Gli effetti della pressatura isostatica a caldo delle colate di lega di platino sulle proprietà meccaniche e sulle microstrutture

La precedente ricerca ha avuto come fine una migliore comprensione delle caratteristiche di solidificazione per diverse leghe a base di platino. Le evidenze hanno dimostrato una forte tendenza verso la formazione di restringimenti e porosità da gas al momento della solidificazione; inoltre, la pressatura isostatica a caldo (HIP), un trattamento termico ad alta pressione sviluppato come processo di densificazione, si è dimostrato essere un metodo efficace per ridurre al minimo e/o eliminare questa porosità.

Nonostante i risultati precedenti abbiano chiarito che la porosità sia stata significativamente ridotta a seguito del processo HIP, gli autori non avevano ancora analizzato il ventaglio completo degli effetti dell’HIP in termini di proprietà meccaniche e di microstruttura post-lavorazione. L’obiettivo di questa nuova fase di ricerca è approfondire ulteriormente la nostra comprensione, individuando gli effetti post-HIP sulle colate a base di platino in relazione alla forma e alla dimensione dei grani cristallini, alla distribuzione chimica e alla forza meccanica.

Le principali conclusioni dello studio 2011 possono essere sintetizzate come segue:

• Un approccio con un solo canale di alimentazione come mostrato in Figura 1a non è stato raccomandato per la forma geometrica testata, poiché l’approccio con canali di alimentazione multipli ha mostrato una riduzione significativa della porosità per tutte le leghe testate.
• Anche con l’uso di un sistema di alimentazione ottimizzato e direzionalmente solidificato, nessuna delle leghe era in grado di giungere a una colata totalmente densa.
• Il processo HIP si è mostrato un mezzo efficace per l’eliminazione totale o pressoché totale della porosità nelle leghe di alluminio testate.

Per dimostrare in modo più chiaro come funziona il processo HIP, la Figura 3 mostra lo schema di una tipica unità HIP. L’unità contiene una fornace ad alta temperatura chiusa all’interno di una camera a pressione. Le parti vengono in genere posizionate all’interno della camera negli strati verticali con l’uso di scaffalature in acciaio o ceramica per massimizzare la capacità di carico. Durante le operazioni, la camera HIP viene dapprima messa sotto vuoto, per essere poi riempita di gas interte, in genere argon, utilizzato per applicare la pressatura isostatica. La temperatura e la pressione vengono quindi innalzate e lasciate stabilizzarsi per un periodo specifico di tempo, in base alle proprietà del materiale. Le parti si densificano una volta superata la resistenza allo snervamento del materiale, creando un flusso plastico che obbliga i vuoti interni a collassare sotto la pressione differenziale. In condizioni di vuoto, le superfici interne si legano insieme, aumentando la densità e, di conseguenza, migliorando le proprietà del materiale. Le dimensioni dell’unità HIP vanno dalla piccola dimensione di laboratorio fino a quella per la produzione industriale su larga scala. L’unità mostrata in Figura 4 è un esempio di un’unità in scala inferiore. 

Non tutti i metalli potranno beneficiare del processo HIP e il livello di risposta al processo HIP di ciascuna lega dipende dalla sua resistenza allo scorrimento. Lo scorrimento è la tendenza di un materiale solido a spostarsi lentamente e a deformarsi in modo permanente in condizioni di stress. Nei metalli, lo scorrimento aumenta con la temperatura e inizia a circa il 40 - 50% della temperatura di fusione di una lega[i]. Il tasso di scorrimento è in funzione della temperatura, delle proprietà dei materiali e della quantità di pressione applicata. Per poter raggiungere le proprietà dei materiali ottimali, i parametri utilizzati in un ciclo HIP devono essere selezionati con precisione in base alle necessità della lega. I parametri tipici, inclusi sia i metalli sia le ceramiche, rientreranno in genere nelle gamme mostrate nella Tabella 1:

I parametri e le condizioni di colata per le prove effettuate sono mostrate in Tabella 2. Sono state utilizzate temperature di colata, temperature dei cilindri e curve di attivazione standard. I cilindri sono stati utilizzati con una macchina a colata centrifuga con riscaldamento a induzione; ciascun albero conteneva due forme geometriche di prova per ciascuna lega. Una colata è stata trattenuta per disporre di un campione “come colato”, mentre la seconda colata è stata sottoposta a HIP in base a specifici parametri per le leghe di platino ma di proprietà del fornitore HIP.

