Rodzaje obróbki metali szlachetnych i ich stopów

Przykładowo stop wyciągany na zimno na drut bądź walcowany na cienką blachę, przed tymi zabiegami jest zbudowany z zaokrąglonych i owalnych kryształów. Po ich zakończeniu składa się z wyciągniętych kryształów w formie tak samo zorientowanych nitek. Wytrzymałość mechaniczna stopu po takiej obróbce ulega kilkakrotnemu wzmocnieniu. Wszystkie zmiany kształtu stopu są przyczyną powstawania napięć wewnętrznych objawiających się zwiększeniem jego wytrzymałości.

Dla zobrazowania tego zjawiska w tabeli przedstawiono przykładowe wartości zmiany właściwości mechanicznych wybranych stopów po walcowaniu i ich wcześniejszym wyżarzeniu oraz wyciągnięciu o określony w tabeli procent początkowej długości.

By określić przydatność materiału do obróbki, wykonuje się próby technologiczne odbywające się z zachowaniem reguł opisujących; kształt i wymiar próbek, narzędzia a także metody realizacji próby. i tak np. metale ciągliwe poddawane w trakcie dalszej obróbki zginaniu, poddaje się próbie na zginanie wykonywanej na zimno lub gorąco. Inną przykładową próbą jest próba na spęcznianie, służąca do ustalenia zdolności metalu do stłaczania za pomocą zmniejszania wysokości. Kolejnymi przykładami są próby drutów na nawijanie i skręcanie, a także próba tłoczności blach.

Próba tłoczności wykonywana jest przyrządem Erichsena na blasze nie grubszej niż 2 mm i o wymiarach 70 na 70 mm. Polega ona na powolnym wtłaczaniu kulisto zakończonego tłocznika w próbkę, która jest tym bardziej ciągliwa i przydatna do głębokiego tłoczenia im bardziej poddaje się wtłoczeniu bez uszkodzenia.

Wyżarzanie polega na nagrzewaniu do pewnej temperatury i nieśpiesznym chłodzeniu danego wyrobu. Powoduje to rekrystalizację tj. odtworzenie właściwej struktury siatki krystalicznej metalu. Każdy metal i stop metalu ma właściwą sobie temperaturę początku rekrystalizacji, wynoszącą w przybliżeniu 1/4 temperatury topienia (wg. skali absolutnej). Czyli np. dla miedzi około +200^oC. Aby przyśpieszyć ten proces w praktyce stosuje się jednak nieco wyższe temperatury, co niesie ze sobą zagrożenia takie jak;

• Przegrzanie – skutkujące dużym rozrostem ziaren a co za tym idzie zmniejszeniem własności mechanicznych. Poprawę struktury daje się otrzymać poddając wyrób powtórnej obróbce mechanicznej przez zgniot i ponowne wyżarzanie.
• Przepalenie – czyli utlenienie oraz nadpalenie granic ziaren, powoduje to nagłe obniżenie twardości i plastyczności, a nawet zupełny rozpad wyrobu. Przedmiot taki musi być ponownie przetopiony.

Innymi rodzajami operacji z zakresu obróbki cieplnej są normalizacja, hartowanie oraz odpuszczanie.

Normalizacja ma zastosowanie przede wszystkim do przedmiotów stalowych. Polega na nagrzewaniu i chłodzeniu w powietrzu. Dla stali niskowęglowych zabieg ten zastępuje wyżarzanie a dla wysokowęglowych powoduje zwiększenie twardości i wytrzymałości.

Hartowanie prowadzi do zwiększenia twardości i wytrzymałości. Proces ten polega na nagrzaniu do wysokiej temperatury i gwałtownym schłodzeniu w specjalnych środkach chłodzących takich jak np. olej transformatorowy lub w wodzie.

Odpuszczanie to proces odwrotny do hartowania, zwiększa ciągliwość natomiast zmniejsza kruchość i twardość.

