Лопатина Е.С. Материаловедение драгоценных металлов и их сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

Марка материала

Начальный диаметр d

мм

Диаметр после разрыва d

, мм

Начальная расчетная длина l

, мм

Конечная расчетная длина l

, мм

Нагрузка при пределе пропорциональности Р

пц

, Н (кгс)

Нагрузка при пределе текучести Р

0,2

, Н (кгс)

Наибольшая нагрузка Р

мах

, Н (кгс)

Предел пропорциональности σ

пц

, МПа (кгс/мм

)

Предел текучести σ

0,2

МПа (кгс/мм

)

Временное сопротивление σ

МПа (кгс/мм

)

Относительное удлинение δ, %

Относительное сужение ψ, %

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 4

СОСТАВ И СВОЙСТВА ОСНОВНЫХ ЮВЕЛИРНЫХ СПЛАВОВ

В состав золотых сплавов в качестве легирующих компонентов могут

входить: серебро, медь, никель, палладий, платина, цинк и кадмий. Каждый из

компонентов по-своему влияет на свойство сплава.

Серебро придает золотому сплаву мягкость и ковкость, понижает

температуру плавления и изменяет цвет золота. С увеличением содержания

серебра цвет сплавов изменяется от желтого к светлому. При содержании

серебра до 30 % цвет сплава зеленовато-желтый, до 50 - желто-белый, до 60 -

почти белый и при 65 % желтый цвет сплава полностью исчезает.

Сплавы золото-серебро хорошо поддаются механической обработке и

представляют собой непрерывный ряд твердых растворов этих металлов друг в

друге. Легирование золота серебром оказывает по сравнению с другими

легирующими элементами наименьшее влияние на прочностные

характеристики золотых сплавов (рис. 4.1).

Рис. 4.1 Влияние различных металлов на прочность золотых сплавов

Медь повышает твердость золотого сплава, сохраняя ковкость и тягучесть.

При повышении содержания меди сплав постепенно приобретает красноватые

оттенки и при содержании 14,6 % Сu становится ярко-красным. Недостатки

легирования: медью заключаются в том, что медь понижает антикоррозионные

свойства сплава и при большом ее содержании поверхность сплава темнеет.

Сплавы золото-медь представляют собой непрерывный ряд твердых

растворов только при высокой температуре, при 425-450 °С из твердых

растворов, содержащих 50 и 75 % меди, выделяются химические соединения

АuСu

и AuCu. В результате этого уменьшается пластичность сплавов, что ведет

к образованию трещин при прокатке. Закалка таких сплавов в воде улучшает их

обрабатываемость.

Никель и золото обладают неограниченной растворимостью в жидком, а

ори высоких температурах и в твердом состоянии. Сплавы системы золото -

никель имеют ГЦК решетку. Легирование золота никелем приводит к

повышению твердости. Никель хорошо растворяется в меди, в серебре

практически нерастворим. Никель входит в состав белого золота системы Аu-

Сu-Ni-Zn. Для придания сплаву белой окраски достаточно, как правило,

содержания в сплаве от 10 до 14 % Ni. Максимум белой окраски достигается

при 17 % никеля. Белое золото с никелем очень твердое, и его обработка

затруднена. При отжиге сплав легко окисляется.

Палладий и золото обладают неограниченной взаимной

растворимостью в жидком и твердом состоянии. Максимальную твердость

(600 МПа) имеет сплав, содержащий 85 % палладия. Палладий повышает

температуру плавления золотого сплава и резко изменяет его цвет - при

содержании в сплаве 10 % палладия слиток окрашивается в белый цвет.

Золото с добавками палладия (белое золото) превосходит по своим

свойствам сплавы золота с никелем и является более благородным. Белое

золото на основе палладия дороже, чем на основе никеля, однако при этом

оно имеет ряд преимуществ: обладает более высокой пластичностью, чем

сплавы, легированные никелем; имеет лучший блеск; белый цвет более

устойчив при нагреве. Применение палладия значительно улучшает

технологические свойства сплава, придает ему высокую ковкость; изделия не

тускнеют, обладают хорошими декоративными свойствами, имеют

невысокую стоимость.

