Константинов И.Л. Материаловедение драгоценных металлов и их сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

платина и палладий. Если у металла понижена пластичность, то при таких

видах обработки металлов давлением, как прокатка, волочение, ковка,

штамповка и других, которые обычно используют при получении из них

изделий, металл можно подвергать лишь небольшим степеням пластической

деформации. При высоких значениях прочности требуются и большие усилия

для деформации. Так, например, в ювелирном производстве, при изготовлении

колец необходим очень пластичный металл, легко подвергающийся гибке, ковке

и вытягиванию отдельных частей кольца. Металл для оправы также должен

иметь высокую пластичность, чтобы можно было легко закрепить в ней камень.

Однако твердость и износостойкость этого металла не должны быть низкими,

иначе камень может выпасть из оправы. Материалы для цепочек должны

обладать высокой прочностью и твердостью, чтобы не происходил износ

звеньев. Но при этом материал должен быть достаточно пластичным, чтобы

звенья цепочки легко гнулись при ее изготовлении.

Основные факторы, влияющие на прочность драгоценных металлов это:

1) легирование – добавка к чистым металлам легирующих компонентов

повышает прочность;

2) пластическая деформация – холодная пластическая деформация

повышает прочность;

3) величина зерна – мелкозернистая структура придает металлу большую

прочность, чем крупнозернистая;

4) температура – с повышением температуры прочность понижается.

Одним из основных способов получения металлических изделий является

пластическая деформация. Для драгоценных металлов и их сплавов, как

правило, используют горячую и холодную пластическую деформации. Горячая

обработка этих металлов, обычно не имеет самостоятельного значения,

предшествует холодной, а в ряде случаев отсутствует. Исключение составляет

небольшое количество (по номенклатуре и объему производства) металлов и

сплавов.

Применительно к драгоценным металлам и сплавам наиболее

распространена холодная деформация. Это связано с тем, что объем

производства таких сплавов незначителен, и поэтому вопросы повышения

производительности (а с ним связаны необходимость увеличения веса слитка,

установка специального оборудования и т.д.) за счет применения горячей

деформации не имеют такого значения, как при крупнотоннажном

производстве. Холодная пластическая деформация является, как правило, одним

из основных этапов производства изделий и полуфабрикатов из драгоценных

металлов и сплавов. При холодной деформации (прокатке, прессовании,

волочении, объемной и листовой штамповке) обеспечивается высокое качество

поверхности, значительная точность геометрических размеров с возможностью

получения различных по величине и форме сечений изделий.

Обработка в холодном состоянии требует высоких удельных и общих

нагрузок, на которые должны быть рассчитаны инструменты и

соответствующие узлы оборудования. Величина этих усилий может быть с

достаточной для практики точностью определена, если известны показатели

сопротивления деформации (предел текучести, временное сопротивление

разрыву) и их зависимость от степени деформации.

Холодную деформацию ведут обычно с промежуточными отжигами.

Величину суммарной деформации (от отжига до отжига) выбирают с учетом

допустимого упрочнения (повышения сопротивления деформации и снижения

пластичности). Кривые зависимости сопротивления упругой и пластической

деформации и характеристик пластичности от степени холодной деформации

для чистых металлов приведены в справочниках, используя которые, можно

выбрать такую степень деформации, чтобы получить необходимый комплекс

механических свойств изделия или полуфабриката.

Восстановление физико-механических свойств происходит при отжиге,

приводящем к возврату или рекристаллизации. Механические свойства

драгоценных металлов в зависимости от температуры отжига также имеются в

справочной литературе.

Контрольные вопросы и задания

1. Опишите основные физические свойства драгоценных металлов.

2. В каком порядке располагаются драгоценные металлы по мере

возрастания их химической устойчивости в различных средах?

3. Какое влияние оказывают легирующие элементы на каталитические

свойства платины?

4. Дайте описание механическим свойствам драгоценных металлов.

5. Как отличаются драгоценные металлы по характеристикам упругости?

6. Перечислите основные факторы, которые влияют на прочностные

свойства драгоценных металлов.

7. Почему для обработки драгоценных металлов преимущественно

используют холодную деформацию?

8. Для чего при холодной деформации драгоценных металлов применяют

промежуточные отжиги?

Лекция 8

СВОЙСТВА ОСНОВНЫХ ЮВЕЛИРНЫХ СПЛАВОВ

План лекции

1. Основные требования, предъявляемые к ювелирным сплавам

2. Неблагородные металлы и их сплавы, используемые в ювелирном

деле

В производстве ювелирных изделий требуется в первую очередь

учитывать такие физические свойства металлов и сплавов, как плотность,

температура плавления, тепловое расширение, теплопроводность и другие.

