Tiziana DragoFEM Istituto di ricerca sulla chimica dei metalli e i metalli preziosi (fem), Schwäbisch Gmünd Germania.

Tiziana Drago è laureata in ingegneria dei materiali e specializzata in trattamenti superficiali (Politecnico di Milano, Italia). Ha inoltre conseguito un master in materiali e tecniche diagnostiche nel settore dei beni culturali (Università di Pisa, Italia). Collabora con il Dipartimento di metallurgia fisica dell’Istituto di ricerca sulla chimica dei metalli e i metalli preziosi (fem), Schwäbisch Gmünd, Germania.

Ulrich E. Klotz FEM Istituto di ricerca sulla chimica dei metalli e i metalli preziosi (fem), Schwäbisch Gmünd Germania.

Ulrich E. Klotz, laureato in metallurgia fisica (Università di Stoccarda, Germania), ha conseguito un dottorato in scienza dei materiali presso l’ETH di Zurigo, Svizzera. È a capo del Dipartimento di metallurgia fisica dell’Istituto di ricerca sulla chimica dei metalli e i metalli preziosi (fem), Schwäbisch Gmünd, Germania.

Il platino è un materiale che, in ragione delle sue proprietà fisiche, presenta notevoli complessità. Durante la fusione e la colata sono infatti possibili reazioni del crogiolo e della muffola, la porosità da ritiro è elevata e il riempimento dei pezzi filigranati risulta difficoltoso. Il presente intervento descrive gli esiti di una ricerca collaborativa condotta da diversi partner e dal FEM sull’influenza dei parametri di processo, lavoro svolto su iniziativa di PGI e da esso finanziato. Sulla base di un’analisi dei difetti di fusione riscontrati nella pratica industriale, si sono eseguiti esperimenti presso il FEM per individuare i parametri di fusione ottimali, esperimenti per i quali sono state utilizzate due leghe comuni di Pt (Pt-5Co e Pt-5Ru) e quattro diversi materiali per i modelli in cera persa variando atmosfera, temperatura di fusione e della muffola, struttura dell’albero e parametri della centrifuga. I principali problemi evidenziati da un esame dettagliato dei campioni sono stati la porosità da ritiro e i difetti superficiali. Successivamente sono stati individuati parametri di processo ottimizzati per i pezzi a sezione più spessa e filigranati. Si ritiene che la ricerca in futuro dovrebbe concentrarsi sulla fusione simulata del platino, in modo da contenere gli impegni e i costi degli test.

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Il ruolo dei parametri di processo nella fusione del platino

IntroduzioneNegli ultimi anni sono stati pubblicati vari articoli sulle proprietà di fusione del platino [1, 2] nei quali sono stati affrontati diversi argomenti come quali siano le leghe adatte alla fusione [3-6], la configurazione dell’albero [7-10] e le reazioni dei modelli in cera persa [11, 12]. Articoli di autori sudafricani descrivono l’effetto dei parametri di fusione centrifuga su diverse leghe e modelli in cera persa [12-14]. La lega Pt-5Co è stata giudicata estremamente versatile con eccellenti proprietà di riempimento della forma dei pezzi in filigrana, persino in presenza di temperature della muffola di 100°C. Viceversa, in presenza di temperature della muffola a 800°C [12], per i pezzi filigranati la lega Pt-5Ru ha dato prova di scarse proprietà in termini di riempimento della forma. Ai fini della produzione di gioielli, oltre alle proprietà di fusione, sono state esaminate anche le proprietà funzionali delle leghe come colore, durezza, duttilità e proprietà magnetiche. In proposito, la lega Pt-5Ru è risultata più versatile rispetto alla lega Pt-5Co o Pt-5Cu ed è utilizzabile in tale ambito per tutti gli scopi. Il presente progetto ha essenzialmente investigato le leghe Pt-5Ru e Pt-5Co, essendo le più frequentemente impiegate in campo orafo. I risultati ottenuti dalla fusione del platino con modelli in cera persa descritti nel presente intervento sono frutto di un progetto di ricerca commissionato da Platinum Guild International, USA (PGI) in collaborazione con diversi partner industriali. L’intervento sintetizza i risultati di una presentazione avvenuta per il simposio di Santa Fe 2010 [15] ed è stato ammesso alla pubblicazione su Platinum Metal Review [19].