Платина. Сплавы Au-Pt, содержащие от 25 до 80 % Pt, образуют смеси

двух твердых растворов. Твердость сплавов возрастает с увеличением

количества платины. Так, при содержании 20 % Pt твердость составляет 400

МПа, при 50 % - 800 МПа и при 80 % достигает максимального значения в

1280 МПа, после чего твердость снижается.

Платина окрашивает золото в белый цвет интенсивнее палладия,

желтизна теряется уже при содержании в сплаве 8,4 % платины, резко

повышается температура плавления сплава. При повышении количества

платины до 20 % увеличивается упругость сплава.

Сплавы золото-платина-палладий, содержащие до 40 % Pd,

представляют собой механическую смесь палладия и твердых растворов

золота в платине. Сплавы с содержанием палладия более 40 % - однородные

твердые растворы, обладающие высокой твердостью.

Сплавы золото-палладий-серебро образуют ряд непрерывный твердых

растворов, обладают высокой пластичностью и неокисляемостью, имеют

красивую окраску.

Цинк. Растворимость цинка в металлах тройной системы составляет в

золоте до 4 %, в серебре до 20 % и в меди до 40 %. Чистое золото образует

уже с 5 % Zn хрупкое соединение Au

Zn, которое в тройном сплаве из-за

растворимости цинка в меди не образуется. Добавка нескольких десятых

процента цинка в расплав системы Au-Ag-Cu перед разливкой оказывает

раскисляющее действие и повышает жидкотекучестъ сплава.

Благодаря добавкам цинка к сплавам золота красноватого цвета

последние приобретают желтоватый цвет. Небольшие добавки цинка

значительно сужают область плавления тройного сплава Au-Ag-Cu. Введение

Zn в сплавы белого золота системы Ag-Cu-Ni делает их технологичнее,

снижает температуру плавления, уменьшает твердость.

Кадмий. Золото растворяет в себе в твердом состоянии до 20 % кадмия,

серебро - свыше 30 %, медь практически не растворяет кадмий. Благодаря

добавкам кадмия сплавы Au-Ag зеленого цвета приобретают более

интенсивную окраску, поэтому кадмий используется для приготовления

сплавов «зеленого золота». Кадмий еще более, чем цинк, понижает область

плавления тройной системы. Совместное введение цинка и кадмия

существенно понижает температуру плавления тройной системы.

Цинк и кадмий - важнейшие присадочные материалы, используемые

для изготовления припоев благородных металлов. Однако при введении в

сплавы золота более 4 % Zn и 20 % Cd при открытой плавке и разливке на

воздухе они образуют окислы, которые прочной пленкой покрывают слиток и

при деформации приводят к шиферному излому.

Алюминий действует и как легирующий элемент (растворяется в

сплаве), и как раскислитель (очищает металл от газов и закиси меда).

Поскольку в результате раскисления в расплаве остается окись алюминия

А1

поверхность металла ухудшается уже при 0,01 % А1, а при 0,05 % А1

прокат имеет значительные дефекты поверхности. Предельно допустимое со-

держание алюминия в сплаве ЗлСрМ583-80 равно 0,005 % по массе, что

соответствует максимальному фактическому содержанию алюминия в

металле централизованной поставки.

Из-за присутствия в сплаве незначительного количества алюминия

прочность и склонность к потускнению сплавов с низким содержанием золота

увеличивается. Однако как только количество Аl превысит растворимость его

в серебре и меда, образуется фиолетовое хрупкое соединение АuАl -

«аметистовое золото». При переплавке может образоваться окись алюминия

Аl

Оз, которая также делает сплав непригодным к обработке.