Un altro importante risultato è che la dimensione del grano cristallino non è influenzata negativamente dal processo HIP (Figura 7). Un semplice trattamento termico con gli stessi parametri termici del processo HIP (senza uso della pressione) non è né in grado di chiudere completamente i pori da una condizione di “come colato” né di mantenere la dimensione del grano cristallino (Figura 8). Nonostante la quantità e la dimensione dei pori siano chiaramente ridotte, i grani crescono in maniera considerevole durante il trattamento termico. Pertanto, qualsiasi effetto benefico di riduzione della porosità è compromesso dalla crescita dei grani cristallini. In base a tale risultato è possibile dedurre che la pressione utilizzata nel processo HIP apporta il beneficio aggiunto di ritardare la crescita dei grani cristallini. La Figura 9 mostra le dimensioni comparative dei grani cristallini di 950PtRu in condizioni “come colato”, sottoposto a HIP e a trattamento termico.

Il campione di colata di 95Pt5Co non mostra alcuna porosità macroscopica o microscopica nella condizione “come colato” (Figura 10). Tuttavia, a confronto di 95Pt5Ru, i grani cristallini sono estremamente grandi. La loro dimensione e forma indicano un processo di solidificazione relativamente lento, in cui pochi grani sono stati nucleati sulla superficie della parte, che quindi è cresciuta verso il centro. Vi è stato quindi il tempo sufficiente per avviare l’alimentazione e le microstrutture sono prive di pori. Di conseguenza, durante il processo HIP si sono verificati pochi cambiamenti sulla microstruttura del 95Pt5Co (Figura 11). Questo non significa che il processo HIP non offre alcun beneficio alle colate di 95Pt5Co. La precedente ricerca sui campioni più grandi ha mostrato che la tendenza di questa lega a formare pori da gas grandi e la porosità con restringimento della linea centrale sono state eliminate o ridotte tramite il processo HIP.

Certi tipi di difetti non rispondono al processo HIP o producono una risposta di densificazione inferiore. Un notevole limite del processo risiede nel fatto che solo la porosità totalmente sottosuperficiale collasserà; se i pori sono comunque aperti alla superficie della colata, non risponderanno al processo HIP. Questo effetto può essere riscontrato nella porosità di restringimento (Figura 12a). Un altro limite del processo HIP è riscontrabile nei pori da gas. I pori da gas rispondono meno al processo HIP rispetto ai pori di restringimento data la pressione che contengono. Piuttosto che essere eliminati, i pori vengono tipicamente ridotti in termini di dimensioni dal processo HIP, come evidenziato dalla sezione trasversale seguente (Figura 12b).

Prima di avviare le prove di trazione, è stato ritenuto prudente comparare i livelli di porosità riscontrati nella forma geometrica della barra di prova per la condizione “come colata” rispetto a quelli di progettazione della prova utilizzati nell’analisi della porosità riportata nella ricerca del 2011. La figura 15a è la fotomicrografia di 50X di una sezione trasversale desunta dall’area di taratura di una barra di prova di 95Pt5Ru. Nel raffronto con la Figura 15b, una sezione trasversale di 95Pt5Ru a 50X derivante dalla ricerca precedente, è possibile notare una distribuzione diversa in termini di porosità. La barra di prova ha un orientamento in linea centrale per il micro-restringimento, in cui la forma geometrica dell’anello presenta un micro-restringimento più distribuito. Nonostante le differenze riscontrate nei campioni seguenti, l’aspetto da notare in questo caso è che entrambe le forme geometriche producono quella che può essere considerata una condizione quasi ottimale per 95Pt5Ru nello stato “come colato”. Al contrario, in relazione alla Figura 16 che presenta il design tipico di un gioiello, si nota facilmente che la solidificazione di questa forma geometrica sarà più difficile dato l’orientamento spesso-sottile e la mancata capacità di solidificarsi direzionalmente. Pertanto, i risultati di trazione rispecchiano una condizione ottimale a confronto con gran parte del prodotto di fusione in situazione reale.

In caso di sforzi superiori a UTS, che segna il massimo della curva sforzo-deformazione (Figura 17), la sezione trasversale viene localmente ridotta attraverso la strizione del campione. L’ulteriore deformazione è localizzata nella regione della strizione e, di conseguenza, lo sforzo richiesto per un’ulteriore deformazione diminuisce costantemente fino al punto di rottura. L’allungamento totale () indica il livello di deformazione plastica che il materiale è in grado di sopportare. I pori nel materiale ridurranno significativamente l’allungamento perché agiscono come siti di concentrazione dello sforzo. L’effetto dei pori è ancor più pronunciato sulla riduzione dell’area, che indica il livello di strizione raggiunto fino alla completa rottura del campione.

Mentre l’UTS o la durezza sono proprietà chiaramente importanti da misurare, esse non sono necessariamente le proprietà più critiche per prevedere il malfunzionamento in un ampio numero di applicazioni. Per quanto concerne la durata della fatica, l’allungamento e la riduzione dell’area sono generalmente considerati aspetti più importanti. Nello specifico, nei casi in cui sia prevista una successiva lavorazione del materiale a freddo, una maggiore capacità di piegarsi prima della rottura è di importanza massima.  

