Художественная обработка сплавов титана

Титан и его сплавы обладают хорошими декоративными качествами, напоминают по цвету старинное серебро.

Художественные титановые отливки гармонично сочета­ются с такими декоративными полудрагоценными камнями, как малахит, яшма, родонит, применяемыми для изготовле­ния подставок.

Листы из чистого титана пригодны для чеканки. Они об­ладают очень красивым внешним видом, не поддаются атмо­сферной коррозии, перспективны для экстерьерных декора­тивных изделий.

В России, США и других странах появились монументаль­ные сооружения, изготовленные из титана. Широко известны монумент покорителям космоса и памятник Ю. Гагарину на площади его имени в Москве. Фигура Гагарина изготовлена из отдельных блоков общей высотой 14 м. В Японии широко используется листовой титан для на­ружной обшивки крыш, внутреннего интерьера.

На титановых изделиях методом анодного окисления можно образовывать слои оксидов различной толщины, из­меняющие цвет их поверхности. Регулируя уровень напряже­ния и время обработки, можно получить темно-синий, светло-синий, желтый, розовый, бирюзовый, зеленый цвета. Отжиг титановых изделий в атмосфере азота или ионно-плазменная обработка позволяют формировать на поверхности стойкие нитриды титана золотых оттенков. Эта технология использо­вана для реставрации памятников и изготовления крестов на восстанавливаемых церковных зданиях.

Широкое внедрение титановых сплавов пока сдерживает­ся их сравнительно высокой стоимостью. Объясняется это высоким сродством титана ко многим элементам и прочно­стью химических связей в его природных соединениях. Со­вершенствование технологических процессов производства и широкие перспективы применения титановых сплавов в раз­личных отраслях позволяют с уверенностью утверждать, что они станут важнейшими конструкционными и декоративны­ми материалами ближайшего будущего.

Применение серебра и его сплавов в декоративно-художественной и ювелирной промышленности.

Мягкий, белый, пластичный металл, из которого можно изготовить фольгу толщиной 2,5 микрона; свет, проходящий через фольгу приобретает голубовато-зеленый оттенок. Твердость серебра — 2,5-3 единицы по шкале Моос. Из всех металлов серебро обладает наибольшей отражательной способностью. Хорошо растворяется в азотной кислоте, во влажном состоянии реагирует с хлором, бромом, йодом. Не поддается воздействию холодной серной кислоты при ее концентрации не более 80%.

Расплавленное серебро может в очень больших количествах поглощать кислород, активно выпуская его при охлаждении, при этом образуется пористость, влияющая на качество поверхности.

Серебро в золотом сплаве придает ему пластичность, блеск и облегчает пайку, однако изменяет цвет сплава и значительно повышает его цену.

Не являясь драгоценным, этот металл имеет огромное применение в ювелирной промышленности, используется почти во всех сплавах как легирующий элемент для получения определенного цвета или механических свойств. Увеличивает сопротивление золота, прежде всего, износу. Медь делает более прочным золотые сплавы, не облегчает пайку, придает хрупкость сплаву при сколачивании, так как легко кристаллизуется. Для использования наиболее подходит электролитическая медь 999, выпускаемая в виде катодов.

Серебро - химический элемент, металл. Атомный номер 47, атомный вес 107,8. Плотность 10,5 г/см³. Кристаллическая решетка -гранецентрированная кубическая (ГЦК). Температура плавления 963°С. Твердость по Бринеллю 16,7.

Серебро - металл белого цвета. Считается вторым после золота благородным металлом. Полированное чистое серебро практически не изменяет свой цвет на воздухе. Однако под воздействием сероводорода воздуха со временем покрывается темным налетом - сульфид серебра Ag2S. Серебро по сравнению с золотом и платиной менее устойчиво в кислотах и щелочах.

Серебро прекрасно деформируется как в холодном, так и в горячем состоянии. Хорошо полируется, имеет высокую отражательную способность.

Для изготовления художественных изделий используется как чистое серебро, так и его сплавы с медью и платиной.

Диаграмма состояния сплавов системы Аg-Сu показана на рисунке.