Знание указанных параметров позволяет правильно выбирать термические

режимы литья, ковки, прокатки, пайки и других видов обработки металлов.

Основные механические свойства, на которые должен обращать внимание

ювелир – это прочность, твердость, упругость, пластичность. Они играют

важную роль при использовании ювелирных изделий, как в качестве

украшений, так и для изготовления предметов домашнего обихода. Учитывая

эксплуатационные требования, предъявляемые к долговечности этих изделий,

можно на основе знания механических свойств сплавов различной пробы

обоснованно подойти к выбору наиболее рациональной для данного случая

марки сплава.

Не меньшее значение в технологии производства и в процессе

эксплуатации ювелирных изделий играют химические свойства, как чистых

металлов, так и их сплавов: стойкость к воздействию внешней среды – кислот

щелочей, газов, пресной и морской воды, способных оказывать агрессивное

действие на металл колец, браслетов, кулонов, цепочек и других ювелирных

украшений.

И, наконец, особое место в характеристиках материалов занимают

технологические свойства. К ним относятся: жидкотекучесть, ликвация и

усадка металлов при литье, ковкость, свариваемость и обрабатываемость

резанием. Применение драгоценных металлов в чистом виде в ювелирном

производстве не всегда оправдано из-за высокой стоимости, недостаточной

твердости и износостойкости, поэтому для ювелирных изделий используют, как

правило, сплавы этих металлов. Сплавы обычно образуются путем соединения

металлов с металлами и металлов с металлоидами в расплавленном состоянии.

Варьируя компонентами сплава, можно изменять такие его свойства, как

твердость, прочность, пластичность, цвет, коррозионная стойкость и другие, а,

добавляя недрагоценные металлы, можно снизить стоимость сплавов

драгоценных металлов. В золото обычно добавляют серебро, медь, платину,

палладий, цинк, кадмий. Сплавы серебра имеют, как правило, один

легирующий элемент – медь, но иногда в серебро могут добавлять цинк,

кадмий, алюминий и никель. В сплавах платины легирующими компонентами

являются медь или иридий и в малых количествах рутений и осмий.

При изготовлении ювелирных изделий чаще используются сплавы

системы золото – серебро – медь, реже двойные сплавы: золото – серебро,

золото – медь. Для этих же целей применяются также сплавы: золото – платина,

золото – палладий, золото – кадмий, серебро – медь – кадмий, серебро – медь,

серебро – цинк, серебро – кадмий, серебро – цинк, серебро – алюминий,

серебро – никель – медь – цинк, платина – иридий, платина – рутений, платина

– осмий.

Серебро в составе сплава на основе золота обеспечивает его

пластичность, ковкость, понижает температуру плавления. Кроме того,

изменять цвет такого сплава от бледно-зеленого до почти белого позволяет

варьирование количеством серебра. Медь увеличивает твердость сплава, меняет

его цвет от красного до ярко-красного. Палладий повышает температуру

плавления золотого сплава и при этом осветляет его окраску. Никель придает

сплаву твердость, повышает литейные свойства и меняет его цвет на бледно-

желтый. Кадмий снижает твердость, температуру плавления и придает сплаву

зеленоватый цвет. Цинк повышает твердость, снижает пластичность, в большей

степени, чем кадмий снижает температуру плавления и изменяет цвет сплава в

сторону белого. Платина повышает упругость сплава и температуру плавления,

придает ему белый цвет. Рутений повышает твердость, износостойкость и

температуру плавления сплава, но его цвет не изменяет. Иридий и осмий в

большей степени, чем рутений повышают твердость, износостойкость и

температуру плавления сплава, при этом, не меняя его цвета.

Недрагоценные металлы и их сплавы, используемые в ювелирном деле

Как было отмечено выше, чистые металлы используются в ювелирном

деле редко, поэтому рассмотрим другие металлы и их сплавы, которые часто

находят применение в производстве ювелирных изделий.

Ртуть. Химический элемент, символ Hg, имеет порядковый номер 80,

атомный вес 200,61, валентность І, ІІ, плотность 13,55 г/см

, температуру

плавления – 38,83°С, температуру кипения 356,95°С.

