Характеристика сплавов золота 18 карат

Материалы симпозиума в Санта Фэ


Введение

Знание характеристик золотых сплавов позволяет получить ценную информацию для выбора наиболее подходящего состава сплава для каждого конкретного производственного процесса.

Очевидно, что в случае золотых сплавов цвет играет фундаментальную роль при выборе сплава, но не менее важны и его технологические свойства. Исходя из этих соображений, мы решили изучить химические и физические свойства нескольких золотых сплавов 9, 10, 14 и 18 карат.

Цель этой работы состояла в том, чтобы сопоставить характеристики каждого сплава с химическим составом и принять оптимальное решение по выбору сплава для различных практических применений. Учитывая высокую стоимость сплавов, мы разработали некоторые методы оценки свойств драгоценных сплавов (точнее, мы улучшили методы оценки, уже используемые в разных отраслях промышленности).

Изучение свойств материалов очень важно во всех отраслях промышленности при выборе наиболее подходящего материала для каждого производственного процесса и практического использования. В нашем случае нам необходимо изучить свойства сплавов золота (и серебра) для ювелирного производства. Поэтому мы решили разработать методы оценки, позволяющие получать информацию о поведении сплавов на основе золота и / или серебра, чтобы иметь возможность использовать правильный состав для каждой цели. Очевидно, что мы сосредоточили свои усилия на определении физических, химических и механических свойств исследуемых материалов, но мы также надеемся разработать методики технологических испытаний для оценки свойств сплавов с конкретной целью (например, коррозионной стойкости).

Мы изучили свойства 9, 10, 14 и 18 -каратных золотых сплавов, чтобы затем проанализировать полученные данные и выбрать наиболее подходящий состав с требуемыми характеристиками.

В обычной практике золотые сплавы для ювелирных изделий подразделяются на основе пробности и цвета, но до сих пор не существует классификации, основанной на механических характеристиках. Амбициозная цель этой работы - создать справочник по характеристикам драгоценных сплавов, позволяющий выбрать наиболее подходящий для каждого производственного процесса.

Очевидно, что этот справочник должен систематически обновляться новыми данными для новых сплавов, чтобы иметь больше информации для постоянно растущего числа сплавов. Следует помнить, что очень часто конечный цвет (а не технические характеристики) является единственным критерием выбора, но доступность данных позволяет сказать, может ли данная композиция давать хорошие результаты или она требует специальных методов обработки. Мы полагаем, что количественные, объективные и сопоставимые данные позволят сравнить различные сплавы, найти лучший компромисс между требованиями к конечному продукту и производственным процессом.

Наша работа состояла из 3 частей.

Первая часть состояла из изучения и разработки тестов для определения требуемых характеристик. Вторая часть включала в себя сбор и анализ данных о химических и физических свойствах каждого сплава. Третья часть заключалась в определении параметров, более связанных с конкретными производственными процессами, а также в методологии поиска наиболее подходящего сплава и в разработке классификации сплавов для каждого типа производственного процесса.

В этой статье будет рассмотрена только часть 1 и частично часть 2. Часть 1 будет подробно проиллюстрирована, а часть 2 будет ограничена 18-каратными сплавами.

Все составленные композиции соответствуют сплавам, производимым нашей компанией, но, очевидно, они не были названы соответствующим коммерческим кодом, использовался внутренний код. Мы подчеркиваем, что наши методы тестирования основаны на европейских стандартах или стандартах ASTM, разработанных для разных отраслей промышленности (в основном, для сталелитейной промышленности).

Сейчас сплавы по своим технологическим характеристика разделяются на литейные и сплавы для обработки механической деформацией. Эту классификацию мы также использовали в нашей работе. Основное различие между этими сплавами обычно (но не всегда) состоит в том, что первые содержат специальные дезоксидирующие элементы (раскислители), а вторые не содержат. Все они могут содержать измельчители зерна.

Сплавы, которые мы изучали, представляют собой четырехкомпонентные сплавы с незначительными добавками различных элементов, которые придают им специфические свойства. Различные составы также подразделяются на две категории.

В первую категорию входят «цветные» золотые сплавы. Это сплавы состава золото-серебро-медь-цинк с незначительными добавками различных элементов. Мы назвали эти сплавы «цветными», потому что получаемые цвета варьируются от темно-красного до зеленого через различные оттенки желтого. Вторая включает в себя «белые» сплавы золота. Они состоят из 4 компонентов: золота, меди, никеля и цинка. Они называются «белыми», потому что они показывают различные оттенки белого (или можно сказать «серые»).

Результаты будут представлены в соответствии с этой классификацией.

Описание методики

Каждый сплав предварительно расплавляли (800 г для 18-каратных сплавов, 700 г для сплавов в 14 карат, 600 г для 9-каратного и 10-каратного сплавов). Плавление проводили в графитовом тигле в открытой печи с индукционной нагреванием. Затем металл отливали в слитки. Открытая печь использовалась, чтобы использовать механическое смешивание для лучшей гомогенности слитка.

Температура заливки зависела от пробности и цвета, а сплавы подразделялись на группы по составу. Металл защищали продувкой инертного газа в тигле во время плавления и заливки. Затем слитки были прокатаны и разрезаны на куски и подвергнуты повторному переплаву в закрытой литейной машине с контролируемой атмосферой. После предварительного плавления образцы сплавов сдавали на DTA-анализ*. Температура заливки была на 100оC выше, чем измеренная в закрытой литейной машине точка ликвидуса.

Для каждого сплава в закрытой литейной машине выполнялось максимум пять операций литья с использованием предварительно расплавленного материала. Для последующего исследования были получены следующие образцы:

  1. Слитки прямоугольного сечения 20 x 8 мм для испытаний на упрочнение и изготовление образцов для измерения плотности, а также определения цвета (и тесты на испытание никеля). Эти слитки были отлиты для всех композиций.

  2. Слитки прямоугольного сечения 70 x 5 мм для изготовления образцов для пробы на вытяжку. Эти слитки были отлиты только для ковких сплавов.

  3. Слитки квадратного сечения размером 6 x 6 мм для волочения проволоки при испытаниях на растяжение в кованом материале. Эти слитки были отлиты только для ковких сплавов.