Медь в серебре и серебро в меди растворимы ограниченно и растворимость изменяется с изменением температуры. Максимальная растворимость наблюдается при температуре 779°С и составляет в а-твердом растворе - 8,8% Сu, в β-твердом растворе -8,0% Ag. Таким образом, сплавы содержащие от 8 до 91,8% Ag являются двухфазными и их структура представляет собой смесь двух твердых растворов - твердого раствора меди в серебре (α-фаза) и твердого раствора серебра в меди ((β-фаза). В ювелирной промышленности применяются, как правило, сплавы, содержащие более 72% Ag. Составы сплавов и их марки приведены в таблице ГОСТ 6836 - 80).

С понижением температуры растворимость меди в а-твердом растворе понижается. Таким образом, ювелирные сплавы, имеющие, изначально гомогенную структуру а-твердого раствора (100-91,2% Аg) и пониженную прочность, могут быть подвергнуты старению с целью повышения их прочности и твердости. В результате нагрева при старении из пересыщенного медью а-твердого раствора выделяются кристаллы β -фазы (вторичные), которые обогащены медью и обеспечивают повышение прочностных свойств. При этом количество β -фазы может составлять 10% всей структуры. Это особенно существенно для сплавов СрМ950, СрМ925, СрМ900 и СрМ875.

При очень быстром охлаждении при закалке эвтектическое прекращение в сплавах Аg-Сu может быть подавлено. Последние данные рентгенографических исследований показывают, что в интервале от 100% Аg до 100% Сu образуется только одна фаза -твердый раствор с ГЦК-решеткой. Ювелирное изделие, полученное таким образом, может использоваться при комнатных температурах, однако при повышении температур из-за нестабильности структуры свойства такого изделия, в частности декоративные, могут изменяться.

Механические свойства серебра существенно зависят от содержания в них меди. Так, увеличение концентрации меди с 5% (СрМ950) до 20% (СрМ800) приводит к повышению прочности на 30%, а твердости - на 60% при, одновременном снижении пластичности (таблица).

механические свойства

Сплавы серебра с платиной применяются в ювелирной промышленности сравнительно редко, несмотря на высокую технологичность этих сплавов: они хорошо деформируются как в холодном, так и в горячем состоянии, имеют не высокую температуру плавления, прекрасно полируются, и их применение ограничено высокой стоимостью платины.

Химический состав серебряно-платиновых сплавов приведен в таблице.

Серебряно-платиновые сплавы

Сплавы Au-Ag обладают хорошими литейными свойства­ми, стойкостью к окислению. Они мягки и пластичны. Вели­чина временного сопротивления а_в достигает максимального значения при 50-60 % (ат.) Ag. Относительное удлинение сплавов высокое, оно составляет 40-50 %. Такое сочетание свойств позволяет легко обрабатывать такие сплавы давлени­ем. Так, сплавы с высоким содержанием золота могут раско­вываться в фольгу толщиной (1,00-1,25) * 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 сплавы имеют малопривлекательный белый цвет и подвержены поту­скнению.

Техническое применение двойных сплавов Au-Ag очень ограничено. Небогатая цветовая гамма и невысокая стойкость к истиранию не позволяют использовать их в ювелирном деле и стоматологии.

Для этих целей, как правило, используют многокомпо­нентные сплавы, содержащие платину, палладий и различ­ные неблагородные металлы.

Цвет сплавов меняется с повышением содержания серебра от красного , соответствующего чистому золоту до белого цвета – чистого серебра. Сплавы с содержанием золота в пределах от 60 до 70% Au имеют красивый зеленый оттенок, однако из-за низких механические свойств применяются редко. Сплавы Au-Ag -обладают хорошимb литейными свойствами, пластичны, имеют высокую коррозионную стойкость, однако мало применяются в технике из-за низкой твердости. Из-за небогатой цветовой гаммы и малой стойкости к истиранию сплавы этой системы не находят применения в ювелирном деле, а используются для изготовления контактов, проводников и других деталей в электротехнике.

Серебряные сплавы различных проб

Проба 950. Сплав СрМ950 используют для эмалирования и чернения. Цвет этого сплава соответствует цвету чистого серебра. Сплав очень хорошо поддается обработке давлением. Его применяют также при глубокой вытяжке, чеканке, для изготовления очень тонкой проволоки.

