Affinatori di grano

Il grano cristallino dei metalli

Nel mondo dell’oreficeria, si sente spesso parlare di leghe madri che contengono affinatori di grano, ma di che cosa si tratta con precisione? Cos’è un grano cristallino e perché è meglio renderlo più fine? Lo approfondiamo in questo articolo.

Struttura dei metalli

Quando osserviamo una lastra di metallo, possiamo facilmente notare come si presenti compatta, solida e spesso lucente. A prima vista non si direbbe un materiale cristallino. In realtà i metalli hanno molto in comune con i minerali ed i cristalli, anche se è più difficile notare la loro struttura ad occhio nudo.

Se levighiamo la superficie del metallo abbastanza finemente e la attacchiamo con un acido appropriato, però, la sua struttura interna si svela: al suo interno appare come un intricato insieme di cristalli, a contatto gli uni con gli altri in maniera compatta: questi cristalli in metallurgia vengono chiamati grani e si estendono in tutte le direzioni, mentre la superficie di contatto tra due grani viene chiamata bordo del grano.

Quando una lega è fusa, cioè si trova allo stato liquido, non ha una struttura cristallina. I suoi atomi sono relativamente liberi di muoversi e permettono al metallo di copiare la forma del contenitore in cui si trova, è quello che accade ad esempio quando si cola in una staffa, o nella microfusione in gesso.

Ma cosa accade quando la temperatura comincia a scendere? Gli atomi del metallo diventano via via meno liberi, fino a quando la solidificazione ha inizio. La solidificazione ha inizio da un processo chiamato nucleazione, cioè la formazione spontanea di piccoli nuclei solidi dentro alla massa liquida. Questi nuclei si formano più facilmente nei punti dove il metallo è in contatto con del materiale estraneo, come i bordi di una staffa o una lingottiera, ma anche di oggetti molto più piccoli, come ad esempio particelle di ossidi o impurità presenti nella lega (ci torneremo).

Una volta che il nucleo si è formato, comincia ad espandersi in tutte le direzioni, formando delle strutture dalla caratteristica forma frattale, chiamate dendriti. Un dendrite non cessa di espandersi fino a quando non incontra un ostacolo, come il bordo della staffa o un altro dendrite, oppure quando tutto il metallo liquido si è solidificato.

Poiché ogni dendrite parte da un nucleo diverso, posto in un punto diverso e si muove verso una particolare direzione, quando due dendriti diversi si incontrano è improbabile che abbiano lo stesso orientamento, più facilmente si creeranno delle imperfezioni nella struttura di entrambi i cristalli. Il bordo lungo il quale due dendriti vengono in contatto tra loro è quello che diventerà il bordo del grano cristallino, una volta che il metallo sarà completamente solidificato.

Per questo motivo i bordi del grano sono veri e propri punti deboli per il metallo, sono la zona che più facilmente può cedere se sottoposta a stress meccanico ed anche quella in cui tutte le impurità possono concentrarsi. Infine, sono chimicamente più reattivi e quindi più facilmente soggetti a corrosione.

La grandezza dei grani ed il controllo della loro crescita sono aspetti fondamentali nella metallurgia, infatti una grana più sottile è associata ad alcune importanti proprietà:

• una maggiore resistenza allo snervamento
• una maggiore resistenza alla corrosione
• una migliore resa estetica: il metallo a grana grossa presenta facilmente un difetto chiamato buccia d’arancia

La dimensione dei grani cristallini varia a seconda di molti fattori, i più comuni sono:

• la velocità di raffreddamento – un raffreddamento più veloce produce grani più piccoli
• la temperatura di colata – una temperatura notevolmente superiore a quella di fusione del metallo genera dei grani più grandi.

E gli affinatori di grano?

Alcuni elementi, aggiunti in piccolissime percentuali (<0,1%) alle leghe d’oro o d’argento, sono in grado di ridurre la dimensione dei grani: ricordate che la nucleazione avviene in presenza di particelle presenti nel liquido? Grazie alla loro bassa solubilità in oro e argento e alla loro temperatura di fusione particolarmente alta, gli atomi degli affinatori di grano si solidificano velocemente durante il raffreddamento e fungono da nuclei nel metallo liquido, velocizzandone la nucleazione. Se i nuclei di partenza sono più numerosi, i dendriti hanno meno tempo a disposizione per ingrandirsi e i grani cristallini saranno più piccoli.

Lega con Iridio

Lega senza Iridio

Si tratta di un vantaggio notevole, che presenta però qualche pericolo: un eccesso di affinatori di grano come l’iridio, infatti, può ammassarsi e creare degli antiestetici punti duri sulla superficie del prodotto.

E non finisce qui!

Anche le deformazioni a freddo, come la laminazione o la trafilatura, riducono la dimensione dei grani cristallini, irrigidendo il metallo e diminuendo la sua duttilità.

Arrivati ad un certo grado di riduzione, però, per non incorrere in fratture, è pratica comune eseguire una ricottura, più propriamente chiamata ricottura di ricristallizzazione.

Portando il metallo ad una certa temperatura, tipicamente l’80% della sua temperatura di solidus per leghe di oro, al suo interno avviene una nuova nucleazione, ma questa volta allo stato solido. Nuovi nuclei si formano e si espandono, riportando la struttura cristallina del metallo allo stato iniziale, e restituendo duttilità al semilavorato. Allo stesso modo della nucleazione allo stato liquido, è fondamentale che i grani non crescano troppo di dimensione, per non rendere il metallo troppo debole.

Alcuni affinatori di grano sono scarsamente efficaci nella nucleazione di solidificazione, ma eccellenti nella nucleazione di ricristallizzazione, un esempio in questo caso è il cobalto. Per contro, la gestione di un elemento con temperatura di fusione elevata ed alta reattività (formazione di ossidi) come il cobalto, rende il suo utilizzo piuttosto complicato se non si dispone dell’attrezzatura adeguata.

E per concludere:

Gli affinatori di grano sono strumenti in grado di migliorare le caratteristiche tecniche delle leghe di oro e argento, rendono la lavorazione meno delicata e migliorano l’aspetto estetico del prodotto finale. Per contro la loro gestione presenta alcune difficoltà: uno dei vantaggi dell’utilizzo di leghe madri è proprio la presenza di affinatori di grano opportunamente fusi, dosati e pronti all’uso!