首饰用千足硬金综述①

杜中文

(中国地质大学(武汉)珠宝学院,武汉430074)

首饰用千足硬金综述①

杜中文

(中国地质大学(武汉)珠宝学院,武汉430074)

文章首先介绍了首饰用千足硬金的概念;其次,讨论了提高金属硬度的方法;然后,主要分析了目前国内厂家硬金首饰的生产方式;最后,对硬金材料及首饰成品的物性测试因素提出了建议,并对硬金的研究方向进行了简要归纳。

千足硬金;熔炼;油压;电铸;物性测试

长期以来,千足金因为其成色高而质地太软,不能满足复杂款式首饰的加工需求,相对K金首饰而言,足金首饰款式较陈旧,而且硬度低,容易被外物所刻划,不易保持细腻花纹而造成首饰被损坏。近期,市场上出现了一种硬千足金,既保持了千足金的高成色,又款式新颖、硬度较高,同时,比普通千足金更加轻薄,受到了消费者的普遍欢迎。

1 硬金的概念

对于硬金这个概念,可以认为:是在保证千足金的成色前提下,利用先进的工艺把传统意义上较软的“纯金”加工成硬度较高的“纯金”。这里的“硬”不仅仅是抵抗外界压入、刻划、研磨的能力,它还包括一系列物理、化学性能的改变,比如:强度、塑性、扭转、弯曲、压缩、韧性、延展性、抗疲劳能力等等。其中,强度包括:比例极限、弹性极限、屈服极限、抗拉极限、断裂极限等;韧性包括:伸长率和断面收缩率。[1]

2 提高金属硬度的方法

在工业生产中,纯金属的硬度远远不能满足工艺需求,需要通过人为的方式来提高金属的硬度。通常,提高金属硬度的方式主要包括:固溶强化、第二相弥散强化、形变强化、细晶强化硬质涂层强化等。[2]这些方式都能达到改善金属硬度的目的,只是原理各不相同。

2.1 固溶强化

固溶强化是把纯金属配成由两种或者两种以上金属组成的合金,是让溶质金属与溶剂金属形成固溶体,发生晶格畸变,从而提高金属的强度。在固溶体中,随着溶质浓度的增加,固溶体的强度、硬度提高,而塑性、韧性有所下降。[3]溶质金属原子与溶剂金属原子的半径差别越大,引起的晶格畸变越大,强化的效果越明显。工业上使用的金属材料如碳钢和合金钢这属此类。

2.2 第二相弥散强化

第二相弥散强化是向溶剂金属中加入合金元素,再经过塑性加工以及热处理而成,也可以用粉末冶金的方法进行。第二相弥散强化又称为过剩相强化,加入的第二相元素可以是金属化合物,也可以是另一种固溶体。[4]第二相的存在使金属的强度增大,而强化效果与过剩相数量、特性、形态、原子(分子)匹配度等因素有关。一般来说,第二相弥散强化要同时满足两个条件才能达到满意的强化效果,即:第二相均匀分布和具有高稳定性。首饰行业中用到的补口就是根据这个原理来配制的。

2.3 形变强化

形变强化是用冷加工的方式,使金属内部原有的位错运动,同时产生新的位错。这些位错之间会发生相会作用,当外界的力作用于金属的时候,表现为强度增大。例如,传统千足金首饰加工中,压光就是利用这个原理。

2.4 细晶强化(晶界强化)

金属材料都是多晶的,其力学性能与组织结构密切相关。一般地,组织结构越粗大,分布越不均,力学性能越差;组织越细,尺寸越均匀,力学性能越好。[5]金属冶炼铸造是一个结晶的过程,当存在位错滑移的时候,晶粒之间的界限会互相阻碍制约,晶粒越细小,晶界面积越大,表现为金属的强度越高。[6]对于合金来说,是指晶界强化,而对于纯金属,是指细晶强化。

2.5 硬质涂层强化

在机械制造领域,硬质涂层被用来提高金属表面的硬度、耐磨性、抗氧化性、抗冲击能力等等。主要包括一些氮化物、碳化物、硼化物、氧化物等等。例如:TiN属于立方晶系,呈金黄色,具有金属光泽,相对密度为5.22,熔点为2930℃,具有耐高温、高强度、耐酸腐蚀、耐磨损等优良特性。[7]