Интервал кристаллизации этого сплава достаточно узок -температуры ликвидуса и солидуса этого сплава соответственно равны 910 и 870°С После кристаллизации структура этого сплава твердый раствор меди в серебре. Ниже 600°С из-за понижения растворимости из а-твердого раствора выделяется β-фаза.

К недостаткам сплава серебра 950 пробы следует отнести невысокие механические свойства (см. таблица), изделия изготовленные из этого сплава, при эксплуатации деформируются. Старением можно увеличить прочность сплава от 500 до 1000 МПа, но это приводит к усложнению и удорожанию технологического процесса обработки сплава.

Пробы 925 и 916. Сплав СрМ925 иначе еще называется "стерлинговое" или "стандартное" серебро. Из-за высокого содержания серебра в сплаве и высоких механических свойств оно нашло широкое распространение во многих странах. Цвет сплава такой же, как и у сплава серебра 950 пробы, однако механические свойства выше (см. таблицу). Сплав пригоден для эмалирования и чернения. Наиболее широко сплав используется для изготовления ювелирных изделий и столовых принадлежностей. Сплав СрМ925 является старейшим ювелирным сплавом, широко используемым также в монетном и медальном производстве. Температуры ликвидуса и солидуса этого сплава составляют 896 и 779°С соответственно. Сплав СрМ925 выше температуры 760°С представляет собой гомогенный твердый раствор меди в серебре. Однако обычная структура промышленных отливок состоит из первичного обогащенного серебром твердого раствора и небольшого количества эвтектики. При охлаждении отливки до комнатной температуры растворимость меди в серебре уменьшается и выпадает вторичная фаза, представляющая собой обогащенный медью твердый раствор.

Таким образом, обычная литая структура сплава состоит из вторичного твердого раствора на основе серебра, выпадающего из него твердого раствора на основе меди и эвтектики β+а.

Обработка давлением и отжиг изменяют литую структуру сплава. Обработанный давлением сплав СрМ925 состоит из серебряной матрицы, в которой растворено небольшое количество меди, и частиц твердого раствора на основе меди, содержащих в растворе небольшое количество серебра. Изменяя режимы термообработки, можно получать различные свойства и структуры сплава в широких пределах. Это связано с тем, что при нагреве сплава растворимость меди в серебре увеличивается и при температуре 745°С вся медь, содержащаяся в сплаве, растворяется в серебре. При этом образуется твердый раствор меди в серебре. Если сплав с этой температуры охлаждать с большой скоростью, медь сохранится в твердом растворе, и в результате получится мягкий и пластичный сплав. При невысокой скорости охлаждения (например, на воздухе) медь будет выделяться из раствора, при этом наблюдается дисперсионное твердение сплава. При очень малой скорости охлаждения в печи результат будет аналогичным охлаждению в воде. Сплав СрМ925 может упрочняться искусственным старением обычным способом, т. е. нагревом до температуры 745°С, закалкой в воде и старением при температуре 300°С. Прочность сплава при этом повышается с 600 до 1600 МПа. Однако эта операция проводится редко из-за склонности сплава к образованию крупнозернистой структуры.

Сплав СрМ916 широко применяется в отечественной ювелирной промышленности для изготовления столовых принадлежностей и ювелирных изделий. Сплав находится практически на границе области доэвтектических сплавов системы Ag-Cu Температуры ликвидуса и солидуса сплава соответственно равны 888 и779°С.

Сплав СрМ916 очень близок по свойствам к рассмотренному выше сплаву СрМ925, и многое из того, что касается структуры и свойств этого сплава после литья, обработки давлением и термообработки, также применимо к сплаву СрМ916.

Проба 900. Этот сплав применяется для филигранных работ.

Цвет его несколько отличается от цвета чистого серебра. Этот сплав

менее стоек на воздухе, чем сплавы 950 и 925 проб, однако имеет хорошие литейные свойства, хорошо обрабатывается давлением, но для глубокой чеканки является слишком прочным. Содержание меди в сплаве СрМ900 превышает предел растворимости меди в серебре, и поэтому сплав во всех случаях содержит некоторое количество эвтектики.

