SINTESI E CARATTERIZZAZIONE DI LEGHE Ag-Cu-Si PER GIOIELLERIA PREPARATE PER RAPIDA SOLIDIFICAZIONE

In this work the effect of substitution of Copper with Silicon in Ag-Cu based alloys for jewellery (80% wt. Ag) has been studied, focusing on the changes in structural, microstructural and mechanical properties of the alloys thus formed. A rapid solidification technique has been used to evaluate the alloys amorphization tendency, in order to obtain amorphous-crystalline composites with interesting mechanical properties. Alloys with compositions (at %) Ag62.9Cu18.5Si18.6 (Alloy A), Ag64.17Cu20.42Si15.41 (Alloy B), Ag61.02Cu15.54Si23.44 (Alloy C) have been melted into an arc melting furnace and later quenched through melt spinning technique (with wheel speeds of 15 m/s and 25 m/s), thus obtaining ribbons of, respectively, 40 μm e 15 μm thickness. The alloys were characterized with the following techniques: X-ray diffraction (XRD), for structural properties; optical and electronic microscopy (SEM-EDS) for microstructural properties, differential scanning calorimetry and high temperature differential scanning calorimetry (DSC and HTDSC) for thermal properties, microhardness and nanoindentation for the study of mechanical properties. XRD analysis has showed the presence of the equilibrium phases (Ag, Si and Cu3Si) in all the alloys both in form of bulk and ribbon. Effect of the cooling rate on the lattice parameter of the f.c.c. Ag-rich solid solution has been studied: it was noticed that the latter decreases due to the increase of solubility of copper in the Ag-rich solid solution when rising the cooling rate. SEM analysis showed the presence of a primary dendritic Ag-rich phase in alloys A and B (only arc-melted). On the other hand, alloy C shows faceted crystals of a primary phase of pure silicon. In the ribbons different microstructures were observed on the two sides due to the different cooling rates. On the wheel side, which has the highest cooling rate, an equiaxial sub-micrometric microstructure of the primary phase can be observed, together with a very fine distribution of the secondary phases. On the air side of the ribbon, which has a slower cooling rate, it is possible to see a micrometric-sized dendritic primary phase, surrounded by the secondary phases. Increasing the cooling rate the microstructure of the wheel side of the ribbon prevails because of the more rapid quenching. DSC analysis of the ribbons didn't show any irreversible signals related to cristallization of an amorphous phase. HTDSC analysis has allowed the identification of a scheme of solidification reactions as a function of Cu/Si ratio. The low amorphization tendency of the studied alloys has been discussed from a thermodynamical point of view. Cooling rate has sensitively influenced hardness, which is doubled from the bulk alloys (170 - 190 HV) to the ribbons (330 ¿ 400HV). This is due to the finer microstructure of the latter. Furthermore hardness increases as a function of silicon content passing from alloy A and B to alloy C. It can be noticed that hardness values of the ribbons are from three to four times higher than those of commercial jewellery alloys.

In questo lavoro di tesi è stato studiato l'effetto della sostituzione del Cu con il Si in leghe Ag-Cu per gioielleria (80%Ag in peso) sulle proprietà strutturali, microstrutturali e meccaniche.La tecnica della rapida solidificazione è stata impiegata per valutare la tendenza all'amorfizzazione delle leghe in esame, al fine di ottenere compositi amorfo-cristallini con interessanti proprietà meccaniche. Le leghe con composizione (at%) Ag62,9Cu18,5Si18,6 (Lega A), Ag64,17Cu20,42Si15,41 (Lega B), Ag61,02Cu15,54Si23,44 (Lega C) sono state fuse in forno ad arco (leghe madri) e successivamente rapidamente solidificate mediante melt spinning (con velocità della ruota pari a 15 m/s e 25 m/s) che ha permesso di ottenere nastri con spessori rispettivamente di 40 μm e 15 μm. La caratterizzazione è stata realizzata con le seguenti tecniche: diffrazione a raggi x (XRD) per le proprietà strutturali, microscopia ottica ed elettronica (SEM-EDS) per le proprietà microstrutturali, micro calorimetria e calorimetria ad alta temperatura (DSC, HTDSC) per le proprietà termiche, microdurezza e nanoindentazione strumentata per lo studio delle proprietà meccaniche. L'analisi XRD ha permesso l'identificazione delle fasi di equilibrio (Ag, Si e Cu3Si) sempre presenti in tutte e tre le leghe sia in forma massiva che in forma di nastri. Si è studiato l'effetto della differente velocità di raffreddamento sul parametro reticolare della soluzione solida f.c.c. Ag(Cu) notando che esso decresce a causa della maggior solubilizzazione del rame a seguito del rapido raffreddamento. L'analisi SEM ha mostrato che le leghe madri A e B presentano una fase primaria dendritica ricca in Ag. La lega C invece mostra il Si come fase primaria in forma di piattelli o laminette. Nei campioni rapidamente solidificati sono state osservate microstrutture differenti sui due lati dei nastri a causa delle diverse velocità di raffreddamento. Sul lato ruota, raffreddato più velocemente, si osserva una microstruttura equiassica submicrometrica della fase primaria e una distribuzione molto fine delle fasi secondarie. Sul lato aria, raffreddato più lentamente, si osserva una microstruttura dendritica della fase primaria con dimensioni micrometriche, circondata dalle fasi secondarie. All'aumentare della velocità di spin la microstruttura del lato ruota diviene predominante a causa del raffreddamento più drastico. L'analisi DSC delle leghe rapidamente solidificate non ha mostrato segnali esotermici irreversibili attribuibili al fenomeno di cristallizzazione di una fase amorfa. L'analisi calorimetrica ad alta temperatura ha permesso di proporre la sequenza per le reazioni di solidificazione in funzione del rapporto Cu/Si. La scarsa tendenza all'amorfizzazione delle leghe investigate è stata discussa sulla base di considerazioni termodinamiche. La velocità di tempra ha influenzato notevolmente la durezza che è raddoppiata passando dalle leghe massive (170 - 190 HV) ai nastri (330 ¿ 400HV) a causa dell'affinamento della microstruttura di quest'ultimi. Inoltre la durezza cresce in funzione del contenuto di silicio passando dai nastri A e B alla C. Si può notare che le durezze ottenute nei nastri sono dalle tre alle quattro volte superiori a quelle delle leghe commerciali per gioielleria.