Лопатина Е.С. Материаловедение драгоценных металлов и их сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

сплавы, из которых изготовляют контакты для электротехники и

радиоаппаратуры. Сплав рутения с платиной нашел применение в топливных

элементах некоторых американских искусственных спутников Земли. Сплавы

рутения с лантаном, церием, скандием, иттрием обладают сверхпроводимостью

(при температуре 0,47 К рутений становится сверхпроводником). Термопары,

изготовленные из сплава иридия с рутением, используют для измерения высоких

температур.

Рутений используется в качестве легирующего элемента к сплавам

платины, палладия, молибдена, вольфрама, применяемым для производства

перьев авторучек и осей компасов. Сплавы, используемые для опор компасных

игл, должны быть твердыми, прочными и упругими. Из природных минералов

такими свойствами обладает очень редкий осмистый иридий. В искусственные

материалы для компасных игл вместе с осмием и иридием, а иногда и другими

металлами входит рутений.

В последнее время из рутения стали изготовлять и ювелирные украшения:

запонки, зажимы, булавки.

Осмий. Химический элемент, символ Os, имеет порядковый номер 76,

атомный вес 190,2, химическую валентность ІV, VІ, VІІІ, плотность 22,61

г/см

, температуру плавления 3047 °С, температуру кипения 5027 °С,

твердость по Бринеллю в литом состоянии 4000 МПа. Название осмий

обязано греческому «осме» (пахнущий) за резкий запах осмиевого ангидрида.

Элемент открыл английский химик Смитсон Теннант в 1804 году в осмистом

иридии.

В природе встречается как составная часть самородной платины, а также

как самостоятельный минерал в виде осмистого иридия. При аффинаже в

процессе растворения платиновых металлов осмий в царской водке остается

нерастворенным. Большую часть осмия извлекают из руд металлов платиновой

группы, и только небольшое число компаний производят чистый осмий, его

оксиды и прочие химические соединения.

Осмий, являющийся наименее распространенным металлом платиновой

группы, имеет весьма ограниченное число сфер потребления ввиду трудности

его обработки, связанной с очень высокой твердостью и хрупкостью.

Одной из немногих сфер его применения является изготовление перьев

для авторучек, где осмий используется в сплаве с иридием. Раствор оксида

осмия используется судебными экспертами для обнаружения отпечатков

пальцев. Следует, однако, отметить, что оксид осмия обладает высокой

токсичностью.

В коммерческих масштабах осмий используется в изготовлении такой

продукции, как стержни для специальных инструментов, твердые электрические

контакты, катализаторы для производства высококачественных химикатов и

парфюмерии, а также применяется для укрепления биологических образцов

перед их исследованием на электронном микроскопе, поскольку высокая

плотность осмия способствует повышению контрастности изображения.

Осмий - серовато-белый металл с голубым оттенком, тяжелый,

тугоплавкий, твердый и хрупкий. Хрупкость осмия так велика, что его можно

истолочь в порошок в железной ступке, причем порошок имеет сине-черный

цвет, а не серовато-светлый, как у большинства металлов. Механической

обработке осмий не поддается.

Химическими свойствами Оs не отличается от Ru. Этот металл является

наиболее стойким в химическом отношении металлом. Ни одна из кислот и

царская водка на него не действуют.

Сплавление с другими металлами платиновой группы придает еще

большую твердость осмию. Сплав платины с осмием иногда используется для

изготовления некоторых медицинских имплантатов. Высокая температура

плавления осмия затрудняет производство его сплавов.

В ювелирном производстве осмий не применяется.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Перечислите основные минералы платиновых металлов и опишите их.

2. Назовите основные свойства платины.

3. Какими основными свойствами обладает палладий?

4. Какими основными свойствами обладает рутений?

5. Какими основными свойствами обладает родий?

6. Какими основными свойствами обладает иридий?

7. Какими основными свойствами обладает осмий?

ЗАДАНИЕ

1. Какие благородные металлы характеризуются хорошей

пластичностью, малой твердостью и малой упругостью (табл. 2.1)?

2. Какие благородные металлы характеризуются малой пластичностью,

достаточной твердостью, а какие высокой твердостью и упругостью

(табл. 2.1)?

Таблица 2.1 Механические и тепловые свойства благородных металлов

Свойство Ag Au Pt Pd

I г

Rh Ru Os

, МПа 138 122 143 185 — 560 — —

δ,% 50 50 31 40 — 15 — —

ψ, % 90 94 92 90 — — — —

НВ 21 18 30 32 163 55 194 350

Е⋅10

, МПа

8,2 7,9 15 11,5 52,5 28 42 56,7

Температура

плавления, °С

960,5 1063 1769 1552 2443 1960 2450 2700

Удельная теплоемкость

при 20 °С, Дж/(кг⋅К)

252 131 133 246 130 254 239 130

3. Используя рисунок 2.1, определите, какими свойствами будет

обладать деформированный полуфабрикат из платины размером

3,7×3,7 мм, полученный из слитка диаметром 10 мм.

