新型贵金属材料工艺与首饰制造业的发展 5页

'2002年第1期珠宝科技第14卷2002年3月JEWELRYSCIENCEANDTECHNOLOGY总第44期①新型贵金属材料工艺与首饰制造业的发展孙仲鸣(中国地质大学珠宝学院,武汉430074)摘要:本文分析了首饰合金的成分、结构和颜色、机械性能等因素对合金性质的影响,介绍了贵金属造型材料、贵金属结晶材料等新材料的有关情况,对新型首饰材料在首饰制造中的应用提出了看法。关键词:首饰制造;贵金属;合金;研究中图分类号:TS933文献标识码:C文章编号:1004-7468(2002)01-0026-051基于色彩的首饰合金材料如此,可以通过合金化与能带结构变化之间的关系来了解颜色变化的机制。1.1饰品合金的色彩概论1.2饰品金合金1.1.1对合金色彩的要求1.2.1颜色金合金合金颜色和颜色的稳定性是对饰品合金的主要最重要的颜色金合金是长期以来我们一直使用要求。的Au2Ag2Cu系合金。1994年Leuser公布了Au2Ag2Cu合金的颜色作为饰品颜色是重要的特性,我们通过改变合金特性图,将这个系分成具有指定颜色的成分区域。这元素Ag与Cu含量的比例,获得颜色在较宽范围内个工作的基础是他早年在Degussa公司实验制作的变化。晦暗变色是化学过程与环境因素和组织结构的1089个合金。综合结果,贵金属含量不是合金抗晦暗的唯一因素,19K金合金上的2N、4N、5N是瑞士和西德采用低K合金中仍有可能得到良好的合金(9K合金)。合的颜色代号。相应的颜色为淡黄、黄、玫瑰红和红色。金的成分和结构对塑性和冷加工性能起决定性作用。在14K合金的情况下,随着铜含量的增加,合金的颜1.2.2白色金合金色由暗绿色经过亮绿、浅绿黄、暗黄、黄、粉红、红、桔研究发现,在Au中添加Ni和Pd可获得具有较红色过渡到铜红色。许多国家制定了饰品金合金的颜好综合性能的白色金合金。色标准及测色标准,并做出了相应的色板以供对比。1.实际应用的含镍白色合金:Au2Ni2Cu2Zn合1.1.2合金色彩的成因金一个不透明物体的颜色取决于它的反射率与入这类合金的实际性能非常突出,价格也较低廉,射光频率(或能量)。例如,一个合金如果对可见光谱但由于镍对人体的毒副作用,目前世界大多数国家已的低能量端的反射率远高于可见光谱的其他部分时,禁止将其用于首饰合金材料。这里对该类合金暂不作合金将具有从淡红到黄的颜色。合金颜色的本质是能讨论。带跃迁,因此可以通过计算合金的能带结构来确定颜2.Au2Pd系合金为基的白色金合金色。但是,目前仅限于大多数纯金属,一些金属间化合研究结果表明,由Au、Ag、Pd、Cu、Zn组成的物和少数稀固溶体可进行能带计算,对于含有较大比18K白色金合金有可能实现机械性能和颜色之间的例合金元素的合金,能带计算的工作进展不大。尽管最佳综合平衡。近年来日本研究了一批时效硬化型饰①收稿日期:2002-02-25作者简介:孙仲鸣(1967—)男,副教授,天津市人。从事珠宝首饰工艺的教学和科研工作26 品金合金,其目的是提高耐蚀性、耐磨性和调整合金至一定水平时,将制造紫金的溶液注入模坯内,炼成的色调。它们都不是Au2Ag2Cu(Zn)系的。紫金,利用特殊技术制造出来的紫金没有过去表面出在Au2Ag2Pb系白色金合金中,Au2Ag、Ag2Pd、现气孔的毛病,并排除了以前不稳定和容易变质的情Pd2Au三个二元系都是连续互溶的。这种结构的一况,状态稳定适宜用作打造金饰。个重要结果是Au2Ag2Pd三元合金的许多性能是平表2低K金颜色与成分配比稳变化的,即性能随成分的变化不大。