Материалы для ювелирных изделий

Куманин Владимир Игоревич

Мельхиоры

Мельхиоры – цветные сплавы меди и никеля, содержащие от 18 до 30 % Ni. Они отличаются высокой прочностью, хорошо обрабатываются механически, имеют высокую коррозионную стойкость. В табл. 7.1 приведен химический состав мельхиоров, используемых для изготовления художественных изделий.

Кроме никеля в некоторые марки мельхиоров вводят железо, марганец, хром. Легирование мельхиора железом и марганцем позволяет повышать коррозионную стойкость сплава. Наибольшее распространение получил мельхиор марки МН19 с пониженным по сравнению с остальными содержанием никеля, так как никель – дефицитный и достаточно дорогой металл.

Таблица 7.1

Химический состав мельхиоров

Сплавы МН19, МНЗО, МНЖМцЗО-1-1 однофазны по структуре, поскольку железо и марганец до 1 % растворимы в мельхиоре.

Эти сплавы хорошо деформируются как в холодном, так и в горячем состоянии. По коррозионной стойкости превосходят нержавеющую сталь. Для улучшения внешнего вида изделий из мельхиора их покрывают тонким слоем серебра.

Легирование мельхиора хромом приводит к расслоению твердого раствора по синодальному типу на два твердых раствора с одинаковой кристаллической решеткой, один из которых – α’ – обогащен медью, а другой – α” – никелем. Это позволяет значительно упрочнять сплавы системы Си – Ni – Сr. Так, если для сплава МНЗО (Си + 30 % Ni) временное сопротивление составляет 130–350 МПа, для сплава МНХЗО-З (Си + 30 % Ni + 2,8 % Сr) его значение возрастает до 600 МПа при относительном удлинении 30 % (охлаждение на воздухе с Т = 900 °C). Сплавы системы Си – Ni – Сr технологичны, хорошо свариваются, обладают лучшей коррозионной стойкостью в морской воде, чем сплавы Си + 30 % Ni и Си +30 % Ni +1 % Fe. Усталостная прочность их на 40 % выше, чем у сплава Си + 30 % Ni.

Однако никель является дефицитным материалом. Технические потребности заставляют вести поиск новых сплавов, не уступающих по коррозионной стойкости мельхиорам.

Нейзильберы

Нейзильберы – сплавы системы Си – Ni – Zn с содержанием никеля от 5 до 35 % и цинка от 13 до 45 %.

В системе Си – Ni – Zn имеется обширная область твердых растворов. Сплавы с малым и средним содержанием цинка имеют однофазную структуру α-твердого раствора.

Нейзильберы отличаются красивым серебристым цветом, не окисляются на воздухе, устойчивы в растворах солей и органических кислот. В дословном переводе с немецкого языка Neusilber – «новое серебро». Наиболее распространенным представителем нейзильберов является сплав МНЦ15-20 (Си + 15 % Ni + 20 % Zn). Этот сплав широко используется в приборостроении, для изготовления технической посуды и медицинских инструментов, а также деталей часов (как коррозионно-стойкий и неферромагнитный материал). Сплав МНЦС16-29-1,8 (Си + 16 % Ni + 29 % Zn + 1,8 % Pb) дает чистую поверхность при обработке резанием.

Для улучшения механических свойств нейзильберов, широко применяемых в центробежном литье при изготовлении ювелирных изделий, необходимо вводить добавки с учетом раскислительной способности, позволяющие уменьшить содержание оксида меди и повысить пластичность, а также прочностные свойства нейзильбера.

Кроме того, ряд добавок, например Al, Sn, V и др., улучшает коррозионную стойкость отливок.

С увеличением содержания никеля твердость и прочность сплавов повышаются. Нейзильбер и мельхиор хорошо деформируются, упрочняются деформационным наклепом. Введение алюминия в сплавы делает их дисперсионно-твердеющими (сплавы МНAl3-3, МНАб-1,5), повышается также коррозионная стойкость. Свинцовистый нейзильбер обладает хорошими упругими свойствами, хорошо обрабатывается резанием. Температура полного отжига мельхиора МН19 и нейзильбера МНЦ15-20 составляет 600–780 °C.

Для уменьшения остаточных напряжений достаточен отжиг при температуре 250–300 °C.

В ювелирном деле нейзильбер используется для изготовления булавок, посеребренных столовых приборов, игл различных форм и др.

Куниали (алюмоникелевые бронзы)

Куниали (алюмоникелевые бронзы) – сплавы тройной системы Си – Ni – Al, алюминий растворяется в меди до 8 %. С понижением температуры растворимость его резко уменьшается, поэтому сплавы меди с алюминием можно подвергать упрочняющей термообработке: закалке и старению.

Сплавы под закалку нагревают до 900—1000 °C, охлаждение – в воде. Старение проводится при 500–600 °C. Упрочнение при старении происходит за счет выделения дисперсных фаз NiAl и NiAl2.

В промышленности применяют в основном кун и ал ь А (МНAl3-3) и куниаль Б (МНА6-1,5). (Встречаются также обозначения БрНAl3-3 и БрНАб-1,5 соответственно.) У куниали А при комнатной температуре временное сопротивление 630–640 МПа при относительном удлинении 5—10 %.

