Статья: Оптимизация состава ювелирных сплавов белого золота

ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ЮВЕЛИРНЫХ СПЛАВОВ БЕЛОГО ЗОЛОТА

А.С. Шульц, старший преподаватель

Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского (Украина, г. Донецк)

Аннотация

В статье показана возможность оптимизации состава сплавов белого золота за счёт введения модифицирующих компонентов. Выбор модифицирующих компонентов проводили с учётом их влияния на безопасность, а также на показатель надёжности ювелирного сплава. Предложены составы сплавов белого золота с содержанием модифицирующих компонентов, а именно обосновано введение в состав сплавов золота на основе системы Au-Ag-Cu в определенных количествах Zn, Мn, Со, In, Cr, Кd или Ga для получения сплавов белого цвета.

Ключевые слова: золото, ювелирные сплавы, цвет сплавов, белое золото, физико-механические свойства, модифицирующие компоненты.

В ювелирной отрасли используют более 300 различных по составу и свойствам сплавов золота. В последнее время, как за рубежом, так и в Украине широкое распространение получили ювелирные изделия, изготовленные из сплавов белого золота. При этом наиболее востребованными в отечественной ювелирной промышленности являются сплавы белого золота 585 пробы на основе трехкомпонентной системы Au--Ag--Cu.

Сплавы золота белого цвета основе трехкомпонентной системы Au--Ag--Cu получают путем добавления в состав определенного количества цинка, палладия, платины, никеля, кобальта, галлия и других элементов [1]. Однако, введение в состав палладия и платины для нашего государства экономически нецелесообразно, в связи с их высокой стоимостью (практически в 2 раза выше золота). Кроме того, белое платиновое (палладиевое) золото имеет высокую температуру плавления, что требует специального оборудования для литья и высокую температуру заливки, которая может быть выше температурной стабильности формомассы [2].

При добавлении никеля в состав ювелирного сплава золота увеличивается его хрупкость. Вопросы аллергического воздействия никеля на организм человека достаточно тщательно освещены в науке [3, 4].

Украинские предприятия изготавливают ювелирные сплавы белого цвета на основе золота в соответствии с ТУ У 27.4-00201514-010-2005 «Сплавы на основе драгоценных металлов. Технические условия» и ГОСТ 30649-99 «Сплавы на основе благородных металлов ювелирные. Марки» [5, 6]. Нормируемый состав сплавов на основе золота 585 пробы белого цвета приведен в таблице 1.

Таблица 1. Состав сплавов золота белого цвета 585 пробы

Исходя из данных табл. 1 видим, что основным отбеливающим компонентом в ТУ У 27.4-00201514-010-2005 является Ni в концентрациях от 6,5 до 12,5 % в сочетании с Zn (4,5-9,5 %). Состав сплавов по ГОСТ 30649-99 также предусматривает наличие Ni (7,7-13,0 %). И если рассматривать перспективу выхода отечественной ювелирной продукции на европейский рынок, то в соответствии с Директивой Европейского парламента и Совета ЕС № 94\27\ЕС никель, как составляющая ювелирного сплава из драгоценных металлов не используется в изделиях, имеющих прямой и долгосрочный контакт с кожей человека (серьги, браслеты, кольца и др.) [7]. Таким образом, европейский рынок для ювелирных изделий на основе сплавов белого золота на сегодняшний день закрыт.

Кроме того, цвет этих сплавов в нормативной и технической документации определен как «белый», однако исходя из компонентного состава и внешнего вида он имеет различные оттенки. Так, цинк придает сплаву зеленоватый оттенок, никель - желтоватый, палладий - серо-голубой и др.

В связи с этим, при производстве ювелирных изделий на основе сплавов золота с высокой степенью белизны возникает необходимость уменьшения в их составе компонентов, которые могут ухудшать эксплуатационные свойства и вызывать аллергические реакции.

Целью настоящей работы является определение оптимального состава ювелирных сплавов белого золота, при котором обеспечивается их безопасность и высокие потребительские свойства.

Результаты исследования. Определение оптимального состава новых ювелирных сплавов должно основываться на использовании методов математического планирования экспериментов [8]. Для оптимизации химического состава ювелирных сплавов на основе золота белого цвета с целью регулирования физико-механических свойств использовали метод симплекс-решётчатого планирования. Исследования проводились под руководством д-ра техн. наук., проф. Артюх Т.Н. (Национальный университет пищевых технологий, г. Киев).

