ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

Авторы:

Сидельников Сергей Борисович, Беляев Сергей Владимирович,

Усков Игорь Васильевич, Бер Владимир Иванович,

Гоголь Иван Сергеевич, Лопатина Екатерина Сергеевна,

Рудницкий Эдвард Анатольевич, Соколов Руслан Евгеньевич,

Пещанский Алексей Сергеевич

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЮВЕЛИРНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Учебное пособие для практических занятий

Красноярск 2008

УДК 671.2

ББК 37.27

С34

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Технология производства ювелирных изделий» подготовлен в рамках инновационной образовательной программы института цветных металлов и материаловедения, реализованной в ФГОУ ВПО СФУ в 2008 г.

Рецензенты:

Красноярский краевой фонд науки;

Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин

С34 Технология производства ювелирных изделий : учебное пособие для практических занятий / сост.: С. Б. Сидельников, С.В. Беляев, И.В. Усков [и др.]. – Красноярск: ИПК СФУ, 2008. – 52 с. – (Технология производства ювелирных изделий: УМКД № 947-2008 / рук. творч. коллектива С. Б. Сидельников).

ISBN 978-5-7638-1029-5 (комплекса)

Настоящее издание является частью учебно-методического комплекса по дисциплине «Технология производства ювелирных изделий», включающего конспект лекций, лабораторный практикум, учебное пособие для практических занятий, методические указания по самостоятельной работе, организационно-методические указания, контрольно-измерительные материалы, наглядное пособие «Технология производства ювелирных изделий. Презентационные материалы» (на компакт-диске).

Приведены краткие теоретические сведения и задания для практических занятий по основным операциям литья и обработки давлением драгоценных металлов и сплавов. Даны справочные материалы и данные, необходимые для проведения расчетов.

Предназначена для студентов направления подготовки специалистов 150100.65 и магистров 150100.68 «Металлургия» укрупненной группы 150000 «Материаловедение, металлургия и машиностроение».

УДК 671.2

ББК 37.27

Рекомендовано к изданию

Инновационно-методическим управлением СФУ

ISBN 978-5-7638-1029-5 (комплекса)  Сибирский федеральный

университет, 2008

Введение

Производство ювелирных изделий в последние годы динамично растет, при этом для их изготовления применяются в основном методы обработки металлов давлением и литья.

Из большинства металлов платиновой группы и сплавов на их основе в настоящее время методами обработки давлением производят различные полуфабрикаты, в том числе проволоку, полосы, листы, фольгу, биметаллы, трубы, фасонные профили, различные технические изделия (тигли, стаканы, колбы, чашки и т.д.) Основными операциями, применяемыми для их изготовления, являются ковка, прокатка, прессование и волочение.

Производство полуфабрикатов из драгоценных металлов за рубежом производится на небольших заводах, одним из которых является завод фирмы Sheffeld Smelting (Англия), где производят катанку, профили, листы, прессованные изделия и проволоку из золота, серебра, платины и их сплавов для химической, машиностроительной и электротехнической промышленности.

Для изготовления ювелирных изделий методами литья, помимо получения слитков для последующей обработки давлением, широко применяется способ литья по выплавляемым моделям. С его помощью получают тонкостенные изделия сложной конфигурации при минимальном расходе дорогостоящего материала. При производстве литых изделий указанным способом из сплавов серебра, золота, палладия используют специальные резиновые пресс-формы, синтетические воскоподобные материалы, принудительное заполнение литейной формы жидким металлом под действием центробежных сил или атмосферного давления и т.п.

Таким образом, для производства изделий различного сортамента из благородных металлов и сплавов в виде слитков, прутков, проволоки, полос, лент и т.д., используются традиционные технологические схемы и оборудование, применяемое для получения продукции из цветных металлов и сплавов. Сведения об особенностях технологии производства ювелирных изделий в научно-технической литературе отрывочны и малочисленны. Кроме того, мало освещены вопросы практических расчетов технологии обработки благородных металлов и сплавов, а также моделирования ювелирных изделий с применением современных программных средств.

Данное учебное пособие частично решает эти задачи и может быть использовано не только для обучения инженеров, магистров и аспирантов, но и быть полезно для технических работников, специализирующихся в области ювелирного производства.

1. Расчёт шихты при литье ювелирных изделий по выплавляемым моделям

Метод литья по выплавляемым моделям широко используется в современном литейном производстве, в том числе и при производстве ювелирных изделий [1-3]. Существует три типа процесса литья по выплавляемым моделям [1]. С помощью первого сразу же получают точные и чистые отливки высокого качества (точное литье). Второй предназначен для получения отливок, из которых впоследствии изготавливают ювелирные изделия. Третий назван эстрих-процесс (в качестве связующего используется гипс) и используется для отливки ювелирных изделий небольших размеров, требующих высокой точности, чистоты и массовости.

Особо важной задачей при литье по выплавляемым моделям является расчет шихты. Для составления и расчета шихты [3] необходимо знать назначение и требования, предъявляемые к отливке, характеристику имеющихся шихтовых материалов, величину угара компонентов, массу годного слитка и показатель выхода годного. В производстве слитков драгоценных металлов и сплавов встречаются следующие варианты расчета шихты: шихты только из металлов; шихты из металлов и сплавов, металлов и лигатур, а также металлов и сплавов вместе с лигатурами; шихты только из сплавов или только из сплавов и лигатур.

Расчет шихты включает в себя расчет общего потребного количества шихты, расчет шихты по содержанию компонентов и расчет шихты по содержанию примесей.

Массу составляющих шихты при литье по выплавляемым моделям устанавливают в расчёте на отдельный блок определенных отливок деталей: кастов, верхушек, накладок, шинок и т.д. Исходными данными для расчетов являются: масса М_бпс модельного блока с резиновым поддоном и стержнем, определяемая каждый раз путем взвешивания, масса М_п резинового поддона, масса М_с стержня, плотность П_с выбранного для плавки сплава, плотность П_м.с модельного состава, добавочная масса М_д на формирование литниковой чаши. Общую массу шихты, необходимую для получения блока отливок (табл. 1.1), подсчитывают по формуле

М_ш=(М_б.п.с- (М_п+М_с)/П_м.с) · (П_с+М_д).

Содержание же элементов в шихте Э_ш определяется по формуле, согласно которой

Эш = (М_г.с·С_э)/(100-У_э),

где М_г.с – масса готового сплава (г); С_з – содержание элемента в готом сплаве(%); У_з – угар элемента в процессе плавки и литья(%). Содержание составляющих шихты Х(г) рассчитывается, соответственно, по формуле

Х= (М_г.с·С_э)/(100-У_э) -М₁в₁-…-М_nв_n,

где М₁,..,М_n – принятое или рассчитанное количество составляющих шихты (г); в₁,..,в_n – содержание элемента в определенной составляющей шихты, (%). При этом угар элементов принимается равным: для золота - 0,1-0,2%; для серебра – 0,2-0,5%; для меди – 0,5-1,5%; для никеля – 0,3-0,8%, для цинка – 2-10%.

Таблица 1.1

Примеры расчёта количества шихты для блока отливок из сплавов золота

Марка сплава	Состав, %		Исходные данные					Итоговые данные
	Золото	Лига-тура	Мб.п.с, г	Мп, г	Мс, г	Пс, г/см^3	Пм.с, г/см^3	Мд, г	Мш, г	Мз, г	Мл, г
ЗлМНЦ -750 ЗлСр750-150 ЗлСрМ585-80	75 75 58,5	25 25 41,5	160 154 170	139 135 140	8 8 7	14,72 15,35 13,24	1.29	70 70 50	218,3 200,9 286,1	169,8 150,7 166,5	54,6 50,2 119,6

Угар элементов при плавке и литье принят равным: для золота – 0,1% серебра – 0,2-0,5%4 меди – 0,5-1,5%; никеля – 0,3-0,8 %; цинка – 2-10%.

Кроме того, на свойства ювелирных сплавов большое влияние оказывают содержащиеся в компонентах шихты примеси, количество которых строго регламентировано.

Свойства ювелирных сплавов серебра в зависимости от содержания примесей изменяются следующим образом.

Серебро и свинец образуют эветектику с температурой плавления 304 ºС, которая, располагаясь по границе зерен, делает сплав красно-ломким. Небольшие количества олова в сплавах серебо-медь значительно снижают температуру плавления этих сплавов, делая их более мягкими и пластичными, но при этом данные сплавы быстро тускнеют. При содержании олова в этих сплавах более 9% при температуре 520 ºc образуются хрупкие соединения Cu₄Sn и оксид олова, которые резко увеличивают хрупкость сплавов и снижают их деформируемость. При содержании никеля в сплавах серебра с медью 1,0% увеличивается их твёрдость, прочность и уменьшается окисляемость при обжиге, но при увеличении содержания никеля в этих сплавах более 2,5% резко снижается пластичность, поэтому никель становится вредной примесью. Железо и углерод не реагируют с серебром и не растворяются в нём и всегда являются вредными примесями. Попадая в сплав, частицы этих элементов остаются в виде инородных включений. Кремний также не растворяется в серебре, и при содержании его в сплавах более 4,5% образуется кремнисто-серебряная эвтектика с температурой плавления 930 ºc. Сплав становится полностью непригодным к последующей обработке. При раскислении сплавов серебра перед разливкой фосфористой медью, содержащей 10-15% фосфора, восстанавливаются оксиды сплава и образуется газообразное соединение Р₂О₅. При добавлении фосфористой меди в расплав в избытке, фосфор может попасть в металл с образованием соединений AgP₂ и Cu₃P, которые делают сплавы красноломкими и вызывают потускнение поверхности. С основными компонентами сплавов серебра, сера (достаточно присутствия в сплаве 0,05%) образует сульфиды и вызывает хрупкость сплавов.

В сплавах серебро-медь в твёрдом состоянии алюминия растворяется до 5,0% и при более высоком его содержании образуются соединения Ag₃Al₂ и Al₂O₃, которые делают сплавы хладноломкими.

При плавке на воздухе серебро растворяет в себе до 20% кислорода (по объему) с образованием в сплаве серебро-медь оксида Cu₂O, который при содержании кислорода в сплаве более 0,4% резко снижает пластичность сплава и приводит к появлению пор и раковин в слитке.

Диоксид серы SO₂, содержащийся в печных газах, древесном угле, гипсе и других материалах, является наиболее вредным газом для сплавов серебро-медь. Растворяясь в сплаве, сернистый газ, кроме образования пор и раковин в слитке, приводит к образованию хрупких сульфидов.

Свойства сплавов золота также существенно зависят от содержания примесей. Свинец является наиболее вредной примесью для сплавов золота, образуя соединение Au₂Pb с температурой плавления 418 ºc. Достаточно 0,06% свинца, чтобы сплав золота стал непригодным для последующей обработки давлением. Кроме того, возможно разрушение сплава без существенных деформаций при температуре 718 ºc.

Сплавы золото-серебро-медь растворяют в себе без заметного изменения свойств до 4,0% олова, но при содержании олова более 4,0% в них образуется оксид олова, делая сплавы непригодными для обработки давлением. При содержании цинка менее 4% и кадмия менее 23% с золотом образуются твёрдые растворы без заметного изменения свойств сплава. Однако при большем содержании данных металлов в сплаве при открытой плавке и разливке на воздухе образуются оксиды этих металлов, которые приводят к шиферному излому во время деформации. Кремний, мышьяк, сурьма, висмут образуют с золотом интерметаллиды и при содержании более сотых долей процента резко снижают пластичность сплавов золота, делая его хладноломким. Железные включения не растворяются в сплавах золота и присутствуют в них в виде инородных включений, ухудшая их обрабатываемость. Сера и фосфор не реагируют с золотом. Они образуют хрупкие соединения с легирующими металлами: серебром, медью, никелем и палладием, что вызывает красноломкость и образование крупнозернистой структуры.

Для практического применения приведенных выше формул предлагается выполнить следующие процедуры:

1. расчет общего потребного количества шихты;

2. расчет шихты по содержанию компонентов.

Для расчета по первому пункту необходимо выбрать вариант задания из таблицы 1.2 и произвести расчеты. Итоговые данные привести по форме таблицы 1.1.