коля / u_course

9. БЛАГОРОДНЫЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ

Благородные металлы мало распространены в природе, обладают сравнительно высокой стоимостью, однако они наряду со сплавами находят широкое применение в современной технике и в быту, что объясняется разнообразием их физико-химических и механических свойств. Основное практически важное свойство благородных металлов – высокая химическая стойкость. Они совершенно не склонны к коррозии в обычной атмосфере, воде и многих других средах.

9.1. Свойства благородных металлов

Известно восемь благородных металлов – это серебро, золото, металлы платиновой группы: рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина. Некоторые сведения о перечисленных металлах приведены в табл. 9.1.

*Альшулер, С. В. Открытие химических элементов: Специфика и методы открытия: пособие дляучителей/ С. В. Альтшулер, А. Н. Кривоназов[идр.]. – М.: Просвещение, 1980.

279

Распространенность в земной коре, температура плавления, типы кристаллических решеток и плотность благородных металлов показаны в табл. 9.2.

Таблица 9.2

Физические свойства и распространенность в земной коре благородных металлов

Важным физическим свойством этих металлов является низкое удельное электросопротивление. Так, при комнатной температуре оно для чистых Ag, Аu, Ru, Rh, Pd, Ir, Os, Pt составляет 0,016; 0,022; 0,074; 0,049; 0,010; 0,054; 0,097; 0,103 Oм·м·106 соответственно.

Четыре металла (серебро, золото, платина и палладий) характеризуются хорошей пластичностью, малой твёрдостью и малой упругостью (табл. 9.3). Иридий и родий малопластичны и более тверды. Рутений и осмий обладают высокой твердостью, упругостью и хрупкостью.

Таблица 9.3

Механические и физические свойства благородных металлов

280

Изделия и полуфабрикаты из благородных металлов, как правило, получают путем холодной пластической деформации с промежуточными отжигами.

Кривые зависимости твердости НВ по Бринеллю, временного сопротивления σв и относительного удлинения δ от степени холодной деформации для чистых металлов приведены на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Механические свойства металлов в зависимости от степени холодной деформации: а – серебро; б – палладий; в – золото; г – платина

Используя приведенные данные, можно выбрать необходимую степень деформации, чтобы получить заданную совокупность механических свойств изделия или полуфабриката.

Восстановление физико-механических свойств (рис. 9.2) происходит при отжиге (возврате и рекристаллизации).

Восстановление свойств деформированных благородных металлов (рис. 9.2) происходит при относительно низких температурах. Так, чистое

281

серебро может быть полностью отожжено длительным нагревом при 200 оС. Практически отжиг проводят при 300 оС. Возврат свойств палладия наступает при 700 оС в течение 15 мин.

Высокая коррозионная стойкость в концентрированных кислотах и неокисляемость при нагревании на воздухе позволяют применять благородные металлы в самых жестких условиях работы. Наиболее коррозионностойкими в кислотах являются иридий, рутений, платина и золото. Палладий и серебро довольно легко реагируют с кислотами.

При нагревании на воздухе платина, золото и серебро практически не окисляются. Сравнительно легко окисляются осмий, рутений и иридий.

282

9.2. Сплавы на основе благородных металлов

Чистые металлы обладают низкой твёрдостью, высокой пластичностью, малым электросопротивлением, большим температурным коэффициентом электросопротивления и другими свойствами, резко отличающими их от сплавов.

К сплавам благородных металлов предъявляют особенно высокие требования. При легировании благородных металлов, кроме изменения свойств в нужную сторону, необходимо сохранить коррозионную стойкость и неизменность свойств при высоких температурах. Небольшие добавки неблагородных металлов значительно снижают коррозионную стойкость. Поэтому легирующими элементами в большинстве случаев являются также благородные металлы, которые часто повышают коррозионную стойкость основного металла. Однако некоторые неблагородные металлы иногда используют в качестве легирующих элементов для удешевления изделия или для получения особых свойств сплавов.

На основе благородных металлов получают, в частности, ювелирные сплавы. Их маркируют по ГОСТ 30649-99. В стандарте приняты следующие условные обозначения для марок сплавов и сокращения: ю – ювелирный, Зл – золото, Ср – серебро, Пл – платина, Рд – родий, И – иридий, Пд – палладий, М – медь, Н – никель, Ц – цинк, Кд – кадмий, Ост – остальное. Наименование марок сплавов состоит из букв, обозначающих компоненты сплава и следующих за ними цифр. Цифры, следующие после букв, указывают номинальное содержание компонента сплава в тысячных долях (пробах), если компонент благородный металл, и в процентах, если компонент неблагородный металл. Последний компонент в наименовании марки цифрой не обозначают, если он неблагородный.

Проба – минимальное содержание определенного благородного металла, измеренное в долях на тысячу единиц массы сплава.

Например, сплав ЗлСр585-415 содержит 58,5 % Au, 41,5 % Ag.

