Материалы для ювелирных изделий - Владимир Куманин

На практике широко применяют модифицирование силуминов натрием или смесью его солей (60 % NaF + 25 % NaCl + 15 % Na3AlF6 или 40 % NaF + 45 % NaCl + 15 % NagAlF6 и др.), которые одновременно используют в качестве рафинирующих флюсов).

Рис. 8.4. Структура эвтектического силумина (11,7 % Si): а – сплав не модифицирован: б – сплав модифицирован натрием.

Введение 0,01 % Na в сплавы Al – Si приводит к резкому измельчению кристаллов эвтектического кремния, поскольку присутствующий в расплаве натрий при кристаллизации адсорбируется на поверхности кристаллов кремния и препятствует их дальнейшему росту.

Присутствие натрия в силуминах вызывает, кроме того, сдвиг эвтектической точки в сторону более высоких концентраций кремния, поэтому эвтектические и заэвтектические до модифицирования сплавы после модифицирования становятся доэвтектическими, и в них вместо кремния появляются дендриты α-твердого раствора, которые при кристаллизации становятся ведущей фазой. На рис. 8.4 показаны структуры немодифицированного и модифицированного силумина с 11,7 % кремния.

На рис. 8.5 показано влияние способа охлаждения при кристаллизации и модифицирования натрием на механические свойства двойных алюминиево-кремнистых сплавов.

Рис. 8.5. Механические свойства сплавов AI – Si в зависимости от содержания кремния:

1 – сплав модифицированный литье в землю, 2 – сплав немодифицированный, литье в землю, 3 – сплав немодифицированный, литье в кокиль.

Эффект модифицирования, т. е. улучшение механических свойств вследствие модифицирования, тем больше, чем выше содержание кремния в сплаве, поскольку при модифицировании меняются величина и форма кристаллов кремния. На силумины, содержащие менее 5 % Si, модифицирование положительного действия не оказывает.

Для ювелирного литья применяют сплав АЛ2. Плотность эвтектического силумина АЛ2 составляет 2,66 г/см3. Он имеет высокую коррозионную стойкость в воздушной атмосфере, включая атмосферу морского воздуха. Небольшие добавки марганца и магния дополнительно повышают коррозионную стойкость. Высокие литейные свойства силуминов определяют их хорошую свариваемость, что важно при сборке ювелирных изделий. Термически не-упрочняемый эвтектический силумин АЛ2 имеет высокую пластичность, но невысокие прочностные характеристики. Существенное преимущество сплава АЛ2 – малый интервал кристаллизации (близкий к нулю), поэтому в отливках не образуется усадочной пористости, что очень важно при доводочных операциях – шлифовке и полировке ювелирных отливок, так как при механической обработке усадочная пористость вскрывается и ухудшает поверхность изделия. В ювелирном литье указанные дефекты не допускаются.

В художественном литье образование концентрированных усадочных раковин (что характерно для сплавов с малым интервалом кристаллизации) вызывает трудности при отливке средних и сложных по конфигурации отливок. В этом случае применяют упрочняемый термообработкой сплав АЛ4, который по сравнению со сплавом АЛ2 имеет значительно меньшую концентрированную усадочную раковину, что важно при отливке барельефов, скульптур и пр.

Отливки из сплава АЛ4 подвергают закалке и отпуску. В процессе нагрева происходят некоторое укрупнение частиц кремния в эвтектике и переход в раствор (при закалке) и выделение (при отпуске) в высокодисперсной форме частиц фазы Mg2Si, что вызывает дополнительное упрочнение сплава. В ювелирном и художественном литье часто применяют сплав АЛ9 (система Al – Si – Mg). Сплав содержит 6–8 % Si, 0,2–0,4 % Mg. Перед заливкой форм его не модифицируют, а также не проводят искусственное старение отливки (отливки только закаливают). В сплаве сочетаются удовлетворительная прочность, высокая пластичность с хорошими литейными свойствами. В табл. 8.2 приведены составы алюминиевых сплавов, применяемых в ювелирном и художественном литье.

Таблица 8.2

Состав алюминиевых литейных сплавов, применяемых в ювелирном и художественном литье

Сплавы второй группы имеют низкую линейную усадку (1–1,4 %), высокую жидкотекучесть β50—420 мм) и нулевую склонность к образованию горячих трещин. Сплавы хорошо обрабатываются резанием, хорошо шлифуются и полируются. При помощи анодирования электродугового метода имитируют золото различных проб.