  4. Набор из 16 образцов для испытаний на твердость и определение среднего размера зерна (пластины размером 24 x 12 мм, 4 мм). Эти образцы были отлиты для всех составов.

  5. Набор из 30 образцов для испытаний предела прочности в литейных сплавах.

Закрытая литейная машина состояла из двух сообщающихся камер. Изложница и опока стояли в нижней камере, а тигель для плавления - в верхней камере. Выливание происходило через отверстие в дне тигля после открывания закупоривающего отверстия.

Формы предварительно нагревали до 320оС в печи. Размеры форм подходили для помещения в литейную машину с контролируемой атмосферой. Предварительно разогретую форму помещали в машину после заполнения тигля металлом, но перед закрытием машины и началом цикла литья (использовалась автоматическая программа). Эта процедура была предпочтительней с тем, чтобы отливать слитки всех сплавов в одних и тех же условиях и избежать ошибок, которые могут быть при литье вручную.

После литья камеру с отливками быстро открывали и слиток сразу опускали в воду.

Изложницу с пластинами предварительно нагревали до 600оС, а емкость с образцами для испытаний на растяжение предварительно нагревали при 700оС, чтобы избежать неполного заполнения. В этом случае емкости также помещали в литейную машину перед закрытием и началом цикла литья. После литья изложницы охлаждали водой через 6 минут для сплавов, содержащих измельчители зерна, или через 20 минут для сплавов, содержащих только раскислители.

Слиток шириной 20 мм и толщиной 8 мм прокатывали в несколько проходов прокатки, чтобы определить кривую упрочнения сплава. Твердость была измерена на литом металле (толщиной 8 мм) после 40% -ной прокатки (толщина 5 мм), после 60% -ной прокатки (толщина 3 мм), после 80% -ной прокатки (толщина 1,5 мм) и после 90% (толщина 0,8 мм). Десять образцов размером 16 х 8 мм были вырезаны из листа толщиной 1,5 мм. Из них с 5 образцами проводили испытания плотности, 2 использовались для определения цвета и 3 – для измерения твердости после отжига.

Кривую упрочнения определяли только для ковких сплавов. Сплавы для литья по выплавляемым моделям прокатывали с толщины 8 мм до 1,5 мм, затем образцы разрезали.

Сплавы, содержащие никель, прокатывались до листа толщиной 2 мм. Лист разрезали на две части, одну из них отжигали. Затем толщина была уменьшена до 0,5 мм и три образца диаметром 12 мм отрезали (с отверстием диаметром 1 мм) для испытания на миграцию** никеля в соответствии со стандартом UNI EN 1811.

Слиток 70 мм и 5 мм толщиной прокатывали до толщины 2 мм и затем отжигали. После прокатки листа до 0,4 мм вырезали пять образцов диаметром 70 х 70 мм. Эти образцы были отожжены в подходящих условиях (см. таблицу 1) и были использованы для испытаний на глубокую вытяжку.

Слиток квадратного сечения 6 х 6 мм прокатывали до квадратного сечения 1 х 1 мм для испытаний на растяжение со следующим графиком прокатки. Прокатка от 6 х 6 до 4 х 4 мм квадратного сечения (уменьшение на 55%) - отжиг - прокатка из квадратного сечения 4 х 4 - 2 х 2 мм (75% уменьшение) - отжиг - прокат от 2 х 2 мм до 1 х 1 квадратного сечения - окончательный отжиг.Для испытаний на растяжение использовалась проволока 1 х 1 мм. Испытания на растяжение на проволоке проводятся только в случае ковких сплавов.

Параметры отжига в зависимости от состава сплава представлены в таблице 1.

Таблица 1 Параметры отжига

ПробностьТемпература, оСВремя, минОхлаждение
9, 10, 14-каратное белое72518быстрое в масле
18-каратное белое70018быстрое в масле
9, 10, 14-каратное цветное67517быстрое в воде
18-каратное цветное65017быстрое в воде

Во всех случаях отжиг проводили в статической лабораторной печи в восстановительной атмосфере.

Набор пластин 24 × 12 × 4 мм изготавливали для определения твердости сплавов после отливки или после различных способов закалки: 1 пластина после литья, 1 после термообработки, 9 после выдержки при различных температурах и при разном времени.

Параметры термообработки (температура, время) в зависимости от состава представлены в таблице 2.

Таблица 2 Параметры термоообработки

Пробность Температура, оС Время, мин Охлаждение
9, 10, 14-каратное белое 750 30 быстрое в масле
18-каратное белое 725 30 быстрое в масле
9, 10, 14-каратное цветное 700 30 быстрое в воде
18-каратное цветное 675 30 быстрое в воде

Упрочнение после термообработки возрастало на всех сплавах (независимо от состава) при 250, 300, 350 оC. Время выдержки в печи составляло 60, 120 и 180 минут для каждой температуры. Поэтому у нас было 9 закаленных образцов. Все образцы подвергались термической обработке перед закалкой, согласно Таблице 2.

Характеристики упрочнения были проверены на недеформированных отливках литьевых сплавов после соответствующей термообработки. Эта процедура проще и быстрее и даже если она не позволяет достигнуть высокого упрочнения, она позволяет точно идентифицировать упрочняемые сплавы. Во всяком случае, данные для образцов, подвергнутых быстрому упрочнению, являются сопоставимыми, и можно получить классификацию сплавов в порядке возрастания упрочнения.

Испытание на растяжение было проведено только для литейных сплавов. Испытуемые образцы имели диаметр 2 мм и длину 12 мм (L0), рис. 1.

Собранные данные будут представлены ниже. Мы не будем останавливаться на деталях, так как каждый тест соответствует европейскому стандарту или стандарту ASTM.

Тест DTA

Дифференциальный термический анализ (DTA) позволяет найти температуры солидуса и ликвидуса (т. е. диапазон плавления) сплавов. Использовали 25 мг прессованного образца. Испытание DTA проводили на предварительно расплавленном металле, чтобы найти температуру выливания в закрытой машине. Данные подтверждали на том же образце после переплава (сплавы более гомогенные после повторного плавления).

Измерение плотности

Плотность сплавов была измерена согласно закону Архимеда, который гласит, что не тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости (или газа).

