Актуальные проблемы современной науки: тезисы докладов IV Международной научно-практической конференции (Москва-Будапешт-Вена, 29 декабря 2015)
Секция: Технические науки
Артюх Тетяна Миколаївна
докт. техн. наук, професор Національного університету харчових технологій, м. Київ
Шульц Анна Сергіївна
старший викладач Донецького національного університету
імені Михайла Туган-Барановського, м. Донецьк
Е-mail: a-nuto4kaa777@mail.ru
ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЮВЕЛІРНИХ СПЛАВІВ ЗОЛОТА З ВМІСТОМ МОДИФІКУЮЧИХ КОМПОНЕНТІВ
З точки зору проб і кольору класифікація сплавів золота не дає жодних вказівок щодо того, які властивості і механічні характеристики мають зазначені ювелірні сплави. Проте, логічні взаємозв’язки між складом, металургійною структурою і властивостями таких сплавів існують. Дослідження фазових діаграм систем сплавів золота, що беруть участь в процесі виробництва ювелірного сплаву надає можливості прогнозування фізико-механічних властивостей, у тому числі і кольору майбутнього ювелірного виробу.
Значні наукові та практичні дослідження щодо формування фізико-механічних властивостей ювелірних сплавів білого золота зроблено науковцями Американського товариства з випробування матеріалів (ASTM), Американської асоціації виробників та постачальників ювелірних виробів (MJSA) та Всесвітньої Золотої Ради [1-5]. Проте, розроблені світовою науковою спільнотою сплави золота підходять лише для певних технологічних процесів, певного обладнання, і, нажаль, не завжди можуть забезпечити високих споживних властивостей ювелірних виробів.
Одними з основних споживних властивостей ювелірних виробів з дорогоцінних металів є естетичні. Колір ювелірного сплаву є найбільш важливою складовою естетичних властивостей ювелірного виробу.
Нами було досліджено процеси зміни кольору ювелірних сплавів золота в системі Au-Ag-Сu в залежності від концентрації срібла та міді. З цією метою було виготовлено 28 контрольних зразків. Колір досліджуваних зразків позначали відповідно до вимог зазначених в ІSO 8654:1987 «Кольори золотих сплавів. Визначення, діапазон кольорів та позначення», а саме:
0N – жовто-зелений (або «зелене» золото, бо зелений колір домінує);
1N – блідо-жовтий;
2N – світло-жовтий (з зеленкуватим відтінком);
3N – жовтий;
4N – рожевий;
5N – червоний;
8N – білий.
Під час дослідження встановлено, що в чистій системі Au-Ag-Сu сплави золота 375 проби можуть мати 5 кольорів (8N, 1N, 2N, 4N, 5N), 585 проби – 4 кольори (1N, 2N, 4N, 5N), 750 проби – три кольори (0N, 3N, 4N). При цьому, білими – 8N, без додавання будь яких легуючих компонентів та модифікаторів, можуть бути лише сплави золота 375 проби з вмістом срібла понад 50 %. Проте, такі сплави не можуть використовуватися для створення масових ювелірних виробів, бо мають достатньо високу температуру солідус (близько 1000 оС), є занадто м’якими (твердість після лиття зі збільшенням срібла знижується від 80 до 40 НV, твердість після пластичної деформації знаходиться в межах від 124 до 84 НV), мають високу міцність на розрив (понад 315 МПа), що ускладнює їх подальшу обробку.
У зв’язку з цим, було поставлено завдання розробити сплави білого золота, що за своїми кольоровими характеристиками відповідали найвищому класу білизни, мали високі показники фізико-механічних властивостей та були безпечними. З цією метою, було розроблено композиції експериментальних сплавів білого золота з вмістом модифікуючих компонентів.
Так було визначено оптимальний склад сплавів на основі потрійної системи «золото-срібло-мідь», який можна використовувати як основну матрицю для подальшого регулювання та «вибілювання», а саме для експерименту обрано сплав золота 375 проби Au-Ag-Cu 375-250, 585 проби Au-Ag-Cu 585-150 та 750 проби Au-Ag-Cu 750-80 (табл. 1).
Таблиця 1
Фізико-механічні властивості досліджуваних сплавів золота потрійної системи Au-Ag-Cu
Параметр |
Сплав |
|
||
Au-Ag-Cu 375-250 |
Au-Ag-Cu 585-150 |
Au-Ag-Cu 750-80 |
||
Твердість після лиття, HV |
100 |
170 |
140 |
|
Твердість після відпалу, HV |
130 |
190 |
170 |
|
Міцність на розтяг, МПа |
460 |
510 |
480 |
|
Міцність на розрив, МП |
310 |
300 |
270 |
|
Відносне подовження, % |
28 |
38 |
43 |
|
Рідкотекучість, м |
0,50 |
0,49 |
0,48 |
|
Кількість зерен на 1 мм2 |
80 |
81 |
понад 82 |
|
Температура солідус, оС |
760 |
820 |
820 |
|
Температура ліквідус, оС |
850 |
900 |
920 |
|
Колір |
2N |
2N |
3N |
|
Регулювання хімічного складу ювелірного сплаву полягало в оптимізації властивостей в системі Au-Ag-Cu з метою їх вибілювання до кольору 8N, який відповідає 1 класу білизни – «майже білий» та підвищенні твердості до 200 НВ, зменшенні розміру зерна (кількість зерен на 1 мм2 понад 100), звуженні інтервалу кристалізації (між температурами солідус-ліквідус) максимум до 35 – 40 оС.
