ЭВОЛЮЦИЯ СПЛАВОВ ДРАГОЦЕННЫХ МЕТАЛЛОВ

Немного истории

Исторически так сложилось, что самые ранние сплавы, созданные человеком, были латунь (простой сплав меди и цинка) и с позднего неолита – бронзы (сплав меди и олова), который, как известно, используется уже с 3000 года до нашей эры.

Хотя золото и серебро были известны и уже использовались в это время, но использовались они более или менее в том виде, в каком они были найдены, для декоративных целей, так как бронза отвечала всем другим практическим потребностям.

Царь Крез в Лидии в 560-546 гг. до н. э. повелел разработать первую официальную государственную монетную систему, используя природный сплав золота и серебра, известный как электрум.

В историческом плане плавление золота для ювелирных целей является сравнительно современным методом.

Что такое сплав?

Согласно Всемирному энциклопедическому словарю Хамлина, определение слова «СПЛАВ» - это вещество, состоящее из двух или более металлов, а иногда и из металла и неметалла, которые были тщательно перемешаны путем сплавления, электролитического осаждения и т.п.

Мы, ювелиры, понимаем, что сплав состоит из двух или более следующих компонентов: золото, серебро, платиновые металлы, медь, цинк или другие элементы, металлы иди неметаллы, такие как бор и кремний.

Наш интересуют восемь благородных металлов, а точнее золото, серебро, платина и палладий.

Свойства воcьми благородных металлов
Элемент Символ Температура
плавления оС
Температура
кипения оС
Плотность
Серебро Ag 47 960 2212 10.5
Золото Au 79 1063 2966 19.32
Палладий Pd 46 1552 2927 12.16
Платина Pt 78 1769 3827 21.45
Родий Rh 45 1960 3700 12.41
Рутений Ru 44 2510 4080 12.45
Иридий Ir 77 2433 4500 22.66
Осмий Os 76 3050 5020 22.61

Почему сплав?

Существует несколько причин, по которым необходимо сплавлять драгоценные металлы.

1. Прочность

Такие драгоценные металлы, как золото и серебро, слишком мягкие для практического использования. Из-за того, что они в чистом виде очень мягкие, ковкие и пластичные, необходимо улучшить характеристики металлов, увеличив их упругость, жесткость и износостойкость.

2. Экономичность

Стоимость чистых драгоценных металлов неизменно высока. Путем сплавления драгоценных металлов с менее дорогостоящими компонентами можно понизить стоимость конечного изделия.

3. Мода и дизайн

Дизайнеры производят то, что диктует мода. Легирование металла для изменения цвета или физических свойств, в свою очередь, определяется запросом дизайнера.

Золото, единственный в своем роде металл, который может сохранить свой сильный, уникальный золотой оттенок даже при легировании до 50%. Золото стало самым популярным и модным металлом с тех пор, как древняя женщина соблазнилась им, а мужчина смог добыть для нее драгоценности.

Платина ценится за ее прочный блеск, а также за химическую стойкость и высокую температуру плавления.

4. Статус

Хотя правительства стран больше не поддерживают свою валюту золотом, оно остается резервной валютой, универсальной и признанной во всех странах мира.

Обладание золотом, будь то самородок, слиток или ювелирные изделия, в большинстве культур - осязаемый признак вполне определенного статуса владельца. В течение 5000 лет люди сражались и умирали за обладание золотом. Показать свой высокий статус с помощью золота всегда была желанной целью.

Вдохновение для сплава

Когда требуется металл с определенными свойствами, может быть принято решение о создании нового сплава, если после исследования рынка, установлено, что такого нет среди многих предлагаемых коммерческих сплавов.

Легко взять несколько компонентов, расплавить их вместе в тигле и посмотреть, что получится, но для достижения желаемого результата требуется небольшое разумное планирование. Например, конечный сплав должен быть твердым или мягким? Будет ли он быстро сплавляться и затвердевать? Какой должен быть цвет у сплава? Какие еще особые качества необходимы для конкретного использования?

В идеале требуется, чтобы сплав можно было легко обработать с использованием обычных технологий изготовления ювелирных изделий, а также легко полировать для получения блестящей поверхности в изделии.

Основные свойства сплава должны соответствовать стандартам на драгоценные металлы, установленным традициями и поддерживаемым законодательством большинства стран мира.

Следует изучить известные и проверенные качества металлов и элементов, ранее использовавшихся для получения аналогичных сплавов. Даже с учетом всех этих параметров все же имеется очень широкий набор элементов, которыми можно рисовать при достижении требуемых свойств.