Sperimentazione Gli esperimenti di fusione sono stati effettuati con una fonditrice TopCast TCE10 dotata di riscaldamento ad induzione e una potenza di 10 kW. La temperatura del metallo durante il riscaldamento e la fusione è stata registrata mediante un pirometro di quoziente. Per la maggior parte degli alberi, è stata utilizzata una configurazione tipo Diabolo. La figura 1 riporta un albero tipico, con alcuni pezzi standard (anelli con sfere e reticolo) unitamente ad alcuni gioielli.

Figura 1: Esempio di configurazione tipica dell’albero secondo allestimento Diabolo.

Durante il progetto sono stati testati quattro differenti modelli in cera persa provenienti da fornitori diversi. La tabella 3 riporta una descrizione delle proprietà dei rivestimenti illustrando brevemente i risultati del loro impiego.

Tabella 1: Proprietà del modello in cera persa

Produttore Tipo Base e rivestimento

Tempo di miscelazione

[min]

Tempo di lavorazione

[min]

Tempo di cottura [ore]

Temp. di cottura [°C]

Osservazioni

N. 1 due componentibase e

rivestimento in carta

30 10-12 12,5 871l’indurimento non inizia a temperatura ambiente, possibile tempo di lavorazione prolungato

N. 2 due componentibase e

rivestimento in carta

20-25 10-12 12,0 870l’indurimento non inizia a temperatura ambiente, possibile tempo di lavorazione prolungato

N. 3 un componente/ fibra base di gomma 8 5-7 11,5 900

per raggiungere il limite del tempo di lavorazione superiore è stata necessaria acqua fredda;

N. 4 un componente/ fibra base di gomma 8 5-7 10,0 900 viscosità elevata

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Sono stati condotti vari esperimenti di fusione per analizzare l’influenza dei parametri di fusione (temperatura del metallo fuso, temperatura della muffola, atmosfera di fusione, tipo di fonditrice), lega e materiale del modello in cera persa utilizzando come campioni geometrie standard quali anelli con sfere e reticoli. Il reticolo – campione rappresentativo di pezzi filigranati - dimostra una certa capacità di riempimento della forma in presenza di determinati parametri di processo. L’anello con sfera è un campione rappresentativo di pezzi con sezioni di notevole spessore. La sfera grande, che costituisce un punto critico, provoca reazioni dei rivestimenti e tende a generare porosità da ritiro. I campioni allo stato grezzo di colata sono stati valutati in termini di qualità della superficie, porosità da ritiro e reazioni dei rivestimenti mediante microscopia ottica, metallografia e microscopio elettronico a scansione. (SEM).

Risultati e discussioneProprietà delle legheLe leghe differiscono in termini di morfologia dendritica, segregazione e temperatura di fusione, che è superiore di circa 150°C per la lega Pt-5Ru [16]. I diagrammi di fase indicano il medesimo intervallo di temperatura di 18°C per ambedue le leghe. Tuttavia, a causa della segregazione, l’intervallo di fusione della lega Pt-5Co è circa doppio rispetto alla lega Pt-5Ru, il che probabilmente spiega la migliore capacità di riempimento della forma della lega Pt-5Co. Nel metallo avviene la segregazione di Co che ne promuove l’ossidazione e genera reazioni del modello in cera persa, anche in caso di fusione sotto vuoto.

Riempimento della formaIl riempimento della forma è un aspetto fondamentale per i pezzi filigranati ed è stato studiato su reticoli standard (figura 2).

Figura 2: Riempimento del reticolo in funzione della temperatura della muffola per la colata in presenza di aria (escluso il valore per 550°C). Valori medi di tutti i reticoli per ciascun albero.

La lega Pt-5Co presenta chiaramente una capacità di riempimento della forma superiore alla lega Pt-5Ru assicurando risultati eccellenti in presenza di una temperatura della muffola di 850°C. Quanto alla lega Pt-5Ru, il riempimento della forma aumenta notevolmente con l’incremento della velocità centrifuga e della temperatura della muffola, che per i pezzi filigranati dovrebbe essere di 950°C. La fusione sotto vuoto e, nel caso della lega Pt-5Ru, anche il surriscaldamento del metallo fuso ha consentito il riempimento completo dei pezzi filigranati con rivestimenti in tre componenti, promuovendo tuttavia al tempo stesso reazioni del modello.

