Константинов И.Л. Материаловедение драгоценных металлов и их сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

4. не превышать требуемую длительность отжига.

Отжиг

Отжигу подвергают слитки и полуфабрикаты в процессе изготовления

ювелирных изделий. Эту термообработку проводят обычно в муфельных печах

при определенном режиме для каждого сплава. Так, золотые сплавы,

содержащие никель, отжигают при 700 - 750°С и выдерживают в печи в

зависимости от массы металла от 10 до 20 мин. Небольшое количество металла

охлаждают при комнатной температуре, большую массу металла – в

выключенной муфельной печи до полного ее остывания. В такой же печи

обычно отжигают и сплавы платины и палладия. Нагартованные детали в

процессе монтировки отжигают в муфельной печи, помещая их на стальной

совок, а затем охлаждают на асбестовой подкладке - леткале. Если сплав при

нагреве окисляется только с поверхности, то защитные мероприятия по

предупреждению окисления обычно не проводятся. Более опасным считается

внутреннее окисление у сплавов, предрасположенных к такому виду окисления.

В этом случае целесообразны такие предупредительные меры, как нагрев в

вакууме, в защитной атмосфере или в расплаве солей. Нагрев в вакуумных

печах гарантирует полную защиту от вредного окислительного действия

кислорода. Однако для небольших и средних предприятий вакуумные печи

обычно нерентабельны. Нагрев в защитной газовой атмосфере, не содержащей

кислорода, например в аммиаке, в не полностью сожженном природном газе,

окиси углерода и других восстановительных газах не только препятствует

вредному действию кислорода, но и осветляет поверхность металла. Для

отжига в среде диссоциированного аммиака обычно применяется конвейерная

печь. Такая печь оснащена конвейером, проходящем в рабочем туннеле,

контрольно-регулировочной аппаратурой и автоматическими часами. Туннель

печи состоит из двух зон: нагревания и охлаждения. Максимальная рабочая

температура печи составляет 950°С. Конвейерная лента, на которую помещают

заготовки для отжига, движется внутри туннеля. Скорость движения ленты

регулируется от 20 до 180 см/мин. Защитной атмосферой служит

диссоциированный аммиак. Температура диссоциатора (950°С) обеспечивает

разложение аммиака на азотно-водородную смесь. Защитная атмосфера

подается в рабочий канал печи, где поджигается. Программа рабочей печи

111

устанавливается контрольно-регулировочной аппаратурой. Описанная печь для

безокислительного отжига используется при отжиге полуфабрикатов различных

сплавов, используемых в ювелирной промышленности: золотых, серебряных, а

также мельхиора и нейзильбера. Однако этот способ нагрева выгоден только

при переработке крупных партий полуфабрикатов. Подобных результатов

можно достичь сравнительно простыми средствами, например, в муфельных

печах нагрев часто проводят под плотным слоем древесного угля. Раскаленный

уголь, сгорая при недостатке воздуха, образует окись углерода, которая

препятствует доступу кислорода к металлу. Отжиг под покровом древесного

угля применяется для золотых слитков и заготовок большого объема (прутки и

проволока в рулонах). Однако, золотые сплавы, содержащие металлы

платиновой группы (платину, палладий и т.д.) и никель, отжигать в среде

древесного угля не рекомендуется ввиду их науглероживания. Для реализации

этого способа необходимо иметь: хорошо просушенный березовый уголь

размерами в пределах лесного ореха, короб из нержавеющей стали и клещи для

установки короба в печь и извлечения из нее. На дно короба ровным слоем

толщиной 1 – 2,5 см насыпают древесный уголь. На него укладывают золотые

заготовки (слитки, прутки, проволоку и т.д.) и засыпают углем до заполнения

короба. Короб накрывают крышкой и помещают в печь нагретую до 650 -

700°С. Заготовки массой до 500 г выдерживают при указанной температуре 5 –

7 мин., а массой более 500 г – 10 – 15 мин. Затем короб вынимают из печи и

охлаждают замачиванием в воде, после чего заготовки извлекают и сушат.

Недостаток этого способа заключается в том, что окись углерода не имеет

запаха, токсична, и поэтому необходимо применять меры для полного удаления

ее из помещения.

При больших масштабах производства заготовки нагревают в соляных

ваннах, содержащих смеси солей, плавящихся при постоянной температуре,

обычно при 500°С. Изделия погружают в расплав солей, выдерживают в них

заданное время, затем вынимают, а оставшуюся на их поверхности соль

удаляют. Основными преимуществами этого способа являются быстрый нагрев

полуфабрикатов и надежная защита металлов от окисления. Кроме того, способ

характеризуется большой точностью поддержания температуры.

На небольших предприятиях отжиг мелких изделий могут проводить в

муфельных печах под слоем борной кислоты. Делают это следующим образом.

