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Author: admin

Progress in titanium investment casting

Progress in titanium investment casting

a speech by Florian Bulling

Introduction

Titanium alloys are known for their high mechanical strength, low density and high corrosion resistance. Therefore, their application is mainly in the field of aerospace industry, but also in medicine as implant material. The alloy Ti-6Al-4V, also known as Grade 5 titanium is the most widely used alloy. Other titanium-based alloys are the intermetallic compounds NiTi, known as Nitinol®, which is used for its superplasticity as stent material or as actuator. Another important alloy is the intermetallic compound TiAl, which is used in aircraft turbine engines.

The excellent and outstanding properties of these alloys are opposed by the difficulties in manufacturing titanium alloys. The high chemical reactivity of titanium melts allows only cold-walled crucible melting techniques such as vacuum arc melting.

Induction melting and casting was so far compromised by crucible reactions [1-4]. A very recent review on crucibles for induction melting of titanium alloys can be found in [4]. Conventional crucible materials such as alumina or quartz are not suitable due to the decomposition of the ceramic in contact with the titanium melt. Even high stability refractories such as zirconia or yttria, which are used as crucible coatings, are not stable enough [3].

A new ceramic material based on calcium zirconate (CaZrO3) [1, 5-7] was recently introduced. Calcium zirconate is a synthetic ceramic material that is produced by melting a stoichiometric mixture of calcia and zirconia in an arc furnace (fused CaZrO3). Alternatively, it can be produced by in-situ reactive sintering. Calcium zirconate shows very promising properties as crucible as well as shell mold material. The present paper provides a comparison of a standard investment with yttria front coat compared to the new, silica-free shell mold and crucibles based on calcium zirconate.

Experimental

Crucibles

The production of the crucibles was in line with the procedure described by Schafföner et al. [8]. The crucibles were manufactured by cold isostatic pressing with two types of molding material consisting of pure fused CaZrO3 (Type A) or CaZrO3 with amounts of ZrO2 and CaO3 (Type D) for an in situ reaction [9]. A mandrel of steel was used to obtain the inner shape of the crucible. After decompressing and drying of the green ceramic crucibles they were fired at 1650°C for 6 h. Typical crucibles are shown in Figure 1 (left).

To produce crucibles for centrifugal casting a CaZrO3 slurry was used to prepare a functional coating on a commercial crucible of aluminum titanate (Porzellanfabrik Hermsdorf, Germany). The coating was fired at 1450°C to avoid cracks through different thermal expansion coefficients between the stucco and the coating of the crucible. Typical crucibles are shown in Figure 1 (right).

Shell molds

The shell molds were processed from standard wax trees according to the procedure described in [1]. The wax parts and the tree setup for centrifugal casting shown in Figure 2 and Figure 3, respectively. At wax trees for tilt casting the parts were mounted at two levels of four parts each (Figure 5).

Wax trees were dipped into a calcium zirconate slurry followed by the application of calcium zirconate stucco. Six layers were applied, three fine grained and 3 coarse grained. The dipping was practiced in 2 layers per day. Each layer was dried for at least 5 h before the following layer was applied. Careful drying of the final shells was performed under controlled atmosphere in a climatic chamber at 60% humidity, at 30°C and with an air movement of 1.3 m/s for seven days. After drying, the shells were fired at 1500°C for 4 h. Before casting the shells were preheated to casting temperature. A series of shell molds for centrifugal and tilt casting is shown in Figure 4.

For comparison a commercial silica-bonded shell system, which is commercially available from Ransom&Randolph, Dentsply, USA was used. The wax parts were coated with a front coat of yttria.

Casting trials

Before casting, the crucibles were preheated in a furnace at about 200°C in order to evaporate possible humidity absorbed in the crucible. This procedure was applied to avoid cracking of the crucibles in the casting machine due to water evaporation.

For casting trials a tilt casting machine (VTC200VTi, Indutherm, Germany) and a centrifugal casting machine (TCE10, Topcast, Italy) were used. The tilt-casting machine was equipped with two rotary vane pumps connected in series and achieved a pressure of about 8×10-3 mbar and an oxygen partial pressure of 10‑4 mbar immediately before casting. Such vacuum level was necessary in order to avoid reactions of the titanium melt with the gas atmosphere. The casting chamber was back-filled with argon to atmospheric pressure. A batch size of up to 300 g was used for casting. The series of casting trials was carried out with the crucibles type A and D.

The centrifugal casting machine had a maximum power of 10 kW. By the fact that this machine was not especially designed for casting titanium only a low vacuum of 40 mbar was achieved, which meant that a significantly higher oxygen partial pressure remained during casting. This caused a stronger reaction of the titanium melt due to residual oxygen in the casting atmosphere. Before casting, the casting chamber was refilled with argon to a pressure of 700 mbar. With the centrifugal machine laboratory-produced crucibles of Al2TiO5 with a CaZrO3 coating and commercial crucibles with modified yttria coating were tested. The maximum batch size was 100 g titanium.

During inductive heating, the metal temperature was monitored using a thermal imaging camera (Pyroview 640N, DIAS, Germany). The camera allowed an integral determination of the temperature on the surface of the melt and the subsequent evaluation of the melting process. To investigate the influence of pre-casting evacuation, overheating and dwell time on the reaction between the titanium melt and the crucibles, different parameters were applied. The pre-cast evacuation was only necessary with the tilt-casting machine to achieve good form filling. Depending on the pumping duration, a low vacuum was obtained.

Starting with a low heating power, the metal charge was heated close to melting temperature. The slow heating led to a homogeneous temperature of the rod and thus kept the time of liquid phase in crucible (exposition time) short. As determined in several casting trials, the reactivity of the titanium melt was much higher than in the solid state. When the liquidus temperature was reached, the power was increased to melt the whole material and to overheat it before casting. The dwell time means the time while all of the material was liquid. During the dwell time, the melt was heated until the desired temperature was reached. After the dwell time the casting was manually triggered. In case of the tilt-casting machine, the tilt speed was set up to 47°/s until the final angle of 90° was reached to achieve a fast filling and a low heat loss.

Microstructure, hardness and composition measurement

After casting metallographic samples were prepared to investigate the interaction of alloy and shell mold. This employed electron scanning microscopy (Zeiss, Gemini SEM 300) and optical microscopy (Zeiss, Imager Z2M).

The chemical composition was analyzed in the center of sample cross sections by glow discharge optical emission spectroscopy (GDOES) (Spectruma, GDA750) and by EDS. In addition, X-ray diffraction (XRD) was carried out to examine the phase composition of the crucibles before and after the casting process. To detect possible cracks and defects, the crucibles were investigated by X-ray computed tomography (XCT).

 

 

Results and discussion

After casting and quenching, the different shell systems showed significantly different surface appearance (Figure 5). The trees with the yttria modified R&R shell showed large residues of the shell material sticking on the surface. Due to their hardness, it was impossible to remove them by water jetting. Instead, sand blasting was required to remove the remains of the shell. The new, CaZrO3-based shell showed a golden colored metal surface with few shell residues on the surface. This is an indication of a very limited reaction of the melt with the new, CaZrO3-based shell material as examined in [10].

The investigation by SEM showed the different nature of reaction of the two shell systems (Figure 6 and Figure 7). At the bottom of the pictures, the typical so-called Widmannstätten structure of the titanium alloy is visible. It consists of two phases (a, dark, and b, bright). The a-phase and the b-phase have different crystal structure that are hexagonal close packed and body centered cubic, respectively [11].

Due to the reaction with the melt the refractory from the shell decomposes [12]. Oxygen is dissolved in the alloy, which stabilizes the a-phase. Therefore, a layer of a-phase is formed at the metal surface in contact to the shell, the so-called a-case. Such a-case was found for the modified R&R shell (Figure 6, left). The a-case forms a very hard and brittle surface layer, which can be removed only with great difficulty.

The residues of the shell were surrounded by metal, which explains the difficulty in the removal of shell residues. The yttria front layer that was used to limit shell reactions was not effective. Similar effects were examined with yttria-coated crucibles. The yttria layer was dissolved into the titanium melt. During cooling yttria re-precipitated at the grain boundaries (Figure 6, right). Such ceramic inclusions resulted in embrittlement.

The calcium zirconate shell also showed certain reaction with the titanium alloy (Figure 7). However, such reaction was much weaker compared to the modified R&R shell. The porous shell was not infiltrated by the melt. For this reason, it could be removed much more easily compared to the modified R&R shell. At the interface of metal and shell, the calcium zirconate started to be dissolved by the melt.

The reaction of calcium zirconate with the melt follows a certain reaction scheme [13]. Calcium zirconate decomposes into zirconia and calcia. Both refractories further decompose to their chemical elements. Zirconium and oxygen dissolve in the titanium melt. Calcium is not soluble in titanium and evaporates. As a result, the content of zirconium and oxygen are increased. The zirconium content in the surface layer of the titanium part appears brighter in the backscattered electron image (Figure 7, indicated by arrows). However, the dissolution of oxygen and zirconium did not result in the formation of a hard a-case.

The hardness and the oxygen content in cast 10mm rods were investigated by hardness and composition profiles (Figure 8). The interface of alloy and shell is defined by the position zero. Positive and negative distance values are in the metal and in the shell, respectively. Figure 8 shows results for different combinations of crucible and shell mold. Samples melted in a copper crucible (“Cu”) were prepared by electric arc melting. Oxygen content and sample hardness were clearly correlated: The higher the oxygen content, the higher was the hardness. The samples from the yttria modified R&R shell (green and black curve) exhibited higher surface hardness and oxygen level compared to those from the calcium zirconate shell (red and blue curve). For both shells the bulk hardness was reached at a depth above 300-400µm.

The melt temperature and duration play an important role for the bulk hardness of the alloy. In order to compare different combinations of melting temperature and duration a parameter was introduced, which is based on the Larson-Miller parameter (LMP) [14]. This parameter is originally used to compare diffusion controlled processes in high temperature deformation (creep). The LMP is calculated from the temperature and the logarithm of melting duration. Figure 9 shows a plot of the bulk chemical composition and the hardness over the LMP value.

It appears that oxygen and zirconium content as well as the hardness remain constant up to an LMP value of 47. The oxygen level was between the values of the feedstock and the limit given by the ASTM standard B367-09. The ASTM standard specifies no special value for the zirconium content, but a maximum concentration of 0.1 % for all other elements. Even this limit could be met with appropriate casting parameters. The hardness of the as-cast material was ca. 360 HV1, which was higher than the hardness of the feedstock (312 HV1). Such hardness increase was due to the different microstructure of as-cast material and feedstock.

At LMP values > 47 the concentrations of oxygen and zirconium increased strongly, as well as the hardness. Therefore, both temperature and melting duration have to be controlled carefully to avoid contamination of the melt. The melting range of grade 5 titanium is 1605-1660°C. A certain superheating of at least 50 K will be required to achieve sufficient form filling. The maximum LMP value of 47 can be converted into a maximum holding time of the melt in the crucible at a certain temperature. For instance the LMP = 47 equals to a holding time of 440s at 1700°C, 72s at 1750°C and only 13s at 1800°C. This indicates the high sensitivity of the reaction to uncontrolled overheating. Therefore, we have chosen to use a slow heating process that provides a homogeneous melting of the feedstock.


Besides jewelry items, the process and materials were also tested for industrial parts such as turbine wheels or small parts of glasses frames. Figure 10 shows a turbine wheel directly after casting without further surface treatment. The defect visible on the part on the left side was already present on the wax part. The feasibility of such cast parts in grade 5 titanium proves the suitability of the new shell mold for successful investment casting of titanium parts.

Summary and Outlook

A new shell mold and crucible material based on calcium zirconate was successfully tested for the investment casting of grade 5 titanium alloy (Ti-6Al-4V). In comparison to a commercial shell with yttria front coat, the new shell resulted in less oxygen contamination, less surface hardening and prevented the formation of an a-case. However, the control of the melt temperature was crucial to keep the oxygen level low. Excessive superheating and prolonged melting durations resulted in significant oxygen contamination and hardness increase. Ideally, the melt temperature should not exceed 1700°C to avoid contamination.

Further work will focus on the heat treatment of as-cast parts and the determination of mechanical properties. Different titanium alloys and other high melting and highly reactive alloys such as CoCr, Pt and Zr will be tested with the new calcium zirconate crucible and shell molds.

Acknowledgements

This IGF Project was supported via AiF No. 18293BG within the program for promoting the Industrial Collective Research (IGF) of the German Ministry of Economic Affairs and Energy (BMWi), based on a decision of the German Bundestag.

References

  1. Klotz, U.E., et al., Investment casting of titanium alloys with calcium zirconate moulds and crucibles. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019. 103(1): p. 343-353.
  2. Nastac, L., et al., Advances in investment casting of Ti–6Al–4V alloy: a review. International Journal of Cast Metals Research, 2006. 19(2): p. 73-93.
  3. Klotz, U.E. and T. Heiss, Evaluation of crucible and investment materials for lost wax investment casting of Ti and NiTi alloys. International Journal of Cast Metals Research, 2014. 27(6): p. 341-348.
  4. Fashu, S., et al., A review on crucibles for induction melting of titanium alloys. Materials and Design, 2020. 186: p. 108295.
  5. Freitag, L., et al., Silica-free investment casting molds based on calcium zirconate. Ceramics International, 2017. 43(9): p. 6807-6814.
  6. Schafföner, S., et al., Advanced refractories for titanium metallurgy based on calcium zirconate with improved thermomechanical properties. Journal of the European Ceramic Society, 2019. 39(14): p. 4394-4403.
  7. Freitag, L., et al., Improved Precision Casting of Titanium Alloys Using Calcium Zirconate Moulds. refractories WORLDFORUM, 2019. 11(2): p. 76-82.
  8. Schafföner, S., et al., Fused calcium zirconate for refractory applications. Journal of the European Ceramic Society, 2013. 33(15-16): p. 3411-3418.
  9. Schafföner, S., et al., Influence of in situ phase formation on properties of calcium zirconate refractories. Journal of the European Ceramic Society, 2017. 37(1): p. 305-313.
  10. Bulling, F., Einfluss der Gießparameter auf die Eigenschaften von Feingussteilen aus Titanlegierungen, 2017, Hochschule Aalen: Schwäbisch Gmünd.
  11. Pederson, R., Microstructure and Phase transformation of Ti-6Al-4V, 2002, Luleå tekniska universitet.
  12. Frye, H., D.H. Sturgis, and M. Yasrebi, Basic Ceramic Considerations for the Lost Wax Processing of High Melting Alloys, in The Santa Fe Symposium, E. Bell, Editor 2000: ABQ, NM, USA.
  13. Bulling, F., et al. Investment casting of high reactive and high melting metals using calcium zirconate crucibles. in Proceedings of the liquid metal processing casting conference 2019. 2019. TMS.
  14. Larson, F. and M. J., Time-Temperature Relationship for Rupture and Creep Stresses. Transaction of the ASME, 1952. 74: p. 765-771.

 

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Lithography-based metal manufacturing of jewelry and watch cases made from 316L stainless steel and titanium alloys

Lithography-based metal manufacturing of jewelry and watch cases made from 316L stainless steel and titanium alloys

a speech by Carlo Buckhardt

Abstract

In order to overcome existing restraints in the in-service behaviour of currently available additive manufacturing (AM) materials’ sets, an advanced production method for high performance technology metals was developed on the basis of a modified vat polymerisation-based (VP) printing for metal powders. The new lithography-based metal manufacturing (LMM) process is able to photoharden highly filled innovative metal-photopolymeric binder.
After debinding and sintering, the fully dense metal AM parts will provide various advantages such as superior properties with respect to cracks or internal stress when compared to laser-based powder bed fusion (L-PBF) AM parts. LMM is suitable to build very detailed, complex structures with a minimum of after-treatments without need for support structures, exhibiting superior surface quality, having less demanding requests with respect to powder particle size/morphology and allowing effective re-use of the feedstock materials.
In the paper, the LMM process will be explained in detail, its suitability for the production of jewellery and watch pieces will be demonstrated for stainless steel type materials and titanium alloys on various samples, an outlook for precious metal powders will be given

Pforzheim University

  • founded 1899
  • one of the biggest Universities for Applied Sciences in Germany (~6.000 students)
  • threefaculties:
    Business, Economics & Law
    Engineering
    Design
  • 29 Bachelor-and 17 Master-Courses
  • one of 7 fully certified universities in Germany

Institute for Precious and Technology Metals

Partner oftheregional precision engineering industry

  • contract research, serial inspections, damage analyses, expert opinions, production optimisations, etc.
  • fully equipped materials lab; incl. 2 SEM, FIB, EDX/XRD, Laserscan, DTA, mechanical testing, corrosionetc. (DAkkSakkredited)
    National and international research partner
  • recycling of rare earth metals/permanent magnets
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    Head: Prof. Dr.Carlo Burkhardt
  • 4 national projects, 3 international multilateral (EU) projects (>30 M€ overall budget)

LMM Additive Manufacturing

Lithography-based Metal Manufacturing

  • basedon theVat-PolymerizationPrinciple
  • verygoodsurfacecharacteristics
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  • nothermal distortions
  • materials: stainlesssteel, toolsteel, titanium, […]
  • suitable also for non-weldable materials
  • printing speed: max. 16 cm³/h
  • suitable for:
  • smalland very small parts(<30g)
  • smalltomoderate quantities

LMM-Process

How it works





LMM-Process

Sintering

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Shrinkage

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Precision

  • finished part tolerances up to ±0.5% of nominal dimension possible
  • stair-step effect due to layer-by-layer production

LMM-Process

Surfaces

LMM-Process

Some parts




MetShape GmbH

  • Start-up and spin-off of Pforzheim University as of 01.04.2019
  • funded by the program “Young Innovators” of the Ministry of Science, Research and the Arts Baden-Württemberg
  • specialized in additive component manufacturing using the Lithography-based Metal Manufacturing process (LMM) and related development services
  • main focus:

    • conducting feasibility studies for components and materials
    • small scale productions
    • installationof process chains for in-house production

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Precious metals: transitioning into a post-pandemic world

Precious metals: transitioning into a post-pandemic world

a speech by Daniela Corsini

Abstract

In 2020, the Covid-19 epidemic disrupted global supply chains and boosted demand for safe-haven assets. In 2021, the global gold market should benefit from a rebound in jewelry demand and a supportive macroeconomic environment amid expansionary monetary policies, low interest rates and a pick-up in inflation expectations.

Commodities: hit by Omicron and monetary policies

The negative impact of the Omicron variant and the threat of more restrictive monetary policies now represent the worst headwinds for commodity markets and could trigger deeper corrections in market prices in the near term. However, temporarily weaker commodity prices would clearly benefit the global economy, contributing to an acceleration in growth rates, and simplify the task of the main central banks, which could continue supporting the global recovery instead of fighting commodity-driven inflationary pressures.

The macroeconomic outlook remains weaker than earlier expected due to persistently high inflation pressures, and concerns about a quicker than earlier expected pace of tightening from the Federal Reserve. In addition, the unexpected spread of the Omicron variant forced downward revisions to estimates about global commodity demand, further delaying the recovery in some sectors, like the aviation industry, or worsening the prospects of global supply chains due to the persistent threat of logistic bottlenecks and lockdowns.

In our opinion, the negative impact of the Omicron variant and the threat of more restrictive monetary policies now represent the worst headwinds for commodity markets and could trigger deeper corrections in market prices in the near term.