Олово. Сплавы Au-Ag-Cu могут растворить в себе без заметного вреда

до 4 % олова. Хрупкость сплавов золота из-за загрязнений их оловянными

припоями возникает вследствие присутствия в припое свинца, а не олова.

Если количество олова превышает 4 %, то образуется окись олова, которая

при затвердевании располагается по границам зерен и делает сплав хрупким,

также ухудшается качество поверхности металла. Установленный предел

содержания в сплавах - 0,005 % по массе.

Железо. Из-за высокой температуры плавления и легкой окисляемости

железные и стальные частицы, попавшие в сплав золота, присутствуют в нем

в виде инородных включений. Эти включения не оказывают какого-либо

влияния на свойства сплава при обработке давлением, но значительно

ухудшают обрабатываемость металла при резании и доводочных операциях.

Поэтому содержание железа в золотых сплавах, применяемых в ювелирной

промышленности, не должно превышать 0,18 %.

Загрязнение золотых сплавов может происходить различным путем:

исходными компонентами, тиглями, окружающей атмосферой. В ювелирном

производстве легко внести загрязнения, используя тигли, в которых ранее

производилась плавка других сплавов.

Известно, что некоторые загрязнения сильно воздействуют на качество

и обрабатываемость сплавов. Кремний, свинец, висмут, теллур образуют с

золотом хрупкие интерметаллические соединения, которые выделяются в

виде эвтектики по границам зерен. Эти твердые выделения настолько

снижают пластичность сплава, что уже нескольких сотых процента до-

статочно для того, чтобы сплав стал хладноломким. Кремний может попасть в

сплав при восстановлении из материала тигля, содержащего кварц.

Остальные элементы могут содержаться в загрязненных легирующих

металлах.

При взаимодействии с элементами тройной системы Au-Ag-Cu кремний

растворяется только в меди. С золотом кремний образует эвтектику с

температурой плавления 730 °С, содержащую 17,4 % Si. Кремний повышает

твердость и хрупкость золота, затрудняет обработку сплавов давлением. При

введении 0,008 % Si пластичность сплава ЗлСрМ583-80 резко снижается по

сравнению с исходными значениями: относительное удлинение - на 40 %,

глубина вытяжки и количество перегибов - в 2-3 раза. Поэтому содержание

кремния в сплаве ЗлСрМ583-80 ограничивают значением 0,003 % по массе,

т.е. верхним пределом содержания его в партиях централизованной поставки.

Загрязнение свинцом вызывает наибольшее количество нежелательных

последствий. Присутствие свинца даже в небольших количествах, например,

0,05 %, делает золотые сплавы хрупкими и непригодными к обработке

(хрупкость при холодной обработке). В некоторых случаях металл может

быть частично обрабатываемым, дефекты в нем проявляются при

последующей обработке - отжиге или пайке (хрупкость при горячей

обработке). Это связано с тем, что свинец образует интерметаллическую фазу

Pb, которая плавится при 327 °С.

Причинами появления свинца в сплаве может быть использование

легирующих элементов или раскислителей, которые содержат

незначительное количество свинца, часто причиной появления свинца в

сплавах является использование в возвратном цикле отходов, содержащих

припой, загрязненный свинцом.

Присутствие даже небольшого количества висмута приводит к

образованию легкоплавкого (t

пл

=373°C) и необычайно хрупкого соединения

Bi, которое при кристаллизации выделяется по границам зерен и вызывает

в металле явления хладно- и горячеломкости. Такое же вредное влияние

(выделение хрупких интерметаллидов по границам зерен) оказывает теллур,

его содержание в сплавах не должно превышать 0,01 %.

Золото создает с сурьмой только одно химическое соединение - AuSb

(55,26 % Sb), образующееся по перитектичеекой реакции при 460°С и

вступающее в эвтектическую реакцию с золотом при 380°С. В эвтектике

содержится 25 % Sb. Присутствие небольших количеств сурьмы резко

снижает пластичность золота. Содержание висмута и сурьмы в сплавах

золота, применяемых для изготовления ювелирных изделий, не должно

превышать 0,005 %.

