Владимир Куманин - Материалы для ювелирных изделий
Ювелирные отливки из сплавов на медной, алюминиевой, цинковой основах, а также из серебра и золота выполняются эстрих-процессом, где операции проводят в несколько другой последовательности и применяют другие материалы. Пресс-формы, в которых изготовляют модели из воскоподобных материалов, выполняются из ласила, виксинта или резины. После того как изготовлены модели и получены блоки, их помещают в трубчатые опоки и заливают суспензией, состоящей из огнеупорных материалов (динаса или кристобалита), гипса и воды. После отвердения суспезии опоки помещают в муфельную печь и производят выплавку модельного состава. Затем форму прокаливают при 750–800 °C и заливают расплавленным металлом. Дальнейшие операции выполняются по приведенной выше технологии, за исключением выщелачивания. Удаление формовочной массы производится под струей воды (вспомогательные материалы, используемые при литье по выплавляемым моделям для сплавов с температурой плавления свыше 1100 °C и литье эстрих-процессом, приведены в Приложении).
В нашей стране этот вид литья получил развитие в 1968 г. Тогда были произведены закупки оборудования в ФРГ и Италии. Технология стала высокопроизводительной и экономичной, благодаря чему ювелирные изделия подешевели.
В производстве ювелирных изделий выделяют ручное, точное литье, прокатку в вальцах, штамповку и механическую обработку.
Точное литье по выплавляемым моделям позволяет существенно удешевить производство, копировать и тиражировать ювелирные изделия в любом количестве. Кроме того, механической обработки требуется меньше, и себестоимость изделия в целом оказывается значительно ниже, чем при использовании любого другого метода литья. Все это дает возможность быстро реагировать на изменение рыночной ситуации и обеспечивает литейным ювелирным изделиям большую конкурентоспособность. Поэтому возникает потребность механизации ювелирного дела – от ручной сборки до тиража, выполняемого точным литьем. Кроме того, необходимо специализировать технологические процессы изготовления ювелирных изделий и оснастить рабочие места специализированным оборудованием.
В наше время Россия в числе передовых стран – таких, как Италия, Германия, США, Израиль и Турция, – занимает одно из ведущих мест по производству ювелирной продукции.
3. Основы строения материалов
3.1. Структура вещества в твердом состоянии
В твердом состоянии большинство неорганических материалов (более 96 %) имеют кристаллическое строение, т. е. правильное, упорядоченное, периодическое расположение атомов, ионов или молекул в пространстве.
Характер расположения атомов, ионов или молекул в пространстве принято описывать с помощью кристаллической решетки. Если мысленно соединить центры тяжести атомов, ионов или молекул прямыми, то образуется пространственная решетка, в узлах которой находятся те частицы, из которых состоит вещество. Так как положение атомов в пространстве является периодическим, правильным, а следовательно, симметричным, то и кристаллическая решетка также будет обладать определенной симметрией.
Симметрией кристаллов называют их свойство совмещаться с собой при поворотах, отражениях, параллельных переносах или при комбинации этих операций.
На рис. 3.1 показаны пример правильного, периодического расположения атомов в пространстве и кристаллическая решетка.
Рис. 3.1. Схема расположения атомов в твердом теле.
В кристаллической решетке можно выделить минимальный объем, с помощью которого описываются положение атомов и симметрия решетки в целом. Этот параллелепипед называется элементарной ячейкой.
Таблица 3.1
Варианты кристаллических решеток
Ребро такого параллелепипеда называется периодом или параметром решетки. Величина параметра решетки соизмерима с размерами атома. Для металлов параметры решетки составляют 0,2–0,6 нм, в зависимости от размера атома и типа кристаллической решетки. Элементарные ячейки могут иметь прямые или косые углы, ребра параллелепипедов могут быть равны друг другу или не равны, а следовательно, у них разная симметрия.
По симметрии формы элементарные ячейки, и соответственно кристаллические решетки, разделены на три категории: низшую, среднюю и высшую. Низшая категория содержит три сингонии: триклинную, моноклинную и ромбическую. Средняя – также три сингонии: тригональную, тетрагональную и гексагональную. Высшая категория включает одну сингонию – кубическую (табл. 3.1).