Эволюция

Создание новых сплавов осуществляется согласно следующему порядку:

  • Возникает необходимость получить сплав по требованиям дизайна или моды, либо по практическим соображениям или физическим свойствам.

  • Исследование рынка определяет экономический потенциал разработки.

  • Исследование показывает, что существующие сплавы не обеспечивают требуемых качеств.

  • Выбранные параметры перечислены в порядке важности.

  • Изучается существующая литература.

  • Формула сплава обдумывается, исходя из предположения о том, как должны действовать определенные элементы при добавлении к выбранному металлу. Я подчеркиваю, что, по моему опыту, то, что должно получиться и что на самом деле получается, далеко не всегда соответствуют друг другу.

  • Оценка, включающая тестирование любых конкретных аспектов изготовления ювелирных изделий: ручной работы, литья и любых методов машинной обработки, с помощью которых будут производить изделия из нового сплава.

  • После того, как сплав будет опробован, он проходит испытания на одном из крупнейших в Австралии специализированных заводов по производству и изготовлению сплавов драгоценных металлов и, наконец, внедряется в производство на нескольких крупных заводах – мировых поставщиков драгоценных металлов.

В качестве примера эволюции сплава я использую здесь лигатуру для наших сплавов низкокаратного желтого золота. Эта лигатура используется для золотых сплавов с пробой ниже 14К.

Желтое золото от 9К до 14К
Лигатура
%
Медь 78
Цинк 18
10% сплав меди и кремния 4
9K, % 10K, % 14K, %
Золото 37.80 42.00 58.70
Серебро 11.50 10.72 7.64
Лигатура 50.70 47.28 33.66

В 1964 году я начал свой бизнес и должен был изготовить литейные сплавы. Для начала я опросил своих партнеров какой сплав им требуется. Меня попросили сделать 9-каратное желтое золото. Понимая, что им нужна всего лишь небольшая модификация, я скорректировал содержание серебра, меди и цинка, чтобы они были довольно равномерно сбалансированы.

Итак, я приступил. Первый сплав, который я изготовил, был, возможно, хороший металл для ковки, но давал повышенную пористость при литье. Друг, который не был ни ювелиром, ни металлургом, предложил использовать кремний для «содействия текучести», поскольку он наблюдал использование кремния в палочках припоя. Зная, что кремний и золото не всегда совместимы, тем не менее, я отправился на путь открытия, который заставил меня искать дальнейшие улучшение сплаовх драгоценных металлов.

Первый кремнийсодержащий сплав я изготовил с 5% кремния в виде 10% -ного сплава Si-Cu, который добавил к основному сплаву Cu-Ag-Zn. Это, по-видимому, имело некоторые положительные результаты, выражавшееся в том, что отливки были яркими, гладкими и более чистыми, и не покрывались оксидами, в отличие от не содержащих кремний сплавов. Проблема заключалась в том, что отливки практически развалились у меня в руках. Тем не менее, я был удовлетворен тем, что кремний является полезной добавкой, безусловно заслуживающей дальнейшего изучения. Оставалось только установить оптимальное количество.

В результате я снизил содержание кремния на 50% и обнаружил, что так гораздо лучше. Я продолжал сокращать вдвое количество добавляемого кремния и в конечном итоге установил содержание кремния в конечном сплаве 0,32%. Металл больше не трескался и теперь я мог изготовить отличные отливки без пористости. Дальнейшие исследования доказали, что кремний предотвращает окисление лигатуры сплава, поэтому оксид цинка не способен образовываться, поверхностное натяжение увеличивается, а полученный сплав при литье не дает пористости, ранее вызванной включениями оксида цинка.

Наши клиенты были счастливы избавиться от проблем пористости и с энтузиазмом восприняли новый сплав. В течение 2 месяцев дальнейших испытаний был установлен более низкий параметр для кремния. Некоторые незначительные изменения в формулу сплава были внесены в течение следующих 3-4 лет, но найденная формула использовалась в течение 25 лет.

Я был так доволен открытием влияния кремния на золотые сплавы, что сразу же попробовал его на 18-каратном желтом золоте. Первоначальный результат: кольца обломились с елочки и рухнули мне в руку. Я пробовал все меньшее и меньшее количество кремния, пока не убедился, что допустимое содержание кремния для 18К золота настолько незначительно, что преимущества от него сводятся к нулю. Хотя другие исследователи утверждают, что кремнийсодержащие высококаратные сплавы золота имеют какие-то достоинства, мое мнение не изменилось.

Мое предложение Worshipful Company of Goldsmiths по использованию кремния в золотых сплавах в 1968 году было встречено с изумлением. Я дал им формулу сплава, которая к тому времени уже была испытана в торговле двумя крупнейшими поставщиками драгоценных металлов. Через три года кремнийсодержащие золотые сплавы, особенно низкопробные, стали коммерческой реальностью. Радостно сознавать, что кремний теперь является стандартным легирующим компонентом в сплавах с низким содержанием золота и принят во всем мире.