Сера попадает в сплавы золота при плавке и отжиге под слоем

древесного угля, содержащего серу, из загрязненного сернистыми

соединениями городского воздуха, а также при пайке изделий в гипсовых

формах. Остатки серной кислоты после травления при отжиге и пайке,

разлагаясь, тоже приводят к загрязнению сплава серой.

Растворяясь в расплавах золота, серебра и меди, сера нерастворима в

этих металлах в твердом состоянии. При затвердевании сера выделяется из

расплава в виде газообразного соединения. Поэтому расплав золота 585-й

пробы, обогащенный серой, при затвердевании «кипит» даже при наличии

0,02 % серы. Полученный слиток характеризуется наличием газовой

пористости и для прокатки непригоден.

С золотом сера не взаимодействует, однако она активно реагирует с

легирующими элементами: серебром, медью, никелем и палладием. С

серебром и медью сера образует твердые сульфиды, которые располагаются

по границам и внутри зерен, охрупчивая основной металл. Белое золото (с

никелем и палладием) и содержащие палладий сплавы золота очень

чувствительны к примесям серы. Сера в количестве нескольких сотых долей

процента в никель- и палладийсодержащих сплавах золота делает их

полностью непригодными для обработки давлением.

Никель и палладий образуют с серой хрупкие и легкоплавкие

сульфидах Ni

и Pd

S, которые делают сплавы красно- и хладноломкими.

Кроме того, эти соединения образуют легкоплавкие эвтектики. Так,

например, никель с сульфидом никеля Ni

при содержании серы менее 0,05

% образует эвтектику, имеющую температуру плавления 645 °С. Сплавы

золота с содержанием никеля более 1 % очень чувствительны к примесям

серы, и при обработке их необходимо тщательно избегать контакта с серой.

Палладий при 600 °С образует эвтектику с сульфидом палладия Pd

S, которая

располагается по границам зерен. Наличие в сплаве серебра приводит к

образованию сульфида. Ag

S (t

пл

=940 °C), который при 700 °С образует с

сульфидом серебра эвтектику.

Во избежание попадания серы в сплав белого золота плавку проводят в

корундовых тиглях, а не графитовых. В сплаве ЗлСрМ585-80 содержание

серы также необходимо ограничить 0,005 % по массе.

Фосфор применяется в виде фосфористой меди для раскисления

металла при выплавке сплавов золота. Как и кремний, фосфор растворяется

только в меди, практически не растворяясь в золоте и серебре. С

легирующими элементами фосфор образует хрупкие соединения (Ag

P, Cu

и Ni

Р), которые с Ag, Сu и Ni образуют легкоплавкие эвтектики..

Действуя как раскислитель, фосфор повышает пластичность сплавов

золота. Избыточный фосфор, располагаясь по границам зерен в виде

фосфидной эвтектики, приводит к разрушению металла при нагреве выше

температуры ее плавления (например, при нагреве под пайку до 800 °С). В

сплаве ЗлСрМ585-80 при содержании фосфора до 0,03 % по массе сохра-

няется хорошая поверхность проката, но по границам зерен появляются

выделения эвтектики, поэтому в сплаве ЗлСрМ585-80 рекомендуется

ограничить содержание фосфора (0,01%).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие легирующие элементы могут входить в состав золотых

сплавов?

2. Как влияет серебро на сплавы золота?

3. Какое влияние оказывает медь на сплавы золота?

4. К чему приводит легирование золота никелем?

5. Как влияет платина и палладий на свойства золота и его сплавов?

6. Влияние цинка и кадмия на золотые сплавы.

7. Какое действие оказывает алюминий на сплавы золота?

8. Влияние олова и железа на сплавы золота.

9. Какое влияние оказывают кремний, свинец, висмут, теллур на

сплавы золота?

10. Влияние серы и фосфора на сплавы золота.

