Общие сведения о металлах и сплавах

В производстве чеканных и ювелирных изделий применяют металлы и их сплавы, а также ряд других вспомогательных материалов. Для изготовления качественных высокохудожественных изделий необходимо знать их основные свойства: физические, механические, технологические и химические. К физическим свойствам относят плотность, температуру плавления, цвет и блеск, непрозрачность теплопроводность и электропроводность, тепловое расширение.

Цвет и блеск очень важны, они определяют художественно- эстетические достоинства металла как материала для изготовления изделия. Большинство из металлов имеют однообразный серовато-белый цвет. Только два из них имеют свой, присущий им цвет — золото (насыщенный желтый) и медь (оранжево-красный). При наличии этих металлов в сплавах последние приобретают желтые и красные оттенки.

Цвет - свойство света вызывать зрительное ощущение в соответствии со спектральным составом отражаемого или испускаемого излучения.

¹ Блеск •■ свойство поверхности отражать свет.

Плотность - отношение массы вещества к его объему. За единицу принята плотность дистиллированной воды (плотность в пособии приведена в г/см¹).

Температура плавления - температура перехода твердого кристаллического тела в жидкое состояние.

Электропроводность - способность металла проводить электрический

ток.

Теплопроводность - способность перехода тепловой энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым.

Магнитные свойства - способность намагничиваться или реагировать на действие магнита.

Механические свойства характеризуются прочностью, упругостью, пластичностью, твердостью и выносливостью.

Прочность - способность металла в определенных условия к. и пределах не разрушаясь воспринимать те или иные воздействия (нагрузки). Это свойство учитывается при изготовлении и проектировании художественных изделий, выборе того или иного металла, сплава. Наибольшее напряжение, которое может выдержать металл не разрушаясь, называют пределом прочности или временным сопротивлением разрыву. Образцы для измерения прочности подвергают испытанию на специальной разрывной машине, которая постепенно с возрастающей силой растягивает образец до полного разрыва.

Упругость - свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию. Наибольшее напряжение, после которого металл возвращается к своей первоначальной форме, называют пределом упругости. Если при дальнейшем повышении нагрузки напряжение превышает предел упругости и удлинение сохраняется после разгрузки образца, такое состояние называют остаточным удлинением. Далее наступает предел текучести, т. е. образец продолжает удлиняться без увеличения нагрузки. Такая способность к текучести используется в штамповочном производстве при глубокой вытяжке.

Пластичность - свойство металла под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные (пластические) деформации после устранения этих сил. Высокой пластичностью обладают золото, серебро, платина и их сплавы, менее пластичны медь, алюминий, свинец. Это свойство металлов имеет перво­степенное значение в давильном и штамповочном производстве, при чеканке, дифовке, прокатке и всШочении.

Твердость — свойство металлов сопротивляться проникновению в них другого тела под действием внешней нагрузки. Это свойство необходимо знать при выборе режущих инструментов для обработки металлов резанием. Испытания металлов на твердость проводят на стационарных твердомерах по Бринеллю и Роквеллю.

К сожалению, многие ювелиры не принимают во внимание ценность исследования этих характеристик металлов и сплавов, зачастую полагаясь на свой опыт и чутье. Однако эти характеристики являются основными при выборе материалов для работы.

Выносливость - способность металлов сопротивляться действию повторных (циклических) нагрузок.

Температурные условия значительно влияют на механические свойства металлов; при нагревании их прочность понижается, а пластичность увеличивается; при охлаждении некоторые металлы становятся хрупкими. Например, хладноломкими являются сталь некоторых марок, цинк и его сплавы; нехладноломкими - медь, алюминий.

В производстве художественных изделий учитывается способность металлов поддаваться обработке, т.е. их технологические свойства: ковкость, жидкотекучесть, литейная усадка, свариваемость, спекаемость, обрабатываемость резанием и др.

Ковкость - способность металлов подвергаться ковке и другим видам обработки давлением (прокатке, волочению, прессованию, штампованию). Металлы могут коваться в холодном состоянии (медь, золото, серебро и др.) и в горячем - сталь. Это свойство широко используется при художественной ковке изделий из малоуглеродистой стали, чеканке по листу, дифовке.