Superficie dei pezzi fusiLa superficie dei pezzi fusi è stata controllata per osservare le reazioni dei rivestimenti, le inclusioni di particelle del modello e l’aspetto opaco o irregolare delle superfici. La tabella 2 fornisce un raffronto tra le due leghe e i diversi materiali di rivestimento, indicando inoltre l’influenza della temperatura della muffola.

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Tabella 2: Raffronto delle prestazioni dei modelli in cera persa in termini di qualità superficiale per la fusione in presenza di aria: +++ (migliori) ++ (medie) + (peggiori). Il modello n. 3 è stato utilizzato soltanto per le prove di fusione con macchina inclinabile Indutherm MC15.

Modello in cera persa Sformatura

Qualità superficiale della lega Pt-5Co @ Tmuffola Qualità superficiale della lega Pt-5Ru @ Tmuffola

850°C 950°C 1050°C 850°C 950°C 1050°C

N. 1 + ++ ++ n.a. +++ +++ n.a.

N. 2 +++ ++ ++ + ++(+) ++(+) +

N. 3 ++ +++ +++ n.a.+

(fessure)

+

(fessure)n.a.

N. 4 ++ + + n.a. + + n.a.

La migliore qualità superficiale è stata osservata per la lega Pt-5Ru, che non ha evidenziato alcuna reazione dei rivestimenti, nonostante la temperatura di fusione fosse estremamente elevata. Reazioni dei rivestimenti sono invece state osservate per la lega Pt-5Co, indipendentemente all’atmosfera di fusione, che hanno creato uno strato blu di silicato di Co (figura 3).

a)

b)

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c)

Figura 3: Reazioni del modello in cera persa per la lega Pt-5Co e analisi EDX dei prodotti delle reazioni nella posizione 2 (ossido di Co) e 3 (silicato di Co-Mg).

Inclusioni del modello (figura 4) sulla superficie sono state osservate soprattutto nel caso del modello n. 4, costituito da un solo componente. Con l’incremento della temperatura della muffola, la superficie è diventata più irregolare e le inclusioni più frequenti. Quanto ai modelli n. 1 e 2, con due componenti, si sono raramente osservate inclusioni, probabilmente in ragione della minore porosità e della maggiore stabilità di tali modelli. La qualità superficiale di tali modelli, pertanto, è stata generalmente superiore rispetto al modello n. 4.

Figura 4: Inclusioni di materiale di rivestimento sulla superficie di una lega Pt-5Ru.

I pezzi fusi hanno spesso evidenziato zone opache e lucide. Le zone opache indicano una superficie di tipo dendritico e sono state riscontrate nelle sezioni più spesse (figura 5) di un componente. La superficie opaca è causata dal ritiro di volumi di metallo fuso isolati durante la solidificazione.

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Figura 5: Superficie opaca di una fusione di lega Pt-5Ru con superficie dendritica.

Porosità da ritiroLa porosità da ritiro rappresentava il problema principale per pezzi di notevole dimensione e voluminosi, ma anche per quelli leggeri e filigranati, per cui ha costituito la maggiore difficoltà nelle serie di prove di fusione eseguite. L’effetto dei parametri di fusione e del posizionamento sull’albero è risultato relativamente contenuto. Le tabelle 3 e 4 forniscono un raffronto della porosità da ritiro.

Tabella 3: Raffronto della porosità delle sezioni metallografiche per le prove di fusione della lega Pt-5Ru in funzione del modello in cera persa: +++ (bassa = migliore) ++ (alta = media) + (altissima = peggiore).

Pt-5Ru No. 1 No. 2 No. 4850°C / aria n.a. ++ +++950°C / aria ++ ++ +++

850°C / vuoto + n.a. n.a.950°C / vuoto ++ n.a. n.a.

Tabella 4: Raffronto della porosità delle sezioni metallografiche per le prove di fusione della lega Pt-5Co in funzione del modello in cera persa: +++ (bassa = migliore) ++ (alta = media) + (altissima = peggiore).

Pt-5Co No. 1 No. 2 No. 4850°C / aria + + +950°C / aria + + +

850°C / vuoto + n.a. n.a.950°C / vuoto + n.a. n.a.

