Былинкин- Богатырев Д.О.'(Ювелирная мастерская Свято-Троицкой Александро-Невской лавры, г. СПб)'''
Андрюшкин Р.В., Беленький А.В., Кретушева И.В.' ( ООО «СОЛДЕРРУС», г. СПб)'''
Медь и ее сплавы, наряду со сплавами драгоценных металлов, издавна являются наиболее востребованным материалом при изготовлении ювелирных украшений, церковной утвари, бытовых художественных изделий. Сплавы меди обладают высокими технологическими свойствами при различных способах производства и обработки, а также интересными, разнообразными декоративными характеристиками, в частности оптическими свойствами, что важно для художественной, потребительской ценности конечного продукта. Наличие обширной и доступной отечественной сырьевой базы, низкая стоимость меди, по сравнению с серебром (не говоря уже о золоте и платине), делает экономически целесообразным использование меди и ее сплавов для массового производства недорогих украшений и крупных, массивных изделий, что особенно актуально при таком специфическом производстве, как производство предметов церковной утвари. Современное состояние рынка с высокой, все возрастающей стоимостью драгоценных металлов и низкой потребительской способностью еще в большей степени актуализирует проблему всестороннего и широкого использования недорогих медных сплавов в ювелирном деле.
В публикации отражены основные результаты исследований по разработке и внедрению новых композиций декоративных медных сплавов, предназначенных для литья по выплавляемым моделям заготовок предметов церковной атрибутики: крестов, икон и др. Опытно-исследовательские работы проводились специалистами компании ООО «СОЛДЕРРУС» и Ювелирной мастерской Свято-Троицкой Александро-Невской лавры, г. Санкт- Петербург.
Целью научно-экспериментальных работ стала разработка и внедрение новых литейных медных сплавов:
рабочих прототипов литейных декоративных медно-цинковых сплавов (латуней), различных цветов и оттенков, обладающих высокими литейными свойствами;
рабочего прототипа низколегированного сплава меди — технологичного заменителя чистой меди при литье по выплавляемым моделям, в декоративном плане — имитатора чистой меди.
Сплавы изготавливали в тигельной шахтной печи электросопротивления и разливали в воду, получая сплесы, удобные для дальнейшего использования в литейных установках. Литейные характеристики сплавов оценивали экспериментально при литье, которое осуществляли на литейной установке вакуумного литья по выплавляемым моделям VC 500, компании INDUTHERM (Германия). Микроструктуру сплавов изучали методом микрорентгеноспектрального анализа на растровом электронном микроскопе SUPRA 55VP WDS с системой микроанализа INCA ENERGY, компании Oxford (Великобритания).
1. Разработка прототипов художественных литейных латуней для высокоточного ювелирного литья по выплавляемым моделям
Благодаря высоким технологическим свойствам латуни являются наиболее распространенными из медных сплавов. Оптические характеристики латуни, ее цвет — это уникальная гамма от белесого, светло-золотистого различных оттенков до красно-медного. Латуни — дешевые. Недорогими являются технологии их производства и обработки. Технологии литья латуней в основном просты (по сравнению с чистой медью, бронзами или другими медными сплавами) и не требуют высокого уровня подготовки литейщиков.
Однако на практике литейщики на ювелирных предприятиях зачастую сталкиваются с проблемами при латунном литье. Это связано с отсутствием у большинства нынешних ювелиров–литейщиков специального образования и малым опытом работы с медными сплавами. В силу специфики наличествующей на рынке латуней номенклатуры, ювелиры во многих случаях для производства литых изделий берут в работу распространенные деформируемые марки двойных латуней типа Л60, Л63 , или свинцовую ЛС 59-1 (ГОСТ 15527-2004), которые для ювелирного, высокоточного литья вовсе не оптимальны. Иногда, что совсем недопустимо, загружают в печь смешанный лом латуней, без учета содержания основных легирующих компонентов и примесей. Дополнительное легирование двойных латуней (типа Л63) алюминием, непосредственно в печи литейной установки (как делают многие ювелиры), с целью улучшить качество литья, приносит определенный результат. Однако и это не является «панацеей» для всех случаев литья, позволяющей кардинально улучшить литейные свойства сплава. Кроме того, алюминий, накапливаясь при бесконтрольном его введении во вторичном металле приводит к снижению пластичности сплава. Хотя отметим, что разработка художественных сплавов на базе хорошо известной системы Cu-Zn-Al, безусловно, являлась и является перспективным направлением. Но, к сожалению, часто алюминием «исправляют» смешанный лом латуни неопределенной марки, что конечно приводит к печальным последствиям.