4. Используя рисунок 2.1, определите, какими свойствами будет

обладать проволока из палладия диаметром 1 мм, полученная из

слитка диаметром 8 мм.

5. Необходимо получить изделие из платины, характеризующееся

значениями 80НВ, σ

= 290-300 МПа, δ=10-12 %. Какую необходимо

выбрать степень деформации для получения заданного уровня

свойств?

6. Необходимо получить изделие из палладия, характеризующееся

значениями 85НВ, σ

= 385-390 МПа, δ=1-2 %. Какую необходимо

выбрать степень деформации для получения заданного уровня

свойств?

а б

Рис. 2.1 Механические свойства металлов в зависимости от степени холодной деформации:

а – платина, б - палладий

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №3

КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА ДРАГОЦЕННЫХ

МЕТАЛЛОВ

Драгоценными металлами называют золото, серебро, платину,

палладий, родий, иридий, рутений и осмий. Название благородных они

получили и за свою коррозионную стойкость во многих средах, а

драгоценных – за высокую стоимость. Все металлы по степени использования

в ювелирной промышленности можно разделить на основные и

второстепенные. Основные металлы - это золото, серебро и платина.

Металлы и сплавы характеризуются определенными физическими

химическими, механическими и технологическими свойствами.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся цвет, блеск,

плотность, температура плавления, электропроводность и теплопроводность.

Блеск – свойство поверхности отражать свет.

Цвет – свойство света вызывать зрительное ощущение в соответствии со

спектральным составом отражаемого или испускаемого излучения. Эти два

свойства обусловливают в основном внешний вид металла и являются

существенными для художников. Блеском и цветом (табл. 3.1) характеризуются

художественно-эстетические достоинства металлов и сплавов как материалов, из

которых изготавливаются произведения искусства.

Сплавы, предназначенные для изготовления ювелирных изделий,

обладают определенным ярким устойчивым цветом и делятся на цветные и

белые. Для каждого ювелирного сплава разработаны припои,

удовлетворительно совпадающие по цвету с основным металлом.

Таблица 3.1 – Цвета сплавов

Металл или сплав Цвет

Чистое золото Чистый желтый

Низкопробное золото Желто-красный

Сплав золота с серебром Желто-зеленый

Платина Серебристо-белый

Чистое серебро Сверкающий белый

Низкопробное серебро Серо-белый

К легким металлам относят металлы, имеющие значение плотности менее 5

г/см

. К тяжелым – чаще всего те металлы, плотность которых выше плотности

железа (7,8 г/см

По этой классификации все драгоценные металлы относятся к тяжелым

металлам (табл. 3.2).

По температуре плавления металлы подразделяют на легкоплавкие и

тугоплавкие. К легкоплавким металлам относят алюминий (температура

плавления – 660°С) и металлы, имеющие значение температуры плавления

меньше, чем у алюминия. К тугоплавким – металлы с температурой плавления

выше температуры плавления железа (1539°С). По этой классификации к

тугоплавким металлам относятся платина и металлы платиновой группы.

Таблица 3.2 – Основные физические характеристики благородных металлов

Свойство

Температура плавления t, °С

960 1063 1772 2250 3047 1966 2447 1554

Плотность

, г/см

10,49 19,3 21,37 12,06 22,5 12,44 22,42 12,16

Удельная теплоемкость С

кДж/кг⋅К

0,233 0,131 0133 0,231 0,129 0,234 0,128 0,238

Теплопроводность

, Вт/

(м⋅К)

453,7 310,0 73,7 152,0 86,0 152,0 148 72,7

Температурный коэффициент

линейного расширения

⋅

, К

-1

18,8 14,0 8,92 8,45 6,10 8,45 6,5 12,5

Удельное электрическое

сопротивление

ρ⋅

, Ом⋅м

1,62 2,3 9,81 7,5 8,9 5Д 4,9 13

оводность σ

⋅

, См/м

62 43,5 10,2 13,3 ИД 19,6 20,4 7,7

К химическим свойствам ювелирных металлов и сплавов относятся

коррозионная стойкость и растворимость.

Коррозионная стойкость – свойство металлов противостоять (не

разрушаться) действию агрессивных сред.

Коррозионная стойкость ювелирных сплавов должна обеспечивать

устойчивость поверхности ювелирных изделий к воздействию внешней среды в

нормальных (бытовых) условиях эксплуатации. Наиболее устойчивы ювелирные

сплавы золота и платина высоких проб.