Il trattamento HIP influenza le proprietà meccaniche delle quattro leghe in modo diverso. Per tutte le leghe, l’effetto su YS e UTS è piuttosto basso. Per 90Pt10Ir e 95Pt5Co, l’effetto sull’allungamento e sulla ROA è esiguo. Tuttavia per 95Pt5Ru e 90Pt10Rh, si riscontra un significativo aumento dell’allungamento e della ROA tramite il processo HIP. Questi risultati sono ben correlati ai livelli di porosità delle diverse leghe e attestano chiaramente che la riduzione della porosità aumenta la duttilità nelle leghe.

Un’altra interessante osservazione è stata desunta dall’analisi della distribuzione dell’UTS nella popolazione di campioni. I grafici sottostanti mostrano la differenza nella diffusione tra i gruppi “come colati” e “sottoposti a HIP” (Figura 17). Le barre sottoposte a HIP evidenziano una distribuzione molto stretta, mentre le barre “come colate” sono più distribuite. Questo risultato è ben correlato all’identificazione di livelli inferiori di porosità insieme a una più omogenea dimensione del grano cristallino e della struttura dei campioni sottoposti a HIP.

Come sopra indicato, la riduzione dei valori dell’area ha evidenziato i benefici più evidenti sul prodotto sottoposto a HIP. Questa proprietà è di particolare interesse nel settore della gioielleria, data la quantità sostanziale di deformazione e formazione, inerente all’incisione, intaglio e dimensioni della pietra nonché a innumerevoli altre operazioni da banco. La riduzione dell’area indica una duttilità del materiale ed è fondamentale per il corretto svolgimento di molte di queste operazioni. Le Figure 18a e 18b mostrano una profonda differenza visiva in termini di duttilità tra le fratture della barra di prova nel 95Pt5Ru “come colato” e sottoposto a HIP.

All’aumentare dei carichi, il valore della durezza Vickers e la distribuzione tra le singole misurazioni diminuiscono. Con carichi maggiori o uguali a 1000 grammi, i valori diventano costanti. In caso di carichi inferiori, possono esservi ripercussioni sull’accuratezza del risultato per diverse ragioni. Con carichi inferiori, la durezza dell’indentazione diminuisce e le informazioni sulla durezza hanno origine da un volume di campione più ridotto. Di conseguenza, i pori, le inclusioni o altre disomogeneità materiali influenzano i risultati ottenuti data la loro concentrazione relativa sull’indentazione stessa. Al contrario, in presenza di pori all’esterno dell’indentazione e con l’indentazione troppo piccola per catturarli, il campione produrrebbe un risultato maggiore rispetto a quanto il materiale massivo consentirebbe. Il principio di misurazione della prova di durezza Vickers richiede la misurazione di entrambe le diagonali della durezza di indentazione. In caso di indentazioni piccole, l’accuratezza di tali misurazioni diventa inferiore e, di conseguenza, la distribuzione tra le singole misurazioni di durezza aumenta. Pertanto, 1000 grammi apparirebbero come un carico più idoneo per testare i campioni della lega di platino macroscopica. Le raccomandazioni dettagliate e le standardizzazioni della prova di durezza Vickers sono reperibili nelle norme nazionali e internazionali, ad es. DIN EN ISO 6507-1:2006-03.

A fronte di ciò, è necessario riconoscere che l’industria del gioiello in Nord America non è standardizzata nel suo approccio di misurazione e reportistica della durezza Vickers. Ad esempio, i valori Hv in questo paper risulteranno molto bassi a confronto con i tipici livelli di durezza riportati per tali leghe ben note, semplicemente a causa dell’elevato carico che abbiamo scelto di applicare. Sarà necessario svolgere un ulteriore lavoro per arrivare a un approccio più standardizzato in relazione alle prove di microdurezza e reportistica in tutto il settore del gioiello. Questo migliorerebbe la comprensione delle aspettative di performance dei materiali da parte di designer e produttori e aiuterebbe a prevedere la resistenza all’usura in maniera più standardizzata.

La tabella 6 riporta i valori di durezza Vickers per tre delle leghe testate. Con la possibile eccezione di 950 PtRu, tutti i valori riportati delle leghe sono così vicini nelle condizioni pre/post-HIP che qualsiasi differenza viene ritenuta sostanzialmente irrilevante. Anche 950 PtRu che mostra uno spread di 12 punti non è sufficiente per essere descritto come materiale considerevolmente più duro in base alla performance. Pertanto, è possibile concludere che la durezza non è significativamente influenzata dal processo HIP sulle leghe a base di platino testate.