ЗАДАНИЕ

Используя данные таблиц 4.5, 4.6, опишите структуру и свойства

приведенных сплавов. Определите состояние сплавов. Укажите влияние

элементов на цвет, структуру и свойства золота.

Таблица 4.5 Микроструктура сплавов на основе золота

Сплав Микроструктура

HV,

кгс/мм

Микроструктура

HV,

кгс/мм

Au-Ag 59 118

Au-Cu 119 267

Au-Pd 126 281

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 5

АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ ЗОЛОТО-СЕРЕБРО-МЕДЬ

Важнейшими легирующими компонентами для сплавов типа «красного

золота» являются серебро, медь, цинк и некоторые другие металлы, введение

которых в сплавы может диктоваться необходимостью улучшения

технологичности сплавов, требованиями стабильности свойств сплава и

гарантированного уровня качества изделий.

Золото – серебро. В системе Au-Ag образуется непрерывный ряд

твердых растворов (рис. 5.1). Температура ликвидуса плавно понижается от

точки плавления золота 1064,49 °С до точки плавления серебра 960,08 °С.

Термодинамические расчеты показывают, что максимальная разница между

температурой ликвидуса и солидуса составляет менее 2 °С. Сплавы Au-Ag

обладают хорошими литейными свойствами, стойкостью к окислению. Они

мягки и пластичны. Величина σ

достигает максимального значения 21,5

кгс/мм

при 50-60 % (ат.) Ag. Относительное удлинение сплавов высокое, оно

составляет 40-50 %. Такое сочетание свойств позволяет легко обрабатывать

данные сплавы давлением. Так, сплавы с высоким содержанием золота могут

расковываться в фольгу толщиной 1-1,25·10

-4

мм. Добавки серебра приводят к

прогрессирующему изменению цвета. При 38 % (ат.) Ag сплав имеет

приятный зеленый цвет, однако при более высоком содержании серебра -

белый цвет. Данные сплавы используются в качестве материалов – объектов

исследований в экспериментальной физике [10]. Сплавы типа «красного

золота» изготавливают при минимальном количестве серебра и цинка и

повышенной концентрации меди в составе сплава [14].

Рисунок 5.1 – Диаграмма состояния системы Au-Ag

Золото – медь. В сплавах Au-Cu ниже температуры солидуса

образуется непрерывный ряд твердых растворов. Минимальная температура

плавления составляет 910 °С у сплава, содержащего 80 % Au (рис. 5.2).

Характерной особенностью сплавов Au-Cu является образование

упорядоченных фаз при медленном охлаждении. Явление упорядочения было

впервые открыто Н.С. Курнаковым, оно заключается в изменении взаимного

расположения атомов путем их диффузионного перемешивания в кристалле.

Степень упорядочения зависит от состава, при отклонении от

стехиометрического состава она уменьшается, так как избыточные атомы

располагаются неупорядоченно [10].

Выше температуры фазового перехода механические свойства сплава

Cu изменяются сложным образом. Между критической температурой и

580 °С наблюдается рост прочности сплава, обусловленный деформационным

старением. Выше 580 °С прочность сплава резко снижается [10].

Рисунок 5.2 – Диаграмма состояния системы Au-Cu

Сплавы Au-Cu имеют широкое промышленное применение. В течение

длительного времени их использовали в большей степени, чем другие сплавы

золота. Сплав эвтектического состава Au +20 % Cu используют для пайки

деталей в электровакуумной промышленности. Двойные сплавы Au-Cu могут

использоваться ювелирами для получения цветового контраста с обычными

желтыми или зелеными сплавами [10]. Согласно ГОСТ 30649-99 «красному

золоту» 585 пробы соответствует сплав ЗлСрМ 585-80 [14], содержащий в

среднем, 8 % серебра и до 33 % меди. Регулирование цветовых оттенков и

свойств сплавов допускается стандартом осуществлять с помощью

дополнительного легирования по согласованию с органами пробирной

палаты страны-изготовителя.