Текст книги "Художественная обработка металла. Драгоценные металлы. Сплавы и добыча"

Художественная обработка металла
Драгоценные металлы. Сплавы и добыча

Драгоценными металлами называют металлы, которые относятся к так называемой благородной группе. Это золото, серебро, платина и металлы платиновой группы. Такие, как рутений, палладий, иридий, осмий, родий.

Название "драгоценные" они получили за высокую стоимость по сравнению с другими металлами, а "благородные" благодаря своей высокой химической стойкости во многих средах и красивому внешнему виду в готовых изделиях. Для изготовления многих художественных изделий и в ювелирном деле используются золото, серебро, платина, палладий, а также сплавы на основе этих металлов.

Золото

Золото – химический элемент 1 группы периодической системы элементов Менделеева. Атомный номер 79. Атомная масса 196,9665. Основная валентность 3. Плотность 19320 кг/м³. Температура плавления 1336, а кипения 3243К. Твердость по Бринеллю в отожженном состоянии 180-200 Мн/м².

Золото представляет собой металл красивого желтого цвета, тяжелый, мягкий, очень пластичный и тягучий. При этом золото еще обладает хорошей отражательной способностью.

Из одного грамма золота можно вытянуть проволоку длиной 3,5 км или проковать в пластину толщиной 0,0001 мм, которая пропускает свет.

Предполагают, что первым металлом, на котором человек остановил свой взгляд было золото, а первыми открывателями месторождений золота считают скотоводов, которые перегоняя по руслам высохших в летнюю жару рек и ручьев стада, обратили внимание на красивые по цвету самородки и крупинки золота коренных месторождений. После того, как были найдены другие металлы и способы их обработки, золото стало предметом роскоши, приобрело власть, а затем выступило в роли денег.

На землях Сибири и Казахстана месторождения золота разрабатывались с конца 3 тысячелетия до нашей эры. Древнейшим и довольно распространенным металлом оно было во многих странах, в том числе и в Древнем Египте, где сохранились золотые рудники со времен Рамсеса-2 (1317 – 1251 годы до нашей эры).

В России о существовании золота в Нерчинском крае знали со второй половины XVI века, открыли его там в 1746 году, спустя шесть лет из нерчинского серебра стали отделять золото.

Затем красивый, тяжелый, драгоценный металл нашли на Алтае, Урале и в Карелии.

В природе золото встречается в виде самородков, песка и мельчайшей пыли.

Крупнейшие самородки весом 60 – 90 кг были найдены в Аргентине и Австралии. Самый большой самородок, найденный в России, весил 48 кг.

Самородное золото представляет собой природные сплавы с серебром, а также со следами меди, железа и некоторых других металлов. Большинство древних художественных изделий выполнены их природных сплавов – электронов.

Из россыпей золото извлекали промывкой песка. Для промывки использовали желоба, ковши, лотки. Из руд золото и другие драгоценные металлы добывали путем нагревания породы до растрескивания, затем глыбы дробили в каменных ступах, растирали между жерновами и промывали через сита.

В наши времена добыча золота механизирована. Добывают его при помощи драг и гидравлическим способом.

При гидравлическом способе добычи вода под большим давлением размывает породу и отделяет от нее золото. На драгах, которые представляют собой плавучие сооружения, имеются оснащенные цепью подвесные ковши, с помощью которых со дна водоемов вынимают породу. Породу затем промывают и в результате промывки осаждается золото.

Добывают золото и из рудных залежей. Основными способами здесь являются цианирование и амальгамация.

Способ цианирования основан на растворении золота в водных растворах цианистых щелочей в присутствии кислорода и окислителей.

Амальгамация – способ более древний. Он основан на способности золота вступать при естественных условиях в соединения с ртутью. Процесс происходит в специальных амальгационных аппаратах. При этом руду, содержащую золото, пропускают с водой по амальгамированной поверхности ртути. Частицы золота, смачиваясь ртутью, образуют полужидкую амальгаму, из которой путем отжима получают твердую часть амальгамы. Затем ртуть испаряют, а оставшееся золото сплавляют в слитки. Ни один из способов не дает возможность получить этот драгоценный металл высокой чистоты. Полученные золотые слитки отправляют на очистительные заводы.

Чистое золото в слитках отличается красивым, желтым цветом. Золотой порошок, который получают путем осаждения золота из растворов, имеет цвет от красного до темно-фиолетового.

Золотые сплавы могут приобретать различные оттенки – это, так называемое, цветное золото. Например, примеси меди сообщают золоту красноватый оттенок, а серебряная лигатура – зеленоватый.

Примеси платины высветляют золото, делают его бледным, а при больших ее дозах сплавы совершенно обесцвечиваются. Такие сплавы называют "белым золотом".

Добавки железа придают золотому сплаву сероватые и синеватые оттенки, а добавки палладия – бурые и коричневатые.

В очень тонких листах применяемых при сусальном золочении, золото просвечивает синевато-зеленым цветом.

Эти сплавы хорошо режутся, шлифуются и полируются. Температура плавления чистого золота 1063°С, температура плавления сплавов – немного ниже. При отливке чистое золото имеет большую литейную усадку, для золотых сплавов усадка меньше.

Золото хорошо проводит электрический ток и тепло, немного уступая в этом серебру. На воздухе оно не окисляется даже при нагревании. Серная, азотная и соляная кислота на золото не действуют.

