Gold alloys: study of the microstructural, mechanical characteristics and final optimization of production parameters for the realization of full and cable pipe chains

Il mercato orafo è uno dei principali mercati mondiali e l’insieme delle aziende italiane del settore pongono il paese come uno dei maggiori attori in questo mercato. Tuttavia la produzione delle aziende si è sempre avvalsa di conoscenze artigianali, senza investire nell’approfondimento scientifico sistematico dei fenomeni che coinvolgono i processi produttivi di tali materiali. Infatti, spesso le produzioni sono legate ad un modo di operare “artigianale” dove frequentemente le produzioni sono legate a lavorazioni tradizionali nelle quali le conoscenze tecnico-scientifiche sono dettate più dall’esperienza che da un approccio scientifico sistematico. Anche la bibliografia internazionale legata al mondo delle lavorazioni delle leghe d’oro non è così sviluppata come nel caso di altre leghe metalliche (ad esempio acciai e leghe di alluminio) in cui l’aspetto estetico, peculiare nelle produzioni di metalli preziosi, è di gran lunga meno importante dell’aspetto funzionale. Si è riscontrata una necessità sempre maggiore di sviluppare un approccio scientifico allo studio sistematico dei materiali e delle loro proprietà, causata da una sempre maggiore concorrenzialità sia in ambito nazionale che soprattutto internazionale unita poi all’esigenza di creare manufatti sempre più complessi che riescano a mantenere inalterata la loro qualità estremamente elevata. Sebbene molti concetti della metallurgia di altri materiali (in particolare delle leghe a base cubica a corpo centrato) possano essere applicati alle leghe d’oro, la grandissima varietà di composizione, la necessità che i manufatti verifichino dei precisi standard riguardanti forme, proprietà meccaniche, proprietà estetiche rendono necessario apprendere modalità e caratteristiche con le quali i diversi costituenti influenzano le lavorazioni, i trattamenti termici e la qualità finale del semilavorato. Nella prima parte di questa tesi, verranno presentate le principali proprietà dell’oro puro e delle sue leghe, con particolare attenzione alle principali tecnologie di produzione per gioielleria e ai principali utilizzi dell’oro nel mercato mondiale. Nel primo capitolo verranno descritti, in modo generale, i significati di offerta, domanda e prezzo dell’oro, al fine di permettere una semplice collocazione, delle informazioni e dei risultati contenuti in questa tesi, in un contesto più ampio quale è quello del mercato mondiale dell’oro. Successivamente, nel capitolo 2, verranno descritte le principali caratteristiche dell’oro, che lo rendono il metallo più importante per la produzione di manufatti preziosi. L’attenzione sarà concentrata, principalmente, sulla configurazione elettronica dell’oro e sulle proprietà fisiche, ottiche e cristallografiche che ne derivano. Nel capitolo 3, l’obiettivo è di introdurre i principi metallurgici dell’alligazione volta a migliorare particolari proprietà come la resistenza meccanica o per regolare altre caratteristiche delle leghe d’oro al fine di soddisfare particolari requisiti. Verranno introdotte le operazioni industriali di fusione, deformazione, trattamento termico e interessanti utilizzi di innovativi approcci alla produzione orafa. Il capitolo 4 è una panoramica delle più importanti tecnologie usate nel mondo della produzione di gioielli in oro, lo scopo è di dare un’idea più completa del termine “gioielleria”, e del ruolo chiave di un approccio scientifico, o di una ricerca scientifica, focalizzato al miglioramento e lo sviluppo del sistema produttivo industriale. La seconda parte di questa tesi riassume il lavoro svolto durante i tre anni di dottorato in Ingegneria Industriale. Obiettivi del progetto sono la determinazione delle relazioni tra composizione e proprietà (titolo e colore) e caratteristiche meccaniche delle leghe utilizzate in azienda nelle diverse fasi del ciclo produttivo per la realizzazione di catene in tubo pieno e cavo. In particolare verrà studiato l’effetto dei diversi costituenti, e la loro quantità in lega, che provocano una modifica del colore delle leghe, delle