На первоначальном этапе был определен оптимальный состав сплавов на основе тройной системы Au--Ag--Cu, который можно использовать как основную матрицу для дальнейшего регулирования и «отбеливания». При математическом планировании для трехкомпонентного сплава введены такие обозначения факторов: х₁ - золото, х₂ - серебро, х₃ - медь. Уравнения регрессии, с учетом специфики симплекс-решеточных методов, в отношении исследуемых трехкомпонентных смесей будут иметь следующий общий вид [9]:

Y = в₁x₁+в₂x₂+_…+в_kx_k+в₁₂x₁x₂+…+ в_k-1,k x_k-1x_k +в₁₁x₁² + … +в_kx_k²,

где, Y - целевая функция, в₁, в₂, …. в_k, - коэффициенты регрессии.

В результате экспериментальных исследований трёхкомпонентной системы Au--Ag--Cu установлено, что при содержании золота 58,5 % сплав может быть 4-х цветов: желтовато-зеленоватый цвет сплавов золота 585 пробы образуется при содержании серебра от 24 до 41 % (2N), желтоватый при содержании серебра от 11 до 23 % (1N), розоватый - от 5 до 10,5 % серебра (4N) и красный при Ag ? 4,9 % (5N). Цвет исследуемых образцов обозначали в соответсвии с международным стандартом ІЅО 8654:1987 «Цвета золотых сплавов. Определение, диапазон цветов и обозначения».

Физико-механические свойства тройной системы Au--Ag--Cu детально изучены в трудах Бреполя Э., Лившица В., Григоренко И. [10-13]. Изменения физико-механических свойств в цветовых зонах сплавов золота 585 пробы представлены в таблице 2.

Таблица 2. Физико-механические характеристики сплавов золота 585 пробы в тройной системе Au--Ag--Cu

Регулирование химического состава ювелирных сплавов заключалась в оптимизации свойств в системе Au-Ag-Cu с целью их отбеливания до цвета 8N - «белый» и повышении твердости до 200 НВ, уменьшении размера зерна (количество зерен на 1 мм² свыше 100), сужении интервала кристаллизации (между температурами солидус-ликвидус) максимум до 35 - 40 ^оС.

Анализируя данные, представленные в табл. 2 можно определить наиболее оптимальную область для отбеливания. Так, можно утверждать, что ювелирные сплавы на основе золота 585 пробы, которые содержат от 13 до 25 % серебра (остальное медь), наиболее отвечают критериям оптимизации.

Для проведения дальнейших исследований, исходным выбран сплав Au-Ag-Cu-585-150, свойства которого приведены в таблице 3.

Таблица 3. Свойства сплава золота 585 пробы в тройной системе Au--Ag--Cu--585-150

Предварительно провели анализ существующих модификаторов для получения белого цвета сплавов золота [14--15]. Как отбеливающие модификаторы для получения белого цвета ювелирных сплавов на основе золота с заданными свойствами в системе золото-серебро-медь выбраны марганец (Mn), хром (Cr), олово (Sn), кобальт (Co), кремний (Si), бор (B).

В процессе выполнения эксперимента было исследовано 28 композиций сплавов на основе золота 585 пробы. Однако, наиболее оптимальными выбраны сплавы, содержащие от 7 до 8 % цинка, от 5 до 5,5 % марганца и до 2,5 % по общей массе в сплаве хрома, олова, кобальта, кремния и бора (табл. 4) [16].

Таблица 4. Химический состав авторских сплавов на основе золота 585 пробы

химический ювелирный сплав золото

Физико-механические характеристики разработанных сплавов золота приведены в таблице 5. Следует отметить, что авторские сплавы на основе золота 585 пробы имеют белый цвет без явно видимых оттенков. Кроме того, в экспериментальных образцах сплавов не выявлено дефектов пористости (усадочной и газовой), которые являются наиболее распространёнными для сплавов белого золота, поэтому данные составы могут быть использованы для изготовления ювелирных изделий методом литья.

Таблица 5. Свойства сплава золота 585 пробы в тройной системе Au--Ag--Cu--585-150