Для защиты изделий от коррозии применяют рациональное

проектирование, устранение возможности коррозии при производстве,

транспортировании и хранении, а также используют технологические методы

защиты. Основными технологическими методами защиты художественных

изделий от коррозии являются:

легирование – введение в сплавы элементов, повышающих коррозионную

стойкость;

оксидирование – искусственное образование химическим путем на

поверхности изделий стойких пленок, защищающих их от коррозии;

металлические и неметаллические покрытия – способ покрытия изделий

более стойкими и обычно более декоративными материалами (золочение,

никелирование, лакирование).

Растворимость – способность металлов растворяться в кислотах,

электролитах и других средах. При изготовлении художественных изделий из

металлов часто производится неполное растворение, ограничивающееся только

поверхностным слоем металла.

К основным механическим свойствам металлов и сплавов (табл. 3.3)

относятся пластичность, прочность, твердость и износостойкость.

Таблица 3.3 – Механические свойства драгоценных металлов технической чистоты в

отожженном состоянии

Металл HB σ

, МПа σ

0,2

, МПа δ,%

, %

180-300

380-500

350-400

3-10

2-3

100-130

400-560

70-100

8-15

20-25

38-46

180-200

50-70

25-35

80-85

24-26

140-160

20-25

50-60

80-95

300-400

170-220

400-500

90-120

6-10

10-15

30-56

120-160

60-80

40-50

95-100

20-25

120-130

10-25

45-50

90-95

Износостойкость ювелирных сплавов должна быть достаточной для

сохранения качества поверхности изделий при механических воздействиях в

условиях эксплуатации, т.е. обеспечивать устойчивость против образования

рисок и царапин на поверхности. Износостойкость ювелирных изделий

обеспечивается определенным уровнем твердости сплава. Из-за низкой

твердости не получили практического применения чистые благородные

металлы. Для повышения износостойкости применяют легирование

неблагородными металлами.

Прочностные свойства (предел прочности – σ

, и предел текучести – σ

0,2

)

сплавов должны обеспечивать цельность и неизменность формы изделия,

отсутствие деформации отдельных частей в процессе эксплуатации. Наиболее

высокие требования по прочности предъявляются к элементам ювелирных

изделий, обеспечивающим крепление ювелирных камней. Помимо значения

временного сопротивления большое значение имеет величина предела

пропорциональности сплава σ

пц

. При высоких значениях предела

пропорциональности требуются большие усилия при закреплении, что приводит

к повышенному браку вставок по сколам.

Пластичность – способность подвергаться необратимой деформации, т.е.

обработке давлением. Пластичность характеризуется относительным

удлинением (δ) и относительным сужением (

). Пластичность имеет большое

значение в кузнечном и штамповочном производстве, а также при чеканке,

прокатке и волочении. Драгоценные металлы имеют высокую пластичность.

Технологические свойства материалов определяют возможность

изготовления продукции при использовании данного материала. При этом

материал должен удовлетворять требованиям минимальной трудоемкости при

изготовлении.

К основным технологическим свойствам металлов и сплавов относятся

литейные свойства (жидкотекучесть, усадка), а также обрабатываемость

резанием и давлением, упрочняемостъ, свариваемость, паяемость и др.

Литейные свойства определяются температурой плавления, кипения,

заливки и кристаллизации, а также плотностью и жидкотекучестью расплава,

литейной усадкой. О комплексе свойств литейных сплавов можно в

достаточной степени судить по диаграммам состояния систем, составляющих

основу этих сплавов.

Жидкотекучесть – способность металла течь и заполнять литейную

форму. Она зависит от химического состава сплавов, температуры заливки

расплавленного металла, конфигурации литейной формы и т.д.

В процессе первичной кристаллизации происходит уменьшение объема и

линейных размеров – это явление называют усадкой (объемной или линейной).

Зная величину усадки, можно определить, насколько больше следует изготовить

форму для получения отливки нужного размера.

Обрабатываемость резанием металлов и сплавов оценивается скоростью

затупления резца при точении на заданных режимах резания с обеспечением

необходимых параметров шероховатости поверхности и выражается в

процентах от обрабатываемости стандартного материала. Обрабатываемость

резанием, способность шлифоваться и полироваться играют существенную роль

в производстве художественных изделий и, особенно в отделке

(полировании).

Обрабатываемость давлением в горячем и холодном состояниях

оценивают различными технологическими пробами (на осадку, изгиб, вытяжку

сферической лунки и др.), характеристиками пластичности, твердости и

упрочнения материала при температуре обработки. Среди характеристик

обрабатываемости давлением используют, например, ковкость.