3 国内厂家硬金生产情况

2007年,香港凯恩特公司成功研发出立体中空电铸足金产品,后来经过继续改良,研制出千足金产品,称为3D千足金,目前已经投入大陆市场。据报道,3D千足金产品的硬度HV=97,已经非常接近18K金的硬度,比传统黄金饰品的硬度高出4倍。随后,深圳、山东的一些珠宝公司也相继推出各自的硬金产品。目前国内硬金产品生产工艺主要有两种方式:电铸、配料熔炼(倒模和油压)。

3.1 电铸工艺

电铸即电沉积又称为电成型,是一种靠电流将金属(金、银、铜)包覆在模子上的工艺。[8]电铸的原理与电镀相同,即通过电解使金属沉积在铸模上并形成壳层。用导电的原始模作阴极,金属作阳极,在电流的作用下,金属溶液中的金属离子带正电,向阴极迁移并沉积在阴极模上,达到一定厚度即可获得电铸件。它与一般性的电镀所使用的设备基本相同。[9]但是,实际上电铸是更先进、要求更高的电镀技术,特别是电流分布和电镀层的内应力等,比电镀具有特殊性。[10]典型的电铸工艺过程主要包括:雕模、复模、注蜡模、执蜡模、涂油、电铸、执省、除蜡、打磨等相互交叉的生产工序。[11]在实际生产中,电铸用的电镀液有很多种,常用的是氰化物电镀液,其他还有亚硫酸盐、氯化物以及这些化合物的混合物。对电铸液配比和电铸时间的调整,可以控制电铸层的厚度。改变电流的运动方式,将直流电改成脉冲电流可以加快电铸成型的速度,同时使晶粒变细,铸层加厚,强度变大。[12]电铸方法生产的硬金产品主要是空心吊坠、耳环等。如图1

图1 中空电铸硬金挂件、摆件(图片来自互联网)Fig.1 The hollow hanging parts in hardened pure gold electro forming(from the internet)

电铸工艺生产硬金首饰的优点:同等价格下其体型相对较大,重量轻,具有极高的复制精度,表面能显示模子上的微细图纹。不足之处:不适合制作手链或者戒指,不易修复,不易镶嵌宝石,对设施要求较高而价格高于冲压首饰。[8,13,14,15]

3.2 配料熔炼

配料熔炼是指在成色为999.9‰的金料中,加入微量的补口,提高硬度,但是成色仍然保持在千足金的范围内,用北京京国科艺发展有限公司2005年生产的GY-Ⅲ型黄金成色仪不能检测出补口的成分。在黄金熔炼过程中用氧炔焰加热,并用石英棒不停搅拌金水,同时加入硼砂让其均匀受热,而熔炼硬金的时候搅拌的时间更长,因为补口需要更长的熔炼时间。目前,配料熔炼分为两大类产品:倒模产品和油压产品。

3.2.1 倒模硬金产品

倒模硬金产品的主要品种为镂空吊坠、戒指、手环等等。基本生产流程为:起版→注蜡→熔金→倒模→执模→炸酸→压光(抛光),与普通千足金首饰生产工艺基本相同。生产流程中出现的与普通千足金不同的关键问题是:

(1)注蜡。普通千足金产品注蜡时用日本进口的不透明的橡胶模,而硬金产品注蜡采用特制的透明硬塑料模,以保证可以观察到液体蜡的流动性和凝固成光滑蜡模。

(2)熔金。采用万足金为原料配比补口,并在熔金时不断搅拌,时间更长。

(3)倒模。硬金产品倒模之后,此时未表现出比普通千足金硬的性质,外观出现紫色、紫红色、灰色的色斑。

(4)炸酸。普通千足金用加热的混合酸炸酸后颜色变亮,炸酸次数多则两次,一般一次就完成。而硬金产品炸酸次数较多,酸的配比也是不一样的。但是炸酸后颜色变亮,硬度提高。很可能是硬金中的补口与酸发生了反应而提高了它的硬度,但这一点还需要进行深入研究来证实。

3.2.2 油压硬金产品

油压硬金产品的主要品种为双面空心吊坠等。基本生产流程为:雕模→熔金→拉条→压片→剪裁→冲压→点焊(碰焊)→执模→炸酸→压光。与普通千足金产品生产流程基本相同,不同点在于:

(1)剪裁。用压片机将硬金原料压成适合厚度的薄片后,再用剪刀剪裁成适合冲压的小片之后用火烧片刻,以便冲压。

(2)点焊(碰焊)。用激光自动点焊机将两个完全一样的双面压件焊接起来,而普通千足金油压产品是用焊药走水焊接起来的。用点焊焊接硬金的原因是保证千足金的成色和防止硬金变软。

(3)炸酸。与熔金产品炸酸工艺相同。

由于样品所限,为了展示工艺流程,用铂金空心大肚佛代替硬金样品。如图2、图3

图2 两片铂金空心压件Fig.2 The hollow hanging parts in platinum

图3 铂金空心大肚佛Fig.3 The hollow platinum buddha with large belly

4 物性测试指标

国内硬金的研究已经有十几年的历史了,上市却是近两年的事。目前市场上还没有专门的标准去定义硬金,在查阅金属学有关资料以及国家标准的前提下,结合珠宝行业贵金属首饰测试的特殊性,笔者总结出一系列检测硬金的指标,希望能对市场有所帮助。见相关文献中金属机械性能指标及试样要求(硬金)[1,16,17,18,19,20]。

5 总结

硬金的上市为黄金首饰市场带来了新的气息,消费者可以用更少的钱买到更漂亮、更轻薄的黄金饰品,解决了黄金高成色低硬度的问题,满足了市场的需求。在硬金工艺方面,除了现有的电铸、配料熔炼的方式外,还可以尝试其他方法。比如:将黄金用物理电爆炸法加工成直径为纳米级的粉末再用于电铸,可以提高电铸产品的硬度,[21]这种概念被称为纳米电镀。在硬金材料检测方面,需要借鉴金属学、材料力学等学科,综合制定出一套技术参数,从而指导实践,服务于生产。

[1] 《金属机械性能》编写组.金属机械性能[M].北京:机械工业出版社,1983.

[2] 崔忠圻,覃耀春.金属学与热处理[M].北京:机械工业出版社,2007.

[3] 邓安华.有色金属的强化方法[J].上海有色金属,2000(12).

[4] 扬兴元.铂材料的强化研究综述[M].材料导报,2003(12).

[5] 杨如增,廖宗廷.首饰贵金属材料及工艺学[M].上海:同济大学出版社,2002.

[6] 左汝林,曾军,等.金属材料学[M].重庆大学出版社,2008.

[7] 宋贵宏,杜昊,贺春林.硬质与超硬涂层[M].北京:化学工业出版社,2007.

[8] 陈钟惠.颜慰萱,等.珠宝首饰英汉-汉英词典[M].武汉:中国地质大学出版社,2003.

[9] 胡传火斤.表面处理技术手册[M].北京工业大学出版社,1997.

[10] 古藤田(日本).贵金属和稀有金属电镀[M].北京:化学工业出版社,2000.

[11] 黄云光,袁军平,等.首饰制作工艺学[M].武汉:中国地质大学出版社,2005.

[12] 赵剑峰,云乃彰.脉冲电铸及铸层质量研究[J].材料保护,1997(3).

[13] 朱保国,王振龙.电铸技术的发展及应用[J].电加工与模具,2006(5).

[14] 姜乃春.电铸技术的工艺原理及应用[J].潍坊高等专科学校学报,2001(3).

[15] 金英福.电解铸造技术在首饰制作中的应用研究[J].铸造技术,2004(6).

[16] 韩德伟.金属硬度检测技术手册[M].长沙:中南大学出版社,2003.

[17] 许金泉.材料强度学[M].上海交通大学出版社,2009.

[18] 卢宜源,宾万达.贵金属冶金学[M].长沙:中南大学出版社,2004.

[19] GB/T 6397金属拉伸实验.

[20] GB 228静力拉伸实验.

[21] 渡边辙(日本).纳米电镀[M].北京:化学工业出版社,2007.

The description of hardened pure gold used in jewelry

DU Zhong-wen
(Gemmological Institute,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China)

Th is paper in troduced the concept of hardened pure gold used in jewelry,discussed the methods to enhance the hardness of metal,and analyzed the producing ways used in domestic factories.And then,it suggested which factors should be chosen in testing physical characters of hardened pure gold material and products.At last,it concluded the research is sues of hardened pure gold.

hardened pure gold;melting;oil pressed;electrotyping;physical characters testing

TS933

A

1673-1433(2010)02-0054-04

2009-12-18

杜中文(1985-)男,中国地质大学(武汉)珠宝学院,硕士生在读。