О стабильности технологии литья по выплавляемым моделям сплавов неопределенного состава говорить не приходится. Технология ювелирного литья латуней не сложна, но требует высокой культуры производства литейщиков на всех этапах производственного процесса (начиная с подготовки и навешивания шихты, точной установки температурно-временных режимов нагрева опоки, плавки и литья, и заканчивая технологией извлечения отливки и удаления формовочной массы) Смешивание латуней различных марок при шихтоподготовке для плавки под литьё по выплавляемым моделям не допускается! (Здесь речь не идет о плавке новой марки сплава с использованием лома других марок. Выплавка марочного сплава должна быть отдельной операцией, а не осуществляться при плавке под разливку металла в опоку. Кроме того, на большинстве ювелирных предприятий нет всех необходимых условий для производства непосредственно сложнолегированных, специальных марок латуней, а только для переплава под литье уже готового сплава и, если необходимо, то с подшихтовкой.) На некоторых ювелирных заводах при литье заготовок по выплавляемым моделям обоснованно применяют латуни литейных марок (ГОСТ1020-97 и ГОСТ 17711-93). Но и в этом случае обойтись без проблем в производстве редко удается. Бывает, что отечественные производители литейных латуней, выплавляя их из лома и отходов, допускают завышенное содержание примесей (в т.ч не стандартизированных) в металле. Также составы данных латуней расширенные и не оптимизированные для их использования в высокоточном ювелирном литье. Конечно, все это негативно влияет на воспроизводимость результатов качественного литья. Применение всевозможных марок декоративных латуней зарубежных производителей, специально адаптированных для ювелирного литья, технологически эффективно, но экономически не оправдано, с учетом крайне завышенной стоимости этих сплавов на нашем рынке и присутствующей нестабильности поставок. Также, надо отметить, что и западный производитель иногда грешит качеством металла, поставляемого на российский рынок.
Авторы, учитывая опыт различных ювелирных предприятий и собственный опыт, пришли к выводу, что требуется разработка отечественных специальных марок художественных латуней разнообразных составов для современного высокоточного, вакуумного литья по выплавляемым моделям на ювелирных предприятиях.
При разработке новых композиций исходили из того, что сплавы латуней должны:
обладать высокими литейными характеристиками, и гарантировать высокую воспроизводимость качественного литья и высокий выход годного продукции;
иметь высокую коррозионную стойкость, пониженную склонность к коррозионному растрескиванию, а также хорошо воспринимать эмалирование и гальванические покрытия;
иметь благородный блестящий цвет, близкий к бронзовому литью, который, если необходимо, позволит не облагораживать поверхность гальваническим покрытием;
иметь высокий комплекс свойств прочность- пластичность, необходимый для возможной дальнейшей холодной обработки давлением литых заготовок.
Всем перечисленным требованиям удовлетворяют медно-цинковые сплавы, легированные на базе системы Cu-Zn- Si. Сплавы данной системы хорошо изучены и давно используются в промышленности. Это представлялось важным, для скорейшего создания необходимой рабочей композиции.
В работе были учтены известные наработки, описанные в технической литературе и в имеющейся нормативной документации. В процессе работы меняли и оптимизировали состав основных легирующих компонентов, а также исследовали влияние микролегирования сплава модификаторами на качество литых заготовок. Чтобы снизить риск коррозионного растрескивания массовую долю меди в сплавах не опускали ниже 75%.
В результате были разработаны и внедрены два опытных медно - цинковых сплава на базе системы Cu-Zn-Si, рабочих марок: ЛКЭ и ПЛФ с высокими литейными характеристиками. Оба сплава не склонны к образованию рассеянной газоусадочной пористости. Жидкотекучесть сплава ЛКЭ ( в форму по ГОСТ16438-70) составляет 83 см, против 65 см у Л63 или 51 см у ЛС59-1. (Литейные характеристики сплава ПЛФ еще выше, он предназначен для литья самых сложных изделий. Но себестоимость его производства существенно больше, чем сплава ЛКЭ. Поэтому ведутся работы по оптимизации его состава.)
Сплесы литейной художественной латуни ЛКЭ
Механические свойства основного сплава-прототипа ЛКЭ, отлитого в кокиль, при испытании на одноосное статическое растяжение (ГОСТ1497-84) составили: предел прочности -σв- 29кгс/см2 , относительное удлинение, δ- 39%. Такие характеристики дают возможность применять сплав ЛКЭ не только в качестве литейного, но и как деформируемый.
Из приведенной на рисунке фотографии микроструктуры сплава ЛКЭ видно, что микроструктура сплава мелкозернистая, модифицированная, с технологически благоприятной морфологией для литья и обработки давлением.
