Материалы для ювелирных изделий
Шрифт:
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.
Сплавы типа АМц и АМг применяют для изготовления изделий методом вытяжки (колпачки авторучек, пеналы, бижутерия) и сварки (художественные
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.
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).
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.