Белое золото

Во время моего тридцатитрехлетнего поиска оптимальных сплавов драгоценных металлов, подходящих для литья ювелирных изделий, сплавы белого золота прошли свою собственную эволюцию. Мои попытки сделать 18-каратное белое золото привели к использованию лигатуры, содержащей никель или палладий.

Никель в сплавах 18-каратного белого золота не создал мне никаких проблем. Однако, проделав массу экспериментов, я не достиг такого успеха, какого бы мне хотелось.Поэтому я сосредоточился на палладии в качестве отбеливающего агента для сплавов белого золота.

Никелевые сплавы легко отливаются из-за более низких температур плавления и литья - в диапазоне 950-1050oС против 1200oC для сплавов с палладием, но качество литья никелевых сплавов не дает желаемого постоянства.

Золото-никелевые сплавы, хотя и более дешевы и белее палладиевых сплавов, были более проблематичными как при литье, так и при последующей обработке. С ними нужна осторожность при обработке на всех стадиях производства, они могут создавать проблемы для ювелира и закрепщика, крапана и полосы могут быть не прочными на изгиб и, что еще хуже, развалиться от удара уже при продаже в магазине.

Белое золото Pt/Pd 18K
Лигатура
%
Медь 80
Цинк 20
%
Золото 75
Платина 5
Палладий 15
Лигатура 5

В конечном итоге я остановился на сплаве с 12% палладия, который хоть и не был достаточно белым, но по стоимости незначительно превышал никелевый. Главной особенностью этого сплава является его стабильность на всех стадиях производства при вполне приемлемом цвете. К моему огорчению, мне часто говорили: «В любом случае, под покрытием никто ничего не увидит». Использование палладиевых сплавов намного легче: крапана, полосы, штыри не ломаются.

Со временем я убедил некоторых клиентов заплатить немного больше и купить 18К белое золото с 15% палладия, которое имеет гораздо лучший цвет, хотя и оно немного серовато. Этот сплав мы чаще всего и используем, если только я не смогу убедить кого-то взять сплав с платиной и палладием. Добавление 5% платины дает сплаву превосходный белый цвет. Я считаю, что вместо нанесения гальванических покрытий лучше использовать естественные цвета легированного металла.

Из-за более высокой температуры плавления и литья этих сплавов рекомендуется использовать фосфатную формовочную смесь.

Пружинные сплавы золота

Следующая задача, которую я перед собой поставил, заключалась в том, чтобы обеспечить более твердое 9-каратное желтое золото для дужки серьги, которая постоянно сгибается при открытии и закрытии. Когда серьги надевают и снимают, дужка изгибается и основная нагрузка приходится на точки, где проложен припой.

Мне было известно, что палладиевые лигатуры для 18 каратного золота были довольно упругие, поэтому было целесообразно попробовать использовать эту формулу для обратной стороны серьги. У этого сплава была хорошая упругость, но, к сожалению, цвет у него был тусклый из-за содержания палладия.

Добавление меди немного смягчило сплав, но не достаточно. Сплав был коричневатого оттенка. Я уже и забросил эту работу, пока заказчику не потребовалось отлить застежки для ожерелья. Я с успехом использовал этот сплава для язычков в замке. При литье сплав сохраняет свою прочность на изгиб. Основным недостатком сплава является ограниченный диапазон цвета, поскольку палладий обязательно придает бледность.

К лигатуре для 18 каратного белого золота, состоящей из меди, серебра и цинка, я добавил 12% палладия и 37,5% золота. Затем мы заменили цинк дополнительной медью, чтобы попытаться улучшить цвет при использовании с желтым золотом. Затем уменьшили значение палладия до 5%.

Пружинные твердые сплавы золота
Золото Палладий Серебро Медь
9K 37.80 5.00 27.29 30.00
10K 42.00 4.66 25.36 27.98
14K 58.70 3.32 18.06 19.92
18K 75.2 1.99 10.85 11.96

Мы используем лигатуру состава: палладий – 8,1%, медь – 43,7% и серебро – 48,2% для 14 каратного и 18 каратного золота. Последнее, благодаря увеличению содержания золота дает намного лучший желтый цвет. Низкокаратные сплавы все еще не желтые, но выполняют задачу сохранения предела прочности при изгибе. Эта линейка сплавов разрабатывалась в течение 20 лет и может быть использована с применением обычных методов изготовления ювелирных изделий. Мы делаем плоские пружины для замков «альберт» или проволоку для пружин в зажимах типа «Cartier».

