Влияние легирующих элементов и примесей на свойства сплавов золота

Легирующие элементы и примеси оказывают следующее действие на свойства сплавов золота.

Никель. Золото и никель обладают неограниченной растворимостью в жидком, а ври высоких температурах — ив твердом состоянии. Сплавы системы золото — никель имеют ГЦК решетку. Легирование золота никелем, так же как и легирование никеля золотом, сопровождается повышением твердости легируемого металла. Никель хорошо растворяется в меди, а в серебре он практически нерастворим. Никель входит в состав менее благородного, чем с палладием, белого золота системы золото — медь — никель —цинк. Для придания сплаву белой окраски достаточно, как правило, содержания в сплаве от 10 до 14% №. Максимум белой окраски достигается при 17% никеля.

Палладий. Золото и палладий обладают неограниченной растворимостью как в жидком, так и в твердом состоянии.

В ряде работ установлено наличие в сплавах Аи—Pd упорядочения составов 15—80% Pd. Максимум упорядочения отвечает атомной доле 40%.

При исследовании механических свойств установлено, что кривая изменения твердости сплавов в зависимости от состава проходит через максимум при содержании около 75% Pd для отожженных и 60% Pd для наклепанных сплавов.

Содержания 16% Pd достаточно для того, чтобы сплав золота приобрел приятный белый цвет. Белое золото с добавками палладия превосходит по своим свойствам сплавы золота с никелем и является более благородным. Белое золото на основе палладия дороже, чем на основе никеля, однако при этом оно имеет ряд преимуществ: обладает более высокой пластичностью, чем сплавы, легированные никелем, имеет лучший блеск; белый цвет более устойчив при нагреве.

Цинк. Растворимость цинка в металлах тройной системы составляет: в золоте — до 4%, в серебре — до 20% и в меди — до 40%. Чистое золото образует уже с 5% Zn хрупкое соединение Au₃Zn, которое, однако, не образуется в тройном сплаве из-за растворимости цинка в меди. Добавка нескольких десятых процента цинка в расплав системы Аи—Ag—Си перед разливкой оказывает раскисляющее действие и повышает жидкотекучесть сплава. Благодаря добавкам цинка к сплавам золота красноватого цвета последние приобретают желтоватый оттенок.

Цинк имеет большое значение при изготовлении припоев. Небольшие добавки цинка значительно сужают область плавления тройного сплава.

Введение

цинка в сплавы белого золота системы Ag—Си—Ni делает их технологичнее, снижает температуру плавления, уменьшает твердость.

Кадмий. Золото растворяет в себе в твердом состоянии до 20% кадмия, серебро — свыше 30%. медь практически не растворяет кадмий. Благодаря добавкам кадмия сплавы Аи—Ag зеленого цвета приобретают более интенсивную окраску. Кадмий еще более, чем цинк, понижает область плавления тройной системы. Совместное введение цинка и кадмия более существенно понижает температуру плавления тройной системы, чем при вводе их порознь.

Цинк и кадмий — важнейшие присадочные материалы, используемые для изготовления припоев благородных металлов.

Следует отметить, что при введении в сплавы золота более 4% Zn и 20% Cd при открытой плавке и разливке на воздухе они образуют оксиды, которые прочной пленкой покрывают слиток и при деформации приводят к шиферному излому.

Алюминий. Пластичность и склонность к потускнению сплавов золота увеличивается из-за присутствия в сплаве незначительного количества алюминия. Однако как только количество алюминия превысит растворимость его в серебре и меди, образуется фиолетовое хрупкое соединение AuAl — «аметистовое золото». Алюминии действует и как легирующий элемент (растворяется в сплаве), и как раскислитель (очищает металл от газов и оксида меди). Поскольку в результате раскисления в расплаве остается оксид алюминия А1₂0₃, поверхность металла ухудшается уже при 0,01% А1, а при 0,05% А1 прокат имеет значительные дефекты поверхности. Предельно допустимое содержание алюминия в сплаве ЗлСрМ583−80 равно 0.005% по массе, что соответствует максимальному фактическому содержанию алюминия в металле централизованной поставки.

Олово. Воздействует на механические свойства в том же направлении, что и алюминий, и тоже ухудшает качество поверхности металла. Установленный предел содержания в сплавах — 0,005% по массе.

Железо. Из-за высокой температуры плавления и легкой окисляемости железные и стальные частицы, попавшие в сплав золота, присутствуют в нем в виде инородных включений. Эти включения не оказывают какого-либо влияния на свойства сплава при обработке давлением, но значительно ухудшают обрабатываемость металла резанием и при доводочных операциях.

Согласно ГОСТ 6835–2002 содержание железа в золотых сплавах, применяемых в ювелирной промышленности, не должно превышать 0,18%.

Кремний, мышьяк, свинец, висмут образуют с золотом хрупкие интерметаллические соединения, которые выделяются в виде эвтектики по границам зерен. Эти твердые выделения настолько снижают пластичность сплава, что уже нескольких сотых процента достаточно для того, чтобы сплав стал хладноломким. Кремний может попасть в сплав при восстановлении из материала тигля, содержащего кварц. Остальные элементы могут содержаться в загрязненных легирующих металлах.

