今日元 / 基本知识 / 浅谈首饰铸造缺陷的根源

珠宝首饰的质量主要取决于制造水平的高低,而金属材料的缺陷是制造过程中较难克服的一大问题。由于目前首饰制造使用的金属材料多为合金材料,其性质与金属单质相比有一定差异,因此出现的材料缺陷也有所不同。鉴于材料缺陷带来的损耗甚至返工,减少和避免材料缺陷已经成为广大首饰业同行共同关注和研究的课题。采用先进的浇铸机械当然可以减少缺陷的发生,但从综合效益的角度出发,很多企业仍然使用价格适中的常规浇铸机械进行浇铸,因此深入了解铸造缺陷的形成机理对于最大程度地减少缺陷,提高生产效益无疑是有益的。

典型的铸造缺陷

最易观察的材料缺陷当属空洞类缺陷和表面类缺陷,其次为夹杂物类缺陷,缩孔类缺陷等。这些都属于典型的铸造缺陷。

空洞类缺陷:这类缺陷最为多见。其主要显微形态为明显的空洞,内壁光滑细腻,一般空洞内部没有夹杂物,通常是由于气孔引起。这些气孔有的体积较大,孔壁光滑,呈梨形或椭圆形,随机散布于饰品的表面或内部:有的呈细小的圆形、椭圆形或针状,分布于饰品的整体或局部,孔壁光滑明亮;有的呈分散状的针形孔,位于饰品的表面附近以及浇铸树的上端;有的呈连续的念珠状分布,气孔大小分布呈渐变态,内壁光滑……以上的各种类型可以分别称为析出气孔、侵入气孔、反应气孔和卷带气孔等。

严格说来,反应气孔应属于夹杂物类缺陷,因为这类气孔常常伴有夹渣出现。虽然有时夹渣无法观察到,但这类缺陷的性质仍然应该属于夹杂物类缺陷,放入下一节讨论。空洞类缺陷出现在饰品表面时容易发现并进行修补;当空洞出现在饰品内部时则需借助仪器进行检验,肉眼较难发现。在实际工作中常常有饰品在最后抛光时出现空洞,不得不返工修补的情况发生。有些空洞藏在饰品深处,佩带多年后才造成断裂,危害更大。因此对空洞类缺陷应该十分注意。

夹杂物类缺陷: 这类缺陷的外观与空洞类有相似之处,往往也有一些孔洞。但是经显微观察和元素探测发现,这些孔洞内壁不光滑,形状不规则,其中含有夹杂物,不过由于夹杂物已与金属基体脱开,这就是上面提到的反应气孔,其形态与空洞类缺陷容易混淆。更典型的夹杂物缺陷是某些非金属物质形成聚合点,有时成片产生,在执模、镶石、超声波清洗和抛光等工序中容易出现瑕疵甚至导致裂纹扩展。

缩孔类缺陷:最大特征是成片出现,孔壁内部凸凹不平,缩孔形状以椭球形和枣核形为多见,少数情况下孔内壁粘有夹杂物。这类缺陷由于微孔集群,容易变形,在外力作用下容易形成裂纹并使裂纹扩展,造成断裂和大面积塌陷,较之上述两种缺陷具有更大的修补难度。

表面类缺陷:类型主要有表面凹痕、披风(飞边)和皱皮等。这类在饰品表面出现的边缘光滑、有时有分枝的凹痕是由于石膏模受热膨胀或饰品厚处缩陷引起的缺陷,称为表面凹痕。饰品厚处缩陷产生的表面凹痕下面有时存在缩孔;披风是饰品表面出现的厚薄不均的薄片状突起。常常分布于饰品形状较厚大或有形状突变的部位;饰品表面呈现不规则的,带有网状沟槽的缺陷称为皱皮。这些都是对饰品外观影响较大的缺陷,对它们的修补有时是十分困难的。

缺陷的形成机理

合金材料性质:众所周知,纯净的金、银、铂、铜具有优良的综合机械性能,易于加工。因此本文讨论的重点是这些金属的合金材料性质。以18K金合金为例,18K黄色金的维氏硬度HV为130- 165,18K白色金的维氏硬度HV为95- 180,超过24K金(纯金)的维氏硬度HV65一70,它们在延展性上也存在较大差别。由于在K金的配制过程中需要加入银、铜(K白则需加入镍、钯等)等材料,简易的配制工序在熔合过程中难免产生缺陷。18K黄色金和18K白色金在低温或固态时存在某些金属间化合物或产生金相分离,使得材料具有内应力,影响其力学性质的稳定。在一些首饰工厂中K金的配制工艺不够严格,对于合金原料的成分不十分清楚,造成材料性质的批间差距,给制造过程缺陷的形成增加了不可知因素。有时配金带入的杂质影响更大。因此,严格保证合金材料的各个组分之间的配比,避免使用过多的剩余金料配制K金,对于避免和减少铸造缺陷具有十分重要的意义。

气孔缺陷的形成机理

一般而言,贵金属在浇铸过程中溶解气体是不可避免的。如前所述,气孔缺陷除了包括因溶解气体形成的析出气孔之外,还有金属液与石膏模中的挥发物(水、粘结剂等)形成的侵入气孔,以及液态金属中的某些成分之间发生化学反应形成的反应气孔,另外还有由于金属液注入石膏模时带入的气体形成的卷带气孔。它们的形成机理各有不同。

析出气孔是金属吸收气体形成的,金属的吸气过程由吸附过程和扩散过程构成。吸附过程中金属表面的气体分子被分解为原子状态,附着于金属表面;扩散过程中气体原子通过扩散作用进入金属内部,因此扩散过程决定了金属的吸气速度。与液体相似,金属对某种气体的溶解度在一定温度和压力下是定值,并与温度和压力成正比,金属对气体的溶解是一个可逆过程,升温升压时吸气(溶解)增加,降温降压时排气(析出)增加。高温时金属吸入的气体在金属冷却时以三种形式析出;一是气体原子扩散到金属表面并脱离吸附状态,但由于冷却速度快、金属液粘度大,液面薄膜阻力大等因素,这种析出方式几乎难以进行;一是气体原子与金属元素化合后以非金属夹杂物形式析出;一是气体原子在金属内部形成气体分子,以气泡形式析出,来不及析出的气泡则形成气孔。析出气孔的体积、形状及分布与金属的结晶特性和凝固速度等因素有关。

反应气孔是由于合金中的某种金属与其它成分发生反应而产生的。18K金中含有的微量Zn等元素会与COz(石墨柑塌的碳元素与金属中的氧化合而成)反应生成CO气体。CO气泡又在上浮过程中吸收H和N不断长大。上浮速度必须快于金属凝固速度,否则来不及排出的气泡就会形成反应气孔。产生CO气泡的反应。

侵入气孔是由于石膏模中残存的水分和某些物质,在金属的高温作用下产生高温高压的气体,如果来不及全部向石膏模外逸散,就会有部分气体侵入金属内。不难理解,如果对石膏模的成分和烘烤过程严格控制,侵入气孔的发生就会大大减少。

卷带气孔是由于浇铸开始时金属液向模腔中卷入的气体来不及排出饰品而形成的,一般发生于体积较大或形状较为复杂的蜡树中。

杂质对铸造缺陷的作用

杂质对材料性质的影响是巨大的。杂质可能是配金时原料带来的。也可能是浇铸过程中

产生的杂质,这些杂质多会导致材料缺陷的形成。例如,如果配金原料中含有万分之一的砷,材料就会变得十分性脆。极易碎裂。如果含有相当比例的铝、锌、铅、硫等,也会变脆易裂。另外,浇铸过程形成的非金属化合物和柑塌脱落物也会形成夹杂物等缺陷。

铸造工艺对夹杂物类缺陷和缩孔类缺陷的作用

到目前为止的研究表明,铸造工艺的不合理是缺陷形成的最主要因素。铸造工艺中最易形成缺陷的过程是浇铸。在熔化状态下,液态金属会溶解大量的气体,如氢、氧、氮、氯等,如果在冷却过程中不能及时排出,就会形成空洞类缺陷;溶解在金属中的气体有一部分会与金属产生化合物,形成夹杂物类缺陷;柑塌内表面的剥落、过多的助焊剂、劣质石膏形成的颗粒也会造成夹杂物类缺陷;过度的加热温度(超过金属熔点100℃以上)容易使金属产生粗大的晶体,形成缩孔类及表面类缺陷;不足的加热温度(超过金属熔点25- 500C)会使金属流速不同步,多股液流不能迅速合流,同时冷却,也会形成缩孔缺陷或过早凝固,造成形体残缺及表面类缺陷;石膏模焙烧及保温不足也会形成空洞类和缩孔类缺陷,浇铸后过早的炸洗会加剧内应力的作用可能造成裂隙。

总之制造过程工艺的合理性高低是决定制造质量的要素,而工艺过程的不合理在相当多的情况下是可以避免的。

饰品形状对铸造缺陷的影响

饰品的形状在很大程度上是造成材料缺陷的潜在原因。因为生产现场,饰品的起板者和制造者之间存在对产品认识的差距,操作者往往偏重饰品的光洁、牢固,对于起板者在饰品形状上可能导致材料缺陷的问题却容易忽视。这可能是造成制造缺陷随机性的主要原因。

饰品由于金属材料在流动中和冷却后不同的性质会产生很多变化,这些对于形成缩孔和变形等缺陷有很大影响。饰品的易铸性与美观有时是矛盾的。从易铸性出发,饰品的水口和花头等结构应尽量简单,粗大、对称,线条应尽量平滑少弯,这样才能保证汇流和凝固的同步;从美观性出发,有时需要纤细复杂的线条,非对称的花头,这时就容易形成缺陷,纤细复杂的线条容易流动不畅,形成断点和缩孔;非对称的花头容易造成收缩差距,使内应力分布不均匀,产生变形和缩孔。起板的问题在注蜡过程中就已经显示出来,只不过蜡模的修整稍微容易一些罢了。因此材料的制造缺陷应该属于设计、生产环节共同注意的问题。

减少首饰铸造缺陷的措施

(1) 空洞类缺陷

减少高温下金属对空气的溶解吸收是减少空洞类缺陷的关键。熔金、浇铸工作尽量在真空下进行,不具备真空条件的可采用喷射惰性气体进行保护,熔金表面适当施加助焊剂隔绝空气,最好使用石墨柑塌以减少金属对空气的吸收,尽可能减少对熔融金属的搅动也可以减少吸收空气,这些都是减少空洞类缺陷发生可采用的方法。

(2) 夹杂物类缺陷

选用纯度较高的足金和含量可的补口配金,在真空或惰性气体下浇铸,采用中高频感应熔金,提高熔金速度,使用密度高、内壁光滑的柑塌,避免加入过多的助焊剂,可以减少金属与空气化合产生的氢化物、氧化物、氮化物、氯化物等,减少助焊剂、柑塌剥落形成的杂质。

(3) 缩孔类缺陷

控制适当的熔金温度,选用纯度较高的足金和含量可的补口配金,浇铸后的残留金属

需要兑入等量的新鲜金属方可再用,进行合理的结构设计,石膏模焙烧及保温不足也会形成缩孔类缺陷;浇铸后过早的炸洗会加剧内应力的作用,可能造成裂隙,所以应该控制炸洗的时机。

(4) 表面类缺陷

使用质量较好的石膏粉,注意控制石膏模的焙烧过程以减少石膏模的变形,注意控制注蜡压力和温度,严格修整蜡模以减少披风,控制熔金的温度以减少皱皮……等等。采用这些方法就可以减少和避免大多数表面类缺陷的发生。

(5) 设计环节应注意的问题

饰品起板是即需严格注意结构设计,注意饰品的力学性质,避免内应力的集中,兼顾美观与易铸,使液体金属流道通畅。花头过于复杂的应适当简化,在焊水口注意向形状复杂处增加水线的直径和数量,以便减少断线、缺块、变形、缩孔、空洞等缺陷的发生。

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