成分wt%K数颜色AuAgCuZn表1常用饰品K金技术数据22黄91.666.202.14K数成分(‰)熔点(℃)密度(göcm3)颜色22深黄91.661.237.1123.76990Au210Ti1080～110019.0黄18黄75.009.0016.0022917Au232Ag251Cu960～98017.8暗黄18黄75.0020.005.0022917Au255Ag228Cu995～102117.8黄18黄75.0015.0010.0018750Au2125Ag2125Cu850～89015.4黄18黄75.0013.0012.0018750Au2160Ag290Cu910～92015.6淡黄18绿75.0022.502.5018750Au290Ag2160Cu880～88515.3粉红14红58.332.0839.2518750Au245Ag2205Cu890～89515.15红13.5红56.252.2041.5514585Au2265Ag2150Cu830～85013.65淡黄13.5红56.255.3031.506.9514585Au2205Ag2210Cu830～83513.65黄14红58.335.0030.006.6314585Au290Ag2325Cu850～88513.30红13.5黄56.258.7530.654.3514585Au2100Ag2315(CuZn)810～88013.25粉红14黄58.338.3129.194.1714585Au2300Ag2115Cu820～85014.05黄13.5黄56.254.2032.806.159375Au2100Ag2450Cu275Zn870～92011.1黄14黄58.334.0031.246.4318750Au2150Pd2100(CuZn)1095～115016.0白13.5黄56.259.6528.455.6318750Au2105Ag2100Pd245(CuZnNi)1020～115016.08白14黄58.3310.5024.970.2014590Au2260Cu280Zn270Ni870～95012.95白13.5黄56.2522.2621.180.3114590Au2285Ag2100Pd225(CuZnNi)1015～112514.65白14黄58.3321.0020.170.3014黄58.3324.7816.752.1413.5黄56.2510.5031.152.10若优先考虑颜色要求,最好采用Au2Ag2Pd合14黄58.3310.0029.672.00金,其机械性能可以通过加入铜、锌来调整。随着Cu13.5绿56.2536.706.800.25+Zn总质量的增加,18K合金的硬度也增加,不管是14绿58.3332.508.970.20加工态,还是退火态或水淬态的硬度。处于退火态和14绿58.3335.506.470.209.5黄39.6012.0842.286.04水淬态时,合金的塑性很低。当用铜、锌来强化Au210黄41.7011.6040.815.83Ag2Pd系合金基体时,强化的强度仅由Cu+Zn的总9.5黄39.605.8045.309.30量确定。例如,在给定了Au+Pd+Ag总量的商业10黄41.705.5043.809.0018K白色金合金中,铜、锌的比例对合金的机械性能9.5黄39.605.8049.653.9310黄41.705.6048.003.70影响不大,而且合金中的钯与银的比例对机械性能来说也不太重要。但是,实验表明,锌对这类合金的时效起了重要的作用。不含锌的合金对时效不敏感;所有表3瑞士金合金标准色和成分含锌的合金都可用热处理硬化,而且与其含铜的量无K数成分(‰)颜色关。