Нагартовка между закалкой и старением еще сильнее повышает прочностные свойства куниалей. Так, после закалки при 900 °C, последующей холодной деформации на 25 % и старения при 550 °C в течение 2–3 ч временное сопротивление достигает 800–900 МПа при относительном удлинении 5—10 %.

7.2. Латуни и томпаки

Технические сплавы меди с цинком называются латунями. Латунь с содержанием цинка 10 %, остальное медь, называют томпаком, а сплавы меди с 14–20 % Zn – полутомпаками.

Различают латуни простые – двойные сплавы меди с цинком и с некоторыми примесями, не имеющими существенного значения, и сложные – легированные, которые содержат в своем составе ряд элементов, оказывающих существенное влияние на свойства сплава.

Диаграмма

состояния системы Сu – Zn показана на рис. 6.2. В этой системе практический интерес представляют область одного твердого раствора α (Zn в Сu) и следующая за ней область, в которой встречаются две фазы, (α + β) или β’. Поэтому латуни по химическому составу и структуре разделяют на однофазные (α-латуни) и двухфазные (α + β’) – латуни.

Граница между ними – предел растворимости Zn в Сu – 39 %.

β-фаза представляет собой твердый раствор на базе электронного соединения CuZn и имеет решетку объемно центрированного куба (отличную от Сu и Zn).

При температуре выше 453–470 °C β-фаза является неупорядоченным твердым раствором. При 453–470 °C происходит упорядочение расположения атомов меди и цинка в кристаллической решетке центрированного куба (на каждый атом Сu приходится атом Zn). Упорядоченный твердый раствор обозначен β’.

β-фаза распространяется на область содержания Zn от 46 до 50 %. CuZn может растворять в себе и Сu, и Zn.

γ-фаза – твердый раствор на базе электронного соединения Cu5Zn8. Он хрупок, поэтому сплавы меди с цинком, содержащие γ-фазу, применения не находят.

Практическое применение находят латуни с содержанием Zn не более 45–47 %. Таким образом, применение имеют только два типа латуней: α-латуни с содержанием Zn до 39 % и (α + β’) – латуни с содержанием Zn от 39 до 47 %. При содержании цинка более 50 % в сплавах может быть ε-фаза – твердый раствор на базе электронного соединения CuZn3; η-фаза – твердый раствор меди в цинке.

В ювелирном деле латуни используют для изготовления украшений и посуды. Например, сплавы золота 585-й пробы имитируются латунью ЛАМц66-4-3. В ряде остальных случаев используют многокомпонентные латуни.

В состав многокомпонентной латуни вводят такие элементы, как олово, кремний, алюминий, никель и др. Основная цель – повысить литейные свойства латуни.

Олово . При содержании олова до 2,0–2,5 % оно не оказывает влияния на жидкотекучесть. Улучшает механические свойства в области твердого раствора, повышает коррозионную стойкость.

Рис. 7.2. Диаграмма состояния Си – Zn.

Кремний . Увеличивает жидкотекучесть, уменьшает испарение цинка при плавке и литье. Улучшает обрабатываемость резанием, паяемость. Увеличивает прочностные свойства, твердость.

Алюминий . Повышает жидкотекучесть, качество поверхности отливок, увеличивает коррозионную стойкость. Улучшает механические свойства. Сильно уменьшает растворимость цинка. Уменьшает испарение цинка при плавке и литье.

Марганец . Несколько снижает жидкотекучесть, повышает коррозионную стойкость и механические свойства.

Никель . Добавки 1,0–1,5 % Ni улучшают жидкотекучесть, измельчают зерно; при содержании 2 % жидкотекучесть ухудшается. Увеличивает коррозионную стойкость.

В таблице 7.2 приведен химический и фазовый состав латуней с высокими декоративными свойствами.

Таблица 7.1

Химический и фазовый состав латуней с высокими декоративными свойствами (содержание железа по массе 0,8–1,570 )

Входящие в группу латуней, томпаки и полутомпаки имеют желтоватый цвет и по свойствам близки к меди.

Их используют для изготовления различных ювелирных изделий с соответствующим защитным и декоративным покрытием.

7.3. Бронзы

Сплавы меди со всеми металлами, кроме цинка, называют бронзами. В ювелирной промышленности в основном используются оловянистые бронзы (сплавы системы Си – Sn), обладающие высокими литейными свойствами (жидкотекучесть, малая усадка), достаточно высокой прочностью, коррозионной стойкостью и имеющие красивый желтоватый цвет. Применение находят сплавы меди, содержащие до 5 % олова. Кроме того, используются алюминиевые и кремниевые бронзы.

Оловянистые бронзы

Диаграмма состояния медь – олово приводится на рис. 6.3.

В сплавах системы Си – Sn образующие фазы следующие:

α-фаза – твердый раствор замещения олова в меди, имеющий гранецентрированную кубическую решетку;

β-фаза – твердый раствор на базе химического соединения Cu3Sn8;

γ-фаза – твердый раствор на базе химического соединения Cu31Sng, образующийся при перитектической реакции между жидким сплавом и β-фазой;

ε-фаза – электронное соединение Cu3Sn;

η-фаза – химическое соединение Cu6Sn5.