Материалы для ювелирных изделий - Владимир Куманин

Таблица 7.4

Химический состав сплавов, имитирующих сплавы золота

Медно-никелевые сплавы с добавками цинка, алюминия, олова, свинца и железа обладают достаточно высокими декоративными свойствами, имитируя серебро и его сплавы. Их можно использовать для литья (например, нейзильбер), для штамповки (мельхиор, томпак) и волочения. Наиболее широко для изготовления ювелирных изделий под серебро применяется нейзильбер (нем. «новое серебро»), содержащее помимо меди 15 % никеля и 20 % цинка.

Химический состав сплавов, имитирующих серебро, приведен в таблице 7.5.

Таблица 7.5

Химический состав сплавов, имитирующих серебро

Непрерывное повышение требований к изделиям бижутерии способствовало созданию ряда сплавов, которые наряду с высокой прочностью прекрасно имитируют серебряные и золотые сплавы (табл. 7.6).

Таблица 7.6

Химический состав имитирующих сплавов на основе меди

8. Сплавы на основе алюминия

Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления (деформируемые и литейные), способности к термической обработке (упрочняемые и неупрочнямые) и свойствам (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Диаграмма состояния алюминий – легирующий элемент (схема).

А – деформированные сплавы; В – литейные сплавы; I – сплавы неупрочняемые и II – упрочняемые термической обработкой.

8.1. Деформируемые сплавы на основе алюминия

К сплавам, не упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы АМц и АМг (табл. 8.1).

Сплавы отличаются высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью.

Сплавы АМц относятся к системе Al – Мп (рис. 8.2, а). Структура сплава АМц состоит из α-твердого раствора и вторичных выделений фазы МпAl6, переходящих в твердый раствор при повышении температуры. В присутствии Fe вместо МпAl6 образуется сложная тройная фаза (MnFe)Al6, практически нерастворимая в алюминии, поэтому сплав AlМп не упрочняется термической обработкой. В отожженном состоянии сплав обладает высокой пластичностью и низкой прочностью.

Таблица 8.1

Химический состав деформируемых алюминиевых сплавов

Сплавы АМг относятся к системе Al – Mg (рис. 8.2, б). Магний образует с алюминием α-твердый раствор, концентрация которого при повышении температуры увеличивается от 1,4 до 17,4 % в результате растворения фазы Mg2 Al3. Однако сплавы, содержащие до 7 % Mg, дают очень незначительное упрочнение при термической обработке.

Рис. 8.2. Диаграммы состояния: а – Al-Мn; б – Al-Мg; в – Al-Сu.

Сплавы типа АМц и АМг применяют для изготовления изделий методом вытяжки (колпачки авторучек, пеналы, бижутерия) и сварки (художественные изделия), от которых требуется высокая коррозионная стойкость.

К сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы нормальной прочности, высокопрочные и др. Типичные представители этих сплавов – дуралюмины (маркируют буквой Д). Они характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности и относятся к сплавам системы Al – Си – Mg. Согласно диаграмме состояния Al – Си (рис. 8.2, в) медь с алюминием образуют твердый раствор, максимальная концентрация меди в котором 5,65 % при эвтектической температуре. С понижением температуры растворимость меди уменьшается, достигая 0,1 % при 20 °C. При этом из твердого раствора выделяется фаза θ (СuAl2), содержащая ~54,1 % Сu. В сплавах, дополнительно легированных магнием, помимо фазы θ образуется еще фаза S (СuМgAl2). Чем больше меди содержится в сплаве, тем большее количество фазы θ будет в его структуре (Д1). Увеличение содержания магния приводит к росту количества фазы S и повышению прочности сплава (Д16). Разница в свойствах особенно значительна после упрочняющей термической обработки. Например, у свежезакаленного сплава Д1 σв = 24–26 кг/мм2, δ = 20–22 %, НВ = 60–80 кг/мм2. В результате естественного старения дуралюмин Д1 приобретает следующие механические свойства: σв = 38–42 кг/мм2; δ = 18 %; НВ = 100 кг/мм2.