Проба 875. Сплав СрМ875 применяется для изготовления ювелирных изделий и декоративных украшений. Цвет сплава и стойкость к потускнению почти такие же, как и у сплава СрМ900. Механические свойства его более высокие (см. таблицу), а обратываемость давлением хуже, чем у сплава СрМ900.

Структура литого сплава состоит из кристаллов, обогащенных серебром твердого а-раствора и расположенных по границам а-зерен эвтектики. Проба 800. Сплав СрМ800 применяется за рубежом для изготовления посуды вместо сплава 925-й пробы, а также для изготовления украшений. Недостатком сплава является желтоватый цвет и малая химическая стойкость на воздухе. Пластичность у этого сплава значительно ниже, чем у сплава СрМ925, поэтому в процессе обработки давлением его следует чаще подвергать промежуточном; отжигу. Литейные свойства сплава СрМ800 выше, чем у более высокопробных сплавов. Микроструктура сплава будет отличаться лишь незначительным увеличением доли эвтектики.

Влияние примесей на свойства

Никель. В сплавах серебра, применяемых в производстве ювелирных изделий, при содержании никеля до 1% замедляется рост зерна и тем самым улучшаются их механические свойства. С увеличением содержание никеля до 2,5% ухудшается обрабатываемость сплава.

При еще большем содержании никеля он не растворяется в сплаве и становится вредной примесью.

Железо. Этот элемент является всегда нежелательной примесью в сплавах серебра. железо не растворяется в серебре и присутствует в его сплавах в виде чужеродных частиц, ухудшающих обрабатываемость сплава.

Свинец. Сплавы серебра, содержащие свинец, становятся хрупкими при нагреве. Свинец и серебро образуют эвтектику, которая плавится при 304°С. В связи с этим ни в коем случае нельзя допускать присутствия свинца в сплаве.

Олово. Даже незначительное количество олова снижает температуру плавления сплава. Чистое серебро может растворить в себе до 19% олова, однако при этом сплав получается более тусклым, мягким и пластичным, чем сплав Ag-Cu. Если в сплаве Ag-Cu содержание олова превысит 9%, то образуется хрупкое соединение Cu₄Sn. Так как олово при плавлении окисляется, то хрупкость сплава возрастает из-за образования SnO_2.

Алюминий. От 4 до 5% алюминия растворяется в твердом сплаве и почти не влияет на его структуру и свойства. Однако при более высоком содержании алюминия образуется хрупкое соединение AgAl. При отжиге и плавке образуется также соединение Al₂O₃, которое располагаясь по границам зерен, делает сплав хрупким и ломким.

Цинк и кадмий. Так как температуры кипения цинка и кадмия невелики, то при добавке их в расплав сплавов серебра следует соблюдать особую осторожность. Оба эти металла являются важнейшими присадками для получения припоев, снижающих температуру плавления.

Ag-Zn. Несмотря на то, что в твердом состоянии серебро растворяет в себе до 20% цинка, содержание его в серебре не должно превышать 14%. В этом случае сплавы не тускнеют на воздухе, имеют хорошие пластичность и полируемость.

Ag-Zn-Cd. Условия плавления этой трехкомпонентной системы настолько благоприятны, что она вполне может применяться в качестве припоя, однако прочность спаянного таким припоем шва невелика и не удовлетворяет требованиям практики.

Ag-Cu-Cd. Медь совершенно не растворяет кадмий, а образует с ним хрупкое химическое соединение Cu₂Cd. Однако при достаточном количестве серебра в сплаве кадмий растворяется в серебре. Такой сплав тягуч, пластичен и весьма устойчив к потускнению.

Ag-Cu-Zn. Несколько десятых процента цинка, добавленных в расплав перед разливкой, значительно превышает жидкотекучесть сплавов серебро-медь. Медь может растворить до 40% цинка. Сплавы Ag-Cu-Zn могут служить припоями. Если цинка добавить в сплав больше, чем могут растворить его серебро и медь, то при использовании этого сплава в качестве припоя избыточное количество цинка будет переходить из при­поя в основной металл. При изготовлении припоя базой его следует брать эвтектический состав сплава Ag-Cu и добавками цинка понижать температуру плавления. Разность температур плавления основного металла и припоя должна быть не менее 50°С. Сплавы Ag-Cu-Zn устойчивы к потускнению на воздухе, имеют хорошие пластичность и обрабатываемость.