Жидкотекучесть - способность расплавленного металла заполнять литейную форму. Высокой жидкотекучестью обладают цинк и его сплавы, чугун, бронза, олово, силумин, (сплав алюминия с кремнием), некоторые магниевые сплавы и латунь; низкой — чистое серебро, красная медь, сталь.

Литейная усадка - уменьшение объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое. Это необходимо учитывать при изготовлении формы для отливки. Отливка получается всегда меньше модели, по которой сделана форма. Металлы с большой усадкой для литья почти не используют.

Свариваемость - способность металла образовывать сварное соединение путем местного нагрева и расплавления свариваемых кромок изделия. Хорошо поддается сварке малоуглеродистая сталь; плохо - чугун и высокоуглеродистые легированные стали.

Обрабатываемость резанием на различных танках, а также способность шлифоваться и полироваться - это свойства, имеющие большое значение при производстве художественных изделий, их обработке и отделке. Отлично поддаются резанию бронза, латунь, сталь, алюминий, чугун; плохо - медь, свинец и его сплавы.

Упрочняемость - способность металлов приобретать более высокую прочность после термической, химико-термической или механической обработки.

Важнейшими химическими свойствами металлов и их сплавов, применяемых для производства художественных изделий, являются следую­щие: взаимодействие с кислотами и щелочами (растворение), антикорро­зийная стойкость (окисление), т. е. стойкость к воздействию окружающей среды (газов, воды и т. д.).

Растворение (разъедание) - способность металлов и сплавов растворяться в сильных кислотах и едких щелочах. Это свойство широко применяется в различных областях производства художественных изделий. Растворение бывает частичное и полное. Частичное используется для создания чистой поверхности изделия, а также при получении офорта.

 

Полное растворение - это растворение цинка в соляной кислоте для приготовления хлористого цинка (флюс при пайке), серебра в азотной кислоте при приготовлении азотнокислого серебра и т. п.

Окисление - способность металлов соединяться с кислородом и образовывать окислы металлов. Почти все металлы и сплавы покрыты топкой оксидной (окисной) пленкой, представляющей собой тончайший слой, состоящий из окислов. Магний и алюминий окисляются особенно быстро, бронза и латунь - медленнее, а изделия из золота и платины не окисляются совсем. При нагревании металла окисление усиливается и на поверхности появляется толстая пленка окислов, называемая окалиной. Чем больше доступ воздуха и выше нагрев, тем толще слой образующейся окалины.

В отдельных случаях это свойство металлов бывает полезным, так как защищает металл от дальнейшего окисления в глубину и носит название защитной пленки.

Благодаря знанию физических, механических, химических и технологических свойств металлов и сплавов многие дефекты, возникающие при обработке металлов, могут быть предупреждены.

Соли, щелочи, кислоты

В художественной обработке металлов химические вещества (соли, кислоты, щелочи и другие вещества) являются вспомогательными материалами, без которых невозможны основные производственные операции.

Кислоты.

Кислота - это вещество, содержащее соединения водорода с кислотными остатками (НС1, HNOj, H7SO4). Рассмотрим некоторые из них, которые наиболее часто применяются в ювелирном деле.

Азотная кислота I1NO-, - бесцветная жидкость. Температура кипения 84 ⁽¹С, при температуре 42 "С застывает в прозрачную кристаллическую массу. На воздухе подобно соляной кислоте "дымит", так как пары ее образуют с влагой воздуха мелкие капельки тумана. Азотная кислота принадлежит к числу наиболее сильных, взаимодействует почти со всеми металлами, за исключением золота, платины, радия, иридия.

При взаимодействии разбавленной HN0₃ с железом, цинком происходит реакция в виде ядовитого красно-коричневого газа. А в холодной концентрированной кислоте железо не растворяется, аналогичное действие эта кислота оказывает на хром и алюминий, которые под действием HN0₃ переходят в пассивное состояние. Применяется как компонент состава пробирных реактивов.