При закалке сплав Д16 нагревают до 495–505 °C, Д1 – до 500–510 °C, затем охлаждают в воде при 40 °C. После закалки структура состоит из пересыщенного твердого раствора и нерастворимых фаз, образуемых примесями. При естественном старении происходит образование зон Гинье – Престона, богатых медью и магнием. Старение продолжается 5–7 суток. В бинарном сплаве Al – Си искусственное старение, заключающееся в старении после закалки при повышенной температуре (100 °C), сокращает время старения до 1–1,2 суток. При увеличении времени старения при температурах 150–200 °C происходит коагуляция упрочняющей θ-фазы (СиAl2), в результате чего сплав разупрочняется. Таким образом, процесс искусственного старения протекает в несколько стадий. Первая стадия, как и в случае естественного старения, состоит из образования зон Гинье – Престона, имеющих такую же природу, но обладающих большими размерами. На второй стадии с течением времени зоны переходят в промежуточную θ-фазу, а затем (в третьей стадии) в устойчивую θ-фазу, близкую к металлическому соединению СиAl2. В сплаве Д16 большую роль играет тройное металлическое соединение Al2CuMg (фаза S). В этом сплаве упрочнение при старении происходит вследствие образования зон, обогащенных медью и магнием, переходящих при нагревании в промежуточную фазу S’, которая обладает искаженной решеткой соединения Al2CuMg. Дальнейший переход фазы S’ в фазу S (Al2CuMg) и ее коагуляция вызывают разупрочнение сплава. В алюминиевых сплавах для ювелирных изделий искусственное старение не применяется.

8. 2. Литейные сплавы на основе алюминия

Некоторые ювелирные изделия, такие как предметы быта, курительные наборы, столовые приборы, оружейные накладки, элементы перьевых и шариковых ручек, а также бижутерия, поверхность которых анодируется или обрабатывается катодно-импульсной бомбардировкой (под золото), выполняются методом литья из алюминиево-кремниевых сплавов (силуминов) с высокими литейными свойствами.

Согласно диаграмме состояния системы Al – Si (рис. 8.3) кремний не образует с алюминием химических соединений и присутствует в сплавах алюминия в элементарном виде. Но по своим физическим свойствам кремний близок к химическим соединениям, он обладает высокой твердостью (HRC 106) и так же, как и они, хрупок.

Несмотря на заметную и переменную растворимость, кремний не придает алюминию способность к упрочнению термической обработкой, что связано с неблагоприятным характером распада твердого раствора кремния в алюминии. Растворяясь в алюминии, кремний несколько упрочняет его, незначительно снижая при этом пластические свойства. Алюминиевый сплав, содержащий даже 10–12 % Si, остается достаточно пластичным.

Рис. 8.3. Диаграмма состояния системы AI – Si.

Силумины подразделяют на двойные (или простые), легированные только кремнием, и специальные, в которых помимо кремния содержатся в небольшом количестве другие легирующие компоненты (Mg, Си, Mn, Ni). Силумины относятся к числу эвтектических или доэвтектических сплавов. Без учета влияния других компонентов (кроме Si) их структура представляет собой либо эвтектику α + Si (АЛ2), либо первичные кристаллы α + эвтектика α + Si (АЛ4, АЛ9, АЛБ).

Кремний имеет переменную растворимость в алюминии, которая возрастает от <0,1 % при комнатной температуре до 1,65 % при эвтектической температуре (577 °C). Поэтому нагревом алюминиево-кремниевых сплавов до температуры, близкой к эвтектической, и быстрым охлаждением можно получить пересыщенный твердый раствор кремния в алюминии, который при последующем старении распадается с выделением дисперсных частиц кремния. Однако упрочняющий эффект от указанной обработки крайне мал и не имеет практического значения. Таким образом, двойные (простые) силумины относятся к числу термически неупрочняемых сплавов, обладающих невысокими прочностными характеристиками.

Единственный способ несколько повысить их прочность и пластичность – измельчение эвтектических кристаллов кремния, которое может быть достигнуто двумя путями: 1) увеличением скорости охлаждения при кристаллизации, 2) введением в сплавы малых добавок (сотые доли процента) щелочных металлов (натрия, лития, стронция). Первый путь дает хорошие результаты. Однако он находит ограниченное применение в изготовлении тонкостенных ювелирных отливок с мелкими деталями рельефа, которые могут не залиться при литье в металлический кокиль или при литье под давлением. Второй путь – модифицирование структуры силуминов малыми добавками – более универсален. Модифицированием структуры обычно называют изменение, улучшение структуры при введении малых добавок не вследствие образования каких-либо новых структурных составляющих, а в результате влияния этих добавок на величину и форму структурных составляющих, образованных другими компонентами.