Prawidłowo przeprowadzona obróbka termiczna ma zasadnicze znaczenie dla otrzymania dobrych właściwości fizycznych oraz mechanicznych stopów metali szlachetnych. Czas trwania i wysokość temperatury obróbki termicznej mającej za zadanie przeprowadzenie częściowej bądź zupełnej rekrystalizacji, uzależnione są czynnikami takimi jak skład stopu oraz stopień jego obróbki mechanicznej i by przeciwdziałać stratom (powstającym w czasie obróbki), należy je praktycznie przetestować. Przykładowo blacha srebrna próby 0,800 wyżarzana w piecu muflowym przez 10 minut w temperaturze 720^oC, traci 93 % swojej twardości uzyskanej w drodze walcowania jej z 10 na 16 cm długości. Analogiczne reaguje złoto o próbie 0,583 barwy czerwonej, a tej samej próby złoto koloru bladożółtego by otrzymać takie same przekrystalizowanie musi być wyżarzane przez dłuższy czas.

Jednakże czas i temperatura żarzenia nie mogą być za durze, gdyż zamiast polepszenia można uzyskać pogorszenie własności stopu. Wady, które powstają wówczas są to niewłaściwe przekrystalizowanie bądź wytworzenie się szkodliwych dla stopów związków chemicznych.

Wyżarzanie i kucie stopów srebra wykonywać należy bez pośpiechu w temperaturze od 500 do 650^oC. w temperaturze większej niż 750^oC stop przegrzewa się powodując jego kruchość oraz łamliwość, czyniąc go niezdatnym do dalszej obróbki mechanicznej. Aby otrzymać najładniejszą politurę gotowych wyrobów srebrnych, należy je na końcu wyżarzać w temperaturze mniejszej niż 600^oC.

Złoto koloru żółtego próby 0,583 wyżarzane w temperaturze 750^oC prze 15 minut, bardzo prędko pozbywa się wewnętrznych napięć, uzyskując najlepszą ciągliwość. Ogrzewane ponad 800^oC zaczynają tracić ciągliwość i przyjmują strukturę grubokrystaliczną, nienadającą się do obróbki mechanicznej.

Złoto barwy czerwonej o próbie 0,583, ma najlepszą ciągliwość po żarzeniu go prze 30 minut w temperaturze 700^oC.

Złoto próby 0,750 ogrzewa się maksymalnie do temperatury 800^oC, gdyż w temperaturze wyższej zaczyna tracić swą ciągliwość i twardość, staje się mniej wytrzymale.

W małych warsztatach wyżarzanie wykonuje się zazwyczaj pistoletem gazowym, a w lepiej wyposażonych w piecach muflowych, umożliwiających płynną regulację temperatury i czasu. By zapobiegać pokrywaniu się przedmiotów tlenkami, przed ostatnim wyżarzaniem pokrywa się je powłoką ochronną, zanurzając w nasyconym na gorąco roztworze mieszaniny boraksu, kwasu borowego, soli kuchennej i bardzo słabej zawiesiny gliny. Po osuszeniu wyrób przenosi się na żelazną blachę w piecu muflowym. Powłoka ochrona nie blokuje wyżarzania, a odcina dostęp tlenu do powierzchni przedmiotu, zapobiegając jednocześnie powstawaniu czarnej warstwy tlenkowej. Gdy wyrób ostygnie powłoka ochronna pęka i odpada, a jej pozostałości pozbywa się przez zanurzenie wyrobu na czas 5 do 10 minut w mocno rozcieńczonym kwasie siarkowym.

Bardzo dobrze wyposażone warsztaty do wyżarzania stosują specjalne piece wypełnione mieszaniną soli o temperaturze topnienia wynoszącej około 550^oC. Zabieg ten wykonuje się zanurzając wyrób w stopionej mieszaninie chlorków oraz fosforanów potasowych przez bardzo krótki czas. Procedura ta dodatkowo całkowicie zabezpiecza przed powstawaniem powłoki tlenkowej.

Ważnym jest także odpowiednie chłodzenie wyżarzanych stopów metali szlachetnych. Studzenie przeprowadza się w spirytusie lub wodzie. Metal chłodzony w spirytusie chłodzi się powoli gdyż wokół wyrobu powstają pary spirytusu. Dodatkowo spirytus będąc związkiem organicznym odtlenia wierzchnią brunatną powłokę tlenków. Przy większej zawartości miedzi w stopie, czarny tlenek miedzi na jego powierzchni przechodzi w czystą czerwoną miedź, nierozpuszczalną w słabym kwasie siarkowym, mogącą być utrudnieniem przy dalszej obróbce mechanicznej.