Для расчета плотности использовалась следующая формула:

d = w (a) * d ( fl ) [w (a) - w ( fl )]

где:

d = плотность твердого образца d (fl) = плотность жидкости

w (a) = масса твердого образца в воздухе

w (fl) = масса твердого образца в жидкости

Для измерения плотности использовались закаленные пластины размером 16 х 8 мм и толщиной 1,5 мм (5 образцов).

Испытание на выдавливание

Пластичность оценивали путем измерения смещения пуансона, когда образец (лист размером 70 х 70 мм и толщиной 0,4 мм) начинает ломаться. Эта информация очень важна для производства «штампов».

Значение пластичности соответствует высоте чашки (в мм), продавленной пуансоном в листе. Пуансон выполнен из стальной сферы диаметром 20 мм и постепенно нажимается на лист до тех пор, пока оператор не обнаружит инициирование трещины. Лист крепится зажимным устройством, чтобы избежать скольжения во время испытания. Это практически метод Эриксена, см. Стандарт ASTM E 643-84.

Испытание на растяжение и разрыв

Испытание на растяжение позволяет измерять предельное растягивающее напряжение (UTS), предел текучести (YS) и процентное удлинение до разрыва (Е%). Первые два параметра дают оценку механической силы, а третий - пластичности материала.

UTS определяется как отношение между максимальной приложенной нагрузкой и площадью поперечного сечения растягиваемого образца до нагрузки. Это характерное свойство материала. Более конкретно, UTS является максимальным одноосным напряжением, которое материал может вытерпеть до разрушения. Предел текучести представляет собой напряжение, соответствующее началу пластической деформации, т. е. переход от упругой обратимой деформации к необратимой пластической деформации. В этой работе был рассмотрен 0,1% уровень прочности при деформации (YS0,1).

Деформация до разрыва, обычно называемая процентным удлинением, обозначается E% и измеряется как увеличение длины разрываемого образца, выраженное в процентном отношении к начальной длины испытуемого образца.

Испытание на растяжение проводили на двух разных типах образцов, в зависимости от типа сплава, то есть на литейных сплавах и сплавах, предназначенных для обработки механической деформацией.

В случае литьевых сплавов образцы для растяжения были получены непосредственно из изложницы. Поэтому эти образцы на растяжение должны быть точно проверены, чтобы свести число ошибочных испытаний к минимуму: т. е. образцы должны быть свободны от видимых дефектов и идеально центрированы. Если в испытании на растяжение разрыв происходит вне длины L0 ( рисунок 1), результат отбрасывается, поскольку считается, что концентрация напряжений вблизи изменения поперечного сечения может изменить результат теста. Для того, чтобы получить надежный результат, были рассмотрены результаты по меньшей мере 15 образцов на растяжение: конечным результатом является среднее значение этих тестов. Кроме того, зажимное устройство было тщательно спроектировано так, чтобы свести к минимуму зазор и ошибку позиционирования образцов.

В случае сплавов, предназначенных для обработки методами пластической деформации, использовался квадратный поперечный разрез 1 х 1 мм проволоки с длиной 200 мм. Образцы отжигали после прокатки и тщательно проверяли, чтобы избежать видимых дефектов поверхности. Использовалось пневматическое зажимное устройство с частичной обмоткой провода. Разрыв провода должен происходить между зажимами, чтобы иметь правильный результат. В этом случае также было усреднено минимум 15 правильных испытаний. Тест проводился по стандарту ASTM E8-00.

В случае сплавов, предназначенных как для литья, так и для пластической деформации, испытания на растяжение проводились обоими вышеописанными способами.

Определение твердости

Твердость материалов измерялась в различных условиях: литье, закалка, горячий прокат, упрочненный сплав. Использовали метод Виккерса с нагрузкой 500 г в течение 15 с. См. стандарты ASTM E 92-82 и E 384-99. Точнее, твердость была измерена на образцах, обработанных следующим образом:

1. Непосредственно после отливки и после 40%, 60%, 80% и 90% прокатки. Эти измерения проводились только на сплавах, предназначенных для пластической деформации.

2. Отжиг и: 80%-ная прокатка с последующим отжигом в соответствии с параметрами таблицы 1.

3. Термическая обработка: образцов литых пластин, после горячего проката и упрочненных образцов при 9 разных условиях (температура и время).

Измерение размера зерна

Средний размер зерна измеряли в соответствии с методом Джеффриса, то есть путем подсчета количества зерен, присутствующих в заданной области. Отлитые образцы тщательно отполировали и подвергали металлографическому травлению раствором цианида, чтобы сделать видимыми зерно. См. стандарт ASTM E 112-96.

Размер зерна измеряли только на литых образцах, а не на отожженных, как для литьевых сплавов, так и для сплавов для обработки пластической деформацией.

Оценка цвета

Цветовые координаты CIELab*** определяли по коэффициентам отражения, измеренным на образцах, специально подготовленных для этой цели (упрочненных и полированных пластинах 16 x 8 mm ).

Спектры отражения образцов для получения цветовых координат CIELab (L*, a* и b*). обрабатывал компьютер (см. стандарт ASTM E 308-99) Для каждого состава сплава идентифицирована одна точка в трехмерном цветовом пространстве.

Измерение скорости высвобождения никеля

Этот тест предназначен для имитации скорости высвобождения никеля из изделий, вступающих в прямой и продолжительный контакт с кожей человека. Стандарт UNI EN 1811 тщательно соблюдался. Геометрия образцов различных сплавов соответствовала положениям вышеприведенного стандарта. По окончании испытательного периода концентрация растворенного никеля в растворе определялась с помощью спетроскопии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-OES). Скорость высвобождения никеля измерялась в мг/см2/ неделя, в расчет принималось скорректированное значение.

Скорость высвобождения никеля измеряли только на никельсодержащих сплавах, то есть на белом золоте.

Обработка данных

После проведения практических испытаний были собраны данные для всех сплавов, которые мы производим. Подчеркнем, что существуют «универсальные» сплавы, которые подходят как для литья, так и для пластической деформации. Для этих сплавов были выполнены все вышеописанные испытания.

Результаты, полученные для 18-каратных цветных золотых сплавов, описаны в следующих разделах.