However, temporarily weaker commodity prices would clearly benefit the global economy, contributing to an acceleration in growth rates, and simplify the task of the main central banks, which could continue supporting the global recovery instead of fighting commodity-driven inflationary pressures.

According to our baseline scenario, after a probable, deeper correction in early 2022, most commodities could resume a path of modest price increases. In fact, market prices of crude oil and non-ferrous metals could recover part of the lost ground as soon as central banks reassure markets and global economic growth consolidates.

In 2022, specific supply and demand fundamentals should come back as core drivers of commodity prices, prevailing over macroeconomic factors, and volatility should be mainly fuelled by news flows about supply disruptions, delays across the logistic chains and forecasts about future consumption patterns, especially in China.

In the medium- and long-term, we still forecast a bullish trend for industrial metals, while natural gas and energy prices should gradually decrease, maintaining their usual seasonal swings.

Forecasts for the commodities universe

Crude oil. Given the recent weakening in crude oil supply and demand fundamentals and concerns about a quicker pace toward restrictive monetary policies, we revised downwards our estimates for crude prices in 2022. In our opinion, a temporary correction could push Brent near an average of USD 65 in 1Q22. Then, upward pressures on crude prices could resume strength driven by more optimistic forecasts about global crude demand, thanks to a seasonal increase in fuel consumption and, hopefully, easing concerns about the development of the epidemic. Thus, we envisage a rising trend in crude prices from the 2Q22 onwards. In our baseline scenario, we now forecast that on average Brent should record a level of USD 67.5 in 2022 and USD 70 in 2023. Volatility should remain an important market feature and will often contribute to amplify intra-day market movements.

Energy. Although the extreme conditions faced by global gas and power markets ahead of the 2021/22 winter are unlikely to repeat every year, we can expect further moments of market stress and more volatility on energy prices, as the necessary and ineluctable transition toward cleaner energy sources proceeds and the penetration of renewable energies progresses.

Precious metals. In 2021, all the main precious metals have fallen in price. We maintain a negative view on both gold and silver, as we think that the headwinds of more restrictive monetary policies will continue to weaken appetite for both metals on financial markets. On the contrary, we now expect that platinum and palladium could recover part of their recent losses, as demand from the automotive sector should pick up thanks to the easing semiconductor shortage.

Industrial metals. After the unexpected spread of the Omicron variant and talks about a quicker pace of tightening from the Federal Reserve, the risk of a deeper correction in most industrial metals’ prices intensified and now we see lower prices in 1Q22. However, later in 2022 specific supply and demand fundamentals should come back as core drivers of metals’ prices, and non-ferrous metals’ prices should recover ground. In the medium- and long-term, we still forecast a bullish trend for industrial metals.

Agricultural products. Agriculture is the most supply-elastic commodity sector. Thus, the high prices recorded in 2021 should contribute to expand supplies in 2022, when possible, and could trigger widespread price declines in anticipation of the next harvest season. However, unusual weather patterns remain the most worrying threat and could fuel volatility due to deeper and less predictable impacts of climate change and global warming on the sector.

Precious metals: we favour palladium vs. gold

In 2021, all the main precious metals have fallen in price. We maintain a negative view on both gold and silver, as we think that the headwinds of more restrictive monetary policies will continue to weaken appetite for both metals on financial markets. On the contrary, we now expect that platinum and palladium could recover part of their recent losses, as demand from the automotive sector should pick up thanks to the easing semiconductor shortage. Thus, in a medium-term strategic asset allocation we would favour palladium vs. gold.

In 2021, all the main precious metals have fallen in price. Gold and silver suffered downward pressures due to a stronger U.S. dollar and announcements from the main central banks anticipating tighter monetary policies. In fact, expectations of higher rates discourage investments in gold and other non-interest-bearing assets as they increase their opportunity cost. We maintain a negative view on both metals, as we think that the headwinds of more restrictive monetary policies will continue to weaken appetite for gold on financial markets. Currently, silver isn’t strong enough to decouple from gold despite the promising fundamentals in the long term.

In the second half, platinum and palladium prices also dropped, as the global shortage of semiconductors had a deeper than expected negative impact on global vehicle production and thus on consumption of both metals. Prices probably bottomed and we now expect that platinum and palladium could recover part of their recent losses, as demand from the automotive sector should pick up thanks to the easing semiconductor shortage.

In our baseline scenario, we envisage a consolidation in global growth and a gradual easing of bottlenecks and semiconductor shortage. Monetary policies should tighten, but remain supportive of the global economic recovery as long as necessary. Thus, in a medium-term strategic asset allocation we would favour palladium vs. gold.

Gold

The latest data published by the World Gold Council (WGC) show that appetite for gold on financial markets further deteriorated during 3Q21 as monetary policies were tightening and the Fed progressed toward the planned tapering.

Considering ETFs’ holdings as a proxy for gold appetite on financial markets, at the end of September global holdings were close to 3,600 tons, as the sector had recorded outflows worth about 156 tons since January 2021, the largest decline since 2013. In 3Q21, ETFs’ gold holdings decreased by about 27 tons, thus ETFs’ contribution to gold demand turned negative during the quarter, representing a net loss worth about 2% of global demand. It is a remarkable change in market sentiment, when considering that ETFs’ flows were a positive contributor worth about 4% of global consumption in 2Q21 and covered a stunning 40% of demand in 2Q20.

Given the relevance of ETFs’ flows, in 3Q21 global gold demand contracted by 7% y/y, although all non-financial components of gold demand rose. In fact, a recovery in global economic growth boosted gold consumption in the jewellery (+33% y/y) and technology sectors (+7% y/y), while higher saving rates, concerns about inflation risks and uncertainty about epidemiological developments fuelled demand for bars and coins (+18% y/y). In the official sector, a renewed appetite in diversifying official reserves supported gold demand. In fact, central banks turned from net sellers of gold in 3Q20 to net buyers of the precious metal in 3Q21.

Given the current expectations of tighter monetary policies and still robust global growth, over the next quarters the non-financial components of gold demand may extend their recovery, and we envisage higher purchases from the jewellery, technology and official sectors. On the contrary, gold-backed ETFs could suffer from more outflows due to an increase in the opportunity cost of holding gold, amid expectations of higher yields and threats of higher benchmark interest rates.

According to our baseline model, we forecast that gold could average about USD 1,770 in 1Q22 and could decline toward a USD 1,720 average in 2022. Despite the unfavourable monetary framework, we envisage only moderate downside pressures on gold prices thanks to the important support of the ongoing recovery in the jewellery sector, which should gain support from global growth, and of the official sector, as central banks could take advantage of lower gold prices to diversify their reserves. In addition, inflation concerns could limit the volumes of ETFs’ outflows.

Given the exceptionally high level of uncertainty that clouds the macroeconomic framework due to unpredictable development in epidemiological risks, record high energy prices and persistent bottlenecks negatively affecting logistic chains and manufacturing activities, our forecasts remain subject to significant risks.

The worst-case scenario for gold would be a macroeconomic environment characterized by a further acceleration in global growth, thanks to fading epidemiologic concerns, easing bottlenecks and a strong commitment from central banks to intervene and prevent the economy from overheating. In fact, under this scenario investors would favour cyclical assets against safe haven assets, while higher interest rates would also discourage gold holdings. Under such worst-case scenario, gold could quickly drop toward a USD 1,450 support.

On the contrary, the best-case scenario for gold would be a macroeconomic environment characterized by a deterioration in the prospects for global growth, possibly driven by a spreading epidemic coupled with scarcely effective vaccines. Central banks would be forced to postpone a planned tightening of monetary conditions in an effort to support their economies, while bottlenecks to logistic and supply chains would persist, fuelling inflation pressures. Under such extreme scenario of stagflation, gold could retest its peaks above USD 2,000.

Silver

According to our baseline model, silver should trade close to an average price of USD 24 an ounce both in 1Q22 and in 2022. We expect that the metal could remain most of the time in a trading range between USD 21 and USD 27 an ounce.

Relative to gold, silver should maintain higher volatility, but it will not probably be strong enough to decouple from the yellow metal. Thus, silver will probably follow gold’s downward trajectory over the next years despite positive fundamentals and expectations of expanding global demand, especially in green technologies.

We expect that the gold/silver ratio could remain slightly above its long-term average over the next years, as the long-term positive correlation between silver and gold should remain significant, despite the support granted to silver by the green transition.

Platinum and palladium

Our forecasts for platinum-group metals (PGM) are strictly connected with expectations about a possible recovery in the automotive sector and thus with developments in the semiconductor crisis. In fact, according to estimates from Johnson Matthey, about 85% of palladium demand comes from autocatalysis mainly used in vehicles mounting gasoline-powered engines, while more than 30% of platinum demand comes from autocatalysis mainly used in vehicles mounting diesel-powered engines.

In 2021, PGM have gone through a boom and bust cycle. In fact, in the first half platinum and palladium overperformed other precious metals because car manufacturers quickly expanded their purchases to restock their warehouses and satisfy new vehicle orders, despite the first signs of disruptions to global supply chains due to semiconductors’ shortage.

Then, as time passed, and the global recovery consolidated, semiconductor scarcity deepened and forced car manufacturers to scale down their output plans and even halt some production facilities. As a consequence, PGM demand faded. Several car producers revised downwards their output guidance, fuelling pessimism on financial markets and raising doubts about future consumption growth for platinum and palladium in the sector.

Now, car producers are probably adequately supplied to meet their medium-term needs of PGM. Thus, so far low prices have failed to attract consumers due to still uncertain estimates about future vehicle production. In the longer term, although we still see ample room for a recovery in prices, probably the upward potential for PGM prices has been structurally lowered by the semiconductor crisis, as the current delays in PGM consumption patterns imply more time for global PGM supply to satisfy demand and more time for secondary supply to flow back in the market thanks to a pick-up in recycling activities.

Our baseline scenario now assumes an average platinum price of USD 1,025 an ounce and an average palladium price of USD 2,000 an ounce in 1Q22. We forecast that in 2022 platinum could trade near a USD 1,075 average and palladium near a USD 2,050 average.

In our opinion, palladium probably bottomed in late November, as USD 1,700 should represent a strong support for the metal. On the contrary, the USD 950 low reached in November is a weaker support for platinum, and we see the level of USD 900 as a more solid floor.

We maintain a bullish view in the long term (albeit forecast numbers have been revised downward from previous forecasts due to longer and deeper than expected disruptions along the supply chain) because we expect that the semiconductor crisis could ease in 2022, following plans to expand the global output of microchip, and both vehicle production and global demand for PGM should pick up.

Appendix

Analyst Certification

The financial analysts who prepared this report, and whose names and roles appear on the first page, certify that:
(1) The views expressed on companies mentioned herein accurately reflect independent, fair and balanced personal views;
(2) No direct or indirect compensation has been or will be received in exchange for any views expressed.

Specific disclosures

The analysts who prepared this report do not receive bonuses, salaries, or any other form of compensation that is based upon specific investment banking transactions.

Important Disclosures

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Method of distribution

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Valuation Methodology

This document has been prepared in accordance with the following method.

Macroeconomic Data
Comments on macroeconomic data are prepared based on macroeconomic and market news and data available via information providers such as Bloomberg and Refinitiv-Datastream. Macroeconomic and interest rate forecasts are prepared by the Intesa Sanpaolo Research Department, using dedicated econometric models. Forecasts are obtained using analyses of historical-statistical data series made available by the leading data providers and also on the basis of consensus data, taking account of appropriate connections between them.

Forecasts in the Energy Sector
Comments on the Energy Sector are prepared based on macroeconomic and market news and data available via information providers such as Bloomberg and Refinitiv-Datastream. Unless otherwise stated, consensus estimates come from the leading international energy Agencies, primarily the IEA (International Energy Agency – which deals with this sector on a global scale), the EIA (Energy Information Administration – an institute that deals specifically with the US energy sector) and OPEC. Forecasts are prepared by the Intesa Sanpaolo Research Department, using dedicated models.

Forecasts in the Metals Sector
Comments on the Metals Sector are prepared based on macroeconomic and market news and data available via information providers such as Bloomberg and Refinitiv-Datastream.
Unless otherwise specified consensus estimates on precious metals come mainly from GFMS, the long-established forecasting agency based in London. The forecasts cover gold, silver, platinum and palladium. Forecasts are prepared by the Intesa Sanpaolo Research Department, using dedicated models.
Unless otherwise stated, consensus estimates for industrial metals come mainly from Brook Hunt, an independent forecasting agency which has prepared statistics and predictions on metals and minerals since 1975, and from the World Bureau of Metal Statistics (WBMS), an independent research body on the global market of industrial metals which publishes a series of monthly, quarterly and annual statistical analyses. Forecasts are prepared by the Intesa Sanpaolo Research Department, using dedicated models.

Forecasts in the Agricultural Sector
Comments on the Agricultural Sector are prepared based on macroeconomic and market news and data available via information providers such as Bloomberg and Refinitiv-Datastream.
There are several consensus estimates on agricultural products. Each individual country has its own internal statistics agency that estimates and forecasts crops, production capacity, the product supply quantities and, above all, the amount of land available for cultivating a particular product, in both absolute and percentage terms.
At an international level, the main agencies are: the USDA (United States Department of Agriculture) which, in addition to providing data on the US territory, also deals in general with the grain industry worldwide through the FAS (Foreign Agricultural Service); the Economist Intelligence Unit of the Economist Group which deals with all agricultural products on a global scale; and CONAB (Companhia Nacional de Abastecimento), the Brazilian Government agency that deals with agriculture (with a particular focus on coffee) and which also provides some insight into the entire South America.
Forecasts are prepared by the Intesa Sanpaolo Research Department, using dedicated models.

Technical levels
Comments on technical levels are based on market news and data available via information providers such as Bloomberg and Refinitiv-Datastream. Interest rate technical level forecasts are prepared by the Intesa Sanpaolo Research Department, using dedicated technical models. Forecasts are obtained using analyses of historical-statistical data series made available by the leading data providers and also on the basis of consensus data, taking account of appropriate connections between them. There is also a further in-depth study linked to the choice of appropriate derivatives that best represent the sector or the specific commodities on which one intends to invest.

Recommendations
Negative Outlook: a Negative Outlook recommendation for a sector is a wide-ranging indication. It not only indicates deteriorating price conditions of the indices or futures that best represent the commodity in question (thus the reduction of a price performance), but it also implies the deterioration in the forecasts on production, weather and input supplies (like water or energy) that characterize these sectors more than other financial instruments.
Neutral Outlook: a Neutral Outlook recommendation for a sector is an indication that includes a multitude of aspects. It indicates that the combination of price forecasts of indices and futures and all the conditions of production, weather and input supplies (like water or energy) will lead to a sideways movement in prices or inventories or production capacity, recording, therefore, void or minimum performances for the sector under examination.
Positive Outlook: a Positive Outlook recommendation for a sector is an indication covering a wide range of areas. It not only indicates net improvements in price conditions of the indices or futures that best represent the commodity in question (thus a positive price performance), but it also implies the improvement in the forecasts on production, weather and input supplies (like water or energy) that characterize these sectors more than other financial instruments.

Frequency and validity of forecasts

Market indications refer to a short period of time (the same day or the following days, unless stated otherwise in the text). Forecasts are developed over a time span of between one week and 5 years (unless specified otherwise in the text) and have a maximum validity of three months.

Disclosure of potential conflicts of interest

Intesa Sanpaolo S.p.A. and the other companies belonging to the Intesa Sanpaolo Banking Group (jointly also the “Intesa Sanpaolo Banking Group”) have adopted written guidelines “Organisational, management and control model” pursuant to Legislative Decree 8 June, 2001 no. 231 (available at the Intesa Sanpaolo website, webpage https://group.intesasanpaolo.com/en/governance/leg-decree-231-2001) setting forth practices and procedures, in accordance with applicable regulations by the competent Italian authorities and best international practice, including those known as Information Barriers, to restrict the flow of information, namely inside and/or confidential information, to prevent the misuse of such information and to prevent any conflicts of interest arising from the many activities of the Intesa Sanpaolo Banking Group which may adversely affect the interests of the customer in accordance with current regulations.
In particular, the description of the measures taken to manage interest and conflicts of interest – related to Articles 5 and 6 of the Commission Delegated Regulation (EU) 2016/958 of 9 March 2016 supplementing Regulation (EU) No. 596/2014 of the European Parliament and of the Council with regard to regulatory technical standards for the technical arrangements for objective presentation of investment recommendations or other information recommending or suggesting an investment strategy and for disclosure of particular interests or indications of conflicts of interest as subsequently amended and supplemented, the FINRA Rule 2241, as well as the FCA Conduct of Business Sourcebook rules COBS 12.4 – between the Intesa Sanpaolo Banking Group and issuers of financial instruments, and their group companies, and referred to in research products produced by analysts at Intesa Sanpaolo S.p.A. is available in the “Rules for Research ” and in the extract of the “Corporate model on the management of inside information and conflicts of interest” published on the website of Intesa Sanpaolo S.p.A., webpage https://group.intesasanpaolo.com/en/research/RegulatoryDisclosures. This documentation is available to the recipient of this research upon making a written request to the Compliance Department, Intesa Sanpaolo S.p.A., Via Hoepli, 10 – 20121 Milan – Italy.
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Intesa Sanpaolo Spa acts as market maker in the wholesale markets for the government securities of the main European countries and also acts as Government Bond Specialist, or in comparable roles, for the government securities issued by the Republic of Italy, by the Federal Republic of Germany, by the Hellenic Republic, by the European Stability Mechanism and by the European Financial Stability Facility.

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Additive manufacturing of platinum alloys – practical aspects during LPBF of jewellery items

Additive manufacturing of platinum alloys – practical aspects during LPBF of jewellery items

a speech by Ulrich Klotz

Abstract

In the present paper, optimum process parameters were determined for typical 950Pt jewellery alloy. Optimum densities of <99.9% were reached for a wide range of processing parameters. However, the resulting density was found to depend significantly on the part geometry and on the chosen support structure. The supports have to take into account for the geometrical orientation of the part relative to the laser build direction and the orientation on the build plate. Local overheating is responsible for porosity in these areas. Therefore, the supports play an important role in the thermal management have to be optimized for each part. The design of suitable supports was successfully demonstrated for a typical jewellery ring sample.

1 Introduction

The additive manufacturing of platinum alloys jewellery items found increasing interest in the last years. However, so far most work focused on gold alloys [1–4] and publications presented results on platinum alloys [5–7] Two aspects promote such interest: on one hand, the investment casting process of platinum alloys is rather challenging and struggles with casting defects such as shrinkage porosity, micro porosity or investment reactions [8–10]. On the other hand the physical properties of platinum alloys, particularly the reflectivity of the infrared laser light, are much more similar to steel or titanium alloys [11]. This makes the laser powder bed fusion (LPBF) process much easier compared to gold or silver alloys. In the past, the LPBF process of different 950Pt alloys has been successfully demonstrated for several alloys on different machines [5,12].
In the present work LPBF trials were conducted with a commercially available 950Pt-Au-In alloy (alloy 951Pt P1, C. Hafner, Germany). The LPBF process parameter were optimized concerning minimum porosity. The effect of support structures was studied and effects on alloy chemistry and defects are described in detail.

2 Experimental

2.1 Laser Powder Bed Fusion experiments

A MLab R LaserCUSING machine (ConceptLaser/GE Additive, Lichtenfels, Germany) with a laser power of max. 100 W was used in this study. The laser power was set to 95 W and kept constant for all tests. Despite the relatively low laser power a sufficient energy density could be achieved because of the small spot size (30 µm) of the machine. A two-step scanning routine was applied where the contour scan was made prior to the hatch scan [1]. The contour scan speed was 600 mm/s for all tests. The hatch scan parameters were varied to find optimum parameters with minimum porosity in a test part. The hatch distance and the laser speed were changed from 27 – 63 µm and 100 – 600 mm/s, respectively. The powder was provided as alloyed powder. It had a size distribution of 5 -30 µm (d10/d90 value) and was applied with rubber lip wiper in layers of 20 µm.
The test part has an angular shape with wires and plates of different diameters similar to the one described in [1]. The support structure and the slicing of the model was done with the software AutoFab. The part was oriented in a 45° angle relative to the movement of the wiper.

2.2 Microstructure investigation and porosity measurement

The test parts were embedded in epoxy (EPO Fix) and metallographically prepared. Grinding was done with grit P320, P600, P1200 paper followed by subsequent polishing with 9 µm and 3 µm diamond paste The last polishing step was made with 0,04 µm OPS suspension. Scanning electron microscopy (SEM) images were obtained by a ZEISS Gemini instrument that is equipped with an energy dispersive x-ray (EDX) instrument for local chemical analysis.
The porosity measurement was conducted by image analysis with the software AxioVision (ZEISS, Germany) on a stitched light optical image recorded at 5x optical magnification (Figure 1). The horizontal part of the sample was selected as region of interest (ROI). In order to determine the porosity the image was binarized using a threshold value at the minimum of the histogram. The porosity value is given as the percentage of black pixels inside the ROI.

3 Results

3.1 Process parameter optimization

Figure 1 shows two examples of test samples that were produced by different sets of laser parameters. The right part shows the optimum process parameters with minimum porosity. Figure 2 illustrates the effect of the laser parameters on the porosity. The lowest porosity values of about 0,1 % (99,9% density) were achieved for a hatch distance of 63 µm. At this hatch distance, the porosity levels are nearly independent of the laser speed. The porosity increases with decreasing hatch distance and increasing laser speed. Both, decreasing hatch distance and increasing laser speed result in lack-of-fusion porosity. A hatch distance of 63 µm and a laser sped of 500 mm/s were selected as optimum parameters throughout this study.

Figure 1: Typical metallographic section of the test samples. Left: hatch distance 27 µm, laser speed 600 mm/s. Right: hatch distance 63 µm, laser speed 500 mm/s

Figure 2: Effect of hatch distance and laser speed on the porosity. Laser power 95W.

3.2 Design of support structures for jewellery parts

Two jewellery items, typical engagement rings with three or seven stones, were provided by project partners for additive manufacturing. The rings were supported by columnar hollow supports in areas less than 45° to the build plate (Figure 3). The supports were symmetrical on both sides of the ring. The wiper applied the powder on the build plate perpendicular to the plane of the ring shank. The laser direction was from right to left. Defects occurred on the right side in unsupported areas of the ring shank. Along a certain length of the ring shank, material is missing, but only on the right, outer side of the ring shank. The problem starts at the end of the support structure and it ends at a build angle of 90°.

Figure 3: As manufactured rings with standard support structure. The arrow marks defects on one side of the ring shank.

In order to understand the problem, the AM process was interrupted at a height of 7 mm, which is in the problematic region of the ring shank. An SEM investigation of the last built layer (Figure 4) indicates a perfect surface on the left side of ring. On the right side however, the surface appears highly porous. The surface is uneven with significant balling of the melt pool. The view on the outer surface of the ring shank and a metallographic section through the centre of the ring shank (Figure 5) show powder particles that stick to the surface. The powder particles itself show a layer of much finer particles that appears like a kind of condensate on the surface. Local chemical analysis using EDX showed an enrichment of the condensate in the alloying Au and In compared to the ring shank material.

Figure 4: Interrupted build job at a height of ca. 7mm. Surface of the left and right side of the ring shank according to Figure 3.

Figure 5: Detail of the surface area of the right ring shank as marked in Figure 4.

4 Discussion

4.1 Parameter optimization

Suitable LPBF parameters of the chosen 950Pt platinum could be determined to obtain a porosity below 0,1 %. The porosity is a factor of 10 lower compared to surface treated 18k 3N gold alloys that were produced using the same machine [1]. Staiger [13] investigated the width and depth of laser tracks on metallic sheet material and found that the width and depth of a 950 platinum alloy was comparable to austenitic stainless steel and grade 5 titanium. 18k palladium white gold showed slightly higher width and depth compared to 950 platinum, while 18k yellow and red gold showed much lower width and depth of the laser lines. The similarity of 950 platinum to austenitic stainless steel and grade 5 titanium is due to its similar reflectivity for the infrared light and the similar thermal conductivity.
The porosity of parts produced by LPBF is a function of scan speed [14,15]. At low scan speed, i.e. high energy tendency the porosity is relatively high due to keyhole porosity. Keyholing could be achieved on 950 platinum sheet only at extremely low scan speed (25-50 mm/s at 95W) [13]. According to Tang et al. [15] the lowest porosity is a achieved in a range of medium scan speed. For 950 platinum alloys, this was achieved in the present study at 100-600 mm/s (hatch distance 63 µm, laser power of 95 W, Figure 2). If the scan speed is further increased, Tang et al. [15] describe an increase of porosity due to lack of fusion. This work showed lack of fusion in 950 platinum for hatch distances below 63 µm. The previous study on 18K yellow gold [1] found lack of fusion for the complete range of process parameters. Fully dense gold parts could be achieved at much higher laser powers of 375 W [4].

4.2 Optimization of the support structure

The condensation of material that was observed on the defective ring shank (Figure 5) requires an initial evaporation of alloying elements. This is a clear indication of localised excessive heating of the material. In order to identify the reason for such overheating the process condition were analysed in detail. It appears that the laser is working from the right to the left during the hatch scan. The different curvature of the ring on left and right side relative to the laser direction results in insufficient heat dissipation on the right side of the ring shank. The laser is scanning from right to left. Therefore, it first encounters an unsupported powder bed with limited heat dissipation on the right side of the ring shank. As a consequence, about 50% of ring shank cross section (Figure 4) is locally overheated, which results in the evaporation of the lower melting elements (Au, In) of the alloys. The left ring shank however does not sufer from such overheating because the laser starts on a well supported powder bed. On the very left side of the left ring shank the already lasered layer provides sufficient heat dissipation to prevent overheating.
In order to prevent the defective ring shank, sufficient heat dissipation has to be provided on the right side of the ring shank by additional supports. The critical angle that requires additional supports was determined to be ca. 61° and 72° on the left and the right side of the ring shank, respectively. The critical angles on either side were determined by an optical quality control of the rings.The supports should reach up to 6 mm and 8 mm on the left and the right side of the ring, respectively. Such regions are marked in red in Figure 6. These angles are much larger than a conventional rule of thumb that only surfaces with an angle below 45° should require supports.

Figure 6: Critical regions with possible excessive heating are shown in red.

Finally, all regions with smaller angles relative to the building plate were supported. Figure 7 shows the support structures before and after optimization. With the optimized supports the ring could be manufactured without defects Figure 8. Polishing and stone setting resulted in perfect finish.

Figure 7: CAD-Model of the ring with the original support structure (left) and the optimized support structure (right). Arrows indicate the additional supports.

Figure 8: Final ring (outer diameter 23 mm) with optimized support structure after the LPBF process (left) and after polishing and stone setting (right).

5 Summary and Conclusions

The additive manufacturing of 950 platinum alloys was successfully demonstrated by the laser powder bed fusion technology. The optimum process parameters were a hatch distance of 63 µm and a laser speed of 100-600 mm/s at a laser power of 95 W (Nd-YAG laser with 1064nm wavelength and a spot size of 30 µm). For such parameters a residual porosity below 0,1 % could be reached. A smaller hatch distance resulted in lack of fusion porosity. 950 platinum alloys can be processed with similar parameters like austenitic stainless steel (316L).
Jewellery ring samples were prepared with conventional support structures. However, it appeared that the supports have to take into account machine-specific laser scanning procedures. Additional supports were required at positions were the laser encounters an unsupported powder bed, if the orientation of the parts was below ca. 72° relative to the build plate. Otherwise, excessive heating resulted in the evaporation of material and defective surfaces. Therefore, a careful design of the supports structures has to be considered as part of the LPBF process optimization.

6 Acknowledgements

This research project was supported by the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWi) through the AiF (IGF no. 20670N) based on a decision taken by the German Bundestag. We kindly acknowledge the support of the members of the users committee, in particular, the provision of 950Pt alloy powder and 3D CAD models by C. Hafner GmbH+Co.KG and Christian Bauer Schmuck GmbH+Co.KG, respectively. We thank the colleagues at fem for their contribution, namely Dario Tiberto, Daniel Blessing and for the additive manufacturing trials, metallography and SEM.

7 References

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[2] U.E. Klotz, D. Tiberto, F.J. Held, Additive manufacturing of gold alloys, Galvanotechnik. 110 (2019) 1436–1439.
[3] 2018 – Precious Project: Polishing and Finishing Additive Manufacturing (AM) Jewelry, St. Fe Symp. (n.d.). http://www.santafesymposium.org/2018-santa-fe-symposium-papers/2018-precious-project-polishing-and-finishing-additive-manufacturing-am-jewelry (accessed November 12, 2021).
[4] H. Ghasemi-Tabasi, J. Jhabvala, E. Boillat, T. Ivas, R. Drissi-Daoudi, R.E. Logé, An effective rule for translating optimal selective laser melting processing parameters from one material to another, Addit. Manuf. 36 (2020) 101496. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101496.
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[11] U.E. Klotz, D. Tiberto, F. Held, Additive Manufacturing of 18Karat Yellow-Gold Alloys, in: St. Fe Symp. 2016, Met-Chem Research, ABQ, NM, USA, 2016: pp. 255–272. http://www.santafesymposium.org/2016-santa-fe-symposium-papers/2016-additive-manufacturing-of-18karat-yellow-gold-alloys-1 (accessed November 12, 2021).
[12] T. Laag, J. Heinrich, Powder Processing of Platinum Group Metals: Advantages and Challenges, in: St. Fe Symp. 2018, Met-Chem Research, ABQ, NM, USA, 2018: pp. 327–343. https://www.santafesymposium.org/2018-santa-fe-symposium-papers/2018-powder-processing-of-platinum-group-metals-advantages-and-challenges?rq=platinum (accessed November 12, 2021).
[13] R. Staiger, Einfluss der Prozessparameter und er Werkstoffeigenschaften bei der additiven Fertigung von metallischen Werkstoffen, Bachelor Thesis, HFU Hochschule Furtwangen, 2019.
[14] H. Gong, K. Rafi, H. Gu, T. Starr, B. Stucker, Analysis of defect generation in Ti–6Al–4V parts made using powder bed fusion additive manufacturing processes, Addit. Manuf. 1–4 (2014) 87–98. https://doi.org/10.1016/j.addma.2014.08.002.
[15] M. Tang, P.C. Pistorius, J.L. Beuth, Prediction of lack-of-fusion porosity for powder bed fusion, Addit. Manuf. 14 (2017) 39–48. https://doi.org/10.1016/j.addma.2016.12.001.

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The jewellery industry global scenario in time of Covid-19

The jewellery industry global scenario in time of Covid-19

a speech by Sara Giusti

Abstract

The jewellery industry has been severely affected by the Covid19 pandemic. World demand dropped sharply in 2020, hitted by shop closures, stop in tourism flows, decrease in purchasing power across global consumers, increase uncertainty and gold prices at maximum levels. The scenario for 2021 remains highly uncertain, depending on the evolution of pandemic, with a rebound in demand that will still leave jewellery market well below 2019 levels.

The Italian jewellery industry in 2021

World demand for gold jewellery continued to grow in the third quarter of 2021 (+33%), with a slowdown expected compared to the growth in the first two quarters, which were the hardest hit by the crisis-related downturn in 2020. During the summer months, the Italian jewellery industry continued the strong performance already seen at the beginning of the year and for the first nine months as a whole it was already above pre-COVID levels both with respect to turnover (+13.1%) and exports in terms of values (+6.9%) and quantity (+8.0%).

Commodities: hit by Omicron and monetary policies

The negative impact of the Omicron variant and the threat of more restrictive monetary policies now represent the worst headwinds for commodity markets and could trigger deeper corrections in market prices in the near term. However, temporarily weaker commodity prices would clearly benefit the global economy, contributing to an acceleration in growth rates, and simplify the task of the main central banks, which could continue supporting the global recovery instead of fighting commodity-driven inflationary pressures.

Precious metals: we favour palladium vs. gold

In 2021, all the main precious metals have fallen in price. We maintain a negative view on both gold and silver, as we think that the headwinds of more restrictive monetary policies will continue to weaken appetite for both metals on financial markets. On the contrary, we now expect that platinum and palladium could recover part of their recent losses, as demand from the automotive sector should pick up thanks to the easing semiconductor shortage. Thus, in a medium-term strategic asset allocation we would favour palladium vs. gold.

The Italian jewellery industry in 2021

The recovery in world demand for gold jewellery continued in the third quarter of 2021 (+33%), although at a slower pace than in the first two quarters (+54% in the first quarter and +62% in the second quarter) and with a lag of -14% compared to the pre-crisis period. The Italian jewellery industry continued its strong performance which brought it above the values of the first nine months of 2019 both with respect to turnover (+13.1%) and exports in terms of values (+6.9%) and quantity (+8.0%).

In the third quarter of 2021, world demand for gold jewellery recovered significantly on 2020 (+33% in quantity), although with a natural slowdown compared to the first two quarters (+54% in the first quarter and +62% in the second quarter), which were hit harder by the crisis in 2020 (Fig. 1). For the first nine months of 2021 as a whole, world demand still lagged behind 2019 by -14%. Thanks to the strong upturn in the first three months (+216%), China was the market with the strongest growth in 2021 (+84%), followed by India (+45%) and the Middle East (+43%), which were among the markets with the highest growth in the third quarter, along with Hong Kong (Fig. 2). Compared to the pre-crisis period, China and the United States were the most important markets, which have already surpassed 2019 levels by +4.1% and 17.1% respectively.

Italian exports of gold jewellery, on the other hand, fully recovered their pre-COVID values in the first nine months of 2021, both in terms of values (+6.9%) and quantity (+8.0%), with a strong upturn in the second quarter (+251% in values; +273% in quantity), which also continued in the third quarter with growth rates of around 60% (Figures 3-4).

In the main export markets, the United States retained its role as the primary market for Italian gold jewellery exports due to values that almost doubled compared to the first nine months of 2020 (+98%) and to the fact that they exceeded pre-COVID figures both in terms of values (+66.3%) and quantities (+44.5%). The significant growth in exports to the Arab Emirates also continued (+141.1% in values; +151.0% in quantities), which recovered the amounts for the first nine months of 2019 (+8.8%), although still lagging behind in terms of quantities (-12.8%). Of particular note was the trade with Ireland, as a result of the policies of foreign operators already present in 2020 that confirmed the use of the Irish market as a tax and logistics base for other markets, probably also including the United Kingdom (where imports from Italy plummeted -35.8% in the period January-September). Despite the significant rebound (+42.1% in values and +48.9% in quantity), exports to Switzerland lagged behind the figures for the first nine months of 2019 by more than -35%, probably also in this case reflecting the distribution policies of the large luxury brands that use Switzerland as a main logistics hub. Particularly noteworthy was the growth in sales to South Africa, which more than doubled on 2020, when they had grown despite the crisis generated by the pandemic (Table 1).

At local level, the figures already recorded in the first two quarters were confirmed, with stronger performance in the provinces of Vicenza and Arezzo, which posted an overall recovery compared to 2020 of +70% for Vicenza and +92% for Arezzo, while the Valenza district recorded growth of +27%. This performance resulted in a full recovery compared to the pre-crisis period for the Vicenza and Arezzo districts, with an increase of +17% compared to 2019, while Valenza still lagged behind by -36%, probably influenced more than the other two districts by the pricing policies of multinationals (the figure at local level is only available in values and not in quantity) (Figures 5-6).

In the period January-September 2021, exports of the Vicenza jewellery district amounted to EUR 1.2Bn with growth of over EUR 480M compared to the same period of 2020 (+69.9%) and also up compared to 2019 (+16.7%). Exports were driven above all by the strong sales to the United States, which more than doubled on 2020 (+113%) with a substantial increase also compared to the pre-crisis period (+79.9%), and by the significant growth in exports to South Africa (+82.4% compared to 2020 and +74.6% compared to 2019). The growth in exports to Malaysia, which was already significant in 2020 (+94.4%), also strengthened, and in the first nine months of 2021 it ranked as the sixth largest market compared to tenth in 2020. Exports to the United Arab Emirates (+6.2%) exceeded 2019 levels, while exports to Hong Kong were not recovering (-52.1%) (Table 2).

The Arezzo district also recovered the value of pre-COVID exports and at EUR 1.8Bn had increased its value by around EUR 880M compared to the first nine months of 2020 (+92.4%) and by EUR 270M compared to 2019 (+17.3%). Of particular significance was the growth of exports to the United States, which more than doubled compared to 2020 (+129.5%) and significantly exceeded 2019 (+87.8%), as well as to South Africa, which increased on the value in 2019 by more than EUR 80M, coming to represent 5.1% of district exports. Also noteworthy was the complete recovery in exports to the United Arab Emirates (+15.3%), which is the primary market, in addition to the recovery versus France (+15.2%) and Turkey (+30.9%), while exports to Hong Kong continued to fall compared to 2019 (-37.1%) (Table 3).

The Valenza Po jewellery district, on the other hand, still showed a lag compared to 2019 (-36.2%) and, with a value of over EUR 1Bn in exports, recorded growth of EUR 222M compared to 2020 (+27.3%). The analysis of the countries of destination shows that this district was affected by the logistic choices of some major operators, which can be seen in the strong increase in sales to Ireland, which became the primary market from 2020, whereas in 2019 it accounted for just over 4% of exports. In contrast, exports to France were negatively affected, falling both in 2020 (-34.7%) and in 2019 (-73%), as well as exports to Switzerland (-23.4% in 2020 and -83.2% in 2019) (Table 4).

The production and turnover indices confirmed the signs of recovery: in the average for the first nine months of 2021, industrial production and turnover in the sector grew by around 65% compared to 2020, but they also increased by 13.1% in turnover and 8.5% in production when compared to the average for 2019 (Fig. 7). The latest results for October also confirmed this trend with indices increasing 15% over 2019 in terms of turnover and production.

The outlook for the global economy is currently very uncertain, due to the persistent supply bottlenecks, but real growth expectations remain robust in 2022. The Italian jewellery industry has shown itself to be well capable of responding to the crisis, thanks to the strong presence in international markets, with a growing focus on digitalisation, brand policies and sustainability, bolstered by the quality and elegance of Italian-made jewellery.


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Metalli preziosi: transizione verso un mondo post-pandemia

Metalli preziosi: transizione verso un mondo post-pandemia

una relazione di Daniela Corsini

Abstract

Nel 2020, l’epidemia di Covid-19 ha interrotto le catene di approvvigionamento globali e aumentato la domanda di beni rifugio. Nel 2021, il mercato globale dell’oro dovrebbe beneficiare di un rimbalzo della domanda di gioielli e di un contesto macroeconomico favorevole tra politiche monetarie espansive, tassi di interesse bassi e un aumento delle aspettative di inflazione.

Materie prime: pesano la variante Omicron e le politiche monetarie

L’impatto negativo della variante Omicron e la minaccia di politiche monetarie più restrittive rappresentano ora i principali ostacoli per i mercati delle materie prime e potrebbero innescare più ampie correzioni dei prezzi nel breve termine. Tuttavia, un temporaneo indebolimento dei corsi delle materie prime favorirebbe l’economia mondiale, contribuendo ad accelerare i tassi di crescita, e semplificherebbe il compito delle principali banche centrali, che potrebbero continuare a sostenere la ripresa economica invece di combattere le pressioni inflazionistiche.

Le prospettive macroeconomiche si confermano più deboli di quanto inizialmente previsto, a causa delle elevate pressioni inflazionistiche e dei timori di una stretta monetaria più rapida di quanto precedentemente anticipato da parte della Federal Reserve. Inoltre, l’inattesa diffusione della variante Omicron ha provocato una revisione al ribasso delle stime di domanda mondiale di materie prime, ritardando ulteriormente la ripresa in alcuni settori, come l’aviazione, o causando un peggioramento delle prospettive per le filiere globali a causa della persistente minaccia di colli di bottiglia logistici e chiusure temporanee delle attività economiche e produttive.

A nostro avviso, in questo momento l’impatto negativo della variante Omicron e la minaccia di politiche monetarie più restrittive rappresentano i principali ostacoli per i mercati delle materie prime e potrebbero innescare più ampie correzioni dei prezzi di mercato nel breve termine.

Tuttavia, un temporaneo indebolimento dei corsi delle materie prime addurrebbe grandi benefici all’economia mondiale, contribuendo ad accelerare i tassi di crescita, e semplificherebbe il compito delle principali banche centrali, che potrebbero continuare a sostenere la ripresa economica invece di combattere le pressioni inflazionistiche alimentate dalle materie prime.

Nel nostro scenario di base, dopo una probabile, più profonda, correzione a inizio anno, i prezzi della maggior parte delle materie prime potrebbero riprendere una traiettoria di moderato rialzo. Infatti, le quotazioni di petrolio e metalli non ferrosi potrebbero recuperare parte del terreno perso non appena le banche centrali avranno rassicurato i mercati e la crescita economica globale si sarà consolidata

Nel 2022, gli specifici fondamentali di domanda e offerta dovrebbero ritornare ad essere i principali driver dei prezzi delle materie prime, prevalendo sui fattori macroeconomici, e la volatilità dovrebbe essere alimentata soprattutto da flussi di notizie riguardanti interruzioni delle forniture, ritardi nelle filiere logistiche e previsioni sulle future dinamiche di consumo, soprattutto in Cina.

Nel medio e lungo termine, continuiamo ad attenderci un trend rialzista per i metalli industriali, mentre i prezzi di gas naturale ed energia dovrebbero registrare una progressiva diminuzione, pur mantenendo le consuete oscillazioni stagionali.

Previsioni per l’universo delle materie prime

Petrolio. A seguito del recente indebolimento dei fondamentali di domanda e offerta e dei timori di una più rapida stretta monetaria, abbiamo rivisto al ribasso le nostre stime sulle quotazioni del petrolio nel 2022. A nostro avviso, una temporanea correzione potrebbe spingere il Brent verso un livello medio di 65 dollari nel 1° trimestre 2022. Successivamente, le pressioni al rialzo sul prezzo del petrolio potrebbero riprendere forza a fronte di previsioni più ottimistiche sulla domanda mondiale, grazie a un aumento stagionale dei consumi di combustibili e, si spera, di un allentamento dei timori sull’andamento dell’epidemia. Di conseguenza, ci attendiamo che si consolidi un trend rialzista del prezzo del petrolio a partire dal 2° trimestre 2022. Nel nostro scenario di base, prevediamo una quotazione media per il Brent di 67,5 dollari nel 2022 e di 70 dollari nel 2023. La volatilità dovrebbe rimanere una importante caratteristica di mercato e contribuirà spesso ad amplificare movimenti intraday.

Mercati energetici. Anche se difficilmente potranno ripetersi ogni anno le condizioni estreme che hanno caratterizzato i mercati mondiali di gas ed energia alle porte della stagione invernale 2021/22, possiamo comunque attenderci più frequenti periodi di stress di mercato e una maggiore volatilità dei prezzi dell’energia, dovuti alla necessaria e inevitabile transizione verso fonti energetiche più pulite e alla progressiva penetrazione delle energie rinnovabili.

Metalli preziosi. Nel 2021, le quotazioni di tutti i principali metalli preziosi hanno registrato una flessione. Manteniamo una view negativa su oro e argento, poiché riteniamo che l’adozione di politiche monetarie più restrittive continuerà a ridurre la propensione a investire nei due metalli. Per contro, ci attendiamo un parziale recupero delle recenti perdite subite da platino e palladio, grazie alla probabile accelerazione della domanda proveniente dal settore automobilistico, dovuta all’allentamento della crisi dei semiconduttori.

Metalli industriali. L’inattesa diffusione della variante Omicron e le aspettative di una più rapida stretta da parte della Federal Reserve hanno determinato un aumento del rischio di una più marcata correzione dei prezzi di gran parte dei metalli industriali. Ora, prevediamo infatti una diminuzione delle quotazioni nel 1° trimestre 2022. Tuttavia, più avanti nel corso del 2022, gli specifici fondamentali di domanda e offerta dovrebbero tornare ad essere i principali driver e quindi le quotazioni dei metalli non ferrosi dovrebbero recuperare terreno. Nel medio/lungo termine, continuiamo ad attenderci un trend rialzista per i metalli industriali.

Merci agricole. L’agricoltura è il settore delle materie prime che esibisce la più marcata elasticità dell’offerta ai prezzi. Di conseguenza, le elevate quotazioni registrate nel 2021 dovrebbero contribuire ad aumentare l’offerta nel 2022, laddove possibile, e potrebbero determinare diffuse diminuzioni dei prezzi in anticipazione della prossima stagione dei raccolti. Tuttavia, anomale condizioni meteorologiche restano la minaccia più preoccupante e potrebbero alimentare volatilità, a causa degli impatti più gravi e meno prevedibili del cambiamento climatico e del riscaldamento globale sul settore.

Metalli preziosi: preferiamo il palladio all’oro

Nel 2021, le quotazioni dei metalli preziosi hanno registrato una flessione. Manteniamo una view negativa su oro e argento, poiché l’adozione di politiche monetarie più restrittive dovrebbe ridurre la propensione a investire nei due metalli. Per contro, ci attendiamo un parziale recupero di platino e palladio, grazie alla probabile accelerazione della domanda dal settore automobilistico. Pertanto, nell’ambito di un’asset allocation strategica a medio termine, preferiamo il palladio all’oro.

Nel 2021, le quotazioni di tutti i principali metalli preziosi hanno registrato una flessione. Oro e argento hanno subito pressioni al ribasso dovute al rafforzamento del dollaro americano e agli annunci di un’anticipazione della stretta monetaria da parte delle principali banche centrali. In effetti, le aspettative di un rialzo dei tassi scoraggiano gli investimenti in oro e altri asset infruttiferi, poiché ne determinano un aumento del costo opportunità. Manteniamo una view negativa su entrambi i metalli, poiché riteniamo che l’ostacolo rappresentato dall’attesa stretta monetaria continuerà a ridurre la propensione a investire in oro sui mercati finanziari. Attualmente, riteniamo che l’argento non sia abbastanza forte per potersi decorrelare dall’oro, nonostante i promettenti fondamentali a lungo termine.

Nel 2° semestre, anche le quotazioni di platino e palladio hanno subito una diminuzione, poiché la scarsità di semiconduttori ha avuto un impatto negativo più grave del previsto sulla produzione di autoveicoli e, di conseguenza, sul consumo di entrambi i metalli. Probabilmente i prezzi hanno toccato i minimi e attualmente ci attendiamo un parziale recupero delle recenti perdite subite, complice la probabile accelerazione della domanda dal settore automobilistico dovuta al graduale allentamento della crisi dei semiconduttori.

Nel nostro scenario di base, prevediamo un consolidamento della crescita globale e un graduale allentamento dei colli di bottiglia e della crisi dei semiconduttori. Le politiche monetarie dovrebbero subire una stretta, pur continuando a sostenere la ripresa dell’economia mondiale sinché necessario. Pertanto, nell’ambito di un’asset allocation strategica a medio termine, preferiamo il palladio all’oro.

Oro

Secondo gli ultimi dati pubblicati dal World Gold Council (WGC), nel 3° trimestre 2021 i mercati finanziari hanno ulteriormente perso appetito per l’oro a causa dell’attesa di adozione di politiche monetarie più restrittive e del dibattito riguardo l’avvio del tapering da parte della Fed.

Considerando i volumi di oro detenuti da ETF come proxy dell’appetito dei mercati finanziari per il metallo giallo, a fine settembre le posizioni totali detenuti da ETF erano vicine alle 3.600 tonnellate, poiché il comparto aveva registrato disinvestimenti pari a circa 156 tonnellate da inizio anno, la diminuzione più forte dal 2013. Nel solo 3° trimestre 2021, le posizioni in oro detenute da ETF sono diminuite di circa 27 tonnellate. Di conseguenza, nel trimestre questi fondi hanno fornito un contributo negativo alla domanda di oro, rappresentando una perdita netta pari al 2% circa della domanda globale. Si tratta di un cambiamento significativo del sentiment di mercato, considerando che i flussi degli ETF avevano fornito un contributo positivo pari al 4% circa del consumo globale nel 2° trimestre 2021 e avevano rappresentato ben il 40% della domanda mondiale nel 2° trimestre 2020, una percentuale senza precedenti.

Considerando la rilevanza dei flussi in oro da ETF, nel 3° trimestre 2021 la domanda mondiale di metallo prezioso ha subito una contrazione del 7% a/a, nonostante tutte le componenti non finanziarie siano aumentate. Infatti, la ripresa della crescita economica mondiale ha spinto al rialzo il consumo di oro nei settori gioielleria (+33% a/a) e tecnologia (+7% a/a), mentre i maggiori tassi di risparmio, i timori sui rischi di inflazione e l’incertezza sull’andamento dell’epidemia di coronavirus hanno alimentato la domanda di lingotti e monete (+18% a/a). Nel settore ufficiale, la domanda è stata sostenuta dal rinnovato interesse per la diversificazione delle riserve ufficiali. Infatti, le banche centrali sono passate dall’essere venditrici nette di oro nel 3° trimestre 2020 ad acquirenti nette di metallo nel 3° trimestre 2021.

Considerando le attese di politiche monetarie più restrittive e di una crescita globale ancora solida, nei prossimi trimestri le componenti non finanziarie della domanda di oro potrebbero rafforzare la loro ripresa, e prevediamo un incremento degli acquisti in gioielleria, tecnologia e nel settore ufficiale. Per contro, gli ETF aventi oro fisico come sottostante potrebbero essere penalizzati da maggiori disinvestimenti dovuti all’aumento del costo opportunità legato al possesso del metallo giallo, a fronte di aspettative di un rialzo dei rendimenti e dei rischi di rialzo dei tassi di interesse di riferimento.

Nel nostro modello di base, prevediamo una quotazione media per l’oro di circa 1.770 dollari nel 1° trimestre 2022 e una possibile diminuzione intorno a una media di 1.720 dollari nel 2022. Nonostante lo scenario monetario sfavorevole, ci attendiamo solo moderate pressioni al ribasso sulle quotazioni dell’oro, grazie al forte sostegno fornito dalla ripresa in atto nel settore della gioielleria, favorita dalla crescita economica, e dal settore ufficiale, poiché le banche centrali potrebbero sfruttare il calo delle quotazioni per diversificare le proprie riserve. Inoltre, i timori relativi all’inflazione potrebbero frenare i disinvestimenti dagli ETF.

A causa della forte incertezza che grava sullo scenario macroeconomico per l’impossibilità di prevedere l’andamento dei rischi epidemiologici, i prezzi record dell’energia e i persistenti colli di bottiglia che penalizzano le filiere logistiche e le attività manifatturiere, le nostre previsioni rimangono esposte a rischi significativi.

Per l’oro, lo scenario più pessimistico sarebbe quello di un contesto macroeconomico caratterizzato da un’ulteriore accelerazione della crescita mondiale favorita da un’attenuazione dei timori epidemiologici, dall’allentamento dei colli di bottiglia e da un forte impegno delle banche centrali a intervenire per impedire il surriscaldamento dell’economia. Infatti, in questo scenario gli investitori accorderebbero la loro preferenza agli asset ciclici piuttosto che ai beni rifugio e l’aumento dei tassi di interesse scoraggerebbe gli investimenti in oro. In questo scenario, le quotazioni del metallo potrebbero scendere rapidamente in prossimità di un supporto di 1.450 dollari.

Per contro, lo scenario più ottimistico per l’oro sarebbe quello di un contesto macroeconomico caratterizzato dal peggioramento delle prospettive di crescita globale, complici una diffusione incontrollata dell’epidemia e vaccini poco efficaci. Le banche centrali sarebbero quindi costrette a rinviare la stretta monetaria pianificata nel tentativo di sostenere le rispettive economie, mentre i colli di bottiglia delle filiere logistiche e produttive permarrebbero, alimentando le pressioni inflazionistiche. In questo scenario estremo di stagflazione, l’oro potrebbe ritestare i suoi massimi al di sopra dei 2.000 dollari.

Argento

Nel nostro modello di base, prevediamo un prezzo medio per l’argento di circa 24 dollari l’oncia sia per il 1° trimestre 2022 che per l’intero anno. Ci attendiamo che il metallo scambi per la maggior parte del tempo all’interno di un intervallo compreso tra 21 e 27 dollari l’oncia.

Rispetto all’oro, l’argento dovrebbe mantenersi più volatile, ma probabilmente non sarà abbastanza forte per potersi decorrelare dal metallo giallo. Di conseguenza, nei prossimi anni l’argento appare destinato a seguire il trend ribassista dell’oro, nonostante i fondamentali positivi e le previsioni di aumento della domanda globale, soprattutto nel settore delle tecnologie verdi.

Per i prossimi anni, ci attendiamo un rapporto tra oro e argento ancora leggermente superiore alla media di lungo periodo, data la ancora forte correlazione positiva di lungo termine tra i due metalli, nonostante il supporto fornito all’argento dalla transizione verde.

Platino e palladio

Le nostre previsioni sui metalli del gruppo del platino (PGM) sono strettamente connesse alle aspettative di una ripresa nel settore automobilistico e, di conseguenza, agli sviluppi della crisi dei semiconduttori. Infatti, secondo le stime di Johnson Matthey, l’85% circa della domanda di palladio proviene dalle marmitte catalitiche utilizzate per lo più nei veicoli dotati di motori a benzina, mentre oltre il 30% della domanda di platino proviene dalle marmitte catalitiche utilizzate per lo più nei veicoli dotati di motori diesel.

Nel 2021, i PGM hanno registrato un ciclo di espansione e crisi. In effetti, nel primo semestre platino e palladio hanno sovraperformato gli altri metalli preziosi, poiché i produttori di autoveicoli hanno rapidamente incrementato gli acquisti per rifornire i magazzini e soddisfare i nuovi ordinativi, nonostante i primi segnali di rallentamenti lungo le filiere produttive dovuti alla carenza di semiconduttori.

Successivamente, con il passare del tempo e il consolidamento della ripresa mondiale, la scarsità di semiconduttori si è aggravata, costringendo i produttori di autoveicoli a rivedere al ribasso i piani di produzione e, in alcuni casi, a bloccare alcuni stabilimenti produttivi. Di conseguenza, la domanda di PGM si è drasticamente ridotta. Diversi produttori hanno rivisto al ribasso le proprie previsioni di output, alimentando il pessimismo sui mercati finanziari e dubbi sulla futura crescita di consumi di platino e palladio nel settore.

Attualmente, i produttori di autoveicoli sono probabilmente ben forniti per soddisfare le loro esigenze di PGM a medio termine. Di conseguenza, finora i bassi prezzi non hanno attirato i consumatori, a causa delle stime ancora incerte sulla produzione futura. Più a lungo termine, nonostante ci sia ancora spazio per un aumento dei prezzi, probabilmente il potenziale di rialzo dei PGM è stato strutturalmente ridotto dalla crisi dei semiconduttori, poiché gli attuali ritardi nelle dinamiche di consumo dei PGM implicano che l’offerta beneficerà di più tempo per poter soddisfare la domanda e che l’offerta secondaria beneficerà di più tempo per tornare a fluire sul mercato, grazie a una ripresa delle attività di riciclo.

Nel nostro scenario di base, per il 1° trimestre 2022 ipotizziamo un prezzo medio per il platino e il palladio rispettivamente di 1.025 dollari l’oncia e di 2.000 dollari l’oncia. Secondo le nostre previsioni, nel 2022 le quotazioni potrebbero raggiungere un livello medio vicino a 1.075 dollari per il platino e 2.050 dollari per il palladio.

A nostro avviso, il palladio potrebbe aver toccato i minimi, poiché la soglia di 1.700 dollari dovrebbe rappresentare un forte supporto per il metallo. Per contro, il minimo di 950 dollari raggiunto a novembre è un debole supporto per il platino e riteniamo che il livello di 900 dollari costituisca un più solido livello minimo.

Manteniamo una view rialzista a lungo termine (nonostante la revisione al ribasso delle previsioni rispetto al mese di giugno dovuta ai disagi più gravi e prolungati del previsto lungo la filiera), poiché ci attendiamo un possibile miglioramento della crisi dei semiconduttori nel 2022, grazie ai piani per ampliare la produzione di microchip a livello mondiale, e quindi prevediamo una ripresa sia della produzione di autoveicoli che della domanda globale di PGM.

Appendice

Certificazione degli analisti

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Comunicazioni specifiche

Gli analisti citati non ricevono, stipendi o qualsiasi altra forma di compensazione basata su specifiche operazioni di investment banking.

Comunicazioni importanti

Il presente documento è stato preparato da Intesa Sanpaolo S.p.A. e distribuito da Intesa Sanpaolo SpA-London Branch (membro del London Stock Exchange) e da Intesa Sanpaolo IMI Securities Corp (membro del NYSE e del FINRA). Intesa Sanpaolo S.p.A. si assume la piena responsabilità dei contenuti del documento. Inoltre, Intesa Sanpaolo S.p.A. si riserva il diritto di distribuire il presente documento ai propri clienti. Intesa Sanpaolo S.p.A. è una banca autorizzata dalla Banca d’Italia ed è regolata dall’FCA per lo svolgimento dell’attività di investimento nel Regno Unito e dalla SEC per lo svolgimento dell’attività di investimento negli Stati Uniti.

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Incentivi relativi alla ricerca

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– contiene analisi macroeconomiche (c.d. Macroeconomic Research) o è relativo a Fixed Income, Currencies and Commodities (c.d. FICC Research) ed è reso liberamente disponibile al pubblico indistinto tramite il sito web della Banca – Q&A on Investor Protection topics – ESMA 35-43-349, Question 8 e 9.

Metodologia di distribuzione

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Metodologia di valutazione

Il presente documento è stato preparato sulla base della seguente metodologia.