Свойства вещества зависят от природы тех частиц, из которых оно состоит, типа связи и ее энергии, а также от типа кристаллической решетки. Так, например, углерод в твердом состоянии существует в двух кристаллических формах: в виде графита с гексагональной решеткой и в виде алмаза с кубической решеткой. Возможность существования одного и того же вещества в нескольких кристаллических формах называется аллотропией или полиморфизмом. Этим свойством обладают некоторые металлы (олово, железо, титан, марганец и др.).
Любое вещество в природе может существовать в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. В подавляющем большинстве случаев в твердую фазу вещество переходит из жидкой.
Процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. В расплавленном, жидком состоянии металл не имеет правильного кристаллического строения. Однако расположение атомов не полностью хаотично. В жидкости имеются группы атомов с правильным расположением, характерным для кристаллической решетки данного вещества. Группы эти нестабильны из-за большой подвижности атомов. Они образуются, рассыпаются, распадаются, возникают в новых местах. Такие группы атомов служат зародышами кристаллов в процессе кристаллизации, происходит при температуре ниже температуры плавления. Эта температура является константой для каждого вещества. Так, например, температура плавления меди составляет 1083 °C, серебра – 960 °C и т. д. При температурах ниже указанных эти металлы пребывают в твердом состоянии.
Процесс кристаллизации начинается с зарождения мелких кристалликов – зародышей кристаллизации. Их образование носит случайный характер. Другими словами, возникновение кристалла может произойти в любой части объема жидкости. Одновременно формируется не один, а несколько кристаллов (в некоторых случаях множество). Скорость зарождения – это число кристалликов, появляющихся в единице объема в единицу времени.
Образованные кристаллики растут за счет присоединения атомов из жидкости. При этом грань растущего кристалла перемещается в сторону жидкой фазы. Линейная скорость перемещения грани растущего кристалла называется скоростью роста кристалла.
На рис. 3.2 приведен пример кристаллизации в схематическом виде. Скорость зарождения составляет 4 зародыша в секунду, скорость роста кристалла – 1 мм в секунду. За первую секунду в объеме образовалось 4 кристаллика (обозначены цифрой 1). За вторую еще 4 (обозначены цифрой 2), а ранее возникшие кристаллы выросли на 1 мм с каждой стороны. В следующую секунду образовалось еще 4 кристалла (обозначены цифрой 3), и выросли все, образованные ранее, и т. д.
Рис. 3.2. Кинетика процесса кристаллизации.
Скорость зарождения – 4 зародыша в секунду; скорость роста кристалла – 1 мм в секунду. Наименее симметрична триклинная сингония, наиболее симметрична – кубическая.Как видно из приведенной схемы, форма растущего кристалла остается правильной, пока он окружен жидкостью со всех сторон. Однако в ходе кристаллизации количество жидкой фазы уменьшается, кристаллы сталкиваются и рост их в сторону друг друга, естественно, прекращается. Кристалл продолжает расти в тех направлениях, в которых он соприкасается с жидкостью. В связи с этим кристалл теряет правильность формы. Таким образом, структура металлов в твердом состоянии состоит из множества кристаллов неправильной формы.
Эти кристаллы называют зерном или кристаллитами, а саму структуру – поликристаллической.
Размер зерна металла зависит от скорости зарождения и скорости роста кристаллитов при кристаллизации. Чем выше скорость зарождения, тем меньше размер получаемого зерна. Чем выше скорость роста, тем оно крупнее.
В зависимости от состава жидкости при переходе ее в твердое состояние кристаллиты-зерна имеют разный состав. В частности, могут состоять из простого вещества – химического элемента, например чистого золота. Если расплав состоит не из одного, а из двух или более компонентов, то в результате кристаллизации возможны следующие виды взаимодействия:
1. Состав сплава таков, что соответствует химическому соединению. Тогда при кристаллизации все зерна однородны по составу, соответствующему этому химическому соединению, одинаковы по структуре. Так же как в случае кристаллизации чистого вещества, структура сплава однофазна.