Ртуть – металл светло-серебристого цвета, находящийся в жидком

состоянии при комнатной температуре, стойкий на воздухе и обладающий

сильным блеском. При нагревании металла образуется окись ртути,

диссоциирующаяся при температуре 400°С. Так как ртуть при комнатной

температуре выделяет ядовитые пары, то хранить ее необходимо только в

закрытых емкостях. Ртуть взаимодействует со слабо разбавленной азотной

кислотой с образованием нитрата HgNO

и с концентрированной серной

кислотой с образованием сульфата Hg

. С соляной кислотой ртуть не

взаимодействует. Для повышения температуры плавления в нее добавляют

золото, серебро и другие металлы. Полученные таким образом амальгамы

становятся твердыми при комнатной температуре. Ювелиры используют ртуть

при получении золотой и серебряной амальгам при горячем золочении и

серебрении.

Медь. Химический элемент, символ Cu, имеет порядковый номер 29,

атомный вес 63,54, основную валентность ІІ, плотность 8,9 г/см

, температуру

плавления 1083°С, температуру кипения 2600°С, твердость по Бринеллю в

отожженном состоянии 350 МПа.

Медь – единственный металл, имеющий красноватый цвет. На воздухе, в

присутствии углекислого газа, медь покрывается пленкой зеленого цвета

(патиной), гидроокисным карбонатом меди CuCO

∙Cu(OH)

. При нагреве на

поверхности металла образуется черный налет окиси меди CuO. Медь

растворяется: в азотной кислоте, образуя нитрат Cu(NO

)

; в серной кислоте,

образуя сульфат CuSO

; в разбавленной соляной кислоте, образуя хлорид меди

CuCl

, а при взаимодействии ее с уксусной кислотой образуется основной

ацетат меди – ядовитая ярь-медянка.

Медь прекрасно обрабатывается давлением и обладает хорошим блеском,

отлично полируется, однако блеск ее довольно быстро исчезает. Медь – лучший

проводник тепла и электрического тока после серебра и имеет очень высокую

теплоемкость. Чистая медь редко применяется для изготовления украшений, но

иногда находит применение при изготовлении шаблонов и опытных образцов

изделий. Медь часто используется и как присадочный материал.

Латунь. Технические сплавы меди с цинком называются латунями. Эти

сплавы содержат свыше 50% Cu и имеют желтый цвет. Сложные легированные

латуни содержат кроме цинка и другие элементы – свинец, олово, алюминий,

марганец, никель. В ювелирном деле латуни, обладающие высокой

пластичностью, используют при изготовлении посуды и украшений. Латунь,

содержащая 10% цинка, известна под названием «томпак». Она имеет

желтоватый цвет и по свойствам близка к меди. «Томпак» используют при

изготовлении ювелирных изделий с последующим нанесением на них

защитных покрытий.

Бронза. В ювелирной промышленности используют оловянные бронзы

(сплавы системы медь – олово) благодаря их высоким литейным свойствам

(жидкотекучести, малой усадке), а также высокой прочности, стойкости против

коррозии и красивому желтоватому цвету. Наибольшее распространение имеют

сплавы меди с 5 – 10% олова. Сплав с 5% олова называют монетной или

медальной бронзой, сплав с 10% олова – пушечной бронзой (из него раньше

отливали пушки).

Нейзильбер. Это название сплава на основе меди, содержащего 13,5 –

16,5% никеля и 18 – 20% цинка. Сплав имеет высокую твердость, упругость и

хорошую коррозионную стойкость. В ювелирном деле используется для

изготовления игл, булавок, пружин и посеребренных столовых приборов.

Цинк. Химический элемент, символ Zn, имеет порядковый номер 30,

атомный вес 65,38, валентность ΙΙ, плотность 7,13 г/см

, температуру плавления

419,46°С, температуру кипения 906°С, твердость по Бринеллю 300-350 МПа.

Цинк – металл голубовато-белого цвета, медленно покрывающийся на

воздухе плотным защитным слоем, состоящим из карбоната цинка ZnCO

окиси цинка ZnO, вследствие чего блеск металла исчезает. При нагреве на

воздухе, цинк, сгорая, превращается в белый порошок – окись цинка ZnO,

светящийся в темноте зеленоватым цветом. При комнатной температуре он

довольно хрупок; при температурах 100 - 150°С хорошо поддается обработке

давлением, а при температуре выше 200°С становится настолько хрупким, что

его можно распылять. Цинк хорошо растворяется в разбавленных кислотах. Он

используется в качестве присадки в сплавах драгоценных металлов.

Кадмий. Химический элемент, символ Cd, имеет порядковый номер 48,

атомный вес 112,41, валентность ІІ, плотность 8,65 г/см

, температуру

плавления 321°С, температуру кипения 765°С, твердость по Бринеллю 160

МПа.