Niektóre stopy metali szlachetnych nie powinny być chłodzone powoli. W studzonych powoli stopach złota z miedzią próby od 0,400 do 0,900 powstają związki chemiczne AuCu bądź AuCu₃ które w nieznacznej ilości działają korzystnie na stop zwiększając ich twardość. Ale w większych ilościach są szkodliwe przyczyniając się do kruchości materiału. Stop złota próby 0,583 koloru czerwonego posiada nieznaczne ilości tych związków ale złoto próby 0,750^1-16, chłodzone powoli, w temperaturze mniejszej niż 400^oC wytwarza związek chemiczny czyniący je niezdatnym całkowicie do obróbki mechanicznej. By zapobiec temu niekorzystnemu zjawisku, stop musi być chłodzony natychmiastowo w zimnej wodzie, co kolokwialnie ujmując „nie daje czasu” na powstanie związku chemicznego.

Zjawisko hartowania stopów srebra w dużym uproszczeniu polega na tym, iż uwolnione na wskutek nagłego oziębienia ogrzanego stopu cząstki miedzi osadzają się między drobnymi kryształami srebrowo-miedziowymi zmniejszając ich swobodę ruchu, zwiększając twardość i wytrzymałość równocześnie obniżając ciągliwość. Ogrzanie gotowego przedmiotu srebrnego nadaje mu o wiele większą twardość, a także wytrzymałość pod wpływem obróbki mechanicznej. Poziom zahartowania zależy od ilości metalu szlachetnego w stopie, od temperatury i czasu ogrzewania. Przykładowo stop srebra próby 0,800 ogrzewa się przez 2,5 godziny w temperaturze do 280^oC, powodując poprawę wytrzymałości z 32 do 40 kg/mm², a twardości z 79 do 99 kg/mm².

Hartowanie przedmiotów złotych osadza się na zjawisku rozpadu kryształów mieszanych i wytworzeniu związków chemicznych. Najkorzystniej jest hartować złoto w kąpielach złożonych ze stopionej mieszaniny azotanów sodowego i potasowego, ogrzewanej (bez obawy o jej rozpad) do temperatury 400^oC. Temperaturę kąpieli sprawdza się np. termometrem i kontroluje ją zwiększając lub zmniejszając płomień palnika gazowego ogrzewającego pojemnik z kąpielą. Zasadą jest, iż temperatura hartowania przedmiotów złotych nie może przekraczać 400^oC. Chłodzenie wyrobów zahartowanych prowadzić należy bardzo powoli w ciepłym miejscu na płycie ognioodpornej i zaleca się dodatkowo przykrycie ich miską grafitową.

Stopy złota jasnożółte o większej zawartości srebra najkorzystniej hartuje się wyżarzając i studząc w zimnej wodzie, przenosząc potem do żelaznej misy z czystym morskim piaskiem ogrzanym do 300^oC. Pozostawiając go w piasku na czas od 30 minut do 2 godzin, zależnie od oczekiwanego poziomu zahartowania. Następnie wyjmuje się go z piasku i powolnie chłodzi zgodnie z metodą opisaną uprzednio. Im wyższa temperatura topnienia tym wyższa też powinna być temperatura hartowania, jednakże nie może ona być wyższa niż 400^oC, powodując wówczas przehartowanie. Objawia się ono całkowitą kruchością wyrobu. Dotyczy to szczególnie stopów złota mających w składzie nikiel, cynk albo kadm.

Hartowaniu należy poddawać przedmioty takie jak łańcuszki, pierścionki, obrączki i inne łatwo zużywające się wyroby. Można przyjąć, iż każdy stale noszony przedmiot traci na wadze około 1/100 grama rocznie. Gdyby poddać je hartowaniu to można było by zmniejszyć powstającą w ten sposób stratę o około 50 %.