Ag-Cu-Zn-Cd. Эти четырехкомпонентные сплавы используются для приготовления припоев с низкими температурами плавления. Низкие рабочие температуры этих припоев получаются за счет образования цинком и кадмием легкоплавкой эвтектики.

Неметаллы

Кремний. Несмотря на то, что кремний в серебре не растворяется, он образует с серебром твердые и хрупкие кремнисто-серебряные соединения. Последние располагаются по границам зерен и сильно затрудняют обработку сплава. Кремний может попасть в результате восстановления из материалов тигля.

Сера. Она образует с серебром и медью твердые соединения Ag₂S и Cu₂S, которые могут располагаться как по границам зерен, так и внутри них. Источниками попадания серы в сплавы могут быть содержащие серу исходные материалы, горючий газ, остатки травильных растворов.

Фосфор. Незначительных следов фосфора достаточно для того, чтобы образовывались хрупкие интерметаллические соединения AgP₂ или CuP, которые в виде эвтектики располагаются по границам зерен. Сплавы от этого становятся хрупкими, быстро тускнеют, на них плохо ложатся гальванические покрытия. Фосфор может попасть в сплав при раскислении расплава фосфорной медью. Сернистый газ. Двуокись серы SO₂ содержится в горючих газах и оказывает вредное действие на сплав тем, что подобно кислороду поглощается расплавленным металлом, а при затвердевании его улетучивается и, как кислород, образует в металле раковины. Кроме того, образуются химические соединения в виде Cu₂S и Ag₂S, которые, располагаясь по границам зерен, ослабляют их сцепление в слитке.

Золото и сплавы на основе золота.

Имело хождение во все време­на и почти всюду принадлежало к наиболее дорогим материа­лам. Оно отличается прекрасным желтым цветом, интенсив­ным блеском, хорошей гибкостью и ковкостью. На воздухе и при достаточно высоких температурах оно не утрачивает своих качеств, температура плавления золота равна 1064 °С. Оно противостоит кислотам, растворяется только в царской водке, селеновой кислоте и в цианистых калии или натрии. В приро­де оно встречается в чистом состоянии в виде маленьких зер­нышек или чешуек, притом либо в кварцевых жилах, либо в отложениях, которые образовались путем выветривания и вымывания золотоносной породы. Из отложений оно добыва­ется посредством промывания песка или золотоносной земли, из горных массивов - выработкой породы. Добытая руда из­мельчается, промывается, амальгамируется или сплавляется.

Атомный номер золота 79, атомная масса 197.

Золото имеет гранецентрированную кубическую решетку ГЦК и не претерпевает полиморфных превращений.

Благодаря высокому значению электродного потенциала золота его стойкость при воздействии различных коррозионных сред очень высока: сер­ная, соляная и азотная кислоты в любых концентрациях при температуре до 100 °С не действуют на золото.

Золото быстро разрушается в растворах царской водки, содержащих свободный хлор и хлористый нитрозил.

Золото стойко в растворах большинства щелочей при лю­бых концентрациях и температурах.

Золото - химический элемент, металл. Атомный номер 79] атомный вес 196,97, плотность 19,32 г/см³. Кристаллическая решетка - кубическая гранецентрированная ГЦК. Температура плавления 1063°С. Твердость по Бринеллю - 18,5.

Золото - металл желтого цвета. Золото - благородный металл, оно не взаимодействует с кислотами (кроме смеси соляной и азотной кислот - "царской водки"), устойчиво в атмосфере, воде пресной и| морской.

Золото имеет высокую отражательную способность, хорошо полируется и обладает высокой пластичностью - прокатывается в листы толщиной до 0,0001 мм. В ювелирном деле из-за высокой прочности и твердости золото используется в виде сплавов с другими металлами и очень редко в чистом виде, в основном как сусальное для золочения.

Применяются сплавы золота с медью, серебром, платиной, палладием и пр. Применение сплавов золота обусловлено тем, что чистое золото слишком мягкое, малопрочное, имеет не слишком привлекательный красный цвет.

Двухкомпонентные сплавы золота

Среди двухкомпонентных сплавов золота иногда встречаются в ювелирной промышленности сплавы золото - медь и золото - серебро.