Технология анодирования сплавов на основе алюминия следующая. Алюминиевую отливку с хорошо подготовленной поверхностью (обезжиренной, шлифованной и полированной) и свинцовый катод помещают в охлаждаемую ванну с раствором серной кислоты (плотность 200–300 г/л). Процесс протекает при плотностях тока 10–50 мА на 1 см2 отливки (требуемое напряжение источника до 50—100 В). Температура электролита – до +20 °C. Образующаяся при повышенных температурах окисная пленка бесцветная, что позволяет окрашивать ее любыми красителями. При пониженных температурах пленка окрашивается в золотистый цвет (под золото).

В электродуговом методе, получившем название конденсация ионной бомбардировкой (КИБ), используется вакуумная камера, в которой размещен катод (рис. 8.6). В результате приложенного напряжения между корпусом камеры и катодом возникает электрическая дуга. Из катодного пятна вылетают ионы, электроны и нейтральные частицы. Некоторая доля этих частиц попадает на изделие, расположенное внутри камеры. Вначале частицы разрыхляют поверхностный слой изделия, эффективно очищая его и нагревая до 300–500 °C. Далее происходит насыщение поверхностного слоя атомами того материала, из которого изготовлен катод. Если в камеру ввести азот, то на поверхности изделия формируется нитридное покрытие.

Рис 8.6. Схема нанесения покрытий методом КИБ:

1 – катод; 2 – нейтральные частицы; 3 – электроны; 4 – ионы; 5 – отливка.

Широкое распространение получили покрытия из нитрида титана, которые удачно имитируют позолоту. Причем, регулируя параметры процесса, можно добиться полного сходства с золотом различных проб. Такие покрытия отличаются прочным сцеплением с материалом изделия и высокой износостойкостью. При нанесении покрытий методом КИБ предъявляются очень жесткие требования к качеству поверхности изделий: на ней не должно быть загрязнений, таких как ржавчина, масло и другие неметаллические материалы.

9. Сплавы на основе цинка

Цинк широко используют для изготовления бижутерии. Застежки, молнии, пуговицы, элементы недорогих бус, декоративные накладки на подарочные папки и ружья, личные украшения (цепочки), ювелирные шкатулки и т. п. выполняются из цинковых сплавов. В чистом виде цинк применяется для антикоррозионных и декоративных покрытий.

Механические свойства цинка характеризуются следующими средними показателями: σв = 15 кГ/мм2, δ = 20 %, ψ = 70 % и НВ = 30 кГ/мм2.

Сплавы на основе цинка применяют для получения художественных и ювелирных отливок литьем под давлением и в кокиль.

Согласно диаграмме состояния системы Zn – Al, приведенной на рис. 9.1, первичными кристаллами являются твердый раствор алюминия в цинке (β-фаза), а эвтектикой – смесь кристаллов α и β (α-твердый раствор цинка в алюминии). Однако при медленном охлаждении α-фаза при температуре 270 °C распадается с образованием эвтектоида: α → α1 + β, где α1 является также твердым раствором цинка в алюминии, но содержит в своем составе 27 % Zn. Фаза α имеет в составе: 79 % Zn и 21 % Al.

Необходимо указать, что если быстрым охлаждением удается предотвратить распад α-твердого раствора, то в силу неустойчивого его состояния при обычных температурах происходит распад уже в готовых изделиях. Этот процесс часто называют естественным старением. При старении происходит изменение свойств и линейных размеров отливок. Последнее характерно для цинко-магниевых сплавов, а в цинко-алюминиевых и цинко-медных сплавах изменение линейных размеров не наблюдается. Двойной сплав цинка с алюминием имеет структуру, указанную на рис. 9.2.

Рис. 9.1. Диаграмма состояния Zn-AI.

Рис. 9.2.

Микроструктура сплава цинка с 4 % алюминия. Видны светлые первичные кристаллы β-твердого раствора и эвтектика α + β (темное поле).

Из других сплавов для ювелирного и художественного литья следует выделить бинарный сплав цинк – медь и тройной сплав для литья под давлением, содержащий 4 % Al, 3 % Си, 0,1 % Mg, остальное Zn. Сплав Zn – Си выгодно отличается от сплава Zn – Al тем, что в нем не наблюдается старение при тех же литейных свойствах. Однако он имеет более низкие механические свойства. Тройной цинковый сплав для литья под давлением с 4 % Al, 3 % Си, 0,1 % Mg имеет наиболее высокие механические свойства и лучшие литейные качества по сравнению с другими цинковыми сплавами. Припои

Цинковые припои в основном используют для пайки алюминиевых сплавов. Хорошо оправдал себя припой, представляющий сплав цинка с 40 % кадмия. Этот сплав имеет температуру плавления 266 °C, временное сопротивление 100 МПа и относительное удлинение 5 %.