14590Au2100Ni2240Cu270Zn白14585Au2340Ag275Cu绿黄1.2.3蓝色、紫色金合金14585Au2260Ag2155Cu淡黄蓝色、紫色金合金是金与铝的金属间化合物18750Au2160Ag290Cu亮黄AuAl2(Au为78.5%,其余为Al)性脆而难以加工,18750Au2125Ag2125Cu黄饰品中应用不多,最近,新加坡科学家成功制成了可18750Au290Ag2160Cu粉红用于打造金饰的紫色黄金,在真空环境下,利用等离18750Au245Ag2205Cu红子火焰把氧化物分解,当分解过程中产生的气压累积27 制造原理:采用粉末冶金法制取。首饰用低色银合金中添加Au或Pt可增加耐磨性,(1)Au+Al→AuAl2(蓝、紫色),其中金而添加Cu、Zn、Sn可改善合金的可铸性。7815%,铝2115%(反应条件:真空,加热,加催化1.3.3粉色银合金剂)。除了上面当铜含量达到14%可得到彩色银合金(2)用蓝色或紫色氧化物粉末添加到金粉中热外,也可通过添加金属硼化物制得各种颜色的硼化银压成型后烧结。合金。此外,三菱材料公司于2000开发出一种新型粉AuAl2合金性较脆,直接作为首饰材料来使用不色首饰用银合金。这种新型材料由90%的银和10%够理想,所以我们应在着手开发材料的同时,也研制的粉色18K金组成。主要是将粉色18K金覆盖在银一些可以改变贵金属合金性能的添加剂,使它们更适的表面,以防止银受氧化等作用变黑。这种粉色首饰于首饰制造工艺。用银合金的颜色与所用银的纯度无关。1.3饰品银合金银及其合金具有美丽的色调,它们的加工性能2基于特殊表面效果的首饰合金材料好,有一定的耐蚀性,因此也是主要的饰品材料和牙科材料。银饰品在我国少数民族中很盛行,需要量很2.1Spangold大。最常使用的饰品银合金是7.5wt%Cu的Ag2Cu这是一种新型的饰品材料,是一种具有奇特表面合金。银及其合金的最大缺点是抗硫化性能差,表面花纹的饰品合金。它是由南非Mintek公司spangold很容易变黑。近年来抗变色银合金的研究活跃,出现研究所研制开发的,1993年4月在瑞士巴塞尔举行了一些抗晦暗性能较好的饰品银合金。的手表及饰品博览会上首次展出。Spangold由Ag中主要加Zn合金元素。所得银合金颜色可spangle与gold二词缩合而成,意为闪烁着的光亮的由Ag的含量不同而改变,主要为两种颜色,如表4:金。Spangold饰品的表面花纹的产生和传统的饰品表4常见Ag2Zn合金的色彩与成分金截然不同,它既非人工印制出来,也非雕刻或侵蚀Ag含量颜色出来,而是由一种成分确定的金合金在一定条件下,50%～53%粉红色发生所谓马氏体相变而形成的。将一定成分的金合金>53%金黄色加热至一定温度,然后急速冷却,使其发生马氏体变化,在合金组织发生相变的同时,他的表面产生花纹,Ag中主要加Sn元素的合金。Ag2Sn颜色为蓝形成一种由闪闪发亮的,各种颜色的小金属块组成的色,组分为Ag:80～90%,Sn:10～20%。制造工艺表面,起到装饰的效果,故称为Spangold。为:将Ag2Sn粉末烧结,置于850℃的硼砂中,再进行SPANGOLD的优点有:干燥,最后进行抛光获得成品。也可以先让硼砂与Sn(1)可制成9～20K的金合金,并获得一般的金高温加热成混合态(气原体),然后将Ag放入烧结,合金所具有的各种颜色;得到这种特殊合金。(2)比重比常规K金低,因此制造较大的首饰佩Ag经过S蒸汽薰(450℃～500℃)10分钟可获带更为舒适;得由外至内的黑色Ag2S(厚度1～2mm)表面,是一(3)熔点低,铸造性及加工性更优;种表面处理改色的方法。(4)硬度比K金稍高,故更为耐磨;1.3.1Ag2Cu合金(5)闪烁的图象大小可根据要求而改变。Ag2Cu合金中人们用铜来改善银的性能。这种在Spangold表面上产生的花纹可以被磨掉,且合金比纯Ag坚硬,经热处理可提高硬度,且熔点降能重新产生,还可根据个人的艺术欣赏的角度及要低,可铸性改善,抗色变能力降低;降低耐腐蚀性(Cu求,获得各种尺寸、粒度、颜色的花纹。另外,由于合金>8.5%)。其色彩当Cu14%时呈白色,当Cu>14%相变的可逆性,即记忆效应,可产生一种所谓的抗时色彩发生变化:白-黄-红。Spangold的类型。利用此性质,可循环产生和消除1.3.2Ag-Pd合金Spangold的花纹,使之相互叠加,达到一种独特的表银钯合金化是克服银易生成硫化物的缺点的最面装饰效果。成功的方法,也是目前抗蚀变银合金的主要配方。在目前己可研制出两种Spangold合金材料,一种28 是便于铸造及热处理的合金,另一种是适合于冷加工香水浸渍到首饰中得到散发芳香气味的首饰。的合金。3.3彩色混合金合金粉末材料2.2纳米幻彩钛金首饰特殊加工工艺法实际是在纯金粉末中加入着色20世纪90年代末期,人类将纳米技术与钛金属用金属氧化物粉末,混合,使不同颜色的金属氧化物合金工艺成功结合,并首次运用于首饰生产,取得了弥散分布在金属基体中,然后用热压烧结法制成一定令人惊异的装饰效果。形状的烧结体,再用压力加工的方法冷却而成。纳米钛金首饰非K金,也不是电镀品,与黄金首由于着色金属氧化物本身具有不同的颜色,从而饰比较,价格相对低廉。使合金具有不同色调的混合色。例如,氧化锌为白色,纳米钛金首饰材料的特点是:三氧化铬为绿色,三氧化二铁为红褐色。1.技术先进:纳米技术是当代国际制造技术与工艺中的最新技术。4基于提高性能的首饰材料2.材质独特:纳米幻彩钛金首饰,是由金An、银Ag、钛Ti、铜Cn、锑Sb、锌Zn、铅Zr、镍Ni、铬Cr、铑4.1硬化银合金Rh、钯Pd等10多种稀有贵金属合成的最高技术(纳通过添加少量金属如Mn、No,然后进行内氧化米结构)结晶产品,与纯金、纯银古老单调的首饰比处理,促使Mn、No选择性氧化,而达到使合金硬化较,具有很强的潮流特色,与铜、银等人造首饰有着本质的不同。的目的,银的纯度保持在99%以上,保留了纯银的价3.色彩斑澜:纳米幻彩钛金首饰依靠电脑金属分值。析和电子技术形成五颜六色的幻彩,在阳光和灯光照4.2硬化金合金射下都会熠熠生辉,特别适合公众和交际场合下佩在纯金中添加Ti,通过特殊熔铸技术可制成硬饰。度与18K金合金相当的23K金合金,具有纯金温暖的本色,可以进行可靠的宝石镶嵌,使纯金色与高档3便捷成型的首饰合金材料宝石的天然色泽搭配成为首饰市场的新宠。贵金属造型材料(PreciousMetalPlasticine,简5首饰制造业对新合金材料的要求称PMP)为粉末冶金产品,它是将粉末冶金技术应用于珠宝饰品制造中。其应用流程为:贵金属粉末+有5.1耐用性机粘结剂-造型材料-成型-干燥-烧结-抛光-纯贵金属饰品因为硬度较低,抗磨抗刻划性差,饰品。不适于制作首饰尤其是镶宝首饰。虽然可以通过添加3.1Platigem其他元素制成合金饰品,但由于合金化,贵金属含量Platigem为彩色的金属间化合物在Pt-Al的基就明显降低了,这里有待进一步研究,如按照与本材料中添加10～20wt%Cu采用实验室规模的氩990Au-Ti以及硬化银合金(银99%)的方向发展,气保护等离子体电弧炉融熔制得,颜色可以从金黄色既增强了耐用性又保证了贵金属的含量,丰富了首饰-橙色-铜粉红色,硬度在600～750Hv,硬而脆,质市场的饰品品种。地类似宝石,适合应用于首饰的粉末成型工艺。5.2颜色3.2Goldina颜色是饰品的一个重要特征。从前面的内容中我Goladina为淡黄色,由至少50%Pt和少于50%们可以看到,首饰在颜色这个方面的发展还是比较成Au,用粉末冶金技术制得。该合金材料相当软,表面熟的。既可以通过改变合金元素的成分或配比来改变硬度为57～90Hv,具有温和的金属色彩,可制成各种颜色(如黑色、浅红色、浅紫色等),也可以通过一些高形状的首饰:如戒指,手镯和挂件,在处理技术上,还新技术,如电子技术来获得理想的颜色。这里值得关可以采用机械加工法,喷砂,滚轧等方法,在饰品上制注的是材料颜色的稳定性,需要考虑颜色结构是否会得多彩花纹,还可以利用粉末压实物中固有的多孔因时间而变化,或由于外来因素而改变其色泽。实质性,将香水注入到首饰空洞中,或用香水浸泡成品,使上,合金材料色彩的稳定性已经成为相关研究的核心29 问题。占据首饰制造方法的主导地位,因此,贵金属合金的5.3延展性良好铸造性能将成为能否被首饰制造业接纳的主要贵金属材料的延展性不论在首饰手造还是机造条件。适当的熔点,良好的流动性、充填性和致密性,中都很重要。有的材料虽然硬度很高,但可塑性很差,较小的热伸缩性,足够的冷却硬度和塑性,与其它金象前面提到的蓝色金合金,以及彩色铂饰品中的属的友好合金性等因素,都是合金研究的焦点问题。Platigem,硬而脆,不适于手工打造,只能通过其他技术,如声钻技术或粉末冶金技术等进行加工。因此,通6结束语过改变配方或冶炼方法得到有良好延展性能的首饰材料,将是今后首饰贵金属材料研究的重点。近几年,人们对首饰己经有了新的认识。购买金5.4安全性银首饰可以保值的观念已日渐陈旧,首饰主要被用来在一些材料的配方中会有一些有毒元素,例如,和服装搭配协调,强调装饰美的概念已日渐被消费者在白色金合金中谈到银元素,有些人会对此产生皮肤接受。首饰材料的贵贱已不是消费者考虑的主要问过敏,另外还有一种元素-镉,镉在合金中会产生一题,追求新奇和个性成为主流,新材料的开发与应用定的毒素,有害于人体,国外一些国家也象我国限制已成为首饰业潜在的新增长点。镍使用量一样,限制或禁止在配制合金材料时使用镍本文介绍和讨论的新型合金材料具有不同于传和镉等致敏或致病元素。随着全球环保意识的日益普统首饰合金的新特征,丰富了首饰市场,且适应了现及,新型首饰合金的安全性或健康性将成为研究者必代人的“首饰的主要作用是美化人体”的新思想。一些须注意的关键因素。新型合金能够改善首饰的加工性能,以降低成本,提5.5伸缩性高生产力。相信在可预见的未来,将会有更多的新型饰品合金材料是否因冷热、干湿、氧化而造成体合金材料运用到首饰业中,未来的首饰品种将会越来积的膨胀或收缩,使成品变形或影响其它搭配的材料越丰富,将会满足不同层次,不同品味的消费者。也是必须考虑的,因为这直接影响饰品的实际使用效果。参考文献:5.6焊接性[1]廖涣修.论珠宝首饰设计要素.宝石和宝石学杂志[M].武汉:贵金属合金材料的研究须考虑其焊接性与熔点。2000,2(36-39).焊接时,可否与其它材料如K金密切熔合,或焊接在[2]周新铭.饰品用金及新技术研究[M].贵金属,昆明:2000,15:42-49.其它的金属上,要避免其熔点相差太大而造成色差或[3]孙仲鸣.首饰制作工艺学(中国地质大学珠宝学院教材).武汉:裂纹。1999.15-16.5.7可铸性[4]戴松林.贵金属材料学.昆明:1996.141-154.可以预见,今后相当长的时间里,精密铸造仍将[5]李东亮.银、金、铂的性质及其应用。P110、P120、P136NewTypePreciousMetalMaterialTechnologyandJewelryManufacturingIndustrySHUNZhong2ming(JewelryCollegeofChinaGeologicalUniversity,Wuhan,Hupei,430074)Abstract:Thearticleanalyzestheinfluenceofcompositions,structure,colorandmechanicperformanceonalloycharacteristicsandintroducessomenewpreciousmetalmaterialsanditsapplicationtothejewelryindustry.Keywords:jewelrymanufacturing,PreciousMetal;Alloy;Research30'