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 при высоких температурах и в твердом состоянии. Сплавы системы золото – никель имеют гранецентрированную кристаллическую 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 белого цвета достаточно, как правило, содержания в сплаве от 10 до 14 % Ni. 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 Au – Pd упорядочения составов 15–80 % Pd. Максимум упорядочения отвечает атомной доле палладия 40 %.

При исследовании механических свойств сплавов 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 до 4 % в золоте, до 20 % в серебре и до 40 % в меди. Чистое золото уже с 5 % Zn образует хрупкое соединение AugZn, которое, однако, не образуется в тройном сплаве изза растворимости цинка в меди. Добавка нескольких десятых процента цинка в расплав системы Au – Ag – Си перед разливкой оказывает раскисляющее действие и повышает жидкотекучесть сплава. Благодаря добавкам цинка сплавы золота красноватого цвета 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 твердом состоянии до 20 % кадмия, серебро – свыше 30 %, медь кадмий практически не растворяет. Благодаря добавкам кадмия сплавы Au – Ag зеленоватого цвета приобретают более интенсивную окраску. Кадмий еще более, чем цинк, понижает область плавления тройной системы. Одновременное введение цинка и кадмия более существенно понижает температуру плавления тройной системы, чем введение 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 сплавы образуют окислы, которые прочной пленкой покрывают слиток и при деформации приводят к шиферному излому.

Алюминий.Пластичность и склонность к потускнению сплавов золота увеличивается изза 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». Алюминий действует и как легирующий элемент (растворяется в сплаве), и как раскислитель (очищает металл от газов и закиси меди). Поскольку в результате раскисления в расплаве остается окись алюминия Al2Og, поверхность сплава ухудшается уже при содержании 0,01 % Al, а при 0,05 % Al прокат имеет значительные дефекты поверхности. Предельно допустимое содержание алюминия в сплаве ЭлСрМ58380 равно 0,005 % по массе, что соответствует максимальному фактическому содержанию алюминия в сплаве централизованной поставки.

Олово.Воздействует на механические свойства так же, как и алюминий, и тоже ухудшает качество поверхности металла. Установленный предел содержания в сплавах – 0,005 % по массе.

Железо.Изза 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 какоголибо влияния на свойства сплава при обработке давлением, но значительно ухудшают обрабатываемость металла резанием и при доводочных операциях.

Согласно ГОСТу 658572, 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 Au – 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 сплавов давлением. При введении 0,008 % Si пластичность сплава ЗлСрМ58380 резко снижается: относительное удлинение – на 40 %, глубина вытяжки и количество перегибов – в дватри раза. Рекомендуется ограничить содержание кремния в сплаве ЭлСрМ58380 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 ГОСТу 683572, не должно превышать 0,005 %.

Висмут.Присутствие даже небольшого количества висмута приводит к образованию легкоплавкого (t пл = 373 °C) и необычайно хрупкого соединения Au2Bi (фаза Лавеса), которое при кристаллизации выделяется по границам зерен и вызывает в сплаве явлении хладно– и горячеломкости.

Сера.Сера попадает в сплавы золота при плавке и отжиге под слоем древесного угля, содержащего серу, загрязненного сернистыми соединениями газа (используемого для расплавления), а также при пайке изделий в гипсовых формах. Остатки серной кислоты после травления при отжиге и пайке, разлагаясь, тоже 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 583й пробы, обогащенный серой, при затвердевании «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. Эти металлы образуют с серой хрупкие и легкоплавкие сульфиды Ni3S2 и Pd4S, которые делают сплавы красно– и хладноломкими. Кроме того, эти соединения образуют легкоплавкие эвтектики. Так, 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 их обработке 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 Ag Pd3S, имеющий температуру плавления 940 °C, который при 700 °C образует с сульфидом серебра эвтектику.

Сера в количестве нескольких сотых долей процента в никель– и 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 ставе ЗлСрМ58380 содержание серы также необходимо ограничить 0,005 % по массе.

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, CugP и NigP, которые, в свою очередь, образуют легкоплавкие эвтектики с Ag, Си и Ni.

Действуя как раскислитель, фосфор повышает пластичность сплавов золота. Избыточный фосфор, располагаясь по границам зерен в виде фосфидной эвтектики, приводит к разрушению сплава при нагреве выше температуры плавления (например, при нагреве под пайку до температур порядка 800 °C). В сплаве ЗлСрМ58380 при содержании фосфора до 0,03 % по массе сохраняется хорошая поверхность проката, по границам зерен появляются выделения эвтектики (рис. 7.6). В связи с этим рекомендуется ограничить в сплаве ЗлСрМ58380 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.