Технологические режимы вакуумного литья по выплавляемым моделям сплава ЛКЭ близки к температурным параметрам литья заготовок из сплавов драгоценных металлов. Температура разливки: 1020-1050 оС; температура опоки 620-650 оС (температурные режимы могут быть изменены в зависимости от массы, конфигурации, размеров выплавляемых изделий, вида и параметров литниково- питающей системы, условий литья, вида литейной оснастки, плавильного и литейного оборудования и др.)
Микроструктура экспериментальной латуни ЛКЭ во вторичных электронах
Отливки из сплава латуни ЛКЭ
Также были выплавлены и опробованы еще два прототипа художественных латуней с особенными оптическими характеристиками: ПЛР - ярко желтый, золотистый сплав с хорошей жидкотекучестью (70 см) и высоким комплексом свойств прочность –пластичность( σв- 24кгс/см2, δ- 44% ) и ПЛЗ – розово-золотистый сплав – имитатор сплава золота ЗлСрМ585-80 (ГОСТ30649-99). Работы по оптимизации их составов продолжаются.
Сплесы экспериментальной художественной латуни марки ПЛР
Сплесы экспериментальной латуни марки ПЛЗ - имитатора сплава ЗлСрМ585-80
2. Разработка экспериментального низколегированного художественного сплава меди для производства литых заготовок ювелирных изделий методом литья по выплавляемым моделям.
Чистую медь, несмотря на хорошую текучесть, редко применяют в художественном, а тем более высокоточном, ювелирном литье. Это связано, прежде всего, со сложностью технологического процесса медного литья из-за отсутствия интервала кристаллизации у чистого металла, интенсивного окисления меди в процессе плавки, литья и охлаждения, и пр. Для плавки и литья меди по выплавляемым моделям требуются подготовленные специалисты, умеющие оценить качество медной шихты, знающие как раскислить расплав меди, умеющие рассчитать и обеспечить питание отливки, обладающие высоким уровнем культуры производства, особенно при работе с большим оборотом вторичного металла. Медному литью присущий целый ряд специфических литейных дефектов, зачастую сложно устранимых; в результате не просто обеспечить стабильность производства медных качественных отливок. На практике, издревле, применяют сплавы меди: бронзы, а чаще, уже упомянутые латуни. Но привлекательность чистой меди, как декоративного материала для художников и ювелиров существовала и существует. Красный цвет меди благороден и уникален. Недаром в художественном деле и при реставрационных работах широко применяется медная гальванопластика и прочие способы нанесения меди в качестве декоративного покрытия или отдельного слоя.
Задача организации технологического процесса ювелирного литья по выплавляемым моделям заготовок церковной атрибутики из меди предполагала разработку специального низколегированного медного сплава не отличающегося по своим оптическим и механическим свойствам от чистой меди марки М0 (ГОСТ 859-2014), но обладающим более высокими литейными характеристиками. Обязательным условием было максимально низкое содержание легирующих компонентов, но при этом должна была быть гарантирована высокая, бездефектная проливаемость сплава и относительно не сложная и стабильная технология литья.
В результате научно-исследовательских работ был создан экспериментальный, низколегированный сплав меди, рабочей марки МСПб, который предназначен для вакуумного литья по выплавляемым моделям, когда необходимо обеспечить стабильное, качественное литье медных изделий, исключив возможность возникновения специфических дефектов, связанных с отсутствием интервала кристаллизации чистой меди и окислением металла, при работе со вторичным сырьем.
Сплесы низколегированного медного сплава МСПб
Сплав МСПб - содержит не менее 99,3% меди, а также активнодействующие раскислители и модификаторы, суммарное содержание которых не превышает 0,7%. Коррозионная стойкость сплава МСПб выше чем у чистой меди марки М0.
Так как сплав МСПб представляет из себя практически чистую медь, то температурные режимы его литья выше, чем у большинства бронз и латуней : температура разливки металла при вакуумном литье по выплавляемым моделям составляет 1100- 1140 оС температура опоки 640-650 оС . В результате применения МСПб получается качественное медное литье с высоким выходом годного.
Но сплав требует от литейщиков более тщательный подхода к работе, чем при аналогичной работе с латунями или сплавами драгоценных металлов. Например, в результате экспериментальных работ было выявлено, что большая часть отливок после магнитной галтовки, отбраковывается из-за появившихся отслоений поверхности. Причину данного дефекта исследовали методами металлографического и микрорентгеноспектрального анализов.
Оказалось, что на стадии отделения отливки от остатков формовочной массы был нарушен технологический процесс. Остатки формы не растворяли и смывали, а многократно нагревали отливку до 650 оС в окислительной атмосфере печи и бросали в водный раствор соли серной кислоты, тем самым сбивая формомассу за счет термического расширения, при этом подтравливая металл. В результате, как показали