caratteristiche meccaniche e della saldabilità di queste a partire dal processo di fusione fino alla realizzazione del semilavorato saldato. Ulteriore obiettivo del progetto è lo studio dei meccanismi di deformazione plastica delle diverse leghe utilizzate in azienda al fine di ottimizzare i processi di deformazione e di trattamento termico a seconda del materiale utilizzato, dei diversi elementi alliganti e dei diversi cicli di produzione. Nel capitolo 5, verrà brevemente descritto l’apparato sperimentale usato per la caratterizzazione dei campioni (prelevati dall’intero processo produttivo nell’azienda orafa Filk S.p.A.), nei laboratori del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Padova. Nel capitolo 6, verrà illustrato il ciclo di produzione dei fili d’oro per saldatura usati per saldare tra loro gli anelli delle catene d’oro vuote prodotte. Verrà descritto l’effetto della microstruttura e delle tensioni residue sulle proprietà di resistenza alla corrosione e meccaniche. Lo studio sarà focalizzato sul controllo dei parametri di produzione al fine di aumentare la lavorabilità dei fili d’oro e di incrementarne le proprietà. Nel capitolo 7, sarà riportata l’analisi statistica di alcune proprietà meccaniche e composizionali dei fili in lega d’oro. L’obiettivo è di individuare un’approssimazione della possibile influenza e relazione esistente tra queste e l’energia assorbita durante il processo deformativo. Le proprietà che verranno analizzate sono l’allungamento, il modulo di Young, la resistenza a rottura e la concentrazione d’oro. Nel capitolo 8, verrà descritto il processo produttivo delle lamine in lega d’oro. Lo scopo di questa parte di tesi è volto ad ottimizzare la microstruttura e le proprietà meccaniche dei prodotti, che, successivamente, verranno saldati ad una lamina di ferro per creare la base delle catene vuote finali. Verranno studiati i parametri dei cicli produttivi e le proprietà intrinseche delle diverse leghe d’oro, con particolare attenzione agli stress e alle microstrutture generati attraverso il susseguirsi di step deformativi e di ricottura. Infine nel capitolo 9 verrà analizzato il processo di placcatura, al fine di definire l’influenza dei parametri di processo sulle caratteristiche dei prodotti semi-finiti. Inoltre, verranno descritti diversi trattamenti di indurimento per varie composizioni di lega d’oro, i risultati ottenuti permetteranno di ottimizzare tempi e temperature dei trattamenti di indurimento per invecchiamento per le leghe d’oro utilizzate dall’azienda. Tutti i test produttivi sono stati effettuati, con la collaborazione dell’Ing. Fabrizio Furlan, presso Filk S.p.A., l’azienda orafa partner di questa collaborazione e unico fornitore di materiale per la ricerca. Gran parte della caratterizzazione dei diversi campioni è stata effettuata presso i laboratori metallurgici del Dipartimento di Ingegneria Industriale, dell’università di Padova, sotto la supervisione del prof. Manuele Dabalà e con la collaborazione dell’Ing. Luca Pezzato. Alcune analisi, specialmente l’attacco chimico sui campioni con differenti soluzioni di cianuri, sono state effettuate presso un’altra struttura: nei laboratori di Progold S.p.A. con la collaborazione dell’Ing. Daniele Maggian, il Dr. Patrizio Sbornicchia e il Dr. Valerio Doppio. I risultati ottenuti hanno permesso di migliorare la lavorabilità delle leghe d’oro usate dall’azienda con una riduzione degli scarti di produzione. L’ottimizzazione dei parametri produttivi, nei diversi processi, ha permesso di aumentare la qualità microstrutturale dei prodotti semi-finiti con un miglioramento delle caratteristiche meccaniche e metallurgiche. Un opportuno controllo dei processi produttivi e, l’ottimizzazione delle composizioni delle leghe d’oro, hanno permesso di aumentare la costanza, la riproducibilità dei risultati e la qualità nella produzione di catene piene e vuote. I risultati ottenuti presentano inoltre una rilevanza scientifica tale da averne permesso la presentazione in numerosi convegni nazionali e internazionali e la pubblicazione in riviste scientifiche di settore come riportato nell'elenco delle pubblicazioni che conclude questo lavoro di tesi.