Сплав ЗлСрНЦМ585-80-8,2-2,5 содержит 58,5 % Au, 8 % Ag, 8,2 % Ni, 2,5 % Zn, Cu – остальное. Сплав СрМ925 содержит 92,5 % Ag, Cu – остальное.

В литературе встречаются следующие понятия: 1 карат золота равен 41,5 г; 1 карат драгоценных камней равен 0,2 г; 1 фунт равен 96 золотников, что равно 409,5 г; 1 золотник равен 4,26 г.

283

Сплавы на основе золота

Золото легируют серебром, медью, палладием, цинком, кадмием, никелем, платиной.

Серебро и золото образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов (рис. 9.3). Интервал кристаллизации сплавов в средней части диаграммы состояния не превышает примерно 2 оС. Сплав, содержащий 50 % (ат.) золота, имеет температуры ликвидуса и солидуса, равные, соот-

ветственно, 1032, 5 и 1030,8 оС.

Рис. 9.3. Диаграмма состояния системы Ag–Au

Сплавы системы Au–Ni кристаллизуются с образованием непрерывного ряда твердых растворов (рис. 9.4). Кривые ликвидуса и солидуса пересекаются в точке минимума при содержании ~ 42 % (ат.) Ni и температуре около 950 оС. В твердом состоянии при температуре ниже 812 оС существует широкая область несмешиваемости.

В системе Au–Ni возможно образование упорядоченных метастабильных структур. В процессе распада твердого раствора при температурах выше 500 оС образуются нестабильные и существующие в очень узком интервале температур упорядоченной фазы: Au3Ni [9,03 % (мас.) никеля], AuNi [22,95 % (мас.) никеля] и AuNi3 [47,2 % (мас.) никеля].

Золото и медь неограниченно растворимы в жидком состоянии (рис. 9.5). Кривые ликвидус и солидус имеют касание и проходят через минимум при температуре 905 оС и содержании ~59,5 % (ат.) золота. По другим данным, минимума достигают при 910 оС и ~59,3 % (ат.) золота или же при 910 оС и ~44,0 % (ат.) меди. При понижении температуры в процессе упорядочения ГЦК твердых растворов в системе образуются три промежуточные фазы – соединения Курнакова: Au3Cu, AuCu и AuCu3.

284

В системе Au–Ga (рис. 9.6) установлено образование пяти соединений, из которых AuGa2, AuGa и Au2Ga образуются с открытым максимумом при температурах 491; 461,3; 348,9 оС. Соединения Au7Ga2 (β), Au7Ga2 (β') и Au7Ga кристаллизуются по перитектическим реакциям при температурах 409,8; 375 и 415,4 оС соответственно. Соединение Au7Ga и высокотемпературная модификация Au7Ga2 (β) распадаются по эвтектоидным реакциям при температурах 348 и 282 оС. В интервале температур 274–286 оС соединение Au2Ga претерпевает полиморфное превращение. При температурах 346,7; 339,4 и 30 оС осуществляется эвтектическая кристаллизация. Эвтектика при температуре 30 оС – вырождена.

Рис. 9.6. Диаграмма состояния системы Au–Ga

На рис. 9.7 показана микроструктура сплава золота с 31,5 % Ga. Видна эвтектическая структура между интерметаллическими фазами AuGa

иAuGa2.

Всистеме Au–Si (рис. 9.8) при температуре 370 оС и содержании

69 % (ат.) Au кристаллизуется эвтектика. Растворимость золота в твердом кремнии очень мала и при температуре 1280 оС составляет ~2·10-4 % (ат.).

286

Микроструктура сплава золота с 6 % Si в литом состоянии напоминает старинный индейский орнамент (рис. 9.9).

Составы ювелирных золотых сплавов классифицируют по пробам.

Различают пробы 375, 500, 585, 750, 958, 999,9 (марка Зл999,9).

Сведения о свойствах некоторых ювелирных сплавов на основе золота даны в табл. 9.4.

Таблица 9.4

Физические и механические свойства ювелирных сплавов на основе золота

*Твердость определяли на образцах со степенью деформации 75–95 %.

Сплавы на основе серебра

Серебро легируют медью. Используют следующие марки: СрМ800, СрМ830, СрМ875, СрМ925, СрМ960, соответственно, различают пробы

800, 830, 875, 925, 960.

Серебро и медь неограниченно растворяются в жидком состоянии (рис. 9.10). В твердом состоянии они образуют ограниченные твердые растворы. Максимальная растворимость меди в серебре составляет 14,1 % (ат.). Максимальная растворимость серебра в меди – 4,9 % (ат.). В системе Ag–Cu при температуре 779 оС кристаллизуется эвтектика, содержащая

39,9 % (ат.) Сu.

Сплавы обладают малым удельным электросопротивлением при комнатной температуре и довольно большим температурным коэффициен-

288