Изделия посыпают борной кислотой, кладут на противень, а затем помещают в

112

муфельную печь. Поверхность изделий при этом не только не окисляется, но и

сохраняет полировку.

Иногда на небольших предприятиях, при отсутствии муфельных печей,

отжиг производят путем нагрева заготовок газовым пламенем. Для этого

небольшие заготовки укладывают на основании, покрытом прокаленным углем

или на угольную плиту, и нагревают паяльной лампой. Так как контроль

температуры нагрева производится по цвету каления, то нагрев должен

производиться в затемненном месте мастерской, чтобы на цвет нагретого

металла не оказывали влияние погода и время суток. Следует учитывать, что

сплавы, содержащие никель и палладий, нельзя нагревать открытым газовым

пламенем, так как при этом образуются вредные сернистые соединения.

Для получения оптимальной структуры рекомендуется руководствоваться

следующим:

- перед отжигом металл необходимо максимально продеформировать;

- отжиг нужно проводить при минимальной температуре;

- время отжига должно быть минимальным.

Кроме того, для уменьшения окисления металла отжиг лучше проводить

как можно реже.

Серебряные ювелирные сплавы в большинстве случаев являются

двухкомпонентными, принадлежащими системе Ag – Cu, которая представляет

собой диаграмму эвтектического типа с ограниченной растворимостью

компонентов в твердом состоянии (рис. 8). Отжиг серебряных сплавов

производят в соляных ваннах или в муфельных печах с засыпкой изделий

древесным углем. Температура отжига выбирается несколько ниже линии

ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии. Считают, что

для сплавов серебра 875-й и 925-й проб оптимальная температура отжига

составляет 600 - 650°С. При отжиге серебряных сплавов на воздухе проявляется

различное отношение меди и серебра к кислороду: медь в сплавах сразу

окисляется с поверхности изделий, серебро поглощает кислород. Этот элемент

при охлаждении металла выделяется и взаимодействует с медью, образуя закись

меди (Cu

О) во внутренних слоях металла. В сплавах с содержанием серебра

около 80% окисляемость металла наиболее сильная. При нагреве этих сплавов

на поверхности образуется толстый внешний слой закиси меди, который

сравнительно легко пропускает кислород во внутренние слои металла, образуя

113

и внутренний окисный слой. С уменьшением содержания серебра склонность

сплавов к внутреннему окислению понижается, так как мелкозернистая

эвтектическая структура препятствует диффузии кислорода в металл, и

окисление происходит главным образом на поверхности. У заэвтектических

сплавов, содержащих пониженное количество меди, окисляются

преимущественно поверхностные слои. Поверхностный слой закиси меди,

полученный в результате нагрева сплавов серебра на воздухе, удаляется

травлением в кислотах, при этом поверхность получается обогащенной

серебром.

Весьма перспективен процесс термической обработки серебряных

сплавов в конвейерных печах с защитной газовой средой. В качестве защитной

газовой атмосферы можно использовать экзотермический газ с низким

содержанием водорода. В некоторых случаях может быть использован и

диссоциированный аммиак с большим дожиганием водорода (8 – 10% H

). При

большом содержании водорода на поверхности заготовок из серебряных

сплавов, имеющих большое содержание закиси меди, образуются вздутия.

Внутренние слои металла в этом случае также могут быть поражены мелкими

порами, так как при высоких температурах водород, проникая вглубь металла,

соединяется с кислородом, образуя пары воды и как следствие этого –

пористость.

Драгоценные металлы часто подвергают обработке давлением, например

прокатке, волочению. Обычно эти процессы осуществляют без нагрева

заготовок, а для восстановления пластичности металлов между операциями или

для снятия напряжений после деформации проводят отжиги, режимы которых

приведены в табл. 10 и 11.