Як модифікуючи добавки для отримання білого кольору ювелірних сплавів на основі золота з заданими властивостями в системі золото-срібло-мідь обрано цинк (Zn), марганець (Mn), хром (Cr), олово (Sn), кобальт (Co), кремній (Si), бор (B).
В процесі виконання експерименту було досліджено 58 композицій сплавів на основі золота з вмістом модифікуючих компонентів. Однак, найбільш оптимальними обрано сплави, що містять від 4 до 9 % цинку, від 3 до 7 % марганцю та до 2,5 % за загальною масою у сплаві хрому, олова, кобальту, кремнію та бору (табл. 2).
Таблиця 2
Хімічний склад авторських зразків сплавів на основі золота
Умовне позначення зразка |
Хімічний склад, % |
|||||||||
Au |
Ag |
Cu |
Zn |
Мn |
Cr |
Sn |
Co |
Si/ Cu |
B/ Cu |
|
Е-1 |
37,5 |
24,0-25,0 |
решта |
10,0 |
7,0 |
0,2-0,3 |
1,5 |
0,01-0,05 |
0,4-0,5 |
0,05-0,1 |
Е-2 |
37,7 |
24,0-25,0 |
решта |
9,0 |
6,5 |
0,3-0,4 |
1,5 |
0,01-0,05 |
0,4-0,5 |
0,05-0,1 |
Е-3 |
58,5 |
14,0-15,0 |
решта |
8,0 |
5,5 |
0,05-0,1 |
1,25 |
0,01-0,05 |
0,3-0,5 |
0,05-0,1 |
Е-4 |
58,5 |
14,0-15,0 |
решта |
7,0 |
5,0 |
0,1-0,2 |
1,5 |
0,01-0,05 |
0,3-0,5 |
0,05-0,1 |
Е-5 |
75,0 |
7,0-8,0 |
решта |
5,0 |
4,0 |
0,1-0,2 |
0,75 |
0,01-0,05 |
0,2-0,4 |
0,05-0,1 |
Е-6 |
75,0 |
7,0-8,0 |
решта |
4,0 |
5,0 |
0,1-0,15 |
0,75-1,0 |
0,01-0,05 |
0,2-0,4 |
0,05-0,1 |
Введення до складу композицій цинку підвищувало пластичність сплавів та сприяло зниженню температури його плавлення. Марганець вводили як додатковий вибілювач, який усуває небажані відтінки сплаву. Крім того, марганець є добрим розкислювачем сплаву, підвищує його в’язкість та твердість. З метою підвищення вибілюючої дії та зносостійкості до складу сплаву на основі золота введено хром. Додаткове введення олова поліпшує пластичність, а введення кобальту підвищує міцність сплаву. Кремній вводили як зерноподрібнюючу добавку для створення рівномірної структури та підвищення текучості ювелірного золотого сплаву.
Отримані сплави були випробувані за показниками фізико-механічних властивостей (таблиця 3).
Таблиця 3
Показники фізико-механічних властивостей досліджуваних сплавів золота на основі потрійної системи Au-Ag-Cu
Параметр |
Сплав |
|
|||||
Е-1 |
Е-2 |
Е-3 |
Е-4 |
Е-5 |
Е-6 |
||
Твердість після лиття, HV |
130 |
135 |
160 |
155 |
140 |
140 |
|
Твердість після відпалу, HV |
170 |
165 |
220 |
210 |
190 |
185 |
|
Міцність на розтяг, МПа |
465 |
460 |
510 |
500 |
480 |
475 |
|
Міцність на розрив, МП |
310 |
300 |
310 |
300 |
280 |
280 |
|
Відносне подовження, % |
23 |
24 |
32 |
34 |
37 |
38 |
|
Кількість зерен на 1 мм2 |
понад 180 |
понад 180 |
понад 180 |
понад 180 |
понад 180 |
понад 180 |
|
Температура солідус, оС |
760 |
770 |
770 |
775 |
830 |
835 |
|
Температура ліквідус, оС |
800 |
810 |
800 |
805 |
890 |
890 |
|
Колір |
8N |
8N |
8N |
8N |
8N |
8N |
|
Було встановлено, що авторські сплави мають білий колір без явно помітних відтінків та можуть бути використані для виробництва ювелірних виробів методом лиття за витоплюваними моделями.
У зв’язку з цим, доцільно рекомендувати українським підприємствам використовувати сплави на основі золота з вмістом модифікуючих компонентів, зокрема цинку, марганцю та хрому в межах запропонованих авторами публікації.
Список літератури: