Vpliv Cu' in cinka na preoblikovalne lastnosti belega zlata The influence of Cu' and Zine on workability of Nickel containing White Gold Alloys M. Doberšek, A. Osojnik, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Ljubljana I. Kosovinc, FNT-Montanistika, Katedra za metalografijo, Ljubljana V proizvodnji nakita iz belega zlata se uporabljajo predzlitine na osnovi baker-nikelj-cink in sre-bro-baker-paladij, ki se dodajajo čistemu zlatu. Naše raziskave so bile usmerjene v študij vpliva Cu' in cinka na preoblikovalne lastnosti belega zlata iz skupine zlitin zlato-baker-nikelj-cink. 14 ct. bela zlitina je bila izdelana iz doma razvite predzlitine D-8011, njeno uporabnost pa smo preverili na nekaterih značilnih izdelkih iz proizvodnje nakita. Določena je gostota zlitine, temperatura liquidus, solidus ter rekristalizacijska temperatura nove bele zlitine za nakit. Določen je vpliv razmerja bakra in niklja ter vsebnosti cinka na preoblikovalne lastnosti in barvo 14 ct. bele zlitine. Ključne besede: belo nikljevo zlato, novo srebro, plemenite kovine, zlitinski sistemi We study one of main farnilies of White Goldjewelleries Alloys - namely nickel containing White Gold. 14 Carat White Gold was made with master alloy D-8011, which verified on some charac-teristic products of )ewellery (rings, chains, pendants and semi-finished metal wire and sheets). Density, temperature of liquidus, solidus and the recrystallization temperature of new white gold was determined. The workability of a jewellery gold alloys, is best reflected by its hardness, and we measured it in correlation of composition. The new 14 Ct. white gold alloy has very good ductility, castability, contrast (to Yellow gold) white colour, good reflectivity and hardness < 150 HV5/20 in casting state. With master alloy D-8011 we made White Gold for producing jewellery castings and products making with cold deformation processes, but we used only one master alloy. With new 14 Ct. White Goldwe didn't change the usedpouring technology, cold deformation processes and soldering. Due to contrast white colour of 14 Ct. alloy, very complicate and expensive electro-chemical process of Rhodium plating, is not required. Keywords: White Gold Alloys, New Silver, Precious Metals, Systems of Alloys 1 Uvod V proizvodnji nakita iz belega zlata se uporabljajo predzlitine na osnovi baker-nikelj-cink (nikljevo belo zlato)1 ter srebro-baker-paladij (paladijevo belo zlato), ki se dodajajo čistemu zlatu. Zlitine iz paladijevega belega zlata so mehkejše in zato lažje preoblikovalne, vendar imajo močan rumenkast odtenek barve, kar zahteva dodatno površinsko obdelavo izdelka z zahtevnim postopkom elektro-kemijskega nanašanja rodija. Naše raziskave so bile usmerjene v iskanje predzlitine, iz sistema baker-nikelj-cink, za proizvodnjo belega zlata, ki bi bila primerna za ulivanje in hladno predelavo ter imela dovolj kontrastno belo barvo. 2 Eksperimentalno delo in analiza rezultatov Razmešanje v trdnem stanju poznano iz binarnega sistema zlato-nikelj2, se širi v ternemi prostor zlitinskega sistema zlato-baker-nikelj, zato ima razmerje bakra in niklja v zlitinah močan vpliv na barvo in preoblikovalne lastnosti zlitine. Glavni parametri, ki vplivajo na uporabnost zlitine, so poleg čistine še razmerje bakra in niklja Cu' = o/T°1OCUo/M-x100/%/ m • % Cu + m • % Ni ter vsebnost cinka v zlitini. Dodani cink kompenzira barvni učinek bakra in vpliva na livnost zlitine. Prisotnost cinka v zlitinah belega zlata povzroča nagnjenost teh zlitin k vročim razpokam po kristalnih mejah, zlasti v primerih, ko stopnja hladne deformacije pred rekristalizacijskim žaijenjem ne presega 50 %. V naših raziskavah smo študirali vpliv razmerja Cu' ter cinka na trdoto ulitih proizvodov, sposobnost hladnega preoblikovanja ter barvo zlitine. Tabela 1: Sestava predzlitin iz sistema Cu-Ni-Zn Table 1: The composition of master alloys from system Cu-Ni-Zn št. vzorca Sestavina zlitine m% Cu Ni Zn Kemijska analiza m% Cu Ni Zn Cu' HVJ/20 lito stanje Opombe 1 47,5 47,5 5 48,2 46,8 4,9 50 136 2 57,0 38,0 5 60 146 3 66,5 28,5 5 67,3 27,7 4,5 70 114,4 4 76,0 19 5 76,6 18,35 4,48 80 79,6 5 45 45 10 45,6 44,0 10 50 144,7 6 54 36 10 60 117,6 7 63 27 10 70 111,2 8 72 18 10 72,8 17,1 10 80 113,2 9 40 40 20 40,5 39,45 19,85 50 78,3 10 48 32 20 60 78,4 11 56 24 20 70 140,9 12 64 16 20 65,3 15,5 19 80 112,2 13 35 35 30 50 264,6 nepreoblikovalna 14 42 28 30 42,7 27,1 29,9 60 139,6 15 49 21 30 49,3 20,8 29,8 70 142,4 16 48,3 30 21,7 60,5 173 za vlivanje 17 63,9 28,9 7,2 68,8 159 za predelavo 18 65 16,9 18,1 79,4 114 mehka za pred. 19 56,3 29 14,4 66,2 Gold Bulletin 20 61 24 15 61,65 23,51 14,78 71,8 114 Za izdelavo bele zlate zlitine se uporablja cela vrsta predzlitin iz sistema baker-nikelj-cink3, ki se uporabljajo posamezno ali največkrat v kombinaciji. Izdelali smo preko dvajset različnih zlitin iz sistema baker-nikelj-cink (tabela 1) z razmerjem Cu' od 50-80 % ter vsebnosti cinka od 5-30 m.% Slika 1: Vpliv Cu' in cinka na trdoto 14 ct. belega zlata Figure 1: Hardness of 14 Carat vvhite gold alloys as a function of Cu' and zine content Predzlitine so bile izdelane iz elektrolitskega bakra, čistega niklja, cink pa smo dodajali v obliki zlitine CuZn37. Iz teh predzlitin je bilo izdelano belo zlato ob dodajanju 58,5 m.% čistega zlata (99,95 m.% Au). Sledili smo vplivu spreminjanja razmerja bakra-niklja ter vsebnosti cinka v zlitinah belega zlata na trdoto v litem in hladno deformiranem stanju ter vplivu teh parametrov na barvo zlitine. Vzorčki 14 ct. zlitine so imeli maso 15 gr. in so bili uliti v ogreto kovinsko kokilo. Izmerjene trdote zlitin v litem stanju so podane v diagramu (slika 1), iz katerega je razvidno, da z naraščajočim Cu' zlitinam pada trdota. Z naraščanjem cinka pri konstantnem razmerju Cu' prav tako pada trdota 14 ct. belim zlitinam. Zlitine so monofazne, z naraščajočo vsebnostjo cinka in padajočo vsebnostjo niklja pada velikost kristalnih zrn, kar potrjujeta mikrostrukturi zlitine s 15 m.% niklja in 4 m.% Zn (slika 2) ter zlitine z 10 m.% niklja in 6 m.% Zn (slika 3). Slika 2: Belo zlato s 15 m.% Ni Figure 2: Microstructure of 14 Carat White Gold Alloy with 15 wt % Ni To je tudi v skladu z izmerjenimi vrednostmi trdote (slika 1). Ugotovili smo, da imajo 14 ct. zlitine z 2 m.% Zn modificirane lite strukture. Mikrostruktura zlitine z 20 m.% niklja (slika 4) ima drobnozrnato strukturo Widmanstatskega tipa, medtem ko je zlitina s 16 m.% niklja drobnozrnata enofazna z močnimi izcejami plemenite kovine na robu dendritnih zrn (slika 5). Slika 3: Belo zlato z 10 m.% Ni Figure 3: Microstructure of 14 Carat White Gold Alloy with 10 wt % Ni Slika 4: Belo zlato z 20 m.% Ni Figure 4: Microstructure of 14 Carat White Gold Alloy vvith 20 wt % Ni Slika 5: Belo zlato s 16 m.% Ni Figure 5: Microstructure of 14 Carat White Gold Alloy vvith 16 wt % Ni Ulite plošče 14 ct. belega zlata smo hladno prevaljali s stopnjo redukcije preseka 70 %. Iz diagrama (slika 6) je razvidno, da z naraščanjem razmeija Cu' trdota zlitinam pri hladni deformaciji pade za 15-20 %. Iz tega sklepamo, da z naraščajočo vrednostjo Cu' preoblikovalna sposobnost teh zlitin narašča. Slika 6: Vpliv Cu' in cinka na trdoto 14 ct. belega zlata (70 % R) Figure 6: Hardness of 14 Carat White Gold Alloys after 70% cold deformation vs. of Cu' and Zine content Slika 7: Vpliv časa in temperature na trdoto belega zlata Figure 7: Hardness of 14 Carat White Gold Alloy in dependence on the time and temperature of process anealing Pri zlitini z razmerjem Cu' = 70 % ter vsebnostjo cinka med 10 in 20 m.% smo sledili vpliv časa žarjenja in temperature na trdoto zlitine. Zlitina je bila predhodno hladno prevaljana s stopnjo redukcije 70 %. Iz diagrama 7 je razvidno naraščanje trdote v prvih 15 min. žarjenja pri temperaturah 350-600°C, kjer gre za določene procese urejanja v trdni raztopini ali celo procese spinodalne reakcije. Pri navedenih temperaturah dosežejo te zlitine minimalne trdote po 35 min. žaijenja. Trdote zlitin so še vedno nad 150 HV, torej previsoke za ponovno hladno predelavo ali ročno preoblikovanje. Pri temperaturi žaijenja 750°C pričnejo procesi popuščanja - mehčanja zlitine takoj in je 90 % rekristalizacija dosežena že po 20 min. Dosežena trdota zlitine 140 HV je zadovoljiva za nadaljno preoblikovanje, pa tudi čas rekristalizacijskega žarjenja je tehnolološko sprejemljiv. 4 Zaključek Z našimi raziskavami in rezultati smo ugotovili vpliv razmerja bakra in niklja (Cu') ter vsebnosti cinka na trdoto nikljevega belega zlata v litem in hladno deformiranem stanju, kot tudi na livne in preoblikovalne sposobnosti 14 ct. bele zlitine. Določili smo temperaturo liquidus (1000°C) in solidus (935°C) ter gostoto 14 ct. bele zlitine za nakit, ki je 13,8 gr./cnv'. Nova 14 ct. bela zlitina iz sistema zlato-baker-nikelj-cink ima kontrastno belo barvo, zaradi tega v proizvodnji belega nakita odpade drag in zahteven postopek rodiniranja. Zlitina je primerna tako za ulite proizvode, kot za izdelke, ki so izdelani s hladnim preoblikovanjem. Nova 14 ct. bela zlitina ima željene lastnosti, kot so trdota, plastičnost, obdelovalnost, livnost ter barvo, kar so potrdili rezultati naših preiskav ter tehnološki poiskusi izdelave nekaterih karakterističnih izdelkov iz proizvodnje nakita. 5 Literatura 1 A.S. McDonald and G.II. Sistare: The Metallurgy of some carat Gold Jewellery alloys; Gold Bulletin, 1978, No. 4, p. 128-131 2 Hansen, Anderko: Constitution of binary alloys (p. 601, 649, 1059) 3 K. Dies: Kupfer u. Kupferlegierungen in der Technik, Springer Verlag, (Heidelberg), New York, 1967