18-каратные цветные сплавы золота

Были исследованы тридцать четыре сплава. Составы этих сплавов приведены в таблице 3, где они упорядочены в соответствии с концентрацией серебра (и, во-вторых, в соответствии с концентрацией цинка). В таблице 3 GR1 обозначает тип зерноизмельчителя, а GR2 - другой тип зерноизмельчителя.

Таблица 3

Состав 18-каратных цветных сплавов золота, масс.‰

Сплав Золото Серебро Цинк Медь GR1 CR2 Раскис-
литель
1 750 3,75 3,75 Ост. Х
2 750 8,75 8,75 Ост. Х
3 750 10 7,5 Ост. X
4 750 25 5 Ост. X
5 750 25 7,5 Ост. X
6 750 42,5 11,25 Ост. X
7 750 45 2,5 Ост. X
8 750 45 2,5 Ост. X
9 750 45 12,5 Ост. X
10 750 72,5 7,5 Ост. X
11 750 75 63,5 Ост. X
12 750 75 63,5 Ост. X
13 750 77,5 26,25 Ост. X
14 750 80 5 Ост. X
15 750 110,5 4,75 Ост. X
16 750 112,5 25 Ост. X
17 750 115 8,75 Ост. X
18 750 117,5 5 Ост. X
19 750 117,5 5 Ост. X
20 750 117,5 5 Ост. X
21 7504 118,75 28,75 Ост. X
22 750 120,5 20,5 Ост. X
23 750 121,5 9 Ост. X
24 750 123 8,75 Ост. X
25 750 125 26 Ост. X
26 750 137,5 17,5 Ост. X
27 750 141,25 8,75 Ост. X
28 750 141,25 8,75 Ост. X
29 750 143 8 Ост. X
30 750 150 11,25 Ост. X
31 750 155 3,75 Ост. X
32 750 160 8,75 Ост. X
33 750 160 8,75 Ост. X
34 750 190 3,75 Ост. X


Первоначально исследовали изменение температуры ликвидуса и солидуса. Результаты представлены на рисунке 2 для всех изученных сплавов.

Треугольники соответствуют температурам ликвидуса, квадраты соответствуют температурам солидуса. Верхняя непрерывная кривая является оптимальной линией температур ликвидуса, исключая сплавы, содержащие более 12,5 мас.% цинка, то есть сплавы 11, 12, 13, 16, 21, 22, 25 и 26 (только 24 сплава были учтены в оптимальной кривой). Как и следовало ожидать, возрастающая концентрация цинка снижает температуру ликвидуса, но этот аспект здесь не рассматривался. Интересно, что при увеличении концентрации серебра температура ликвидуса сначала снижается, а затем увеличивается.

Нижняя непрерывная кривая на рисунке 2 является оптимальной для температур солидуса, исключая сплавы 11, 12, 13, 16, 21, 22, 25 и 26, как указано выше. В этом случае также с увеличением концентрации серебра температура солидуса сначала снижается, а затем увеличивается.

Следует отметить, что разница между кривыми оптимального соответствия ликвидуса и солидуса (т. е. диапазона плавления) увеличивается с увеличением концентрации серебра. Это увеличение можно более отчетливо наблюдать на рисунке 3, где температуры плавления вышеперечисленных сплавов ( при концентрациях цинка ниже 12,5 ‰) нанесены на график в зависимости от концентрации серебра.

На рис. 3 также исключены сплавы, содержащие раскислители , поскольку хорошо известно, что такие элементы, как кремний, имеют тенденцию к расширению диапазона плавления. Хотя мы исключили несколько сплавов, мы видим, что увеличение концентрации серебра приводит к расширению диапазона плавления.

Рисунок 4 показывает, что плотность увеличивается с концентрацией серебра. В этом случае также была рассчитана оптимальная кривая, исключая сплавы, содержащие более 12,5 ‰ цинка. Цинк влияет на значение плотности, но серебро - это элемент, влияющий на плотность более заметно.

Влияние концентрации серебра на цветовую координату L* изображенo на рисунке 5 В этом случае также была выбрана оптимальная кривая (непрерывная) за исключением сплавов, содержащих более 12,5 ‰ цинка. Видно, что L* увеличивается с увеличением концентрации серебра. Более того (даже если данные были скудными), похоже, что возрастающая концентрация цинка может увеличивать L*. Похоже, что небольшие добавки измельчителей зерна или раскислителей практически не влияют на значение L*.

Когда мы рассмотрим значение a*(рис. 6), мы видим, что при увеличении концентрации серебра цвет смещается от красного к зеленому (следует помнить, что a* обозначает «цветовое измерение», идущее от красного до зеленого).

Здесь также была нарисована оптимальная кривая (непрерывная) за исключением сплавов, содержащих более 12,5 ‰ цинка. Было бы интересно рассмотреть a * как функцию концентрации меди, а не серебра (это примерно сопоставимо с учетом суммы серебра и цинка, поскольку количество других добавок невелико). Но цинк кажется более эффективным, чем серебро, для смещения цвета от красного к зеленому. По нашему мнению, цинк, по-видимому, проявляет эффект в два раза сильнее, чем серебро, даже если лучше рассмотреть разные диапазоны концентраций. Чтобы проверить этот эффект, следует изучить большее количество сплавов с различными концентрациями цинка и постоянной концентрацией серебра.

На рис. 7 представлен график зависимости a* от концентрации серебра с добавлением двойной концентрацией цинка. Рисунок 7, похоже, подтверждает гипотезу о том, что влияние цинка примерно в два раза сильнее, чем влияние серебра. В этом случае наилучшая подходящая кривая была рассчитана с учетом всех изученных сплавов без исключения.

Значение b * смещается в сторону желтого, когда концентрация серебра увеличивается (b* обозначает «цветовой размер», идущий от желтого до синего). Как обычно, наилучшая подходящая кривая не учитывает сплавы, богатые цинком.

Влияние цинка на b*, по-видимому, слабее, чем в случае а*, но это должно быть подтверждено изучением некоторых подходящих составов сплавов. По-видимому, эффект цинка может быть аналогичен эффекту серебра при рассмотрении значения b*. Поэтому мы можем нарисовать график влияния концентрации меди на b* (т. е. концентрации серебра и цинка).