Основным преимуществом этих сплавов является их способность сохранять повышенную прочность при изгибе даже после литья. Следовательно, элементы ювелирных украшений, требующие действия пружинного натяжения, могут быть выполнены из драгоценного металла.

Блестящее стерлинговое серебро

В течение многих лет люди стремились получить не тускнеющее серебро, но только в последние 5-6 лет произошел прорыв с реальным улучшением качеств стандартного стерлингового серебра. До недавнего времени, в основном, использовали только один стандартный сплав стерлингового серебра: 92,5% серебра и 7,5% меди, качества и характеристики которых хорошо известны. Красивый, белый, блестящий, декоративный металл, легкий в изготовлении и литье, но на нем сразу же появляется окалина при использовании обычных методов пайки и отжига. При полировке, если не контролировать процесс, на поверхности металла может возникнуть неприятный оттенок черного.

Теперь у нас есть составы, которые улучшают твердость и минимизируют время финишных операций благодаря антипригарным свойствам и улучшенному сопротивлению потускнению.

В начале 80-х я попробовал сплав, содержащий кремний и цинк, но нашел его слишком мягким и не продолжил разработку. Чуть позже, при посещении симпозиума в Санта-Фе, мне предложили формулу стойкого к окислению серебряного сплава. Он, безусловно, оказался стойким к окислению в пламени горелки, но тоже был слишком мягким, чтобы его можно было использовать в ювелирном деле.

Необходимо было придать этому сплаву определенную степень твердости. Поэтому для увеличения твердости было решено ввести разумные количества германия.

Первоначально лигатура содержала семь элементов. Чтобы сбалансировать все характеристики потребовалось много экспериментов, так как изменение в концентрации компонентов даже менее 0,1% может существенно изменить результат. Аккуратно добавляя, главным образом, германий, цинк, кремний и микроэлементы, мы смогли разработать ряд сплавов стерлингового серебра.

Нами запатентованы сплавы серебра 830, 925 и 950 проб.

Работа с новым сплавом

Каждый новый сплав имеет свои особенности и нужно изучать и учитывать различия в их обработке, возможно, с небольшими отклонениями от приемов работы с аналогичным сплавом.

Стандартное серебро - это сплав, который имеет рабочие характеристики, знакомые всем ювелирам и серебряным мастерам. Работа с новым сплавом в некоторых аспектах должна проводиться иначе. Блестящие серебряные сплавы при отсутствии окисления во время отжига показывают другие визуальные индикаторы температуры и поэтому легко поднять температуру, пройдя солидус, даже не замечая этого. Ювелир должен ориентироваться на красное каление, а не на появление черной окалины. Адаптация к новому сплаву требует некоторых усилий, отхода от привычной техники.

Будущее

Те улучшения, которые мы вводим, например, при разработке пружинных сплавов должны осуществляться таким образом, чтобы новый сплав соответствовал по цвету сплавам желтого золота. Сплавы белого золота могут и должны совершенствоваться и дальше, чтобы обеспечить лучший цвет и экономичность.

Лично я всегда выступаю за использование высокопробных драгоценных металлов, что означает отсутствие покрытия. Когда требуется 18 каратное белое золото, я считаю, что, если это экономически возможно, следует использовать лигатуру с платиной. В противном случае остается работать с настолько белым металлом, какой только возможно получить.

Сейчас мы проводим исследования по разработке сплавов около 24К, которые можно использовать для производства ювелирных изделий. Это сложно, но перспектива захватывающая. Полученный сплав должен хорошо поддаваться ручной обработке, но также быть и литьевым, поскольку сплавы драгоценных металлов, которые не могут быть обработаны традиционными методами, не имели успешной истории.

С момента основания Apecs Investment Castings в 1963 году мы всегда разрабатывали литейные сплавы. Все они хорошо поддаются ковке. Это красные, розовые, белые и зеленые, 9, 10, 14, 18 и 22К сплавы золота. Но у них нет такого красивого цвета, как цвет чистого 24 каратного золота.

Библиография

• Santa Fe Symposium on Jewellery Manufacturing Technology 1996 edition

• "The Effect of Various Additives on the Performance of an 18 Karat Yellow Gold Investment Casting Alloy". Greg Norinandeau

• "Alloying in the Small Workshop" A. P. Eccles


ANTHONY P. ECCLES

Managing Director, Apecs Investment Castings Pty. Ltd.,

Melbourne, Australia

Contact Information

Postal address

P.O. Box 307 Burwood 3125

17 Harker Street, Burwood, Victoria, Australia

E-mail: mail@apecs.com.au