Ювелирный сплав на основе палладия, упрочненный интерметаллидами, содержащими кобальт (варианты)

Изобретение относится к металлургии благородных металлов и сплавов, в частности к сплавам на основе палладия, используемым в ювелирном производстве. По одному из вариантов сплав содержит, мас. %: палладий 50-95, кобальт 3-5, кремний 0,5-2, медь - до 40, бор 0,01-1,0, по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей: золото - до 30, индий - до 10, галлий - до 10, при суммарном содержании кобальта и кремния, не превышающем 5%, при этом после термической или термомеханической обработки сплав имеет структуру, упрочненную интерметаллидом Co₂Si. По второму варианту сплав содержит, мас. %: палладий 50-85, кобальт 11-13,5, алюминий 1,5-4, медь - до 40, бор 0,01-1,0, по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей: золото - до 30, индий - до 10, галлий - до 10, при суммарном содержании кобальта и алюминия, не превышающем 15%, при этом после термической или термомеханической обработки сплав имеет структуру, упрочненную интерметаллидами Co₃Al, CoAl, Co₂Al₃. Техническим результатом изобретения является повышение прочностных свойств, особенно твердости, при сохранении уровня литейных свойств и пластичности. 2 н.п. ф-лы, 2 пр.

 

Изобретение относится к металлургии благородных металлов, в частности к сплавам на основе палладия, предназначенным для изготовления ювелирных изделий.

Долгое время палладий использовался в производстве сплавов для ювелирного производства только в качестве лигатуры к золотому сплаву для получения золота белого цвета. В последнее время палладий стали использовать в качестве основного компонента ювелирных сплавов. Это обусловлено тем, что палладий, являясь драгоценным металлом, стоит дешевле платины и обладает рядом уникальных свойств: он гипоаллергичен, легок и пластичен, поэтому ювелирные украшения из палладия гораздо легче изделий из золота и платины, что очень важно для таких украшений, как серьги, он имеет более светлую окраску, чем платина, не тускнеет на воздухе, на его поверхности не образуются царапины и трещины, а зеркальный блеск сохраняется десятилетиями. Однако по своим химическим свойствам палладий уступает платине и другим металлам платиновой группы. Кроме того, нелегированный палладий обладает низкими прочностными свойствами, которые важны при креплении драгоценных камней на ювелирном изделии. Таким образом, разработка прочных сплавов на основе палладия, обладающего комплексом присущих ему положительных свойств, является весьма перспективной.

Известны сплавы для ювелирных изделий на основе палладия, содержащие в качестве основного компонента кобальт (ЕР 267318 A, C22C 5/04, опубл. 18.05.1988; US 20080279717 Al, C22C 5/04, опубл. 13.11.2008). Сплавы имеют хорошую жидкотекучесть, что способствует получению из них изделий методом литья с высокой точностью, однако указанные сплавы обладают недостаточным уровнем механических свойств, особенно твердости, что не позволяет широко использовать их для получения ювелирных изделий с камнями.

Известен ювелирный сплав на основе палладия, содержащий, мас. %: 2-15 кобальта, 2-15 меди, 0,5-5 индия, 1-13 галлия, 60-94 палладия и другие элементы, в качестве которых он содержит индий, иридий, кадмий и/или висмут (RU 2220218 C1, C22C 5/04, опубл. 27.12.2003). Сплав имеет пониженную температуру плавления, что облегчает получение из него литых изделий, а также высокую деформируемость. Однако сплав обладает низкой твердостью, что не позволяет использовать его в ювелирных изделиях, требующих формоизменения. Указанный сплав принят в качестве наиболее близкого аналога.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание сплава на основе палладия, обладающего оптимальным для изготовления ювелирных изделий комплексом физико-механических свойств.

Техническим результатом изобретения является повышение прочностных свойств, особенно твердости, при сохранении уровня литейных свойств и пластичности.

Технический результат достигается тем, что сплав на основе палладия для изготовления ювелирных изделий, содержащий кобальт и медь, дополнительно содержит кремний, бор и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей золото, индий, галлий, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

палладий	50-95
кобальт	3-5
кремний	0,5-2
медь	до 40
бор	0,01-1,0

по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей:

золото	до 30
индий	до 10
галлий	до 10,

при суммарном содержании кобальта и кремния, не превышающем 5%, при этом после термической или термомеханической обработки сплав имеет структуру, упрочненную интерметаллидом Co₂Si.

В другом варианте осуществления изобретения технический результат достигается тем, что сплав на основе палладия для изготовления ювелирных изделий, содержащий кобальт и медь, дополнительно содержит алюминий, бор и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей золото, индий, галлий, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

палладий	50-85
кобальт	11-13,5
алюминий	1,5-4
медь	до 40
бор	0,01-1,0

по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей:

золото	до 30
индий	до 10
галлий	до 10,

при суммарном содержании кобальта и алюминия, не превышающем 15%, при этом после термической или термомеханической обработки сплав имеет структуру, упрочненную интерметаллидами Co₃Al, CoAl, Co₂Al₃.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Увеличение твердости сплавов очень важно для ювелирных изделий, т.к. позволяет сохранять их блеск после полировки более продолжительное время и уменьшает количество царапин. Заявленные сплавы обладают способностью упрочняться в процессе термической или термомеханической обработки, при этом они имеют сравнительно низкую температуру плавления и хорошую технологичность при литье, горячей и холодной деформации.