В этом случае все сплавы, которые не были исключены, использовались для построения наилучшей кривой. Эта диаграмма показывает, что влияние концентрации цинка на b* ниже, чем на а*.

На рис. 10 квадратные точки представляют собой значения твердости образцов, подвергнутых термообработке. Треугольники представляют собой максимальную твердость, полученную после затвердевания. Для каждого сплава отображается только максимальное значение твердости, независимо от температуры и времени, необходимого для его достижения.

По нашему мнению, медь является элементом, оказывающим самое сильное влияние на твердость. Цинк, по-видимому, мало влияет на твердость, или, что точнее, он может влиять на твердость менее прямым образом, сдвигая температуру и/или время, необходимое для достижения максимальной твердости, при данной концентрации меди. Этот эффект можно было наблюдать, исследуя температуры и время, применяемые для процедур упрочнения, но мы считаем, что это не относится к целям этой работы.

На рисунке 11 показан график влияния концентрации меди на твердость для всех сплавов без исключения.

Очевидно, что увеличение концентрации меди увеличивает твердость образцов, подвергнутых термической обработке, а также отливок. В частности, сплавы могут стать более прочными. Относительно низкая концентрация меди (около 80-90‰) может быть достаточной для увеличения твердости с применением термообработки.

Измерение размера зерна (рисунок 12) свидетельствует о том, что сплавы, содержащие измельчитель зерна GR2, показывают структуру мелкого зерна, которая почти не зависит от концентрации основных компонентов. Для сплавов, содержащих измельчитель зерна GR1 или раскислители, все гораздо сложнее, потому что GR1 не измельчает зерно. Такое поведение можно было ожидать, поскольку измельчитель GR1 представляет собой кобальт, который, как известно, работает в твердой фазе. Это означает, что кобальт, по-видимому, измельчает зерно или сохраняет измельченную структуру после отжига, а в этом эксперименте использовались литейные сплавы. Поэтому мы можем сказать, что измельчитель GR1 работал неправильно в образцах литейных сплавов, а тенденцию снижения размера зерна с повышением концентрации серебра можно объяснить снижением растворимости кобальта в сплаве.

В сплавах, содержащих раскислители, не было найдено влияния концентрации серебра на размер зерна. Считается, что, когда присутствуют раскислители, обратное влияние оказывает цинк, способствуя увеличению размера зерна. Можно сказать, что измельчитель зерна GR2 более важен, чем концентрация основных легирующих элементов, в то время как раскислители приводят к увеличению размера зерна, и их влияние зависит от концентрации основных легирующих элементов.

Далее мы рассматриваем литейные и механически деформируемые сплавы по отдельности.

18-каратные цветные сплавы золота для литья

18-каратных сплавов, подходящие для литья, двадцать один, а именно сплавы 3, 5, 8, 9, 10, 12, 14, 15, 17, 19, 20, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 31, 32 и 34.

Наш опыт говорит о том, что сплавы, содержащие измельчитель зерна GR1, более 17,5 ‰ цинка и без раскислителей, не подходит для литья.

Испытание на прочность при растяжении/ разрыве было проведено на литьевых сплавах. Результаты показаны на рисунке 13.

Оптимальная кривая (непрерывная) для UTS (треугольники) и предела текучести (квадратные точки) показана на рисунке 13 (с измельчителем зена GR2). Точки хорошо ложатся на кривую. Сопротивление материала с увеличением концентрации серебра.

Влияние концентрации серебра не было обнаружено в сплавах, содержащих добавки раскислителя, даже в узком диапазоне составов. В более общем плане можно только сказать, что добавка раскислителя значительно снижает как прочность на разрыв, так и предел текучести по сравнению со сплавами, содержащими измельчители зерна, причем, для UTS это заметнее, чем для предела текучести. Результаты, показанные звездочками, доказывают, что UTS увеличивается с увеличением концентрации серебра: объяснение можно найти в значениях твердости, которые мы обсуждали ранее, на рисунках 10 и 11. Твердость имеет тенденцию к увеличению при более низких концентрациях серебра (более высокой концентрации меди): поэтому раскислители, содержащиеся в сплавах (такие сплавы требуют более длительного времени охлаждения, чем сплавы с измельчителями зерна), приводят к повышению хрупкости сплава.

Это согласуется с повседневной практикой: замечено, что в богатых медью 18-каратных сплавах красного золота довольно сложно использовать раскислители из-за повышенной хрупкости (эти сплавы не могут быть быстро охлаждены после литья).

На рисунке 14 показано влияние концентрации серебра на величину удлинения при разрыве (E%). Удлинение заметно выше для сплавов с измельчителем зерна и наблюдается небольшое увеличение с увеличением концентрации серебра в соответствии с вышеизложенными соображениями. Удлинение значительно меньше для раскисленных сплавов и наблюдается увеличение с увеличением концентрации серебра. Цинк значительно снижает относительное удлинение при той же концентрации серебра. Этот результат требует более глубокого изучения, поскольку можно было бы ожидать противоположного эффекта. Возможно, в раскисляемых сплавах цинк может способствовать увеличению размера зерна с последующим снижением удлинения, но следует изучить более широкий диапазон концентраций, чтобы подробнее изучить это явление.

18-каратные сплавы цветного золота для пластической деформации

Были исследованы 24 цветных золотых сплава 18 карат, подходящих для пластической деформации, а именно: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 13, 14, 15, 16, 18, 19, 21 , 23, 26, 27, 30, 31, 32 и 34. На этих сплавах были измерены механические характеристики.

Зависимость предела прочности на растяжение от концентрации серебра показана на рисунке 15.

Есть две оптимальные кривые для UTS (треугольники): верхняя кривая относится к образцам с измельчителем зерна GR2, тогда как нижняя относится к образцам, содержащим измельчитель зернаGR1. То же самое справедливо и для предела текучести (нижние кривые - квадратные точки).

Измельчитель зерна GR2 кажется более эффективным, даже если разница между двумя измельчителями, по-видимому, уменьшается с увеличением концентрации серебра. При более высокой концентрации серебра предел текучести больше не зависит от типа измельчителя зерна, что, по-видимому, подтверждает тенденцию, наблюдаемую для размера зерна.

График зависимости относительного удлинения при разрыве не представлен, поскольку они все очень похожи, и корреляция с составом сплавов не очевидна. Значения удлинения составляли от 27 до 32% для красного золота и от 31 до 34% при более высокой концентрации серебра и цинка.