Соляная кислота НС1 - бесцветная жидкость с резким запахом, хорошо растворяется в воде, легко вступает в реакцию со многими металлами. Применяется для приготовления отбелов, травления не драгоценных металлов.

Серная кислота H₂S0₄ - маслянистая бесцветная, тяжелая жидкость, смешивается с водой в любых соотношениях. Однако смешивать концентрированную серную кислоту с водой следует очень осторожно (вливать в воду небольшими порциями или тонкой струйкой). Растворяют H2SO4 в воде только в термостойкой посуде. Концентрированная H₂S0₄ в подогретом состоянии растворяет все металлы, кроме золота, платины и некоторых металлов платиновой группы. Ювелиры применяют серную кислоту для травления, определения пробы серебра.

Борная кислота Н3ВО3 - в свободном виде - бесцветные кристаллы. Умеренно растворяется в воде. При нагревании до 100 °С кислота теряет воду и переходит в мегаборную кислоту НВОг- Применяется для приготовления флюса при пайке драгоценных металлов, в изготовлении эмалей, глазурей, в качестве дезинфицирующего средства в медицине.

Щелочи.

Для распознавания кислоты или щелочи применяют индикаторы. Щелочи являются жирными на ощупь и окрашивают красную лакмусовую бумажку в голубой цвет. Остановимся на особо важных щелочах.

Едкий натр NaOH представляет собой белые прозрачные, сальные на ощупь, хрупкие сильно гигроскопичные пластинки. Хорошо растворяется в воде, образуя натриевую щелочь, которая применяется как очищающее и обезжиривающее средство.

Соли:.

Соли - класс химических соединений, кристаллические вещества, имеющие ионную структуру.

Хлористый натрий NC1, или поваренная соль, применяется для очистки изделий и отдельных деталей от всевозможных загрязнений и как компонент состава растворов химического пассивирования ювелирных украшений.

Карбонат калия К₂СОз - соль угольной кислоты или поташ. Порошковообразное белое, легко растворимое в воде вещество; входит в состав электролита блестящего золочения; используется как основная часть флюсов и как компонент оксидирующего состава украшений из серебра.

Бура №28407 х ЮИ₂0 - натриевая соль тетраборной кислоты; используется как флюс и как основа флюсов при пайке драгоценных и недрагоценных металлов.

1.4. Безопасность труда при работе с химическими веществами

Многие химические вещества, применяемые для художественной обработки металлов, при неосторожном обращении с ними могут привести к несчастным случаям: ожогам, поражению слизистой оболочки глаз и органов дыхания, общему отравлению организма.

К особо опасным относятся: пары синильной, азотной, соляной кислот; газообразные фтор, бром, мышьяковистый и сурьмянистый водород, серово­дород, многие органические вещества; соли - цианиды калия, натрия, меди, серебра, золота; кислоты - азотная, серная, соляная и их водные растворы с концентрацией выше 15%; щелочи - раствор едкого кали, натриевая щелочь с концентрацией выше 5%; нашатырный спирт с концентрацией аммония выше 10% и соединения меди.

Эти вещества должны храниться в стеклянных сосудах с хорошо притертыми пробками и надписью «Осторожно — яд!». Посуда для хранения вредных химических веществ должна по своей форме и виду отличаться от всех бутылок и сосудов, применяемых в быту для хранения пищевых продуктов.

При работе с химическими веществами следует соблюдать основные меры безопасности:

- содержать рабочее место в чистоте, не загромождать ненужной посудой, приборами;

- нельзя пить воду из химической посуды, бывшей в употреблении;

- работать с большим количеством реактивов; вливать кислоту в воду, а не наоборот;

- принимать пищу и курить на рабочем месте;

- не допускать попадания ядовитых веществ на тело или одежду;

- производить работы с ядовитыми химикатами, выделяющими вредные газы, только в вытяжном шкафу в резиновых перчатках и защитных очках;

- завершив работу, немедленно убрать ядовитые химикаты в шкаф и закрыть на ключ;

- тщательно вымыть руки с мылом, прополоскать рот водой.