Dati Macroeconomici
I commenti sui dati macroeconomici vengono elaborati sulla base di notizie e dati macroeconomici e di mercato disponibili tramite strumenti informativi quali Bloomberg e Refinitiv-Datastream. Le previsioni macroeconomiche e sui tassi d’interesse sono realizzate dalla Direzione Studi e Ricerche di Intesa Sanpaolo, tramite modelli econometrici dedicati. Le previsioni sono ottenute mediante l’analisi delle serie storico-statistiche rese disponibili dai maggiori data provider ed elaborate sulla base anche dei dati di consenso tenendo conto delle opportune correlazioni fra le stesse.

Previsioni Comparto Energetico
I commenti sul comparto energetico vengono elaborati sulla base di notizie e dati macroeconomici e di mercato disponibili tramite strumenti informativi quali Bloomberg e Refinitiv-Datastream. Le stime di consenso, se non diversamente specificato, provengono dalle principali Agenzie internazionali sull’energia, su tutte l’IEA (International Energy Agency – che si occupa del settore a livello mondiale), l’EIA (Energy Information Administration – istituto che si occupa specificatamente del settore energetico USA) e l’OPEC. Le previsioni sono realizzate dalla Direzione Studi e Ricerche di Intesa Sanpaolo tramite modelli dedicati.

Previsioni Comparto Metalli
I commenti sul comparto metalli vengono elaborati sulla base di notizie e dati macroeconomici e di mercato disponibili tramite strumenti informativi quali Bloomberg e Refinitiv-Datastream.
Le stime di consenso sui metalli preziosi, se non diversamente specificato, provengono principalmente dalla GFMS, la storica agenzia di previsioni basata a Londra. Le previsioni riguardano: oro, argento, platino e palladio. Le previsioni sono realizzate dalla Direzione Studi e Ricerche di Intesa Sanpaolo tramite modelli dedicati.
Le stime di consenso sui metalli industriali, se non diversamente specificato, provengono principalmente dalla Brook Hunt, agenzia di previsioni indipendente che dal 1975 redige statistiche e previsioni su metalli e minerali, e dal World Bureau of Metal Statistics (WBMS), una struttura indipendente di ricerca sul mercato globale dei metalli industriali che pubblica una serie di analisi statistiche con cadenza mensile, trimestrale e annuale. Le previsioni sono realizzate dalla Direzione Studi e Ricerche di Intesa Sanpaolo tramite modelli dedicati.

Previsioni Comparto Agricolo
I commenti sul comparto agricolo vengono elaborati sulla base di notizie e dati macroeconomici e di mercato disponibili tramite strumenti informativi quali Bloomberg e Refinitiv-Datastream.
Le stime di consenso sui prodotti agricoli sono molteplici. Ogni singolo paese ha la propria agenzia interna di statistica che stima e prevede i raccolti, la capacità produttiva, la quantità di offerta di prodotti e soprattutto la quantità (assoluta e percentuale) di terra disponibile per la messa a coltura di un determinato prodotto.
A livello internazionale le principali agenzie sono: l’USDA (United States Department of Agricolture) che, oltre a fornire i dati relativi al territorio americano, si occupa in generale anche del settore granaglie a livello mondiale mediante il sottocomparto della FAS (Foreign Agricultural Service); l’Economist Intelligence Unit, del Gruppo Economist, che si occupa trasversalmente di tutti i prodotti agricoli a livello mondiale; e la CONAB (Companhia Naciònàl de Abastecimento), l’agenzia del Governo brasiliano che si occupa di agricoltura (con un occhio di riguardo per il caffè) e che fornisce anche uno sguardo su tutto il continente sudamericano.
Le previsioni sono realizzate dalla Direzione Studi e Ricerche di Intesa Sanpaolo tramite modelli dedicati.

Livelli tecnici
I commenti sui livelli tecnici si basano sulle notizie e i dati di mercato disponibili tramite strumenti informativi quali Bloomberg e Refinitiv-Datastream. Le previsioni sui livelli tecnici di interesse sono realizzate dalla Direzione Studi e Ricerche di Intesa Sanpaolo tramite modelli tecnici dedicati. Le previsioni sono ottenute mediante l’analisi delle serie storico-statistiche rese disponibili dai maggiori data provider ed elaborate sulla base anche dei dati di consenso tenendo conto delle opportune correlazioni fra le stesse. Vi è inoltre un approfondimento legato alla scelta degli opportuni strumenti derivati che meglio rappresentano il comparto o la specifica commodity su cui si vuole investire.

Raccomandazioni
Outlook Negativo: la raccomandazione di outlook Negativo per un settore è un’indicazione di ampio respiro. Essa indica non solo il deteriorarsi delle condizioni di prezzo degli indici o dei future che meglio rappresentano la materia prima in questione (quindi il ridursi di una performance di prezzo), ma implica anche la riduzione delle previsioni produttive, climatiche e di approvvigionamento (energetico o idrico) che caratterizzano, più di altri strumenti finanziari, questi comparti.
Outlook Neutrale: la raccomandazione di outlook Neutrale per un settore è un’indicazione che abbraccia molti aspetti. Essa indica che la combinazione delle previsioni di prezzo per gli indici e i future e l’insieme delle condizioni produttive, climatiche e di approvvigionamento (energetico o idrico) porteranno ad un movimento laterale dei prezzi o delle scorte o della capacità produttiva, registrando perciò performance nulle o minime per il comparto in esame.
Outlook Positivo: la raccomandazione di outlook Positivo per un settore è un’indicazione di ampio spettro. Essa indica non solo il miglioramento netto delle condizioni di prezzo degli indici o dei future che meglio rappresentano la materia prima in questione (quindi una performance positiva di prezzo), ma implica anche il miglioramento delle previsioni produttive, climatiche e di approvvigionamento (energetico o idrico) che caratterizzano, più di altri strumenti finanziari, questi comparti.

Frequenza e validità delle previsioni

Le indicazioni di mercato si riferiscono a un orizzonte temporale di breve periodo (il giorno corrente o i giorni successivi, salvo diversa indicazione specificata nel testo). Le previsioni sono sviluppate su un orizzonte temporale compreso tra una settimana e 5 anni (salvo diversa indicazione specificata nel testo) e hanno una validità massima di tre mesi.

Comunicazione dei potenziali conflitti di interesse

Intesa Sanpaolo S.p.A. e le altre società del Gruppo Bancario Intesa Sanpaolo (di seguito anche solo “Gruppo Bancario Intesa Sanpaolo”) si sono dotate del “Modello di organizzazione, gestione e controllo ai sensi del Decreto Legislativo 8 giugno 2001, n. 231” (disponibile sul sito internet di Intesa Sanpaolo, all’indirizzo: https://group.intesasanpaolo.com/it/governance/dlgs-231-2001) che, in conformità alle normative italiane vigenti ed alle migliori pratiche internazionali, include, tra le altre, misure organizzative e procedurali per la gestione delle informazioni privilegiate e dei conflitti di interesse, ivi compresi adeguati meccanismi di separatezza organizzativa, noti come Barriere informative, atti a prevenire un utilizzo illecito di dette informazioni nonché a evitare che gli eventuali conflitti di interesse che possono insorgere, vista la vasta gamma di attività svolte dal Gruppo Bancario Intesa Sanpaolo, incidano negativamente sugli interessi della clientela.

In particolare, l’esplicitazione degli interessi e le misure poste in essere per la gestione dei conflitti di interesse – facendo riferimento a quanto prescritto dagli articoli 5 e 6 del Regolamento Delegato (UE) 2016/958 della Commissione, del 9 marzo 2016, che integra il Regolamento (UE) n. 596/2014 del Parlamento europeo e del Consiglio per quanto riguarda le norme tecniche di regolamentazione sulle disposizioni tecniche per la corretta presentazione delle raccomandazioni in materia di investimenti o altre informazioni che raccomandano o consigliano una strategia di investimento e per la comunicazione di interessi particolari o la segnalazione di conflitti di interesse e successive modifiche ed integrazioni, dal FINRA Rule 2241, così come dal FCA Conduct of Business Sourcebook regole COBS 12.4 – tra il Gruppo Bancario Intesa Sanpaolo e gli Emittenti di strumenti finanziari, e le loro società del gruppo, nelle raccomandazioni prodotte dagli analisti di Intesa Sanpaolo S.p.A. sono disponibili nelle “Regole per Studi e Ricerche” e nell’estratto del “Modello aziendale per la gestione delle informazioni privilegiate e dei conflitti di interesse”, pubblicato sul sito internet di Intesa Sanpaolo S.p.A all’indirizzo https://group.intesasanpaolo.com/it/research/RegulatoryDisclosures. Tale documentazione è disponibile per il destinatario dello studio anche previa richiesta scritta al Servizio Conflitti di interesse, Informazioni privilegiate ed altri presidi di Intesa Sanpaolo S.p.A., Via Hoepli, 10 – 20121 Milano – Italia.

Inoltre, in conformità con i suddetti regolamenti, le disclosure sugli interessi e sui conflitti di interesse del Gruppo Bancario Intesa Sanpaolo sono disponibili all’indirizzo https://group.intesasanpaolo.com/it/research/RegulatoryDisclosures/archivio-dei-conflitti-di-interesse ed aggiornate almeno al giorno prima della data di pubblicazione del presente studio. Si evidenzia che le disclosure sono disponibili per il destinatario dello studio anche previa richiesta scritta a Intesa Sanpaolo S.p.A. – Macroeconomic Analysis, Via Romagnosi, 5 – 20121 Milano – Italia.

Intesa Sanpaolo Spa agisce come market maker nei mercati all’ingrosso per i titoli di Stato dei principali Paesi europei e ricopre il ruolo di Specialista in Titoli di Stato, o similare, per i titoli emessi dalla Repubblica d’Italia, dalla Repubblica Federale di Germania, dalla Repubblica Ellenica, dal Meccanismo Europeo di Stabilità e dal Fondo Europeo di Stabilità Finanziaria.

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Lo scenario globale dell’industria orafa durante il Covid-19

Lo scenario globale dell’industria orafa durante il Covid-19

una relazione di Sara Giusti

Abstract

Il settore della gioielleria è stato duramente colpito dalla pandemia di Covid19. La domanda mondiale è diminuita drasticamente nel 2020, colpita dalla chiusura dei negozi, dall’arresto dei flussi turistici, dalla diminuzione del potere d’acquisto tra i consumatori globali, dall’aumento dell’incertezza e dai prezzi dell’oro ai massimi livelli. Lo scenario per il 2021 resta molto incerto, a seconda dell’evoluzione della pandemia, con un rimbalzo della domanda che lascerà il mercato della gioielleria ancora ben al di sotto dei livelli del 2019.

Il settore orafo italiano nel 2021

La domanda mondiale di gioielli in oro ha continuato a crescere anche nel 3° trimestre 2021 (+33%) con un rallentamento atteso rispetto alla crescita nei primi due trimestri, che nel 2020 erano invece stati maggiormente colpiti dal calo legato alla crisi. Nei mesi estivi il settore orafo italiano ha confermato la buona dinamica già registrata a inizio anno e complessivamente nei primi nove mesi si è attestato già sopra i livelli pre-COVID sia in termini di fatturato (+13,1%), sia nelle esportazioni in valori (+6,9%) e quantità (+8,0%).

Materie prime: pesano la variante Omicron e le politiche monetarie

L’impatto negativo della variante Omicron e la minaccia di politiche monetarie più restrittive rappresentano ora i principali ostacoli per i mercati delle materie prime e potrebbero innescare più ampie correzioni dei prezzi nel breve termine. Tuttavia, un temporaneo indebolimento dei corsi delle materie prime favorirebbe l’economia mondiale, contribuendo ad accelerare i tassi di crescita, e semplificherebbe il compito delle principali banche centrali, che potrebbero continuare a sostenere la ripresa economica invece di combattere le pressioni inflazionistiche.

Metalli preziosi: preferiamo il palladio all’oro

Nel 2021, le quotazioni dei metalli preziosi hanno registrato una flessione. Manteniamo una view negativa su oro e argento, poiché l’adozione di politiche monetarie più restrittive dovrebbe ridurre la propensione a investire nei due metalli. Per contro, ci attendiamo un parziale recupero di platino e palladio, grazie alla probabile accelerazione della domanda dal settore automobilistico. Pertanto, nell’ambito di un’asset allocation strategica a medio termine, preferiamo il palladio all’oro.

Il settore orafo italiano nel 2021

Ha continuato anche nel 3° trimestre 2021 la ripresa della domanda mondiale di gioielli in oro (+33%), anche se in rallentamento rispetto ai primi due trimestri (+54% nel 1° trimestre e +62% nel 2° trimestre) e con un divario rispetto al periodo pre-crisi del -14%. Il settore orafo italiano ha confermato una buona dinamica che lo ha portato a superare i valori dei primi nove mesi del 2019 sia in termini di fatturato (+13,1%), sia nelle esportazioni in valori (+6,9%) e in quantità (+8,0%).

Nel 3° trimestre 2021 la domanda mondiale di gioielli in oro ha mostrato un rimbalzo significativo rispetto al 2020 (+33% in quantità), anche se in naturale rallentamento rispetto a quanto registrato nei primi due trimestri (+54% nel 1° trimestre e +62% nel 2° trimestre), che nel 2020 erano stati maggiormente segnati dalla crisi (Fig. 1); complessivamente nei primi nove mesi del 2021 la domanda mondiale ha segnato ancora un ritardo rispetto al 2019 del -14%. Grazie al forte rimbalzo dei primi tre mesi (+216%) è la Cina il mercato che ha presentato la crescita nel 2021 più marcata (+84%), seguita da India (+45%) e Medio Oriente (+43%), che sono tra i mercati con la crescita più elevata nel 3° trimestre insieme a Hong Kong (Fig. 2). Nel confronto con il periodo pre-crisi sono Cina e Stati Uniti i mercati più rilevanti che hanno già superato i livelli del 2019, rispettivamente del +4,1% e del 17,1%.

Figura 1 – Domanda mondiale di gioielli in oro (livelli in tonnellate e variazione % trimestrale)
Fonte: World Gold Council – Gold Demand Trend

Figura 2 – Domanda di gioielli in oro nei primi nove mesi 2021 (variazione % su dati in tonnellate)
Nota: (*) Al netto della Russia. I paesi sono esposti in ordine decrescente per valore della domanda nel 2021. Fonte: World Gold Council – Gold Demand Trend

Le esportazioni italiane di gioielli in oro hanno registrato, invece, nei primi nove mesi del 2021 una piena ripresa dei valori pre-COVID, sia in valori (+6,9%), sia in quantità (+8,0%), con un forte rimbalzo nel 2° trimestre (+251% in valori; +273% in quantità), confermato anche nel 3° trimestre con tassi di crescita pari a circa il 60% (Figg. 3-4).

Figura 3 – Evoluzione trimestrale delle esportazioni italiane di gioielli in oro* (var. %)
Nota: (*) Codice 711319. Fonte: elaborazioni Intesa Sanpaolo su dati Istat

Figura 4 – Andamento delle esportazioni italiane di gioielli in oro* rispetto al 2019 (var. %)
Nota: (*) Codice 711319. Fonte: elaborazioni Intesa Sanpaolo su dati Istat

Dal punto di vista dei principali mercati di sbocco, gli Stati Uniti hanno confermato il ruolo di primo mercato di riferimento delle esportazioni italiane di gioielli in oro grazie a valori pressoché raddoppiati rispetto ai primi nove mesi del 2020 (+98%) e al superamento dei dati pre-COVID sia in valori (+66,3%), sia in quantità (+44,5%). È continuato, inoltre, il significativo trend di crescita verso gli Emirati Arabi (+141,1% in valori; +151,0% in quantità), che hanno recuperato gli importi dei primi nove mesi del 2019 (+8,8%), mentre hanno segnato ancora un divario in termini di quantità (-12,8%). Un’attenzione particolare va agli scambi con l’Irlanda, effetto delle policy degli operatori stranieri già presenti nel 2020 che hanno confermato l’utilizzo del mercato irlandese come base fiscale e logistica per servire altri mercati, tra cui, con ogni probabilità, il Regno Unito (dove nel periodo gennaio-settembre si è registrato un crollo dei valori esportati dall’Italia, -35,8%). Le esportazioni verso la Svizzera, nonostante il significativo rimbalzo (+42,1% in valori, +48,9% in quantità), hanno mostrato un ritardo rispetto ai primi nove mesi del 2019 superiore al -35%, probabilmente anche in questo caso legato alle politiche distributive delle grandi maison del Lusso, per le quali la Svizzera rappresenta un polo logistico di riferimento. Particolarmente rilevante, inoltre, la crescita registrata dalle vendite verso il Sud Africa, che sono più che raddoppiate rispetto al 2020, quando erano comunque cresciute nonostante la crisi legata alla pandemia (Tab. 1).

Dal punto di vista territoriale, sono state confermate le evidenze già registrate nei primi due trimestri con un maggior dinamismo nelle province di Vicenza e Arezzo, che complessivamente hanno segnato un rimbalzo rispetto al 2020 del +70% per Vicenza e del +92% per Arezzo, mentre la crescita nel distretto di Valenza si è attestata al +27%. Queste dinamiche si sono tradotte in un pieno recupero rispetto al pre-crisi per i distretti di Vicenza e Arezzo, che hanno mostrato un incremento rispetto al 2019 del +17%, mentre per Valenza si sconta ancora un ritardo del -36%, probabilmente influenzato più che per gli altri due distretti dalle policy di prezzo delle multinazionali (il dato a livello territoriale è disponibile solo in valore e non in quantità) (Figg. 5-6).

Figura 5 – Evoluzione delle esportazioni di gioielleria e bigiotteria* (var. % con il corrispondente periodo dell’anno precedente a prezzi correnti)
Nota: (*) Codice ATECO 3.21. Fonte: elaborazioni Intesa Sanpaolo su dati Istat

Figura 6 – Evoluzione delle esportazioni di gioielleria e bigiotteria* a confronto con il periodo pre-COVID (var. % a prezzi correnti)
Nota: (*) Codice ATECO 3.21. Fonte: elaborazioni Intesa Sanpaolo su dati Istat

Nel periodo gennaio-settembre 2021 le esportazioni del distretto orafo di Vicenza sono state pari a 1,2 miliardi di euro con una crescita di oltre 480 milioni di euro rispetto al corrispondente periodo del 2020 (+69,9%) e in crescita anche rispetto al 2019 (+16,7%). Le esportazioni sono state sostenute soprattutto dai buoni risultati delle vendite verso gli Stati Uniti, che sono più che raddoppiate rispetto al 2020 (+113%) con un importante incremento anche rispetto al pre-crisi (+79,9%), oltre che da una significativa crescita verso il Sud Africa (+82,4% rispetto al 2020 e +74,6% verso il 2019); si è rafforzato inoltre il trend di crescita delle esportazioni verso la Malesia, già importante nel 2020 (+94,4%), che nei primi nove mesi del 2021 rappresenta il sesto mercato di riferimento rispetto al decimo nel 2020. Ritornano sopra i livelli del 2019 anche le esportazioni verso gli Emirati Arabi Uniti (+6,2%), mentre non recupera il divario l’export verso Hong Kong (-52,1%) (Tab. 2).