Золото и медь обладают неограниченной растворимостью в жидком, а при высоких температурах и в твердом состоянии (образуют непрерывный ряд твердых растворов).

Точки ликвидуса и солвдуса находятся ниже точек плавления чистых металлов и достигают минимума (910°С) при массовом соотношении компонентов 80% Аи и 20% Си. Диаграмма состояния золото-медь приведена на рис.

Ниже линии солидуса в системе Аи-Си происходит упорядочение твердого раствора. Процесс упорядочения при образовании всех этих соединений, как и во всех других фазовых превращениях, происходит путем зарождения и роста выпавшей из твердого раствора фазы.

В ювелирной промышленности для изготовления золотых изделий используют в большинстве случаев сплавs системы золото-серебро-медь, которые могут содержать добавки других металлов: никеля, палладия, цинка, платины.

Цифры в марках сплавов обозначают: в золотых, золот серебряных, золото-серебряно-медных - массовую долю золота серебра в тысячных долях (пробах).

Стойкость к коррозии в основном определяется содержание золота, в меньшей степени - серебра и меди.

Соотношение серебра и меди определяет цветовые оттенки сплавов и их механические свойства

Содержание благородных металлов в ювелирных изделиях пределах допускаемых отклонений гарантируется клеймом. Н рисунке клейма указывается проба или количественное содержании благородного металла, причем проба отражает содержание лишь основного благородного компонента. Так, цифра 750 на клейме украшения из золотого сплава означает, что изделие выполнено и сплава, содержащего 75% золота, в то время как содержание серебра или палладия в этом сплаве может быть различным. Введенная в 1927 году в СССР метрическая система обозначения пробы в настоящее время принята в большинстве стран. По этой системе содержание благородного металла обозначается числом частей по массе в 1000 частях, т.е. массовой долей, выраженной в промилле. Так, сплав золота пробы 583 содержит 58,3% золота. До 1927 года в России существовала золотниковая система обозначения пробы (на основе русского фунта, содержащего 96 золотников). По этой системе чистое золото соответствовало 96 золотникам.

В ряде стран - США, Великобритании, Швейцарии - принята каратная система. По этой системе чистое золото (проба 1000) соответствует 24 условным единицам - каратам. Соответственно обозначение проб золотых сплавов в различных системах приведено в таблице

Пробы золотых сплавов в различных системах

В России основную массу ювелирных изделий изготавливают из сплавов проб 750, 583 и 375. За рубежом широко используют 18- и 14-каратные сплавы. Низкопробные сплавы в разных странах могут содержать различное количество золота. В самым низкопробным является 10-каратный сплав (41,6% Au). В Западной Европе и на Ближнем Востоке для производства обручальных колец широко применяют сплавы пробы 333.

Помимо указанных сплавов, за рубежом широко используют 10 и 12-каратные сплавы для плакирования неблагородных металлов. Плакированные материалы дешевы, и изделия из них весьмапопулярны. В общем объеме ювелирного производства они занимают порядка 20%.

Важное значение при использовании сплавов на основе золота при производстве ювелирных изделий приобрел метод обесцвечивания золота в результате легирования сплава никелем или палладием. Добавки небольших количеств этих металлов меняют цвет золота. Это было использовано при разработке ювелирных

сплавов высокопробного белого золота взамен более дорогой платины.

Химическая стойкость сплавов системы Аи-Аg-Си меняется неравномерно. По Тамману различаются следующие зоны хим. стойкости сплавов системы Аи-Аg-Си:

Стойкие (ат. доля золота 100-0%). Эти сплавы устойчивы щи сильных минеральных кислот и растворяются только в царской водке.

Слаборастворимые (ат. доля золота 50-37,5%). Сильные кислоты растворяют компоненты сплава до тех пор, пока содержание атомов золота в нем не достигнет 50% и сплав не станет стойким.

Растворимые (ат. доля золота 37,5-25%). Присадочные металлы под действием сильных кислот полностью разрушаются золото остается в виде нерастворимого осадка.

Тускнеющие (ат. доля золота менее 25%). Сплавы этой области разлагаются под действием кислот. Присутствие в воздействия сероводорода, аммиака и влаги вызывает потускнение поверхности.