Упрочнение палладиевых сплавов основано на эффекте дисперсионного твердения. Термическая обработка дисперсионно твердеющих сплавов заключается в их нагреве до образования пересыщенного твердого раствора, последующего быстрого охлаждения (закалки) и старения. В результате такой термической обработки твердый раствор распадается с выделением нанофазных частиц фаз - упрочнителей. Упрочняющий эффект при этом достигается за счет выделяющихся интерметаллидов. Отличие от упрочнителей иного состава является существенным как по методу образования, так и по структуре, характеру температур плавления, кинетике распада твердого раствора, эффекту упрочнения и его стабильности. Способ упрочнения палладиевых сплавов, применяемых для изготовления ювелирных изделий, посредством использования эффекта дисперсионного твердения, обеспечивающего необходимую технологичность в процессе их изготовления и эксплуатации, включает легирование палладиевой основы двумя компонентами, образующими между собой химическое соединение. В качестве таких компонентов в одном из вариантов изобретения используют кобальт и кремний, а в другом варианте - кобальт и алюминий. Их количественное содержание в сплавах определяется стехиометрическим соотношением, необходимым для образования при последующей термической или термомеханической обработке интерметаллидов Co₂Si и Co₃Al, CoAl, Co₂Al₃ соответственно.

Являясь раскислителем, бор в количестве 0,01-1% снижает влияние кислорода при выплавке палладиевых сплавов, уменьшает потерю легирующих компонентов на угар и уменьшает размер зерна, увеличивая при этом жидкотекучесть расплава.

Легирование сплава медью до 40%, золотом до 30%, индием до 10%, галлием до 10% как каждым, так и в любом сочетании обеспечивает снижение температуры плавления палладиевого сплава, повышение литейных свойств и плотности готового изделия. Варьирование их содержания в сплавах на основе палладия в указанных пределах позволяет также изменять цвет сплава от белого до желтого и золотисто-розового с различными оттенками. Ограничение содержания указанных элементов в сплаве обусловлено снижением при увеличении их содержания в сплаве прочностных характеристик.

Упрочнение сплавов на основе палладия, содержащих кобальт и кремний или алюминий, основано на механизме дисперсионного твердения, реализуемого посредством термической или термомеханической обработки. Термическая обработка заключается в нагреве сплава до образования пересыщенного твердого раствора, последующего быстрого охлаждения - закалки и старения, в результате которого твердый раствор распадается с выделением нанофазных частиц Co₂Si или Co₃Al, CoAl, Co₂Al₃.

При термомеханической обработке между закалкой и старением или после старения осуществляют пластическую деформацию.

Примеры реализации изобретения

Пример 1

Был получен сплав следующего химического состава, мас. %: Pd - 95, Co - 4,0, Si - 1, Cu - 0,5, B - 0,1.

Плавка велась в вакуумной печи резистивного нагрева. В разогреваемый графитовый тигель был помещен тигель из искусственного сапфира с шихтовыми материалами. Плавка велась при температуре 1680°C. Были получены слитки цилиндрической формы диаметром 30 мм и высотой 8 мм. Следует отметить, что введение бора увеличило жидкотекучесть сплавов и привело к уменьшению линейной усадки. Структурный анализ показал уменьшение размеров зерна. Затем сплав подвергали термической обработке, включающей нагрев сплава до температуры, обеспечивающей образование пересыщенного твердого раствора и соответствующей 980°C, выдерживали при этой температуре в течение 1 часа, проводили от этой температуры закалку в воде до температуры менее 100°C, а затем осуществляют старение при температуре 470°C в течение 2 часов.

Твердость сплава после термообработки составляла 180 НВ, что почти в два раза превышало твердость литых сплавов с твердорастворным упрочнением.

Пример 2

Получали сплав, содержащий, мас. %: Pd - основа, Co - 12, Al - 3,0, Cu - 0,5, B - 0,1, Au - 0,1, примесей - не более 0,1%.

Плавка велась аналогично примеру 1 при температуре 1700°C. Закалку в воду осуществляли после выдержки сплава при температуре 980°C в течение одного часа. Старение проводили при температуре 470°C с выдержкой в течение двух часов.

Полученный после термообработки сплав имел твердость 250 НВ, превышающую твердость литого сплава, составляющую 140 НВ, при этом сохранялись литейные свойства и пластичность.

Таким образом, заявленные сплавы обладают оптимальным уровнем твердости при сохранении высоких литейных свойств и пластичности, что позволяет изготавливать из них качественные ювелирные изделия с требуемыми свойствами.

1. Сплав на основе палладия для изготовления ювелирных изделий, содержащий кобальт и медь, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний, бор и по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, содержащей золото, индий, галлий, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

палладий	50-95
кобальт	3-5
кремний	0,5-2
медь	до 40
бор	0,01-1,0,

по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей:

золото	до 30
индий	до 10
галлий	до 10,

при суммарном содержании кобальта и кремния, не превышающем 5%, при этом после термической или термомеханической обработки сплав имеет структуру, упрочненную интерметаллидом Co₂Si.

2. Сплав на основе палладия для изготовления ювелирных изделий, содержащий кобальт и медь, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюминий, бор и по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, содержащей золото, индий, галлий, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

палладий	50-85
кобальт	11-13,5
алюминий	1,5-4
медь	до 40
бор	0,01-1,0,

по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей:

золото	до 30
индий	до 10
галлий	до 10,

при суммарном содержании кобальта и алюминия, не превышающем 15%, при этом после термической или термомеханической обработки сплав имеет структуру, упрочненную интерметаллидами Co₃Al, CoAl, Co₂Al₃.