Кадмий – металл белого цвета, по своим свойствам сходный с цинком. На

воздухе покрывается защитной окисной пленкой серого цвета, поэтому его

полированная блестящая поверхность быстро тускнеет. Сгорая, кадмий

превращается в порошок коричневого цвета – окись кадмия CdO. Пластичность

металла хорошая. Добавка кадмия снижает температуру плавления твердых

припоев, при введении кадмия в сплавы серебро – медь их пластичность

повышается.

Олово. Химический элемент, символ Sn, имеет порядковый номер 50,

атомный вес 118,7, валентность ІІ, ІV, плотность 7,298 г/см

,температуру

плавления 213,9°С, температуру кипения 2362°С, твердость по Бринеллю 50

МПа.

Олово имеет серебристо-белый цвет и обладает хорошей пластичностью,

на воздухе покрывается защитным окисным слоем. При сгорании образуется

белый порошок – окись олова SnO

, используемый в качестве полирующего

средства. При температуре ниже 13,5°С происходит аллотропическое

превращение Sn

→Sn

, в результате чего металл превращается в серый порошок

(«оловянная чума»). Растворяясь в соляной кислоте, олово образует хлорид

SnCl

; при взаимодействии его с концентрированной азотной кислотой

образуется оловянная кислота H

SnO

– серый порошок, растворимый в

разведенной азотной кислоте. Олово является важнейшим составным

компонентом мягких легкоплавких припоев.

Свинец. Химический элемент, символ Pb, имеет порядковый номер 82,

атомный вес 207,21, основную валентность ІІ, плотность 11,34 г/см

температуру плавления 327,4°С, температуру кипения 1740°С, твердость по

Бринеллю 40 МПа.

Свинец имеет голубовато-белую окраску, на воздухе покрывается тускло-

серым налетом окиси свинца PbO. В воде на его поверхности образуется

толстый слой, состоящий из карбоната свинца PbCO

и сульфата свинца PbSO

который защищает металл от дальнейшей коррозии. Окисный слой свинца

стоек также в серной и соляной кислотах. Свинец растворяется только в

азотной кислоте с образованием нитрата Pb(NO

)

, а также вступает в реакцию

со слабой уксусной кислотой. Свинец – мягкий и высокопластичный металл.

Пары свинца и его сплавов ядовиты и могут привести к параличу дыхательных

путей. Ювелиры используют свинец для купелирования и как присадку для

получения мягких припоев. Купелирование - окислительное плавление сплава

свинца с золотом или серебром с целью выделения их в чистом виде.

Купелирование основано на том, что свинец и другие недрагоценные металлы

при высокой температуре легко окисляются кислородом воздуха, тогда как

золото и серебро не изменяются.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие свойства сплавов драгоценных металлов требуется учитывать

при производстве ювелирных изделий?

2. Какие драгоценные металлы добавляют в золото в качестве

легирующих компонентов?

3. Сплавы каких систем чаще всего используют при производстве

ювелирных изделий?

4. Перечислите основные недрагоценные металлы, которые применяются

в ювелирном деле.

5. Какие сплавы недрагоценных металлов используют в ювелирном

производстве?

6. Что такое купелирование?

Лекции 9, 10

ДИАГРАММА ЗОЛОТО- СЕРЕБРО- МЕДЬ

План лекций

1. Типы двойных систем, входящих в систему Au – Ag – Cu

2. Система Au – Ag

3. Система Au – Cu

4. Система Ag – Cu и ее основные сплавы

5. Влияние примесей на свойства сплавов Ag-Cu

6. Тройные сплавы системы Au – Ag – Cu и влияние на них примесей

Растворимость металлов

Растворимость металлов в жидком состоянии. Сплав образуется в

процессе плавки металлов. При этом между компонентами (составляющими)

сплава в расплавленном состоянии могут наблюдаться три различных случая

взаимодействия.

1. Полная нерастворимость. Компоненты образуют в расплаве отчетливо

разделенные слои, находящиеся один над другим, например, свинца и железа.

2.Полная растворимость. В этом случае, который встречается чаще

всего, образуется однородный расплав, при котором безразлично, в каком

соотношении находятся его компоненты.

3. Ограниченная растворимость. Металлы растворяются друг в друге

только в определенных пределах. Если перейти границу растворимости, то

образуются, как и в первом случае, слои жидких металлов. Примером может

служить система серебро – никель. В расплавленном никеле может

растворяться до 2% серебра, а в жидком серебре – до 0,4% никеля. Если эти

границы будут перейдены, то образуются два лежащих один над другим слоя,

которые соответствуют упомянутому составу.