In generale, la porosità da ritiro è meno accentuata per la lega Pt-5Ru. Ambedue hanno dimostrato una differenza significativa in termini di morfologia del poro da ritiro. La lega Pt-5Co presenta pori meno numerosi, ma di grandi dimensioni, mentre la lega Pt-5Ru presenta spesso pori diffusi caratterizzati da dendriti intersecanti (figura 6).

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a)

b)

Figura 6: Porosità da ritiro nella sfera di un anello a sfera. a) Pt-5Co, b) Pt-5Ru.

L’influenza della temperatura della muffola e dell’atmosfera di fusione è risultata scarsa. Il materiale del rivestimento incide invece sulla porosità da ritiro e con il modello n. 4 sono stati raggiunti i livelli più bassi, fenomeno probabilmente dovuto alla minore conduttività termica del modello, che comporta un raffreddamento più lento e omogeneo del metallo fuso.

Effetto della fonditriceUn raffronto tra due tipi di fonditrice, una centrifuga e un`inclinabile, ha dimostrato che il riempimento della forma dei pezzi filigranati è stata superiore con la colata centrifuga. I risultati delle due macchine nel caso dei pezzi pesanti colati in lega Pt-5Co sono stati simili. Fusioni prive di difetti per l’anello con sfera sono state ottenute a 950°C/sotto vuoto, risultato non ottenibile mediante colata centrifuga in condizioni analoghe. La lega Pt-5Ru è stata difficile da gestire con la macchina inclinabile in ragione della bassa velocità di riscaldamento dello specifico modello impiegato, che ha provocato fratture dovute al fenomeno di hot tearing degli elementi. Macchine con potenza superiore e un tempo di fusione sufficientemente breve possono consentire di ottenere una corretta fusione anche della lega Pt-5Ru.

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ConclusioniPer risolvere il problema principale, costituito dalla porosità da ritiro, la progettazione del canale di alimentazione e la configurazione dell’albero sono i fattori principali. È necessario garantire la solidificazione direzionale. Le misure da adottare più tipiche, come l’incremento della temperatura della muffola, sono limitate dalla stabilità termica dei materiali di rivestimento. Tuttavia, l’ottimizzazione del comportamento di fusione unicamente attraverso mezzi sperimentali resta complessa.Negli ultimi anni, la simulazione della fusione si è dimostrata un prezioso strumento per quanto riguarda l’oro e l’argento [17, 18]. In commercio sono disponibili sofisticati pacchetti software per stabilire il riempimento della forma e la porosità da ritiro in funzione della lega, della configurazione dell’albero, della temperatura del metallo fuso e della muffola, che consentono l’ottimizzazione mediante simulazione computerizzata. Nel caso del platino, un siffatto approccio sarebbe ancora più interessante, visto il prezzo elevato del materiale e le temperature di fusione e della muffola estremamente elevate.È necessario conoscere approfonditamente le proprietà termofisiche delle leghe e del modello in cera persa e poiché tali dati scarseggiano, sarebbe opportuno condurre idonei esperimenti. Si dovrebbero effettuare prove comparative con una sofisticata registrazione termica durante il processo centrifugo di colata al fine di calibrare i risultati della simulazione. Si è riscontrato che i materiali del modello in cera persa incidono notevolmente sul riempimento della forma e la porosità da ritiro. L’ipotesi è che ciò sia dovuto a proprietà quali la permeabilità ai gas e la conduttività termica. Pertanto, l’influenza del rapporto acqua: polvere, del ciclo di cottura, della temperatura della muffola e dell’atmosfera di fusione richiede ulteriori approfondimenti per comprendere come si possano personalizzare le proprietà fisiche dei modelli in cera persa.

RingraziamentiGli autori sono grati per il sostegno finanziario di (PGI). Si ringrazia in particolar modo Jurgen Maerz. Il progetto ha potuto essere realizzato grazie a C. Hafner GmbH, Germania, che ha fornito le leghe di platino, collaborazione per la quale vengono espressi sentiti ringraziamenti. Si menzionano le società Ransom&Randolph, Lane Industries e Specialist Refractory Services (SRS) che hanno fornito i materiali per i modelli in cera persa. Un ringraziamento particolare viene infine rivolto a Dieter Ott per le proficue discussioni sui risultati del progetto e al personale del Dipartimento di metallurgia del FEM, soprattutto Franz Held e Ulrike Schindler, per le prove di fusione e la metallografia.

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Bibliografia

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