Кремний. При взаимодействии с элементами тройной системы Аи— Ag—Си кремний растворяется только в меди. С золотом кремний образует эвтектику с температурой плавления 730 °C, содержащую 17,4% Si. Кремний повышает твердость и хрупкость золота, затрудняет обработку сшивов давлением. При введении 0,008% Si пластичность сплава ЗлСрМ583−80 резко снижается по сравнению с исходными значениями: относительное удлинение — на 40%, глубина вытяжки и количество перегибов — в два-три раза. Предлагается ограничить содержание кремния в сплаве ЗлСрМ583−80 значением 0,003% по массе т. е. верхним пределом содержания его в партиях централизованной поставки.

Сурьма. Золото создает с сурьмой только одно химическое соединение — AuSb₂ (55,26% Sb), образующееся по перитектической реакции при 460 °C и вступающее в эвтектическую реакцию с золотом при 380 °C. В эвтектике содержится 25% Sb.

Присутствие небольших количеств сурьмы резко снижает пластичность золота. Содержание сурьмы и висмута в сплавах золота, применяемых для изготовления ювелирных изделий, согласно ГОСТ 6835–2002 не должно превышать 0,005%.

Висмут. Присутствие даже небольшого количества висмута приводит к образованию легкоплавкого (?:_пл = 373°С) и необычайно хрупкого соединения Au₂Bi (фаза Лавеса), которое при кристаллизации выделяется, но границам зерен и вызывает в металле явления хладнои горячеломкости.

Сера. Сера попадает в сплавы золота при плавке и отжиге под слоем древесного угля, содержащего серу, загрязненного сернистыми соединениями городского газа, а также при пайке изделий в гипсовых формах. Остатки серной кислоты после травления при отжиге и пайке, разлагаясь, также приводят к загрязнению сплава серой.

Растворяясь в расплавах золота, серебра и меди, сера нерастворима в этих металлах в твердом состоянии. При затвердевании сера выделяется из расплава в виде газообразного соединения. Поэтому расплав золота 583-й пробы, обогащенный серой, затвердевая, «кипит» даже при наличии 0,02% серы. Полученный слиток характеризуется наличием газовой пористости и для прокатки непригоден. С золотом сера не взаимодействует, однако она активно реагирует с легирующими элементами: серебром, медью, никелем и палладием. С серебром и медью сера образует твердые сульфиды, которые располагаются по границам и внутри зерен, охрупчивая основной металл. Белое золото (с никелем и палладием) и содержащие палладий сплавы золота очень чувствительны к примесям серы. Оба металла образуют с серой хрупкие и легкоплавкие сульфиды Ni₃S₂ и Pd₄S, которые детают сплавы краснои холодноломкими. Кроме того, эти соединения образуют легкоплавкие эвтектики. Например, никель с сульфидом никеля Ni₃S₂ при содержании серы менее 0.05% образует эвтектику, имеющую температуру плавления 645 °C. Сплавы золота с содержанием никеля более 1% очень чувствительны к примесям серы, и при обработке их необходимо тщательно избегать контакта с серой. Палладий при 600 °C образует эвтектику с сульфидом палладия Pd₂S, которая располагается по границам зерен. Если в сплаве имеется серебро, то образуется двойной сульфид Ag₂Pd₃S. имеющий температуру плавления 940 °C, который при 700 °C образует с сульфидом серебра эвтектику.

Сера в количестве нескольких сотых долей процента в никельи палладийсодержащих сплавах золота делает их полностью непригодными для обработки давлением.

Во избежание попадания в сплав белого золота серы в процессе плавки последнюю проводят в корундовых тиглях, а не графитовых.

В сплаве ЗлСрМ583−80 содержание серы также необходимо ограничить 0,005% по массе.

Фосфор. Фосфор применяется в виде фосфористой меди для раскисления металла при выплавке сплавов золота. Как и кремний, фосфор растворяется только в меди, практически не растворяясь ни в золоте, ни в серебре. Не реагируя с золотом, с легирующими компонентами, фосфор образует хрупкие соединения: Ag₂P, Cu₃P и Ni₃P. которые, в свою очередь, образуют легкоплавкие эвтектики с Ag, Си и №.

Действуя как раскислитель, фосфор повышает пластичность сплавов золота. Избыточный фосфор, располагаясь по границам зерен в виде фосфидной эвтектики, приводит к разрушению металла при нагреве выше температуры ее плавления (например, при нагреве под пайку до температур порядка 800°С). В сплаве ЗлСрМ583−80 при содержании фосфора до 0,03% по массе сохраняется хорошая поверхность проката, по границам зерен появляются выделения эвтектики (см. рис. 12.6). В связи с этим рекомендуется ограничить в сплаве ЗлСрМ583−80 массовую долю фосфора 0,01%.

При исследовании на красноломкость сплавов ЗлСрМ750 пробы централизованной поставки установлено, что склонность к растрескиванию при нагреве проявляют полуфабрикаты, содержащие более 0,001% Р и имеющие величину зерна более 0,03 мм.