Anche il distretto di Arezzo ha recuperato il valore delle esportazioni del pre-COVID e con 1,8 miliardi di euro ha incrementato di circa 880 milioni di euro il valore rispetto ai primi nove mesi del 2020 (+92,4%) e di 270 milioni di euro il valore del 2019 (+17,3%). Trainante la crescita delle esportazioni verso gli Stati Uniti, che sono più che raddoppiate rispetto al 2020 (+129,5%) e nettamente superiori al 2019 (+87,8%), e verso il Sud Africa, che ha incrementato di oltre 80 milioni di euro il valore del 2019 ed è arrivato a rappresentare il 5,1% delle esportazioni distrettuali. Da segnalare, inoltre, il completo recupero anche delle esportazioni verso gli Emirati Arabi Uniti (+15,3%), che rappresentano il primo mercato di riferimento, oltre alla ripresa verso la Francia (+15,2%) e la Turchia (+30,9%), mentre hanno continuato a registrare un divario negativo rispetto al 2019 le esportazioni verso Hong Kong (-37,1%) (Tab. 3).

Il distretto orafo di Valenza Po invece ha mostrato ancora un divario rispetto al 2019 (-36,2%) e con un valore di oltre un miliardo di euro di esportazioni ha segnato una crescita di 222 milioni di euro rispetto al 2020 (+27,3%). Nell’analisi dei paesi di destinazione si può notare come il distretto risulti condizionato dalle scelte logistiche di alcuni importanti operatori, visibili dal forte incremento registrato dalle vendite verso l’Irlanda, che a partire dal 2020 è diventato il primo mercato di sbocco, mentre nel 2019 rappresentava poco più del 4% delle esportazioni. Penalizzate invece le esportazioni verso la Francia, in calo sia verso il 2020 (-34,7%) sia verso il 2019 (-73%), e verso la Svizzera (-23,4% verso il 2020 e -83,2% verso il 2019) (Tab. 4).

Gli indici di produzione e fatturato hanno confermato i segnali di recupero: nella media dei primi nove mesi del 2021 la produzione industriale e il fatturato del settore sono cresciuti circa del 65% rispetto al 2020, ma anche nel confronto con la media del 2019 hanno registrato un incremento del 13,1% per il fatturato e dell’8,5% nella produzione (Fig. 7). Anche le ultime evidenze del mese di ottobre confermano questa tendenza, con indici in crescita del 15% rispetto al 2019 sia per fatturato sia per produzione.

Le prospettive dell’economia mondiale sono attualmente molto incerte, condizionate dalla persistenza delle strozzature di offerta, ma le attese della crescita reale si confermano robuste anche nel 2022. Il settore italiano della gioielleria ha mostrato una buona capacità di risposta alla crisi, potendo contare su un buon presidio dei mercati internazionali, con un’attenzione crescente verso la digitalizzazione, le politiche di marchio e la sostenibilità, rafforzate dalla qualità e dalla bellezza dei gioielli Made in Italy.


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The importance of grain size in jewelry alloys and its control

The importance of grain size in jewelry alloys and its control

a speech by Chris Corti

Abstract

Control of grain (crystal) size in jewellery manufacture is important for several reasons. It affects the properties of the alloys – mechanical, chemical and physical. These, in turn, influence the manufacturing process and the jewellery’s behaviour during wear by the customer.
There are a number of ways grain size (and shape) can be controlled in precious metal jewellery alloys – by casting, working and annealing and by use of alloying additives that refine the grain size during casting and during working and annealing. These are reviewed and discussed in terms of their mechanisms, ease of use and their effectiveness. Some of the problems that can arise from lack of control will also be discussed. The focus of the presentation will be on gold alloys but all precious metals are considered.

Introduction

Anyone involved in the making of jewellery should have an appreciation of the nature of the metals and alloys with which they work and understand how alloying and processing of the metals influences the microstructure and consequently their properties. For jewellery, we focus on the alloys of the precious metals – gold, silver, platinum and palladium, all four of which are inherently ductile metals – but what I say is of general validity and applies to most metals. 

Two fundamental points to understand are that1:

  • Alloy composition, microstructure and processing history are interrelated, Figure 1, and jointly influence an alloy’s properties, be they chemical (e.g. corrosion and tarnish resistance), physical (e.g. density, colour) or mechanical (e.g. strength, malleability, hardness). These, in turn, influence manufacturability and service performance.
  • Most metals and alloys are composed of many crystals, or grains as we metallurgists call them; thus, most alloys are polycrystalline. There are some rare exceptions such as single crystal aero turbine blades and amorphous or glassy metals. 

In this presentation, I want to focus on alloy macro- and micro-structures, particularly grain size and shape. How we can influence them by casting, alloying and by mechanical working and annealing? Why are they important?

Figure 1 – Interrelationship of alloy composition, microstructure and processing history on properties (schematic)

Importance of grain size to jewelry

As jewellers attending this Jewellery Technology Forum will know, metallurgists pay some attention to the crystal, or grain, size in their alloys. We talk about ‘large (or coarse) grains’ or small (or fine) grain sizes and generally state the desirability of the latter in terms of jewellery production. The terms ‘large’ and ‘small’ are, of course, relative. But for practical purposes, ‘Large’ will usually mean grains of the order of millimetres or larger and ‘small’ will refer to grain sizes of the order of tenths or hundredths of a millimetre (1 – 100 microns). You may also hear of grain sizes referred to in terms of an ASTM numerical value. This is a comparative method of measuring grain size. The higher the number, the smaller is the grain size.

Why is control of grain size (and shape) important? Well, it is down to the relation between the grains (crystals) and the grain boundaries – the region at the junction of adjacent grains – and their relative influence on mechanical deformation processes. Grain boundaries are where the atoms sitting on the crystal lattices of adjacent grains do not match across together, creating a narrow region of imperfect crystal, Figure 2. Often, these can be a preferred site for deleterious impurities and second phases, leading to embrittlement. At low or ambient temperatures, the deformation process under an imposed load is governed mainly by the dislocation slip mechanism within each grain (dislocations are linear crystal defects responsible for deformation on crystal slip planes). Without going into deep explanations, the outcome is that alloys with finer grains are stronger than those with large grains, and this effect is expressed by the Hall-Petch relationship in which yield strength, σy.s., is inversely related to the grain size squared:

σy.s. = m/d2 

where d is the average grain  diameter and m is a constant. The yield strength of a material (known also as the Elastic Limit or  proof stress) is the stress required to start plastic deformation and is smaller than the ultimate tensile strength (‘UTS’).

Thus, the jewellery is stronger and harder if it is fine-grained and, beneficially, it is also more ductile and less prone to cracking, impurity embrittlement and the ‘orange peel’ surface after deformation. As jewellery is generally only subject to relatively simple stresses (loads) at ambient temperatures, whether in a production environment or in service, a fine grain size is therefore desirable. This is generally true for other non-precious engineering components such as sheet steel for car bodies and white goods.

Figure 2 – Schematic of a grain boundary, showing the mismatch of crystal structure at the boundary

On the other hand, engineering components can be subjected to often-complex stresses over long periods at high temperatures; for example, turbine blades and disks in jet engines and boiler tubes in utility power stations.  At these high temperatures, the main deformation mechanisms are phenomena such as creep and fatigue. Creep is the slow deformation under a steady low stress or load and fatigue is the mechanical failure under an alternating load. The lead sealing on a tiled church roof is actually at a hot working temperature and so slowly creeps under its own weight.  Under such conditions, the grain boundaries are weaker and grains can slide over each other; hence, a large grain size is preferred as there is relatively less grain boundary area. In the ultimate, such as gas turbine blades, we prefer to eliminate grain boundaries, so we find use of directionally solidified alloys and even single crystal alloys for optimum creep and fatigue strength. An extreme of fine grain sizes is a phenomenon known as superplastic deformation, whereby alloys with stable, fine grain sizes can be gently deformed at temperature under low stresses to very large deformations, just like Swiss cheese fondue.  Several titanium aircraft components of complex shape are manufactured by this technique including the very large fan blades on Rolls Royce jet engines. Interestingly, fine-grained sterling silver can be superplastically deformed under the right conditions2 and I would expect some other precious metal alloys also to do likewise. But to date, that ability has not been developed or commercially exploited in our industry.

Examination of microstructure: metallography

As many of you will also know, we can examine the microstructure and measure the grain size of a piece of jewellery metal; due to the scale of this, it is often performed under an optical microscope. The process of examining grain size and general microstructure is called ‘metallography’. Figure 3 shows the microstructure of both as-cast and cold worked and recrystallized gold alloys. There are obvious differences in appearance and these will be explained later.

Figure 3 – Microstructure of typical karat gold alloys (a) as cast, (b) worked and annealed

Normally, if we wish to examine the macrostructure or microstructures of an alloy, we need a flat polished surface as optical microscopes have a limited depth of focus. In order to expose the features such as grain boundaries and second phases, we often need to etch the surface with a corrosive liquid such as acid. As grain boundaries are less perfect than the crystals, they etch preferentially to reveal themselves. As different crystals are oriented in different directions relative to the plane of the surface, they also etch at different rates and so appear of different contrast or colour to the eye. Where more than one phase is present, these also etch differently and usually show themselves as different colours or shades of darkness.

If we need greater magnification than we can get in an optical microscope to see the features of interest or we have an uneven surface such as a fracture, then we use a scanning electron microscope. Here flatness of the surface is not such an issue as in optical light microscopy and we can often see different phases by atomic number contrast, without the need for etching (see figure 22 in reference 3, for example)3,4. The heavier elements appear whiter under the SEM and the lighter ones darker, so giving rise to differences in contrast with varying alloy phase composition.

Casting

Melting and casting is a process for producing alloys of the desired composition and also for specific shapes. These can be either net shapes, as in investment (lost wax) casting, or stock materials, i.e. ingots, that can be further processed to modify the shape, structure and properties. Casting involves melting and the solidification of molten metal. Subsequent mechanical processing of ingot materials enables us to break down coarse, non-uniform structures to more desirable refined structures better suited to the purposes that we require in manufacture and in subsequent service and generally have improved, more consistent properties.

The structure of cast alloys depends on the rate at which we cool and solidify the metal which, in turn, depends on the size of the casting and the thermal conductivity of the mould material. Thus, the structure of large ingots will differ from that of small investment castings. We will explore the influence of casting conditions shortly.

Influence of solidification on grain size and shape

As has been mentioned before5,6, pure metals solidify at a fixed temperature; for example gold solidifies at 1064°C and silver at 962°C. Most alloys*, on the other hand, solidify over a temperature range: the liquidus temperature is the temperature above which the alloy is completely molten and is the temperature at which solidification starts on cooling; the solidus is the temperature at which solidification is completed and thus below this temperature the alloy is completely solid. Between the liquidus and solidus, alloys comprise some liquid and some solid, often known as the ‘mushy’ or pasty state. The characteristics of solidification and the resulting structure are influenced by the temperature gap between the liquidus and solidus and the overall phase diagram for the alloy system.

[*There are a few exceptions, such as eutectic alloys which also solidify at a fixed temperature like the pure metals]

To understand the process of solidification, it helps to understand the atomic structure of liquids and how atoms coalesce to form solid material. The liquid state comprises mobile atoms in a dynamic, unstructured state. Some atoms will come together briefly to form a small cluster but these quickly break up.

As we cool a liquid (molten metal in our case), small clusters of atoms come together and stay together to form a nucleus. The formation of nuclei tends to occur at preferred sites such as a mould wall or at impurity particles/inclusions but can occur   randomly in the melt.  As the temperature falls, more atoms join the small stable clusters of atoms that comprise the nuclei in a structured way that is the crystal lattice of that metal or alloy. For our precious metals, that will be in the face-centred cubic arrangement discussed in another presentation1. These are the embryonic crystals  (crystallites) that will make up our alloy. A fast cooling rate during solidification will lead to more nuclei forming and consequently, because each nuclei develops into a crystal or grain, a fine grain size results. A slow cooling rate leads to less nuclei forming and a resultant larger grain size. We should note that nucleation at inclusion particles is how insoluble grain refiners like iridium and ruthenium work in gold alloys, for example, by promoting nucleation.

These nuclei grow by adding more atoms from the liquid. They do so in preferred crystal directions, extending from the cube faces and branching out as the crystal grows. This results in a tree-like structure that we call a dendrite. All the nuclei grow into dendrites, each of which will have an orientation dependent on the orientation of the original nucleus. Each dendrite continues to grow until it collides with an adjacent dendrite. The interface between them forms a boundary. This we call the crystal boundary, or more usually, a grain boundary. Here, the atoms on each lattice do not fit together cleanly, so creating a thin region of imperfect crystal, as we have discussed earlier. Figure 4 shows some dendrites in a platinum alloy7. We can clearly see several dendrites, each pointing in different directions. We often see such dendrites in shrinkage cavities in investment casting. Provided there is feeding of more liquid metal, the spaces between dendrites eventually fill up to give solid metal. If there is restricted feed, then shrinkage cavities (porosity) will result.

Figure 4 – SEM image of dendrites in Pt-Ru alloy, seen in a shrinkage cavity  (from reference 7)

If we examine an etched metallographic section of a cast metal under the microscope, such as shown in Figure 3, we can clearly see the dendritic structure. We also note that the dendrite centre etches up differently to the outer zone; this is due to chemical segregation, whereby the metal that solidifies first has a different chemical composition from that which solidifies last. This is known as ‘coring’. Why that is so, we can readily explain from the phase diagram6.

When we pour molten metal into a mould, it begins to solidify inwards from the mould walls as this is the coldest temperature. If a cold metal (e.g. iron) mould is used, as is usual for ingot casting, the rate of heat removal is rapid. Initially, a thin layer of fine grains is formed – the chill layer –  because of the high rate of nucleation. Then long finger-like grains – called columnar grains – begin to grow inwards from the chill layer towards the centre of the ingot, Figure 5.

Figure 5 – Solidification proceeds inwards from the colder mould walls

Figure 6 – Grain structure of ingots cast into metal moulds at a relatively high pouring temperature

If the metal casting temperature is relatively high, this columnar growth will extend into the centre of the ingot, Figure 6. This is not a good structure if you are going to roll the ingot to plate or sheet, as it may split down the middle (known as alligatoring, Figure 7), as this is also where impurities will tend to concentrate as it is the last metal to solidify.

Figure 7 – Splitting of gold alloy ingot down the centre during rolling (‘alligatoring’)

Figure 8 – Grain structure of ingots cast into metal moulds at a relatively low pouring temperature

When a ceramic (plaster) muold is used, as in investment (lost wax) casting, the cooling rate is markedly slower and equiaxed grains are formed throughout the casting. This is a preferred microstructure. Temperature of melt and mould can play a role in determining the as-cast grain size. The higher the temperature, the coarser the grain size.

Refining cast microstructures by working to improve grain size

As we have seen, cast microstructures may not be optimum for manufacturing or service. Chemical segregation (‘coring’) and coarse structures can lead to poor mechanical and corrosion properties. So working of ingot material serves two purposes: (a) to change the physical shape to that desired (sheet, wire, etc) and (b) to refine the structure. This may involve breaking down coarse grain structures, reducing segregation and refining coarse second phases to smaller, more uniformly distributed ones.

Much of this is best achieved by hot working the material, by hot forging or rolling, extrusion and/or drawing or combinations of methods. This will refine the structure but leave it more or less in a soft annealed condition. In hot working, as the metal deforms, it is at a high enough temperature for it to recrystallize (anneal) during the deformation.

If we wish to impart additional hardness and improved strength as well as a more accurate shape and superior surface, then we cold work the material, usually at ambient temperature. Here the temperature is insufficient to promote annealing.

If we overwork a material, it can crack or fracture, so we need to anneal the hard worked material from time to time to restore the soft, ductile condition and enable further working. Annealing involves a process of recrystallization, where the hard deformed grains reform themselves into new undeformed grains by a nucleation and growth process analogous to solidification.

Cold working and annealing: influence on microstructure & grain size

Cold working of metals results in an overall shape change. This is reflected by a change in the microstructure, where the grains must deform to accommodate the change in shape. This is shown schematically in Figure 9 for reduction by rolling. To achieve this, planes of atoms in each grain (crystal) must slide over each other, Figure 10, via crystal defects called dislocations. Such sliding occurs over several crystal planes in a complex way.

Figure 9 – The effect of cold working on the microstructure of single phase alloys

Figure 10 – Simplified sketch of slip in a crystal lattice

We also see this deformation in the overall macrostructure: Figure 11 shows one-half of the cross-section of a washer in the process of being upset into a wedding band; the heterogeneity of deformation is evident in its fibrous appearance. Most cold-working processes result in uneven deformation through the cross-section. In rolling or extrusion, for example, most deformation occurs at the surface, especially if only small reductions per pass are imposed. Uneven deformation can give rise to initiation of cracking from the surface, as Battaini has explained8. Such non-uniform deformation can also have repercussions on the grain structure on subsequent annealing when the process of recrystallization takes place. Recrystallization results in new undeformed grains replacing the old deformed grains.  The fibrous cold-worked structure is replaced by recrystallized new grains, as can be seen in Figure 12.

Figure 11 – Macrostructure of cross-section of a nickel white gold washer after partial upsetting  towards making a wedding band (from reference 8)

Figure 12 – Recrystallized grains breaking up the fibrous cold-worked structure of washer in Figure 11 (from reference 8)

The resulting grain size after annealing depends on the amount of cold work, the annealing temperature and time. The more cold work, the finer is the recrystallised grain size. Annealing of material only cold-worked a small amount can result in large grains, which is undesirable (there is a critical minimum amount of cold-work necessary to initiate recrystallization, typically about 12-15% reduction). That is why annealing is often recommended only after substantial cold work, e.g. 60% reduction in thickness. The annealing temperature and time also play a part. Figure 13 shows a matrix of temperature and time of annealing for a 2N pale yellow 18 carat gold (cold-worked 70% reduction by rolling) and their effect on resulting annealed grain size (9). The variation in annealed grain size due to uneven amounts of deformation can be seen in Figure 14 which shows part of a cross-section of a ‘C’ shaped wire in an annealed 18 carat nickel white gold. The inside of the flange has a finer grain size and the outer regions have a coarser size, reflecting the uneven amount of deformation during rolling8. This may not be important in some instances, but it can be in others. Orange peel surfaces and cracking may result on further working, for example, where large grains are at the surface regions, as discussed earlier.

Figure 13 – Effect of temperature (horizontal axis) and time (vertical axis) on recrystallized grain size of a 2N 18 carat yellow gold (from reference 9)

Figure 15 shows schematically the effect of annealing temperature on hardness/strength , ductility and recrystallised grain size. An important point to note is that if the annealing temperature is too high, then grain growth can occur and very large grains can result. This is undesirable and can lead to the ‘orange peel’ rumpled surface and cracking on further working, as noted earlier. This can be a problem for craftsmen during gas torch annealing as there is less control of temperature during annealing and a tendency to overheat the piece.  14 carat coloured golds are especially prone to excessive grain growth during annealing, as Grimwade has noted10.

Figure 14 – Grain size variation in annealed cross-section of ‘C’ shaped cold rolled wire in 18 karat nickel white gold (from reference 8)

Figure 15 – Schematic: Annealing behaviour of cold-worked alloys as a function of annealing temperature. Note region of grain growth at high annealing temperatures

Two-phase alloys: Where an alloy consists of two (or more) phases, there is an effect on grain size after working and annealing. Working the alloy leads to a higher level of dislocations (crystal defects) in the matrix phase due to the presence of a hard second phase and this leads, in turn to a finer grain size after recrystallisation during annealing. Sterling silver is an example of a two-phase alloy. 

Where the second phase is very fine, i.e. very small in diameter, and evenly distributed within the matrix phase, such as in age hardened alloys or micro-alloys, the second phase may inhibit recrystallisation  as the fine particles of second phase can pin grain boundaries and so higher annealing temperatures may be necessary. In such alloys, a larger or more uneven grain size may result.

Alloying additions to refine grain size: grain refiners

Very small additions of grain refiners, typically at levels of about 0.1% or less, are often added to carat golds as fine powders to promote a fine grain size in the alloy. They include iridium, ruthenium and cobalt. Iridium and ruthenium are effective in casting, where they promote nucleation of crystals during solidification, and cobalt is effective during annealing of cold worked materials, where it promotes nucleation of grains during recrystallization. Iridium and ruthenium are insoluble in molten carat golds, so act as nucleation sites. Figure 16 shows the fine grain structure of an annealed 18 carat gold with iridium additions, compared to that without iridium. If too much is added or it is not well dispersed, one can get nests of hard particles at the surface that give rise to ‘comet tailing’ defects on polishing11. Note that grain refiners are not effective in silicon-containing carat gold alloys.

Figure 16 – Grain refining effect by iridium additions to an 18 ct gold. Left: with Ir, Right: without Ir (from reference 12)

The amount of cobalt that can be added is also sensitive to copper content of the alloy, as Ott has shown12. Its effect in grain refining a 14K gold is shown in Figure 17.

Other metals have also been shown to act as a grain refiner in gold alloys, such as boron, beryllium, yttrium and the rare earth metals, rhenium, rhodium, nickel, barium and zirconium13-16. In a more recent patent, a combination of iridium, rhodium and ruthenium added as a copper-master alloy is claimed to be effective17.

Figure 17 – Grain refining by cobalt in a 14ct gold. Left: with Co, Right: without Co (from reference 12)

Conclusion

In this presentation, it is concluded that, for jewellery manufacture, it is desirable to have a fine (small) grain size. It optimises strength and ductility and other properties such as corrosion resistance. Coarse grain sizes lead to ‘orange peel’ surfaces on subsequent deformation and enhance the tendency to crack as well as reducing strength, hardness and ductility. The yield strength is inversely proportional to the square of the grain size.

The influence of casting conditions on as-cast grain size and shape has been discussed in terms of nucleation of crystallites in the melt and solidification patterns. Melt temperature and mould material play an important role.

The influence of cold working on the as-cast macrostructure and the recrystallisation process during annealing has also been examined in terms of the resulting recrystallised grain size. Annealing temperature is an important factor to obtain a fine grain size. Too high a temperature can result in excessive grain growth, which is undesirable.

The use of grain refiners, such as iridium and cobalt  in carat golds, to obtain a finer grain size has also been demonstrated. The mechanism is enhanced nucleation of crystallites during solidification or  recrystallisation.

Acknowledgements

I would like to thank the organisers of the Jewellery Technology forum for inviting me to present once again and for their kind hospitality. I also thank many friends in the industry for allowing use of their figures and data. Many are courtesy of Mark Grimwade.

References

  1. Christopher W. Corti, “Basic Metallurgy of the Precious Metals – Part 1”, in The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology 2017, ed Eddie Bell et al (Albuquerque: Met-Chem Research, 2017: 25-61. Also 2007: 77-108
  2. R.W.E. Rushforth, unpublished work, Johnson Matthey plc, 1978
  3. Stewart Grice, “Know your defects: The Benefits of understanding Jewelry Manufacturing Problems”, in The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology 2007, ed Eddie Bell (Albuquerque: Met-Chem Research, 2007: 173-212
  4. Greg Normandeau, “Applications of the Scanning Electron Microscope for Jewelry Manufacturing”, in The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology 2004, ed Eddie Bell (Albuquerque: Met-Chem Research, 2004: 345-388
  5. Mark Grimwade, “The Nature of Metals and Alloys” in The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology 2001, ed Eddie Bell (Albuquerque: Met-Chem Research, 2001), 151-179.
  6. Mark Grimwade, “A Plaim Man’s Guide to Alloy Phase Diagrams: Their Use in Jewellery Manufacture – Part 1”, Gold Technology no 29, Summer 2000, 2-15. The author (Corti) can supply a pdf file of this on request
  7. John McCloskey, “Microsegregation in Pt-Co and Pt-Ru Jewelry alloys”, in The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology 2006, ed Eddie Bell (Albuquerque: Met-Chem Research, 2006: 363-376
  8. Paulo Battaini, “Metallography in Jewlry Fabrication: How to avoid problems and improve Quality”, in The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology 2007, ed Eddie Bell (Albuquerque: Met-Chem Research, 2007: 31-66
  9. Christian P.Susz, “Recrystallization in 18 carat gold alloys”, Aurum no 2, 1980, 11-14 The author (Corti) can supply a pdf file of this on request
  10. Mark Grimwade, Introduction to Precious Metals, Brynmorgan press, Maine, USA, 2009; ISBN978-1-929565-30-6
  11. Valerio Faccenda and Michele Condó, “Is ‘Pure’ Gold really Pure?”, in The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology 2004, ed Eddie Bell (Albuquerque: Met-Chem Research, 2004), 135-150
  12. Dieter Ott, “Influence of Small Additions and Impurities on Gold and Jewelry Gold alloys”, in The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology 1997, ed Dave Schneller (Albuquerque: Met-Chem Research, 1997), 173-196; Also: ibid, Gold Technology, No 22, 1997, p31-38 and “Optimising Gold Alloys for the Manufacturing Process”, Gold Technology, No 34, 2002, 37-44
  13. W S Rapson & T Groenewald, Gold Usage, Academic Press, London, 1978. ISBN 0-12-581250-7
  14. W Truthe, US Patent 2,143,217, January 1939 (assigned to Degussa)
  15. P Johns, UK Patent 2434376A, July 2007
  16. C Raub & D Ott, German patent DE2803949A1, August 1979
  17. M Poliero & A Basso, US Patent 2015/03544029A1, December 2015

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Importanza del grano cristallino e del suo controllo nella gioielleria

Importanza del grano cristallino e del suo controllo nella gioielleria

una relazione di Chris Corti

Abstract

Il controllo delle dimensioni dei grani cristallini (o cristalliti) nella produzione gioielliera è importante per diversi motivi. Da esso dipendono le proprietà meccaniche, chimiche e fisiche delle leghe, che a loro volta influenzano il processo di produzione e le prestazioni d’uso del gioiello quando sarà indossato dal cliente.
Esistono vari modi per controllare le dimensioni (e la forma) dei grani nelle leghe di metalli preziosi: attraverso la fusione, i processi di lavorazione e la ricottura, nonché con l’uso di additivi alliganti che affinano le dimensioni dei grani durante i trattamenti e la ricottura. Questo documento illustra ed esamina i metodi disponibili, descrivendone i principi, l’usabilità e l’efficacia. Verranno descritti anche alcuni dei problemi dovuti al mancato controllo dimensionale dei grani. La presentazione si concentrerà in particolar modo sulle leghe d’oro, ma senza trascurare gli altri metalli preziosi.

Introduzione

Chiunque abbia a che fare con la realizzazione di gioielli deve conoscere la natura dei metalli e delle leghe impiegati nel settore, e capire come l’alligazione e le lavorazioni dei metalli influiscano sulla microstruttura e, di conseguenza, sulle proprietà di questi materiali. Per il comparto gioielleria, tratteremo in particolare le leghe di metalli preziosi (oro, argento, platino e palladio, tutti metalli estremamente duttili), ma ciò che dirò vale in generale per la maggior parte dei metalli.

Due principali concetti da tenere a mente sono1:

  • La composizione, la microstruttura e i procedimenti di lavorazione delle leghe sono interdipendenti (Figura 1) e, insieme, determinano le proprietà di una lega, siano esse chimiche (per esempio la corrosione e la resistenza all’annerimento), fisiche (densità e colore) o meccaniche (resistenza, malleabilità, durezza). Queste, a loro volta, influenzano la producibilità e le prestazioni d’uso.
  • La maggior parte di metalli e leghe è composta da cristalliti, o grani cristallini, come li chiamiamo noi metallurgisti; pertanto, quasi tutte le leghe sono policristalline. Esistono rare eccezioni di monocristalli, come le leghe impiegate nella fabbricazione di turbine per motori d’aereo, oppure i metalli amorfi (detti anche vetrosi). 

In questa presentazione, voglio concentrarmi sulle macro- e microstrutture delle leghe, in particolare sulle dimensioni e la forma dei grani. Come possiamo modificarle nei processi di fusione e alligazione, nelle lavorazioni meccaniche e nella ricottura? Perché sono importanti?

Figura 1 – Rappresentazione schematica dell’interrelazione fra composizione, microstruttura e procedimenti di lavorazione delle leghe, che ne determina le proprietà

Importanza delle dimensioni dei grani cristallini in gioielleria

Come ben sanno i gioiellieri presenti a questo Jewellery Technology Forum, i metallurgisti sono attenti alle dimensioni dei cristalliti, o grani cristallini, nelle loro leghe. Parliamo di “grani grossi” e “grani fini” e, in generale, diciamo di privilegiare questi ultimi per la produzione dei gioielli. I termini “grossi” e “fini” sono naturalmente relativi. Ai fini pratici, diciamo che “grosso” identifica i grani con dimensioni nell’ordine dei millimetri e “fine” i grani con dimensioni nell’ordine di decimi o centesimi di millimetro (1-100 micron). Le dimensioni dei grani possono essere misurate anche con valori numerici ASTM. Si tratta di un metodo comparativo per misurare le dimensioni dei grani. Più alto è il numero, più piccole sono le dimensioni dei grani.

Perché il controllo delle dimensioni dei grani (e della loro forma) è così importante? La risposta sta nella relazione tra i grani cristallini (cristalliti) e il “bordo di grano” – ovvero la linea di confine tra due grani adiacenti – e l’impatto che questi elementi hanno sui processi di deformazione meccanica. I bordi di grano sono le interfacce dove gli atomi del reticolo cristallino, appartenenti a grani adiacenti, non combaciano in modo omogeneo e creano una sorta di “imperfezione cristallina”, come illustrato nella Figura 2. Queste regioni, oltre ad accumulare impurità, sono più soggette a infragilimento. A temperatura ambiente o a temperature inferiori, il processo di deformazione del materiale sottoposto a un carico è governato essenzialmente dal meccanismo di propagazione delle dislocazioni (le dislocazioni sono difetti lineari della struttura cristallina, responsabili della deformazione lungo i piani di scorrimento). Senza entrare troppo nei dettagli, il risultato è che le leghe con grani più fini sono più resistenti di quelle a grani grossi; e questa caratteristica è espressa dalla legge di Hall-Petch, secondo cui la resistenza allo snervamento σs è inversamente proporzionale alla radice quadrata delle dimensioni del grano:

σs = m/d2

dove d è la dimensione media dei grani e m è una costante. La resistenza allo snervamento di un materiale (detta anche limite elastico o carico di snervamento, in inglese proof stress) è la sollecitazione richiesta per avviare una deformazione plastica ed è inferiore al carico di rottura UTS (Ultimate Tensile Strength).

I gioielli, quindi, sono più duri e resistenti se hanno un grano fine e, al tempo stesso, sono anche più duttili e meno soggetti a incrinature, infragilimento causato da impurità e spellamento superficiale dopo una deformazione. Poiché di norma i gioielli sono esposti a tensioni (carichi) relativamente semplici a temperature ambiente, sia in fase di produzione che durante l’uso, è preferibile scegliere materiali a grano fine. Questa regola di massima vale anche per i componenti ingegneristici non preziosi, come le lamiere metalliche per le carrozzerie delle auto e gli elettrodomestici.

Figura 2 – Rappresentazione schematica di un bordo di grano, dove è evidente l’irregolarità della struttura cristallina lungo la linea di interfaccia

Esistono però dei casi in cui i componenti ingegneristici sono soggetti a tensioni anche molto complesse, per lunghi periodi di tempo e ad alte temperature; per esempio le turbine e i dischi nei motori aeronautici e i tubi delle caldaie nelle centrali elettriche. A temperature così elevate, i principali fenomeni di deformazione sono lo scorrimento viscoso (creep) e la fatica. Lo scorrimento viscoso è la lenta deformazione di un materiale sottoposto a uno sforzo di entità non elevata ma costante; la fatica è la progressiva degradazione e rottura di un materiale sottoposto a carichi variabili nel tempo. Le sigillature in piombo nel tetto in tegole di una chiesa sono un esempio di metallo esposto ad alte temperature, che progressivamente si deforma sotto il suo peso. In queste condizioni, i bordi di grano si indeboliscono e possono scorrere l’uno sull’altro; ecco perché in questi casi è meglio avere dei grani più grossi, in modo da ridurre l’area dei bordi. Nelle applicazioni più gravose, come le palette rotanti delle turbine a gas, si preferisce eliminare del tutto i bordi di grano, utilizzando invece leghe solidificate direzionalmente e leghe monocristalline con un’ottima resistenza alla fatica e allo scorrimento viscoso. Una peculiarità di alcune leghe con grani molto fini e stabili è la cosiddetta “superplasticità”, ossia la capacità di deformarsi in modo molto esteso e progressivo, in particolari condizioni di temperatura, se sottoposte a tensioni di bassa entità – un po’ come la fonduta di formaggio svizzera! Diversi componenti in titanio per l’aeronautica, con forme complesse, vengono prodotti con questa tecnica, come per esempio le grandi palette dei motori Rolls Royce per gli aerei. È interessante notare come l’argento sterling a grano fine, in particolari condizioni2, possa subire una deformazione superplastica. Suppongo quindi che anche altre leghe di metalli preziosi abbiano la stessa capacità; ma finora questo aspetto non è stato sviluppato né sfruttato commercialmente nel nostro settore.

Esame della microstruttura: metallografia

Come molti di voi sapranno, siamo in grado di esaminare la microstruttura e misurare le dimensioni dei grani dei metalli utilizzati in gioielleria. Questo normalmente viene fatto con un microscopio ottico. L’esame delle dimensioni dei grani e della microstruttura dei materiali metallici è materia di studio della “metallografia”. La Figura 3 mostra la microstruttura di una lega d’oro in condizioni “as cast” e dopo lavorazione a freddo e ricristallizzazione. L’aspetto dei due campioni è molto diverso; spiegheremo più avanti perché.

Figura 3 – Microstruttura di una lega d’oro (a) in condizioni “as cast” e (b) dopo lavorazione e ricottura

Normalmente, se vogliamo esaminare la macrostruttura o le microstrutture di una lega, dobbiamo prendere una superficie piana e levigata, dato che i microscopi ottici hanno una profondità di fuoco limitata. Per osservare elementi come i bordi di grano e le seconde fasi, spesso è necessario erodere la superficie con un liquido corrosivo, tipo un acido. Poiché i bordi di grano sono meno perfetti dei cristalli, intaccando la superficie si rivelano facilmente. Dato che i cristalli sono orientati in diverse direzioni rispetto al piano della superficie, anche loro vengono erosi in progressione successiva e quindi, rivelandosi, creano dei contrasti o appaiono di colore diverso all’occhio umano. Se è presente più di una fase, anche queste fasi si rivelano in modo diverso con l’erosione e di solito appaiono di colori diversi oppure alcune sono più scure di altre.

Se occorre un maggiore ingrandimento rispetto a ciò che possiamo ottenere con un microscopio ottico, oppure se vogliamo osservare una superficie irregolare come per esempio una frattura, utilizziamo un microscopio elettronico a scansione (SEM). In questo caso poco importa se la superficie non è liscia e piatta come nella microscopia ottica; anzi, possiamo osservare le diverse fasi attraverso un contrasto che rappresenta le differenze nel numero atomico, senza bisogno di intaccare la superficie con un acido (vedi per esempio la Figura 22 nel riferimento bibliografico 3)3,4. Gli elementi più pesanti risultano più bianchi al microscopio elettronico, mentre quelli più leggeri sono più scuri: questo crea dei contrasti che variano in base alla composizione delle fasi delle leghe.

Fusione e colata

Attraverso i processi di fusione e colata si possono produrre leghe della composizione desiderata e con forme specifiche. Può trattarsi di forme ben precise, come nella fusione a cera persa, oppure di semilavorati, come nella colata in pani, che verranno ulteriormente lavorati per modificarne la forma, la struttura e le proprietà. La colata prevede la fusione e poi la solidificazione del metallo fuso. Le successive lavorazioni meccaniche dei pani (o lingotti) ci permettono di rompere le strutture grossolane non uniformi per ottenere strutture più raffinate e quindi più adatte al tipo di produzione che ricerchiamo e alla destinazione d’uso, migliorando fra l’altro anche le proprietà dei materiali.

La struttura delle leghe pressofuse dipende dalla velocità a cui il metallo viene fatto raffreddare e solidificare – la quale, a sua volta, dipende dalle dimensioni dello stampo e dalla conducibilità termica del materiale pressofuso. Per questo, la struttura dei grandi pani è diversa da quella delle piccole fusioni a cera persa. Tra poco vedremo come le condizioni di colata influiscono sui materiali.

Effetti della solidificazione su dimensioni dei grani e forma

Come noto5,6, i metalli puri solidificano a una temperatura fissa: per esempio l’oro solidifica a 1064°C e l’argento a 962°C. La maggior parte delle leghe*, invece, solidifica in un intervallo di temperature: la temperatura del liquidus è la temperatura al di sopra della quale la lega è completamente fusa e al di sotto della quale inizia la solidificazione; il solidus è la temperatura alla quale la solidificazione è completa e quindi, al di sotto di questo valore, la lega è completamente solida. Nei punti intermedi tra liquidus e solidus, la lega ha delle parti liquide e delle parti solide e si trova quindi in uno stato “pastoso”. Le caratteristiche di solidificazione e la struttura che ne deriva sono influenzate dal divario di temperatura tra liquidus e solidus e dalla distribuzione delle fasi.

[*Ci sono alcune eccezioni, come le leghe eutettiche che solidificano a una temperatura fissa come i metalli puri.] 

Per capire il processo di solidificazione, è utile conoscere la struttura atomica e il modo in cui gli atomi si uniscono per formare il materiale solido. Nello stato liquido, gli atomi si muovono in uno schema dinamico e non strutturato. Alcuni atomi si uniscono per breve tempo, formando un piccolo agglomerato, ma poi subito si separano. 

Quando raffreddiamo un liquido (nel nostro caso un metallo fuso), i piccoli agglomerati di atomi si uniscono e restano coesi, formando un nucleo. La formazione di nuclei tende a verificarsi in siti precisi, per esempio in vicinanza delle pareti dello stampo e intorno a particelle di impurità/inclusioni; ma può avvenire anche in punti casuali della massa liquida. A mano a mano che la temperatura scende, sempre più atomi si aggiungono ai piccoli agglomerati stabili che formano i nuclei, unendosi in modo strutturato e dando così vita al reticolo cristallino del metallo o della lega. Nel caso dei metalli preziosi, si forma il sistema cubico faccia-centrato che è stato già trattato in un’altra presentazione1. A questo punto abbiamo gli embrioni di cristalli (cristalliti) che costituiscono la nostra lega. Una rapida velocità di raffreddamento durante la solidificazione dà luogo alla formazione di un maggior numero di nuclei; di conseguenza – poiché ogni nucleo si evolve in un cristallite o grano – avremo una struttura a grano fine. Se la velocità di raffreddamento è più lenta, si formeranno meno nuclei e avremo una struttura più grossolana. Proprio perché la nucleazione avviene intorno a particelle/inclusioni, spesso si aggiungono degli affinatori di grano insolubili, come l’iridio e il rutenio nelle leghe d’oro, per favorire la formazione di nuclei stabili.

I nuclei crescono con l’aggiunta di nuovi atomi dal materiale liquido, che si uniscono secondo le direzioni preferenziali del cristallo, estendendosi dalle facce dei cubi in progressive ramificazioni. Il risultato è una struttura arborescente chiamata “dendrite”. Tutti i nuclei si sviluppano in dendriti, ognuna delle quali ha un orientamento che dipende dall’orientamento del nucleo originario. Ogni dendrite continua a crescere finché non collide con una dendrite adiacente. La linea di contatto tra le due forma un bordo, che chiamiamo “bordo di grano”, ovvero l’interfaccia tra due grani cristallini o cristalliti. Qui, gli atomi di ciascun reticolo non si innestano in modo ordinato e uniforme, ma creano una sottile regione di imperfezione cristallina, di cui abbiamo già parlato in precedenza. La Figura 4 mostra alcune dendriti in una lega di platino7. Si vedono chiaramente diverse dendriti, ognuna delle quali punta verso una direzione diversa. Vediamo spesso queste dendriti nelle cavità di ritiro delle fusioni a cera persa. Se viene alimentato altro metallo liquido, gli spazi tra le dendriti via via si chiudono fino a ottenere il metallo solido. Se non si aggiunge una quantità sufficiente di metallo liquido, resteranno delle cavità di ritiro e quindi delle porosità.

Figura 4 – Immagine SEM di dendriti in una lega Pt-Ru, osservate in una cavità di ritiro (tratta dal rif. 7, vedi Nota bibliografica)

Se esaminiamo una sezione di metallo pressofuso dopo averne trattato la superficie con un corrosivo, come quella nella Figura 3, vediamo chiaramente la struttura dendritica. Notiamo anche che il centro delle dendriti viene intaccato in modo diverso dalle zone esterne; questo è dovuto al fenomeno della segregazione chimica, ovvero il metallo che solidifica prima ha una composizione chimica diversa da quello che solidifica dopo. È il cosiddetto “coring”. Perché questo accada si deduce dalla rappresentazione schematica delle fasi6

Quando versiamo del metallo fuso in uno stampo, la solidificazione inizia vicino alle pareti dello stampo, dove la temperatura è più bassa, procedendo poi verso l’interno. Se si utilizza uno stampo metallico freddo (per esempio in ferro), come si fa di solito per le colate in pani nelle lingottiere, la velocità di raffreddamento è rapida. Dapprima si forma un sottile strato a grano fine (chill layer) a causa dell’alta velocità di nucleazione, poi iniziano a formarsi dei grani più lunghi e sottili, chiamati “grani colonnari”, dall’esterno verso l’interno – dal chill layer verso il centro del lingotto (Figura 5).

Figura 5 – La solidificazione inizia dalle pareti dello stampo, più fredde, e procede verso l’interno

Figura 6 – Struttura dei grani di un metallo colato in una lingottiera a temperatura relativamente alta

Se la temperatura della colata metallica è relativamente alta, la zona colonnare, formata da grani allungati, si estende fino al centro del lingotto (Figura 6). Non è una struttura auspicabile se il lingotto dovrà essere poi laminato, poiché potrebbe fratturarsi nel mezzo (fenomeno del cosiddetto alligatoring, Figura 7), la zona dove fra l’altro tendono a concentrarsi le impurità, poiché è l’ultima porzione del metallo a solidificarsi.

Figura 7 – Frattura a cerniera (alligatoring) di un pane in lega d’oro durante la laminazione

Viceversa, se la temperatura della colata metallica è bassa, la nucleazione avviene con una distribuzione più uniforme nella restante massa liquida, prima che i grani colonnari raggiungano il centro, e si ha una struttura più equiassica nella regione centrale (Figura 8).

Figura 8 – Struttura dei grani di un metallo colato in una lingottiera a temperatura relativamente bassa

Quando si utilizza uno stampo ceramico (gesso), come nelle fusioni a cera persa, la velocità di raffreddamento è nettamente più lenta e si formano grani equiassici in tutta la colata. Questa microstruttura è migliore. La temperatura della fusione e dello stampo hanno quindi un ruolo importante nel determinare le dimensioni dei grani in condizioni “as cast”. Più alta è la temperatura, più grossolane saranno le dimensioni dei grani.

Affinare le microstrutture delle pressofusioni ottimizzando le dimensioni dei grani

Come si è visto, non sempre le microstrutture dei metalli pressofusi sono ottimali per la produzione e le applicazioni previste. La segregazione chimica (coring) e le strutture grossolane possono compromettere le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione. Si interviene quindi sui semilavorati in pani, con due obiettivi: (a) dare al metallo la forma desiderata (lamina, filo, ecc.) e (b) affinare la struttura. Questo può voler dire rompere i grani più grossi, ridurre la segregazione e affinare le seconde fasi più grossolane per ottenere strutture con distribuzione più uniforme e grani più piccoli. 

Gran parte di questi risultati si ottiene attraverso la lavorazione a caldo del materiale: tramite forgiatura e laminazione, estrusione e/o trafilatura, o con combinazioni di più metodi. In questo modo si affina la struttura e il metallo, addolcito dalla ricottura, è più morbido e duttile. Nelle lavorazioni a caldo, il metallo, deformandosi, raggiunge temperature sufficientemente alte perché avvenga una ricristalizzazione (ricottura) durante la deformazione.

Se vogliamo aumentare la durezza e la resistenza, impartendo una forma più accurata e una migliore qualità superficiale, allora dobbiamo lavorare a freddo il materiale, di solito a temperatura ambiente. In questo caso la temperatura è insufficiente per innescare la ricottura. 

Se lavoriamo troppo un metallo, si possono aprire cricche e fratture; quindi dobbiamo di tanto in tanto ricuocere il metallo lavorato per ripristinare quelle condizioni di morbidezza e duttilità che consentono un’ulteriore lavorazione. La ricottura comporta la ricristalizzazione del materiale, in cui i grani deformati si ricostituiscono e formano nuovi grani non deformati attraverso un processo di nucleazione e crescita analogo a quello della solidificazione.

Lavorazioni a freddo e ricottura: effetti su microstruttura e dimensioni dei grani

Con la lavorazione a freddo, la forma dei metalli cambia e cambia anche la microstruttura del materiale, perché i grani devono subire una deformazione per adeguarsi alla nuova forma. La Figura 9 rappresenta schematicamente una riduzione dello spessore per effetto della laminazione. Per ottenere questo risultato, i piani di atomi in ciascun grano (cristallite) devono scorrere l’uno sull’altro, come illustrato nella Figura 10, sfruttando i difetti cristallini rappresentati dalle cosiddette “dislocazioni”. Lo scorrimento avviene su più piani, in maniera complessa.

Figura 9 – Effetto della lavorazione a freddo sulla microstruttura delle leghe monofasiche

Figura 10 – Rappresentazione schematica dello scorrimento in un reticolo cristallino

Vediamo questa deformazione anche nella macrostruttura generale: la Figura 11 mostra la sezione di un anello durante la lavorazione di upsetting che lo trasformerà in una fede nuziale; l’eterogeneità della deformazione è evidente nel suo aspetto fibroso. La maggioranza dei processi di lavorazione a freddo dà luogo a deformazioni disomogenee visibili in sezione. Nella laminatura e nell’estrusione, per esempio, la deformazione avviene principalmente in superficie, specie se con ogni passata la riduzione impressa è minima. Una deformazione disomogenea può provocare rotture che partono dalla superficie, come ha ben spiegato Battaini8. Le deformazioni non uniformi possono avere ripercussioni anche sulla struttura dei grani nella successiva ricottura, quando avviene il processo di ricristallizzazione. Con la ricristallizzazione, i vecchi grani deformati sono sostituiti da nuovi grani non deformati. Durante la ricristallizzazione, la struttura fibrosa lavorata a freddo viene sostituita da nuovi grani, come si vede nella Figura 12.

Figura 11 – Macrostruttura di un anello in oro bianco nichelato dopo una parziale deformazione di upsetting per la realizzazione di una fede nuziale (tratta dal rif. 8, vedi Nota bibliografica)

Figura 12 – Grani ricristallizzati che sostituiscono la struttura fibrosa del metallo lavorato a freddo nella Figura 11 (tratta dal rif. 8, vedi Nota bibliografica)

Le dimensioni dei grani risultanti dopo la ricottura dipendono dall’entità della lavorazione a freddo, dalla temperatura di ricottura e dal tempo. Più il metallo viene lavorato a freddo, più fine sarà la struttura dei grani ricristallizzati. Se la lavorazione a freddo prima della ricottura è troppo breve, i grani restano ancora grossi, il che non è auspicabile (esiste una “soglia critica” minima di lavorazione a freddo necessaria per dare luogo alla ricristallizzazione, tipicamente una riduzione del 12-15%). Per questo si raccomanda di effettuare la ricottura solo dopo una buona lavorazione a freddo, per esempio una riduzione di spessore del 60%. Anche la temperatura e il tempo di ricottura giocano un ruolo determinante. La Figura 13 riporta una matrice di temperatura e tempo di ricottura per un oro a 18 carati giallo pallido 2N (laminato a freddo per ridurre del 70% il suo spessore), con l’effetto delle due variabili sulle dimensioni dei grani dopo la ricottura (9). La Figura 14 mostra la variazione delle dimensioni dei grani in seguito a ricottura, dovuta a una deformazione disomogenea, nella sezione di un filo a “C” in oro bianco nichelato a 18 carati. L’interno della flangia ha grani più fini mentre le regioni periferiche hanno grani più grossi, a causa della deformazione non uniforme durante la laminazione8. Questo può essere importante in alcune situazioni e meno importante in altre. Lavorando ulteriormente il metallo, per esempio, si potrebbero avere spellamenti e fratture nelle regioni superficiali a grani grossi, come detto in precedenza.

Figura 13 – Effetto della temperatura (asse orizzontale) e del tempo (asse verticale) sulle dimensioni dei grani ricristallizzati di un oro a 18 carati giallo pallido 2N (tratta dal rif. 9, vedi Nota bibliografica)

La Figura 15 illustra schematicamente l’effetto della temperatura di ricottura su durezza/resistenza, duttilità e dimensioni dei grani ricristallizzati. È importante notare che, se la temperatura di ricottura è troppo elevata, si ha una crescita dei grani e al termine del processo si potrebbero avere grani troppo grossi, che compromettono le caratteristiche del materiale e possono causare spellamenti e cricche in caso di ulteriori lavorazioni, come già osservato. Questo può comportare problemi per gli artigiani che lavorano con la torcia a gas, poiché c’è un minor controllo della temperatura durante la ricottura e in genere si tende a surriscaldare il pezzo. Gli ori colorati a 14 carati sono particolarmente soggetti a un’eccessiva crescita dei grani durante la ricottura, come sottolinea Grimwade10.

Figura 14 – Variazione delle dimensioni dei grani in una sezione di filo a “C” in oro bianco nichelato a 18 carati, laminato a freddo e ricotto (tratta dal rif. 8, vedi Nota bibliografica)

Figura 15 – Rappresentazione schematica del comportamento di leghe lavorate a freddo e ricotte, in funzione della temperatura di ricottura. Si noti la regione di crescita dei grani a elevate temperature di ricottura

Leghe bifasiche: se la lega è composta da due (o più) fasi, i processi di lavorazione e ricottura hanno un impatto sulle dimensioni dei grani. La lavorazione delle leghe determina un aumento della dislocazione (difetti cristallini) nella matrice, dovuto alla presenza di una seconda fase più dura; questo porta, a sua volta, a una riduzione delle dimensioni dei grani dopo la ricristallizzazione in seguito a ricottura. Un esempio di lega bifasica è l’argento sterling.

Se la seconda fase ha una struttura molto fine, cioè grani di piccolo diametro uniformemente distribuiti (come nelle leghe indurite per invecchiamento e nelle microleghe), la seconda fase può inibire la ricristallizzazione, poiché le particelle fini della seconda fase “bloccano” i bordi di grano rendendo necessario un aumento della temperatura di ricottura. In queste leghe può formarsi una struttura a grani più grossi o irregolari.

Affinatori di grano per compattare la lega aumentando i punti di nucleazione

Per ottenere un grano più fine nelle leghe d’oro, spesso si aggiungono minime quantità di “affinatori di grano” in polvere fine (normalmente lo 0,1% o percentuali inferiori). Si tratta per esempio di iridio, rutenio e cobalto. L’iridio e il rutenio sono efficaci nella fusione, dove favoriscono la nucleazione dei cristalli durante la solidificazione; il cobalto è utile nella ricottura dei materiali lavorati a freddo, poiché favorisce la nucleazione dei grani durante la ricristallizzazione. Iridio e rutenio sono insolubili negli ori fusi e fungono quindi da siti di nucleazione. La Figura 16 mostra la struttura a grano fine di un oro a 18 carati addizionato di iridio, dopo la ricottura, in confronto a uno senza iridio. Se la quantità di affinatore è eccessiva o non è ben dispersa, si possono formare coalescenze di puntini duri a livello superficiale, che danno luogo al difetto noto come “effetto cometa” in fase di lucidatura11. Va ricordato che gli affinatori di grano non sono efficaci nelle leghe d’oro contenenti silicio.

Figura 16 – Effetto dell’iridio come affinatore di grano in un oro a 18 carati. A sinistra: con Ir; a destra: senza Ir (tratta dal rif. 12, vedi Nota bibliografica)

La quantità di cobalto addizionabile dipende anche dal contenuto in rame della lega, come dimostrato da Ott12. La Figura 17 mostra il suo effetto affinatore in un oro a 14 carati.

Anche altri metalli hanno dimostrato di avere capacità di affinamento del grano nelle leghe d’oro: per esempio boro, berillio, ittrio e i metalli rari, renio, rodio, nichel, bario e zirconio13-16. Recentemente è stato brevettato un mix di iridio, rodio e rutenio che, aggiunto alle leghe primarie di rame, agirebbe da affinatore di grano17.

Figura 17 – Aggiunta di cobalto come affinatore di grano in un oro a 14 carati. A sinistra: con Co; a destra: senza Co (tratta dal rif. 12, vedi Nota bibliografica)

Conclusione

In questa presentazione abbiamo spiegato perché, in gioielleria, sia preferibile avere una struttura cristallina a grano fine (cioè con grani di piccole dimensioni), che ottimizza resistenza, duttilità e altre caratteristiche dei materiali, come la resistenza alla corrosione. Una struttura grossolana può portare a difetti come lo spellamento superficiale nelle successive deformazioni, aumentare il rischio di fratturazione e ridurre resistenza, duttilità e durezza. La resistenza allo snervamento è inversamente proporzionale al quadrato delle dimensioni dei grani.

Abbiamo visto come le condizioni di fusione e colata incidano sulle dimensioni e la forma dei grani “as cast”, influenzando la nucleazione dei cristalliti nella massa fusa e il processo di solidificazione. Un ruolo importante giocano anche la temperatura di fusione e il materiale dello stampo.

Abbiamo esaminato gli effetti delle lavorazioni a freddo sulla macrostruttura dei metalli in condizioni “as cast” e la ricristallizzazione per ricottura, soffermandoci sulle dimensioni dei grani ricristallizzati. La temperatura di ricottura è determinante per ottenere un grano fine. Una temperatura troppo elevata può innescare un’eccessiva crescita dei grani, con conseguenze indesiderate.

L’aggiunta di affinatori di grano, come l’iridio e il cobalto, è molto utile per affinare la struttura delle leghe d’oro. Questi elementi favoriscono la nucleazione dei cristalliti in fase di solidificazione e ricristallizzazione.

Ringraziamenti

Ringrazio gli organizzatori del Jewellery Technology Forum per avermi voluto ancora una volta come relatore e per la cordiale accoglienza. Grazie anche ai molti amici del settore che mi hanno permesso di usare le loro illustrazioni e i loro dati, molti dei quali gentilmente concessi da Mark Grimwade.

Nota bibliografica

  1. Christopher W. Corti, “Basic Metallurgy of the Precious Metals – Part 1”, in The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology 2017, cur. Eddie Bell et al. (Albuquerque: Met-Chem Research, 2017), 25-61. Anche 2007: 77-108.
  2. R.W.E. Rushforth, opera inedita, Johnson Matthey Plc, 1978.
  3. Stewart Grice, “Know your defects: The Benefits of Understanding Jewelry Manufacturing Problems”, in The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology 2007, cur. Eddie Bell (Albuquerque: Met-Chem Research, 2007), 173-212.
  4. Greg Normandeau, “Applications of the Scanning Electron Microscope for Jewelry Manufacturing”, in The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology 2004, cur. Eddie Bell (Albuquerque: Met-Chem Research, 2004), 345-388.
  5. Mark Grimwade, “The Nature of Metals and Alloys”, in The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology 2001, Eddie Bell (Albuquerque: Met-Chem Research, 2001), 151-179.
  6. Mark Grimwade, “A Plain Man’s Guide to Alloy Phase Diagrams: Their Use in Jewellery Manufacture – Part 1”, Gold Technology29, estate 2000, 2-15. Su richiesta, l’autore (Corti) può fornire un documento PDF di questa pubblicazione.
  7. John McCloskey, “Microsegregation in Pt-Co and Pt-Ru Jewelry Alloys”, in The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology 2006, cur. Eddie Bell (Albuquerque: Met-Chem Research, 2006), 363-376.
  8. Paulo Battaini, “Metallography in Jewelry Fabrication: How to Avoid Problems and Improve Quality”, in The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology 2007, cur. Eddie Bell (Albuquerque: Met-Chem Research, 2007), 31-66.
  9. Christian P. Susz, “Recrystallization in 18 Carat Gold Alloys”, Aurum N.2, 1980, 11-14. Su richiesta, l’autore (Corti) può fornire un documento PDF di questa pubblicazione.
  10. Mark Grimwade, Introduction to Precious Metals, Brynmorgan Press, Maine, USA, 2009; ISBN978-1-929565-30-6.
  11. Valerio Faccenda e Michele Condò, “Is ‘Pure’ Gold really Pure?”, in The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology 2004, Eddie Bell (Albuquerque: Met-Chem Research, 2004), 135-150.
  12. Dieter Ott, “Influence of Small Additions and Impurities on Gold and Jewelry Gold Alloys”, in The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology 1997, Dave Schneller (Albuquerque: Met-Chem Research, 1997), 173-196. Anche: ibid., Gold Technology N.22, 1997, 31-38; e “Optimising Gold Alloys for the Manufacturing Process”, Gold Technology N.34, 2002, 37-44.
  13. S. Rapson e T. Groenewald, Gold Usage, Academic Press, Londra, 1978; ISBN 0-12-581250-7.
  14. Truthe, brevetto americano 2.143.217, gennaio 1939 (attribuito a Degussa).
  15. Johns, brevetto britannico 2434376A, luglio 2007.
  16. Raub e D. Ott, brevetto tedesco DE2803949A1, agosto 1979.
  17. Poliero e A. Basso, brevetto americano 2015/03544029A1, dicembre 2015.

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