Processo in forno con atmosfera controllata

La brasatura in forno è un processo destinato a produzioni di massa in quanto l’investimento iniziale è elevato. Il riscaldamento uniformemente distribuito permette di evitare surriscaldamenti localizzati ma è necessario posizionare in maniera opportuna il materiale d’apporto in forma di fili, anelli, nastri o pasta e del disossidante dove richiesto (forni senza atmosfera controllata). I forni per brasatura sono spesso ad atmosfera controllata per impedire l’ossidazione delle superfici dei giunti evitando così l’uso di disossidanti e la rimozione dei loro residui dopo la brasatura. L’atmosfera normalmente utilizzata deve essere riducente per ripulire dagli ossidi la superficie del pezzo, grazie alla combustione parziale di un gas o alla dissociazione dell’ammoniaca. Regolando la miscela gas-aria è possibile variare la composizione dell’atmosfera riducente e il suo potere disossidante, in particolare, si deve agire tenendo conto della temperatura e della quantità di ossidi presente sulla superficie del metallo base. Al diminuire della quantità di aria (ossigeno) rispetto al gas, cresce il potere disossidante. È consigliabile evitare infiltrazioni di aria dall’esterno, per questo, oltre a limitare le aperture nel forno, è bene mantenere in sovrapressione, rispetto a quella atmosferica, il gas riducente per evitare dispersioni all’ingresso e all’uscita del forno. I giunti da unire devono essere pre-assemblati con il posizionamento del metallo d’apporto sul punto di giunzione, successivamente tramite pallets sono introdotti nel forno a passaggio che è composto da diverse camere fino allo scarico dei pezzi:

• Area di carico;
• Camera di preriscaldo;
• Camera calda di brasatura;
• Camera di raffreddamento;
• Area di scarico.

All’interno delle camere del forno si introducono gas che hanno il potere di ridurre gli ossidi metallici (Idrogeno, Argon) oppure che proteggono dalla ri-ossidazione (Azoto). I gas sono introdotti in punti specifici e le loro quantità dipendono da diversi parametri: velocità di passaggio, quantità di giunti presenti, tipo di materiale base e temperatura di brasatura da raggiungere.

Camere di un forno a passaggio con atmosfera riducente idrogeno-azoto.

La tensione di vapore misura la tendenza di una sostanza, allo stato solido o liquido, di passare allo stato gassoso. Tale tendenza è misurata grazie alla pressione del gas che si sviluppa da tale sostanza. La tensione di vapore o la pressione del gas, aumenta con la temperatura ed è legata alla mobilità molecolare della sostanza. L’aumento della temperatura porta al passaggio dallo stato solido allo stato liquido e successivamente all’ebollizione nella quale la tensione di vapore eguaglia e supera la pressione che sovrasta il liquido. In questo caso l’evaporazione non interessa più solo la superficie ma l’intera massa del liquido.

Nei metalli la tensione di vapore a temperatura ambiente è praticamente trascurabile. I metalli in aria reagiscono chimicamente con l’ossigeno mentre l’azoto può combinarsi solo a partire da temperature superiori a circa 800 °C. Fra i composti presenti nell’aria, l’acqua è certamente il più reattivo, sia che si trovi in forma gassosa (vapore) che liquida (nebbia, nuvole, pioggia). La velocità di reazione tra metallo e ossigeno è praticamente nulla a temperatura ambiente, mentre è decisamente più elevata quella tra metallo e acqua tanto da generare in breve tempo la ruggine (ferro-acqua).  I metalli tendono ad essere ricoperti da uno strato di ossido tanto maggiore quanto meno sono nobili, o meglio, quanto più grande è l’energia libera che si sviluppa nella reazione di ossidazione. La tendenza all’ossidazione diminuisce con l’aumentare della temperatura. Il diagramma di Ellingham-Richardson mette in relazione l’energia libera e la temperatura delle reazioni di formazione degli ossidi metallici. La velocità di formazione dell’ossido è molto più grande alle temperature più alte.

Diagramma di Ellingham-Richardson

(https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ellingham_Richardson-diagram_english.svg)

Il parametro fondamentale per regolare l’atmosfera all’interno del forno è il punto di rugiada (Dew point). Il punto di rugiada rappresenta la temperatura alla quale una quantità di vapore acqueo nel sistema saturerà l’atmosfera. Nel processo di brasatura più basso sarà il Dew point e minore sarà in contenuto di vapore in volume presente nella camera.

Relazione tra Dew point e vapore.

Nel diagramma in Fig.6p le curve definiscono le condizioni di equilibrio tra metallo puro e ossido in funzione del punto di rugiada e della temperatura dell’atmosfera di idrogeno. Le curve di equilibrio metallo/ossido di metallo sono inclinate verso l’alto e verso destra per ciascun metallo. L’area sopra e a sinistra di ciascuna curva rappresenta la condizione ossidante per quel metallo. Tutti i punti sotto e a destra di ciascuna curva indicano che la condizione di riduzione degli ossidi. All’aumentare della purezza dell’idrogeno l’atmosfera diventa progressivamente più riducente a temperature progressivamente più elevate, quindi, maggiore è la temperatura di brasatura, minore può essere il rapporto H₂ : H₂O per un dato metallo.

Quando un metallo puro viene brasato, la curva che rappresenta quel metallo viene utilizzata per determinare la temperatura e il punto di rugiada dell’idrogeno a cui si verificherà la riduzione dell’ossido. Nel caso di una lega, la curva dell’elemento che forma l’ossido più stabile viene utilizzata per determinare le condizioni per la riduzione dell’ossido. Gli ossidi di alluminio, titanio, berillio e magnesio non possono essere ridotti da una atmosfera di idrogeno alle normali temperature di brasatura. Quando questi elementi sono presenti in quantità superiori all’1 o al 2%, è necessario rivestire la superficie del metallo da brasare con un metallo puro facilmente pulibile dall’idrogeno (es. ramatura), oppure dovrebbe essere usato del flussante in aggiunta all’idrogeno.

Relazione di equilibrio tra metallo puro e ossido in funzione del punto di rugiada e della temperatura dell’atmosfera di idrogeno.