Владимир Куманин - Материалы для ювелирных изделий

Некоторые ювелирные изделия, такие как предметы быта, курительные наборы, столовые приборы, оружейные накладки, элементы перьевых и шариковых ручек, а также бижутерия, поверхность которых анодируется или обрабатывается катодно-импульсной бомбардировкой (под золото), выполняются методом литья из алюминиево-кремниевых сплавов (силуминов) с высокими литейными свойствами.

Согласно диаграмме состояния системы Al – Si (рис. 8.3) кремний не образует с алюминием химических соединений и присутствует в сплавах алюминия в элементарном виде. Но по своим физическим свойствам кремний близок к химическим соединениям, он обладает высокой твердостью (HRC 106) и так же, как и они, хрупок.

Несмотря на заметную и переменную растворимость, кремний не придает алюминию способность к упрочнению термической обработкой, что связано с неблагоприятным характером распада твердого раствора кремния в алюминии. Растворяясь в алюминии, кремний несколько упрочняет его, незначительно снижая при этом пластические свойства. Алюминиевый сплав, содержащий даже 10–12 % Si, остается достаточно пластичным.

Рис. 8.3. Диаграмма состояния системы AI – Si.

Силумины подразделяют на двойные (или простые), легированные только кремнием, и специальные, в которых помимо кремния содержатся в небольшом количестве другие легирующие компоненты (Mg, Си, Mn, Ni). Силумины относятся к числу эвтектических или доэвтектических сплавов. Без учета влияния других компонентов (кроме Si) их структура представляет собой либо эвтектику α + Si (АЛ2), либо первичные кристаллы α + эвтектика α + Si (АЛ4, АЛ9, АЛБ).

Кремний имеет переменную растворимость в алюминии, которая возрастает от <0,1 % при комнатной температуре до 1,65 % при эвтектической температуре (577 °C). Поэтому нагревом алюминиево-кремниевых сплавов до температуры, близкой к эвтектической, и быстрым охлаждением можно получить пересыщенный твердый раствор кремния в алюминии, который при последующем старении распадается с выделением дисперсных частиц кремния. Однако упрочняющий эффект от указанной обработки крайне мал и не имеет практического значения. Таким образом, двойные (простые) силумины относятся к числу термически неупрочняемых сплавов, обладающих невысокими прочностными характеристиками.

Единственный способ несколько повысить их прочность и пластичность – измельчение эвтектических кристаллов кремния, которое может быть достигнуто двумя путями: 1) увеличением скорости охлаждения при кристаллизации, 2) введением в сплавы малых добавок (сотые доли процента) щелочных металлов (натрия, лития, стронция). Первый путь дает хорошие результаты. Однако он находит ограниченное применение в изготовлении тонкостенных ювелирных отливок с мелкими деталями рельефа, которые могут не залиться при литье в металлический кокиль или при литье под давлением. Второй путь – модифицирование структуры силуминов малыми добавками – более универсален. Модифицированием структуры обычно называют изменение, улучшение структуры при введении малых добавок не вследствие образования каких-либо новых структурных составляющих, а в результате влияния этих добавок на величину и форму структурных составляющих, образованных другими компонентами.

На практике широко применяют модифицирование силуминов натрием или смесью его солей (60 % NaF + 25 % NaCl + 15 % Na3AlF6 или 40 % NaF + 45 % NaCl + 15 % NagAlF6 и др.), которые одновременно используют в качестве рафинирующих флюсов).

Рис. 8.4. Структура эвтектического силумина (11,7 % Si): а – сплав не модифицирован: б – сплав модифицирован натрием.

Введение 0,01 % Na в сплавы Al – Si приводит к резкому измельчению кристаллов эвтектического кремния, поскольку присутствующий в расплаве натрий при кристаллизации адсорбируется на поверхности кристаллов кремния и препятствует их дальнейшему росту.

Присутствие натрия в силуминах вызывает, кроме того, сдвиг эвтектической точки в сторону более высоких концентраций кремния, поэтому эвтектические и заэвтектические до модифицирования сплавы после модифицирования становятся доэвтектическими, и в них вместо кремния появляются дендриты α-твердого раствора, которые при кристаллизации становятся ведущей фазой. На рис. 8.4 показаны структуры немодифицированного и модифицированного силумина с 11,7 % кремния.

На рис. 8.5 показано влияние способа охлаждения при кристаллизации и модифицирования натрием на механические свойства двойных алюминиево-кремнистых сплавов.

Рис. 8.5. Механические свойства сплавов AI – Si в зависимости от содержания кремния:

1 – сплав модифицированный литье в землю, 2 – сплав немодифицированный, литье в землю, 3 – сплав немодифицированный, литье в кокиль.

Эффект модифицирования, т. е. улучшение механических свойств вследствие модифицирования, тем больше, чем выше содержание кремния в сплаве, поскольку при модифицировании меняются величина и форма кристаллов кремния. На силумины, содержащие менее 5 % Si, модифицирование положительного действия не оказывает.

Для ювелирного литья применяют сплав АЛ2. Плотность эвтектического силумина АЛ2 составляет 2,66 г/см3. Он имеет высокую коррозионную стойкость в воздушной атмосфере, включая атмосферу морского воздуха. Небольшие добавки марганца и магния дополнительно повышают коррозионную стойкость. Высокие литейные свойства силуминов определяют их хорошую свариваемость, что важно при сборке ювелирных изделий. Термически не-упрочняемый эвтектический силумин АЛ2 имеет высокую пластичность, но невысокие прочностные характеристики. Существенное преимущество сплава АЛ2 – малый интервал кристаллизации (близкий к нулю), поэтому в отливках не образуется усадочной пористости, что очень важно при доводочных операциях – шлифовке и полировке ювелирных отливок, так как при механической обработке усадочная пористость вскрывается и ухудшает поверхность изделия. В ювелирном литье указанные дефекты не допускаются.

В художественном литье образование концентрированных усадочных раковин (что характерно для сплавов с малым интервалом кристаллизации) вызывает трудности при отливке средних и сложных по конфигурации отливок. В этом случае применяют упрочняемый термообработкой сплав АЛ4, который по сравнению со сплавом АЛ2 имеет значительно меньшую концентрированную усадочную раковину, что важно при отливке барельефов, скульптур и пр.

Отливки из сплава АЛ4 подвергают закалке и отпуску. В процессе нагрева происходят некоторое укрупнение частиц кремния в эвтектике и переход в раствор (при закалке) и выделение (при отпуске) в высокодисперсной форме частиц фазы Mg2Si, что вызывает дополнительное упрочнение сплава. В ювелирном и художественном литье часто применяют сплав АЛ9 (система Al – Si – Mg). Сплав содержит 6–8 % Si, 0,2–0,4 % Mg. Перед заливкой форм его не модифицируют, а также не проводят искусственное старение отливки (отливки только закаливают). В сплаве сочетаются удовлетворительная прочность, высокая пластичность с хорошими литейными свойствами. В табл. 8.2 приведены составы алюминиевых сплавов, применяемых в ювелирном и художественном литье.

Таблица 8.2

Читать дальше