Таблица 10. Режимы отжига при холодной прокатке драгоценных металлов

Металл, сплав

Исходная толщина

заготовки, мм

Степень обжатия за

один проход

(не более), %

Температура

отжига, °С

Серебро,

серебро - медь

5 – 15 70 600 – 650

Золото,

золото – серебро

5 – 15 50 – 65 700 – 750

Сплавы белого

золота с никелем и

цинком

5 – 15 40 700 – 750

Сплавы белого 5 – 15 50 – 55 800 – 850

114

золота с палладием

Сплав на основе

платины

5 – 10 50 900 – 950

* Отжиг проводится в печи с защитной атмосферой

Таблица 11 Режимы отжига при волочении драгоценных металлов

Изделие Материал Марка Температура,°

Трубы,

прутки,

проволока

Серебро

Сплав серебро – медь

Золото

Сплав золото – серебро – медь

Сплав белого золота

Сплавы платины

Ср999

СрМ875, СрМ925

Зл999,9

ЗлСрМ585-80

ЗлНЦМ750-7,5-2,5

ПлИ950-50, ПлМ950

550 – 600

500 – 600

550 – 650

500 – 600

1000 – 1100

Старение

Старение – это термическая обработка, при которой в сплаве,

подвергнутом закалке без полиморфного превращения, главным процессом

является распад пересыщенного твердого раствора. Основные параметры

старения – температура и время выдержки, а скорость нагрева и охлаждения

обычно играют подчиненную роль. Старение может наблюдаться во всех

системах, в которых по диаграмме состояния имеется линия насыщения

твердого раствора, отвечающая уменьшению предела растворимости

компонентов при охлаждении. При нагреве таких сплавов компоненты сплава

растворяются в твердом растворе. Если теперь сплав резко охладить, то

растворенные компоненты не успевают выделиться из раствора и образуется

пересыщенный твердый раствор. Такое состояние сплава является

нестабильным: атомы растворенных компонентов стремятся выделиться из

решетки твердого раствора, что сопровождается ее искажением и упрочнением

сплава: эту стадию старения называют зонным старением. Если атомы выходят

из решетки с образованием фаз, обычно мелкодисперсных, то наблюдается

фазовое старение, которое обычно также сопровождается упрочнением. Этот

процесс еще называют дисперсионным твердением. После старения твердость

некоторых сплавов настолько увеличивается, что дальнейшая их обработка

затрудняется. Снять упрочнение таких сплавов можно путем закалки. Процесс

старения может протекать при комнатной температуре. В этом случае он

протекает обычно в течение длительного времени: десятки или даже сотни

часов и называется естественным старением. Если повысить температуру, то

115

процесс распада твердого раствора ускоряется и имеет место искусственное

старение.

Явление старения встречается и в сплавах, используемых в ювелирном

производстве. Рассмотрим систему Ag – Cu (рис. 3). От конечных точек

эвтектической линии, т.е. точек отвечающих максимальной растворимости

компонентов Ag и Cu в твердых растворах α и β, отходят вниз выпуклые

кривые, которые в области твердого состояния доходят до низких температур.

Эти кривые, называемые линиями сольвуса, показывают уменьшение предела

растворимости компонентов с понижением температуры. Например, α-твердый

раствор при температуре 779°С содержит 9% меди, а при 200°С содержание

меди уменьшается до 1%. Избыток меди выделяется в виде β-фазы по границам

зерен. Так, например сплав 960-й пробы сначала затвердевает с образованием

однородного α-твердого раствора, который при переходе кривой максимального

насыщения распадается на α- и β-твердые растворы. С понижением

температуры уменьшается растворимость компонентов и увеличивается

количество β-фазы в структуре сплава.

Подобный процесс наблюдается в системе Au – Ni (рис. 6). Здесь также

сначала кристаллизуется твердый раствор, затем при охлаждении сплав входит

в область распада, и из однородной структуры образуются обогащенные

золотом или никелем твердые растворы с ограниченной растворимостью,

выделяющиеся в виде вторичных фаз по границам зерен.

Рис.6. Диаграмма состояния сплавов системы Au-Ni

116

В системе Au – Cu (рис. 7) между компонентами образуется непрерывный

ряд твердых растворов, а при медленном охлаждении возникают химические

соединения Au

Cu, AuCu и AuCu

с упорядоченной структурой. Упорядочение

сопровождается изменением физико-механических свойств сплавов. Так,

например, резко меняется электросопротивление сплавов, возрастают

показатели прочности и т.д.

Вернемся к системе Ag – Cu. Оптимальных условий старения этих

сплавов достигают тем, что сплавы подвергают закалке, затем выдерживают

при температуре 300°С и медленно охлаждают. Наибольший эффект старения

наблюдается у сплава 925-й пробы: твердость сплава в отожженном состоянии

составляющая 680 МПа, увеличивается после старения до 1600 МПа.

В одной из основных систем ювелирных сплавов Au – Ag – Cu распад

твердого раствора происходит следующим образом. У сплавов золота 333-й

пробы (рис. 7) в области твердых растворов твердость и прочность после

старения достигают максимума. В сплавах 585-й и 750-й пробы распад твердых

растворов происходит при более низких температурах.

Рис.7. Распад твердого раствора в тройной системе Au – Ag – Cu

117

Сплавы системы Au – Pt распадаются в твердом состоянии на

обогащенные золотом и платиной твердые растворы, особенно при содержании

золота от 70 до 10%. Уже в закаленном состоянии твердость сплавов колеблется

от 1000 до 1500 МПа. После старения твердость возрастает до 4000 МПа.

В сплавах золото – палладий эффект старения не наблюдается, а в сплавах

золото – никель эффект повышения твердости от распада твердого раствора

незначителен

В сплавах серебро – платина при содержании платины от 60 до 90%

обработка возможна только тогда, когда они закалены с температуры 800°С и

тогда после старения твердость повышается до 2000 МПа.

Склонность ряда сплавов драгоценных металлов к старению необходимо

учитывать при производстве из них ювелирных изделий. Например, если сплав,

склонный к старению, после литья или отжига медленно охлаждается, то

появляются условия для протекания старения. Прочность металла в ряде

случаев повышается настолько, что дальнейшая механическая обработка его

сильно затрудняется. Это явление особенно отчетливо проявляется у сплавов

золота 750-й пробы. С другой стороны, сплавы, склонные к старению, имеют

преимущества, заключающиеся в том, что износостойкость, упругость и

стойкость изделий значительно повышаются. Перечисленное позволяет снижать

в изделиях толщину драгоценного металла, что обеспечивает его экономию.

Технология старения заключается в нагреве закаленного изделия до

определенной температуры, выдержке при этой температуре и медленном

охлаждении. При проведении старения следует руководствоваться режимами,

приведенными в табл. 12.

Таблица 12. Режимы термообработки сплавов золота

Проба

Термическая обработка Старение

Т, °С

Цвет

нагретого

сплава

Условия

охлаждения

Т,

°С

Время,

выдержки

мин

Твердость НВ,

МПа

до ста-

рения

после

старения

750

желтый

750

розовый

750

белый

750

800

Темно-

вишневый

Темно-

вишневый

Вишневый

Закалка

На

воздухе

400

–

1040

1050

–

1950

2000

–

118

585

бледно-жел-

то-зеленый

585

желтоватый

585

желтый

585

желтый

585

оранжевый

585

красный

585

333

бледно-жел-

то-зеленый

333

желтый

333

желтый с Ni

333

оранжевый

333

розовый

333

красный

750

700

750

800

650

600

650

Темно-

вишневый

Темно-

вишневый

Светло-

красный

Темно-

вишневый

Темно-

вишневый

Темно-

вишневый

Вишневый

Темно-

красный

Темно-

красный

Темно-

красный

Темно-

красный

Темно-

красный

Темно-

красный

Закалка

На

воздухе

Закалка

400

300

450

300

–

300

250

–

300

–

700

1200

1300

1200

950

–

1160

1170

–

1030

–

1650

1450

–

2000

1600

1750

–

1600

1550

–

1450

–

Примечание. Прочерки в столбце старение стоят у сплавов, которые не склонны к старению.

При выборе режима старения следует руководствоваться следующими

правилами:

- повышение температуры ускоряет процесс старения, но при этом

снижается эффект упрочнения, так как укрупняются частицы выделяющихся из

твердого раствора фаз;

- после деформации и рекристаллизации старение протекает интенсивнее,

чем после литья;

- в гетерогенной зоне сплавов 333-й пробы золота старение происходит

быстрее, чем в гомогенной области сплавов золота 333, 585 и 750-й проб;

- чем выше проба золота, тем больше время старения.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие виды термообработки применяют в ювелирном производстве?

119

2. Какой вид термообработки в ювелирном производстве считается

основным?

3. По какому режиму отжигают сплавы золота, содержащие никель?

4. Какой вид термообработки рекомендуют для повышения пластичности

сплава СрМ925?

5. Какими способами предотвращают при отжиге внутреннее окисление

сплавов драгоценных металлов?

6. Для каких сплавов, используемых в ювелирном производстве,

применяется старение?

7. Какими правилами следует руководствоваться при выборе режима

старения?

Лекция 16 - 18

ПРИМЕНЕНИЕ ДРАГОЦЕННЫХ МЕТАЛЛОВ В ТЕХНИЧЕСКИХ

ЦЕЛЯХ

План лекции

1. Сплавы электротехнического назначения

2. Сплавы для магнитов

3. Сплавы для упругих элементов

4. Сплавы для припоев

5. Жаропрочные конструкционные сплавы

6. Коррозионностойкие сплавы

7. Катализаторы

8. Сплавы для стоматологии

9. Методы выявления структуры драгоценных металлов и их сплавов

Сплавы для электрических контактов

Электрические контакты должны свободно проводить токи от 10

-9

до 10

при напряжении от 10

-7

до 10

В. Кроме того материалы для контактов должны

удовлетворять следующим требованиям: быть коррозионностойкими,

устойчивыми против электрической эрозии и износа; не свариваться; обладать

высокой механической износостойкостью, особенно на истирание; легко

обрабатываться давлением, быть технологичными при обработке резанием,

хорошо прирабатываться друг к другу в процессе эксплуатации, обладать

высокими теплофизическими свойствами; иметь низкую стоимость.

120