На рисунке 16 показаны результаты испытаний на растяжимость при прокате/волочении. Невозможно найти явный эффект влияния состава сплава на пластичность. По нашему мнению, это связано с тем, что на коэффициент пластичности влияет множество параметров. Мы определили два основных параметра: концентрацию цинка и размер зерен: чем выше концентрация цинка, тем выше будет эластичность.

На рисунке 16 сплавы с более высокой концентрацией цинка (сплавы 11, 16, 21 и 26) дали наивысшие значения пластичности. Сплав 14 дал неожиданный результат, но на этими данными мы пока пренебрегли.

Похоже, что при такой же концентрации цинка сплавы с большим размером зерна демонстрируют лучшую пластичность, чем сплавы с более мелким размером зерна (при той же концентрации цинка, сплавы с измельчителем зерна GR1, обладают лучшей способностью к вытягиванию, чем сплавы, обогащенные GR2). Кроме того, оказывается, что пластичность повышается за счет более высокой концентрации серебра, то есть более мягкие сплавы проявляют более высокую пластичность.

Чтобы получить более глубокое понимание способностей к растяжению, следует провести более подробные эксперименты с тщательно подобранными концентрациями серебра и цинка. Впоследствии те же основные концентрации легирующих элементов можно будет протестировать с добавлением измельчителя зерна GR2.

График на рис. 17, в общем, подтверждают поведение твердости сплавов с термической обработкой, то есть увеличение концентрации серебра (или уменьшение концентрации меди) делает сплавы более мягкими. На рисунке 17 показаны только кривые упрочнения сплавов 3, 4, 18, 19, 27, 32 и 34, поскольку они представляют разные концентрации серебра/меди. Другие кривые были опущены, чтобы избежать путаницы на графике.

18-каратные сплавы белого золота

Изучено двадцать два сплава белого золота. Их составы приведены в таблице 4 как функция концентрации никеля (а таже концентрации цинка). В таблице 4 GR1 и GR2 являются теми же самыми измельчителями зерна, которые уже использовались для цветных золотых сплавов 18К.

Таблица 4

Состав исследованных 18-каратных сплавов белого золота, масс.‰

Сплав Золото Никель Цинк Медь GR1 CR2 Раскис-
литель
Серебро
1 750 25 25 Ост.
2 750 37,5 37,5 Ост. Х
3 750 37,5 37,5 Ост. Х Х
4 750 37,5 37,5 Ост. Х
5 750 50 30 Ост. Х
6 750 50 30 Ост. Х Х
7 750 50 35 Ост. Х Х 5
8 750 50 45 Ост. Х
9 750 62,5 17,5 Ост. Х
10 750 62,5 30 Ост.
11 750 62,5 30 Ост. Х Х
12 750 62,5 35 Ост.
13 750 62,5 35 Ост. Х
14 750 75 35 Ост.
15 750 75 35 Ост. Х
16 750 75 35 Ост. Х Х
17 750 75 50 Ост. Х Х 25
18 750 87,5 87,5 Ост.
19 750 87,5 40 Ост. Х
20 750 100 25 Ост. Х Х
21 750 120 45 Ост.
22 750 120 45 Ост. Х

В этом случае также для всех сплавов были измерены температуры солидуса и ликвидуса. Общая тенденция, зависящая от концентрации никеля, не была найдена. Поэтому на рисунке 18 сплавы были разделены на 3 основные группы: сплавы с измельчителем зерна GR1, сплавы с измельчителем GR2 и сплавы с раскислителями (см. таблицу 4). Такое поведение, вероятно, следует отнести к широким диапазонам концентраций никеля и цинка. Можно только сказать, что температуры ликвидуса и солидуса, по-видимому, становятся выше при увеличении концентрации никеля. Похоже, что цинк снижает эти температуры, а добавление раскислителей, в основном, снижает температуру солидуса.

Для лучшего понимания корреляции между составом и диапазоном плавления мы рассмотрели сплавы с добавками GR2 и раскислителем (подходящие для литья по выплавляемым моделям) и сплавы с добавками GR1 и GR2 (пригодные для холодной обработки) по отдельности. В случае сплавов для литья под давлением (рис. 19) температура солидуса и ликвидуса, по-видимому, увеличивается с ростом концентрации никеля для сплавов, содержащих GR2. Для сплавов с раскислителем температуры ликвидуса и солидуса сначала увеличивается, а затем уменьшается с увеличением концентрации никеля. Также диапазон плавления расширяется, от сплавов с добавками GR2 к сплавам с раскислителем. Кроме того, очевидно, что температуры солидуса и ликвидуса раскисленных сплавов ниже соответствующих температур в сплавах с добавками GR2.

Мы полагаем, что такое поведение можно объяснить тем, что в сплавах, содержащих только добавки раскислителей, обычно наблюдается более высокая концентрация цинка, что особенно влияет на диапазон плавления. Сплавы 7 и 17 не учитывались из-за концентрации серебра (концентрация никеля 50 масс.‰ и 75 масс.‰ соответственно), которое сильно снижает температуру плавления.

При рассмотрении пластичных сплавов на рис. 20 видно, что в случае сплавов, содержащих GR1, температура плавления сначала увеличивается, а затем уменьшается с увеличением концентрации никеля. Но состав сплава 21 почти похож на сплав 22 (для литья по выплавляемым моделям) и аномальное поведение может быть связано с высокой концентрацией цинка. Более высокая концентрация цинка при той же концентрации никеля снижает температуру плавления всех сплавов. Поэтому можно сказать, что цинк особенно влияет на температуру плавления.

Плотность немного понижена за счет увеличения концентрации никеля (рис. 21), но ее можно считать примерно постоянной, поскольку изменение очень мало, соизмеримо погрешности метода измерения плотности. Влияние цинка на плотность пренебрежимо мало.

Результаты для цветовых координат L*, a* и b* показаны на рисунках 22-26.

Похоже, что никель не оказывает явного влияния на L* (рис. 22), поэтому оптимальная кривая не была нарисована. Концентрация цинка представляется более важной, и L* , по-видимому, возрастает с увеличением концентрации цинка при той же концентрации никеля (см. рис. 23).