Ковкость – это способность металлов изменять свою форму под

действием ударов или давления без разрушения. Сплавы для изготовления

художественных изделий должны воспринимать пластическую деформацию со

значительными степенями обжатия. Степень ковкости зависит от пластичности,

степени нагрева, величины деформирующего усилия, химического состава

сплавов и других факторов. Металлы могут коваться как в горячем, так и в

холодном состоянии.

Упрочняемость – способность металла приобретать более высокую

прочность после термической, химико-термической или механической

обработки.

Свариваемость – это способность металлов и сплавов прочно

соединяться путем местного нагрева и расплавления свариваемых кромок

изделия.

Паяемость – свойство металлов образовывать неразъемные соединения

посредством расплавленного присадочного материала - припоя. При пайке

должно отсутствовать явление красноломкости. Различают два основных вида

пайки: пайку мягкими припоями с температурой плавления до 400°С, и пайку

твердыми припоями температура плавления которых свыше 550°С.

Припои для ювелирных и других бытовых изделий из золота и платины

должны иметь ту же пробу, что и основной сплав. Припой для ювелирных и

других бытовых изделий из серебра должен иметь пробу не ниже 650-й.

Допускается использование специального припоя, не содержащего драгоценных

металлов, для пайки цепочек, изготовляемых на автоматах, при условии

обеспечения пробы цепочек в установленных пределах.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие металлы относят к драгоценным?

2. Какими свойствами характеризуются металлы и сплавы?

3. Какие свойства относятся к физическим?

4. Как металлы подразделяют по температуре плавления?

5. Как металлы подразделяют по плотности?

6. К каким свойствам относятся коррозионная стойкость и растворимость?

7. Основные механические свойства металлов и сплавов.

8. Какие методы измерения твердости существуют?

9. Как повышают износостойкость ювелирных сплавов?

10. Какие характеристики относятся к прочностным?

11. Какие характеристики определяют пластичность металла?

12. Основные технологические свойства.

13. Как оценивают обрабатываемость давлением?

14. Что такое ковкость и упрочняемость?

15. Что понимают под паяемостью металла?

ЗАДАНИЯ

На кривой растяжение сплава из золота определить следующие

характеристики: предел пропорциональности σ

пц

, предел текучести условный

0,2

, предел прочности σ

. Рассчитать относительное удлинение δ и

относительное сужение ψ.

Порядок выполнения:

1) Предел пропорциональности σ

пц

, МПа

пц

характеризует напряжение, до которого соблюдается закон

пропорциональности между нагрузкой и деформацией (закон Гука).

Для определения предела пропорциональности используют

графический способ (рис. 3.1). Из начала координат проводят прямую ОМ,

совпадающую с начальным линейным участком диаграммы растяжения.

Затем на произвольном уровне проводят прямую АВ, параллельную оси

абсцисс, и на этой прямой откладывают отрезок kn, равный половине отрезка

mk. Через точку n и начало координат проводят прямую Оn и параллельно ей

проводят касательную СD к диаграмме растяжения. Точка касания

определяет искомую нагрузку Р

пц

Величина σ

пц

в инженерных расчетах указывает напряжение, до

которого конструкция может работать без остаточных напряжений.

Рис. 3.1 Графический способ определения предела пропорциональности

2) Предел текучести условный σ

0,2

, МПа

0,2

- это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает

заданной величины, обычно 0,2 % от расчетной длины образца (l

Предел текучести σ

0,2

характеризует напряжение, при котором

происходит более полный переход от упругой деформации к пластической.

Для определения условного предела текучести по диаграмме

растяжение, вычисляют величину остаточного удлинения

ОЕ=0,2 l

/100

Полученную величину с учетом масштаба откладывают по оси

удлинения от точки О (начальная криволинейная часть диаграммы не

учитывается). Из точки Е (рис. 3.2) проводят прямую, параллельную

линейному участку кривой растяжение ОМ. Точка пересечения с

диаграммой растяжения определяет нагрузку Р

0,2

Рис. 3.2 Схема определения условного предела текучести

3) Предел прочности (временное сопротивление разрыву) σ

, МПа

- это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р

предшествующей разрыву образца.

По результатам испытаний на растяжение рассчитываются основные

характеристики пластичности: относительное удлинение δ, % и

относительное сужение ψ, %

4) Относительное удлинение δ вычисляют по формуле:

δ =



−l



⋅100

где l

– конечная длина образца, мм, l

– начальная расчетная длина

образца, мм

5) Относительное сужение ψ вычисляют по формуле:

ψ=



−F



⋅100

где F

– начальная площадь поперечного сечения, мм

, F

– площадь

поперечного сечения в месте разрыва, мм

6) Полученные результаты занести в протокол испытания

ПРОТОКОЛ № _____

испытания на растяжение цилиндрических образцов

0 Е Δ l

0,2