzione rispetto alle molte cause di difetti. I
possibili svantaggi di alcune di queste leghe sono: aumento della suscettibilità alla
frattura, aumento della formazione di scoria durante la fusione e relativi problemi di
riciclaggio.
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Jewelry Technology Forum
Perciò molti fonditori preferiscono ancora usare le leghe standard di argento sterling
(cioè Ag e Cu, senza aggiunte). In questa memoria sono stati presi in esame consigli
pratici per migliorare il processo e ridurre i difetti, che sono anche stati riepilogati in
un più dettagliato catalogo dei difetti durante e dopo il progetto di ricerca 18. Il
mantenimento dei cilindri per ~ 4 minuti nella camera di colaggio dopo lo
riempimento, seguito da tempra immediata, ha dimostrato di essere estremamente
utile sotto molti aspetti: minimizzazione dell'ossidazione a caldo e dell'inquinamento
interno del rottame, riduzione del rischio di criccatura e minimizzazione della porosità
da gas e delle inclusioni di ossido causate dall'assorbimento di ossigeno nel cilindro
dopo lo riempimento. Si deve notare che la tempra dei cilindri circa 4 minuti dopo il
colaggio fornisce anche una possibilità per l'indurimento per invecchiamento diretto
dell'argento sterling grezzo di colata, senza bisogno di un trattamento di ricottura di
solubilizzazione ad alta temperatura 16.
Nel corso di questo progetto è stata posta frequentemente la seguente domanda:
Quale è il miglior livello o il livello "standard" di qualità che si può ottenere nel
colaggio a cera persa di gioielleria in argento?
Non vi è dubbio che pochi ma efficaci provvedimenti e procedure di ordinaria
manutenzione e pulizia quotidiana possono contribuire a ridurre un gran numero di
difetti di colaggio e molti fonditori lo hanno constatato, indipendentemente dal loro
particolare ambiente di produzione.
Il secondo passo richiede soluzioni o provvedimenti adatti alle condizioni di
produzione specifiche dell'azienda, cioè qualità e disponibilità delle apparecchiature
e del personale e livello del controllo e della gestione della qualità. È allora possibile
ottenere una qualità costante della gioielleria in argento colata a cera persa. Per
ottenere in modo costante una ottima qualità occorrono maggiori sforzi e attenzione
(ed investimenti in apparecchiature e nel personale). Ma è praticamente impossibile,
anche da un punto di vista metallurgico, ottenere una costante "perfezione". Più alti
sono i requisiti di qualità, maggiori sono i costi di produzione. Perciò per qualunque
tipo di oggetto è necessario trovare il giusto equilibrio tra qualità e costi, al fine di
tenere sotto controllo i costi commerciali. Se per esempio su una superficie lucidata
a fondo si volesse evitare anche l'ultima traccia di microporosità, visibile solo con un
microscopio stereoscopico ad alto ingrandimento, si dovrà tener conto di quasi tutti
gli aspetti dei provvedimenti consigliati per ridurre al minimo la porosità (e
probabilmente anche di altri). Sforzi così elevati possono essere difficili da
giustificare, specialmente nel mercato della gioielleria in argento, dove i margini di
profitto sono relativamente bassi e la pressione sui prezzi è estremamente alta.
Ringraziamenti
Molti ringraziamenti a:
- i collaboratori del dipartimento di metallurgia del FEM per la realizzazione del
lavoro sperimentale
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- la Commissione Europea per il sostegno finanziario per il contratto N° G1ST-CT2002-50174, negli anni 2002-2004
- tutti gli associati del progetto europeo CRAFT: Quinn Scheurle GmbH (D), C.
Hafner GmbH & Co. (D), Indutherm GmbH (D), Lombardi s.r.l. (I), De Percin (F),
Gonthiez Frères SA (F), The Merrell Casting Co. Ltd. (UK), Plataurum Design Ltd.
(UK), CETEHOR (F), UCE / Jewellery Industry Innovation Centre (UK), Politecnico
delle Marche (I)
- altri cooperatori del settore industriale per il sostegno e la fornitura di materiali:
SRS (UK), LegOr (I), Apecs (Australia), Rio Grande e Neutec (US)
- Dieter Ott, Valerio Faccenda e Eddie Bell per le utili discussioni, per la loro opera
di guida ed il sostegno continuo.
16. J. Fischer-Bühner, "Possibilità di indurimento dello sterling silver", Atti del 1° Convegno
Internazionale sulla tecnologia produttiva orafa, (JTF, Montegrotto / Italia), 2004, pag. 166;
Proceedings of the 17th Santa Fe Symposium, 2003, pag. 29
17. E. Bell, "Alimentare con successo", Atti del 2° Convegno Internazionale sulla tecnologia
produttiva orafa, (JTF, Vicenza / Italia), 2005, pag. 68
18."Defect catalogue - Silver Jewellery Investment Casting"; J. Fischer-Bühner;
Deliverable del Progetto Europeo CRAFT, 2006 (versione finale)
Bibliografia
1. "Manuale sui difetti di colaggio e di altro tipo nella fabbricazione di gioielleria in oro"; Dieter
Ott; ed. Chris Corti, World Gold Council, Londra, UK; 1998 (ristampa 2001)
2. "Manuale sul colaggio a cera persa"; Valerio Faccenda; ed. Chris Corti, World Gold Council,
Londra, UK; 2003; e citazioni in esso contenute
3. Atti del "The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology", pubblicati dal 1987
in poi da Met-Chem Research Inc., US
4. C. Raub, "Use of silver in jewellery", Proceedings of the 3rd Santa Fe Symposium, 1989, pag. 241
5. D. Ott, "Examples of typical defects in jewelry making", Proceedings of the 3rd Santa Fe
Symposium, 1989, pag. 297
6. R. Carrano, "Sterling silver casting problems", Proceedings of the 4thSanta Fe Symposium,
1990, pag. 91
7. D. Ott, "Defects in jewelry - A new version of an old problem", Proceedings of the 5th Santa Fe
Symposium, 1991, pag. 711
8. A. Reti, "Understanding sterling silver", Proceedings of the 3rd Santa Fe Symposium, 1997,
pag. 339
9. J. Tyler Teague, "What you do not know can hurt you", Proceedings of the 17th Santa Fe
Symposium, 2003, pag. 413
10. M. Rofani, "Difficoltà di lavorazione di leghe d'argento a alto contenuto di ossigeno", Atti del 1°
Convegno Internazionale sulla tecnologia produttiva orafa (JTF) Montegrotto, Italia, 2004, pag. 138
11. J. Fischer-Bühner, "Simulazione al computer del colaggio a cera persa di gioielleria: cosa
possiamo attenderci?", da pubblicare negli atti del 3° Convegno Internazionale sulla tecnologia
produttiva orafa (JTF, Vicenza / Italia) e nei Proceedings of the 20th Santa Fe Symposium, 2006
12. D. Ott, "Relationship between casting conditions and gas porosity", Proceedings of the 15th
Santa Fe Symposium, 2001, pag. 353
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metalli con il refrattario", Atti del 2° Convegno Internazionale sulla tecnologia produttiva orafa ( JTF,
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Jewelry Technology Forum
Maggio 2006
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