Вероятно, на L* также влияют другие дополнения - например, раскислители, но экспериментальных данных слишком мало, чтобы сделать надежные выводы.

На рисунке 24 показано влияние содержания никеля на цветовую координату а*, скорее следует учитывать суммарную концентрацию никеля и цинка.

Для влияния меди на a* можно провести оптимальную кривую (рис. 25). Наиболее несогласованная точка соответствует сплаву 17, содержащему 25‰ серебра.

Очевидный эффект влияния концентрации никеля на координату b* можно увидеть, рис. 26, но в этом случае также может быть дополнительный эффект от малых легирующих добавок, как и в случае L*. Если сравнить график L*( рисунки 22 и 23) с рисунком 26, то, по-видимому, и здесь влияют микродобавки. То же самое наблюдается и для координаты b*. Предполагается, что это вызвано действием раскислителей.

На рисунке 27 показан график зависимости твердости от концентрации никеля. Также как и для цветных золотых сплавов, приведены значения твердости термически обработанных и термически обработанных сплавов с образованием твердого раствора. Твердость образцов, подвергнутых термообработке в твердый раствор, имеет тенденцию к увеличению с увеличением концентрации никеля, тогда как максимальная твердость закаленного материала уменьшается. В этом случае также наблюдается рассеяние результатов, и довольно трудно увидеть общую тенденцию.

Мы полагаем, что на твердость может оказывать сильное влияние концентрация основных легирующих элементов (соотношение никель-цинк-медь) и пренебрежимо малое влияние со стороны малых добавок (такие как зерноизмельчителие и раскислители), по крайней мере, в нашем случае.

Рассеяние данных можно отнести к заметным различиям в концентрации цинка. Чтобы найти подходящую корреляцию для производственных процессов, мы исследовали влияние концентрации меди на твердость. Результаты показаны на рисунке 28. Можно видеть, что и в случае белого золота медь позволяет повысить твердость после соответствующей термообработки. Значения твердости сплавов 7 и 17 были опущены на рисунках 27 и 28, поскольку добавление серебра делает эти сплавы несопоставимыми с другими сплавами.

Даже если учитывать концентрацию меди, Нарисовать оптимальную кривую непросто. Мы полагаем, что и в этом случае это может быть связано с различиями в концентрации цинка. Поэтому кривые только приближаются, и несколько точек были отброшены, но им мы можем дать интерпретацию. По нашему мнению, твердость сплавов, обработанных в твердый раствор, уменьшается с увеличением концентрации меди. Этот эффект можно проверить в повседневной практике, когда возникает ощущение, что увеличение концентрации никеля делает сплав более твердым. Что касается максимальной твердости при дисперсионном твердении, графики, похоже, показывают, что сплавы становятся твердыми после закалки при минимальной концентрацией меди около 160‰.

Что касается размера зерна, то очевидно, что GR2 намного эффективнее GR1. Он гарантирует стабильно мелкое зерно (около 100 мкм) независимо от состава сплава. Изменение размера зерна с GR1, по-видимому, подтверждает наши результаты на цветных сплавах 18-каратного золота: GR1 не эффективен в литейных сплавах и, вероятно, его эффект улучшается при более низких концентрациях меди.

Изменение размера зерна труднее понять для раскисленных сплавов. Наилучшая подходящая кривая показывает, что средний размер зерна уменьшается с увеличением концентрации никеля вплоть до мелкого размера, полученного с помощью GR2. Этот результат был неожиданным, поскольку обычно раскислители имеют тенденцию увеличивать размер зерна. Следует проверить, зависит ли эффект измельчения зерна от концентрации никеля (см. также сплавы с GR1), или никель может образовывать соединения с раскислителями, которые могут действовать как измельчители зерна.

График скорости высвобождения никеля в зависимости от концентрации никеля показан на рис.30. Можно видеть, что добавление раскислителей заметно увеличивает скорость высвобождения никеля у сплавов того же основного состава. Добавление измельчителя зерна ускоряет высвобождения никеля.

Добавление серебра к сплаву с той же концентрацией никеля снижает скорость выделения никеля. Таким образом, мы подтвердили результаты других работ: то есть скорость высвобождения никеля зависит не только от концентрации никеля.

18-каратные литейные сплавы белого золота

Изучены тринадцать 18-каратных сплавов белого золота для литья по выплавляемым моделям, а именно сплавы 3, 4, 6, 7, 8, 11, 13, 15, 16, 17, 19, 20 и 22. Мы также рассмотрели все литейные сплавы, содержащие добавки раскислителей.

Результаты испытаний прочности показаны на рисунке 31.

Результаты сплавов 7 и 17 не учитывались при построении оптимальной кривой. Как правило, UTS и устойчивость к деформации выше для сплавов с измельчителем зерна, чем для сплавов, содержащих только раскислители. UTS и устойчивость к деформации увеличивается с увеличением концентрации никеля: увеличение UTS выше для раскисленных сплавов. Этот результат требует подтверждения, но его можно отнести к эффекту измельчения зерна, связанному с увеличением концентрации никеля. Как правило, мелкозернистая структура приводит к улучшению прочностных характеристик.

По-видимому, увеличение концентрации никеля приводит к уменьшению удлинения до разрыва. Это может быть связано с увеличением UTS и устойчивости к деформации с GR2. Удлинение раскисленных сплавов более постоянное, несмотря на то, что сплав 22 имеет несколько более высокое удлинение. Мы считаем, что его поведение может быть в основном связано с концентрацией цинка, потому что раскисленные сплавы обычно содержат больше цинка, чем другие сплавы. Вероятно, удлинение должно быть связано с концентрацией никеля и цинка и размером зерна.

18-каратные сплава белого золота для пластической деформации

Пятнадцать из изученных 18-каратных сплавов белого золота пригодны для пластической деформации, а именно сплавы 1, 2, 3, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 14, 16, 18, 20 и 21. Все сплавы, не содержащие раскислители, считались подходящими для пластической деформации.

Результаты испытаний на растяжение нанесены на рис. 33 в зависимости от концентрации никеля. В этом случае сильно зернистые сплавы демонстрируют более высокую прочность на растяжение. Измельчитель зерна GR2 явно более эффективен.

UTS и прочность к деформации увеличивается с увеличением концентрации никеля.

График значений относительного удлинения до разрыва не показан, так как все значения весьма схожи и нет заметного влияния состава сплава. Значения удлинения составляют от 24 до 28%.

Результаты испытаний на глубокую прокатку представлены на рис. 34 в зависимости от концентрации никеля. Пластичность уменьшается с увеличением концентрации никеля и последовательно уменьшается для сплавов, содержащих GR2, по сравнению со сплавами, содержащими GR1. При той же концентрации никеля, но с увеличением концентрации цинка пластичность увеличивается.

Концентрация никеля и цинка и размер зерна являются параметрами, сильнее влияющими на способность вытягивания.

Было обнаружено, что увеличение концентрации никеля сопровождается повышением твердости. Чтобы иметь более четкое представление, на рисунке 35 показаны только кривые твердости сплавов 1, 3, 11, 20 и 21.

Заключение

Вышеописанные результаты только часть большого исследования.

После разработки методики исследований необходимо собрать и проанализировать данные для всех проб сплава золота. В этой статье мы описали методы исследования и обсудили данные для 18 каратных сплавов золота.

После завершения этой части работы мы намерены определить параметры, имеющие более важное влияние в каждом производственном процессе, чтобы иметь возможность выбора состава сплава в зависимости от предполагаемого использования. Таким образом, всегда можно будет рекомендовать наиболее подходящую композицию для каждого применения, и, если выбор должен быть сделан на основе цвета, мы должны уже знать возможные противопоказания или пределы обработки.

Разумеется, знание физических и химических характеристик сплавов позволяет производить сравнение между различными составами и позволяет сделать выбор на основе объективной информации, а не на чувствах или привычках.

Что касается наших исследований, представленных в этой статье, мы считаем, что разработанный нами метод характеризации подходит для наших целей. Необходимое количество материала, количество испытаний и физическое состояние сплавов, по-видимому, гарантируют очень хороший компромисс между собираемыми данными и требуемым временем.

Мы считаем, что собранные нами данные достаточно интересны, и по нескольким характеристикам нам удалось получить представление о влиянии концентрации основных компонентов сплавов. Качество результатов, по-видимому, хорошее, и лишь некоторые результаты выбились из ожидаемой тенденции. Их всего лишь несколько, и на них могли повлиять условия эксперимента. Разумеется, мы должны подробнее изучить эти сплавы для более точной проверки наблюдаемых тенденций: в частности, это особенно важно для сплавов белого золота.

Эти характеристики могут также позволить нам найти взаимосвязь между различными влияющими параметрами, когда они одновременно оказывают свое влияние. Например, концентрация цинка может влиять на пластичность в сочетании с размером зерна сплава. Очевидно, что для получения полноты картины необходимо исследовать влияние незначительных добавок, таких как измельчители зерна и раскислители. Эта работа не включена в этот проект, но она должна быть выполнена в будущем.

Еще один момент для исследования - разработка технологических испытаний, но они также менее важны в нашем списке приоритетов. (Примечание: Несколько странное заявление. Такая работа просто обязана быть выполнена исключительно для достижения практических целей, т.е. для использования в технологическом процессе.)

Ссылки

1. ASM Handbook, Vol. 2, “Properties and Selection: Non ferrous Alloys and Special-Purpose Materials”

2. Dieter Ott, Influence of Small Additions and mpurities on Gold and Jewerly Gold Alloys, The Santa Fe Symposium on Jewerly Manufacturing Technology 1997, 173-196

3. A. S. McDonald and G. H. Sistare, The Metallurgy of some Carat Gold Jewellery Alloys, Gold Bulletin, 1978, 11 (3), 66-73

4. W. S. Rapson, The Metallurgy of the Coloured Carat Gold Alloys, Gold Bulletin, 1990, 23 (4), 125-133

5. W. S. Rapson and T. Groenewald, “Gold Usage”, Academic Press 1978

6. Benner L.S., Suzuki T., Meguro K., Tanaka S., “Precious Metals and Technology”, International Precious Metals Institute

7. Reed-Hill R.E., Abbaschian R, “Physical Metallurgy Principles”, Ed. Brooks/Cole

8. W. Nicodemi, “Metallurgia”, Masson 1997


Примечание переводчика: Статья несколько сумбурная, со многими допущениями и опущениями. Вероятно, часть большой работы. Оригинальный заголовок гласил: Сплавы 9, 10, 14 и 18 карат, но статья разбирает только 18-каратные. Работа проделана большая, но из-за недостаточно рациональной методической постановки работы выводы получились несколько неоднозначными. Однако, надеюсь, кому-то все же пригодятся их результаты.


* Дифференциальный термический анализ (DTA) в аналитической химии - метод идентификации и количественного анализа химического состава веществ путем наблюдения теплового поведения образца при его нагревании. Этот метод основан на том, что при нагревании вещества он подвергается реакциям и изменениям фазы, которые связаны с поглощением или выбросом тепла. В ДТА температура исследуемого материала измеряется относительно температуры соседнего инертного материала. Термопара, встроенная в испытательный образец, а другая в инертном материале соединена так, что любые дифференциальные температуры, создаваемые во время цикла нагрева, графически записываются как серия пиков на движущейся диаграмме. Количество теплоты и температура, при которой происходят эти изменения, характерны для отдельных элементов или соединений; Поэтому идентификация вещества осуществляется путем сравнения кривых ДТА, полученных из неизвестного, с данными известных элементов или соединений. Более того, количество вещества, присутствующего в составном образце, будет связано с площадью под пиками на графике, и это количество можно определить, сравнивая площадь характеристического пика с областями из серии стандартных образцов, проанализированных при одинаковых условия. Метод DTA широко используется для идентификации минералов и минеральных смесей.

** Проблема настолько остра, что во исполнение директивы Европейского парламента № 94/27/ЕС от 30 июня 1994 г. разработаны 4 международных стандарта, регламентирующих нормы и методы контроля миграции никеля с изделий, имеющих прямой и постоянный контакт с телом человека (EN 1810:1998, EN 1811:1998, EN 12472:1998, EN 12471:1998)

*** Количественное определение цвета в системе Lab. Подробнее об определении цвета сплавов описано тут.