Золото растворяется только в горячей "царской водке" – смеси одной части азотной кислоты с двумя частями соляной, а также в селеновой кислоте. Растворяется золото в ртути, образуя амальгаму.

Непосредственно оно соединяется только с хлором, бромом, йодом, мышьяком, и фосфором. С большинством металлов золото легко образует сплавы.

Используют золото в ювелирном деле при изготовлении дорогих, уникальных изделий, чеканке наградных медалей, а также при золочении металлических и неметаллических изделий. Кроме того, золото расходуется для приготовления припоя, для пайки золотых и платиновых художественных изделий. Основная масса золота служит для обеспечения денежной системы. В промышленности используется в точном приборостроении, электротехнике, медицине, химической промышленности.

Серебро

Серебро – химический элемент 1 группы периодической системы элементов Менделеева. Атомный номер 47. Атомная масса 107,868. Валентность 1;2. Плотность10500 кг/м³.

Серебро представляет собой белый, пластичный, тягучий и ковкий металл.

Температура плавления 960,5°С, температура кипения 1955°С.

Серебро имеет наивысшую отражательную способность из всех металлов – оно отражает почти 94 процента световых лучей и является самым теплопроводным и электропроводным металлом. Оно легко прокатывается в тончайшие листы до 0,00025 мм и вытягивается в очень тонкую проволоку.

Серебро хорошо режется и полируется. Оно тверже золота, но мягче меди.

Из-за мягкости чистое серебро употребляют в виде сплавов с медью, а в древности употребляли также и в виде природного сплава с золотом – электрума или электрона.

На воздухе серебро не окисляется, а наблюдаемое порой потемнение серебряных изделий объясняется образованием черного сернистого серебра под влиянием действия серы или сероводорода, которые всегда присутствуют в атмосфере города.

Кипящие едкие щелочи на серебро не действуют. Серебро растворяется в азотной и горячей серной кислоте.

С глубокой древности широко используют этот драгоценный металл в художественных изделиях и ювелирном деле.

Алхимики называли серебро Дианой или Луной. Оно довольно распространено в природе и встречается в самородном виде, а также в виде руды.

В России серебро добывается в основном из комплексных полиметаллических и золотосеребряных руд. Такие руды содержат до 80 процентов драгоценного металла. При добыче используются те же методы, что и при получении золота – цианирование и амальгамацию, однако в этом случает цианистые растворы должны быть более концентрированными.

В художественной промышленности серебро используется для производства ювелирных изделий, художественной посуды, столовых приборов, сувениров, подарочных изделий, выполняемых чеканкой, гравировкой, украшением чернью.

Кроме того, чистое серебро в виде тончайшей проволоки служит материалом для филигранных работ и насечки по стали. Чистое серебро является также материалом для художественных эмалевых изделий, а также оно идет на аноды при серебрении и гальванопластическом покрытии.

Серебро служит главным компонентом в серебряных твердых ювелирных припоях, которыми спаивают не только серебряные, но и медные и латунные изделия.

Используют серебро при составлении платиновых и палладиевых сплавов, что делает их более светлыми, а золотым сплавам серебро придает зеленоватый оттенок.

Платина

Платина – серовато-белый блестящий ковкий металл. Встречается в природе в самородном состоянии, но с примесью иридия, палладия, осмия, родия и рутения.

Платина является одним из наиболее редких элементов земной коры.

Температура плавления 1769,5°C, температура кипения 3910°C.

На воздухе платина не изменяется даже при самом высоком нагреве. Отдельные кислоты на платину не действуют. С трудом растворяется она в кипящей "царской водке" – смеси пяти частей соляной кислоты и трех частей азотной.

Обнаружена платина была в россыпных месторождениях золота на Урале в начале 19 века, а через некоторое время на восточном склоне уральских гор был заложен первый в России платиновый прииск.

Добывают платину промывкой песка, где найден был драгоценный металл, а также при электролизе золота. Дальнейшее разделение металлов платиновой группы и очистку производят на очистительных заводах.

Учеными России разработан новый способ очистки платины, который положил начало порошковой металлургии.

В ювелирном деле применяется издавна. Из нее изготовляют оправы для бриллиантов, браслеты, серьги и др.

Используется платина для производства приборов и химической посуды. Для отделки художественных изделий под цвет платины применяется хлористая платина.

Латунные изделия натирают хлористой платиной и они приобретают цвет и блеск, напоминающий сталь. Это покрытие очень прочно. Хлористая платина, растертая на скипидарном масле, применяется для платинирования стекла и фарфора – после обжига изделий образуется металлический платиновый слой, красивый и прочный. Металлические художественные изделия можно покрывать платиной гальваническим способом.

Платина легко поддается прокатке, штамповке, волочению.

В расплавленном виде платина и некоторые другие металлы платиновой группы – родий и рутений – обладают способностью поглощать в большом количестве водород, в результате чего на их поверхности образуются трещины, они становятся хрупкими.

Палладий

Палладий – один из легких металлов платиновой группы, серовато-белого цвета, мягкий и ковкий. Он темнее серебра и светлее платины. Температура плавления 1554°С. Открыт в начале 19 века.

По физическим и химическим свойствам палладий очень близок к платине, растворим в азотной кислоте и "царской водке".

Сероводород воздуха на него не действует, он не темнеет, как серебро, и поэтому применяется для шкал астрономических приборов.

От платины палладий легко отличить действием спиртового раствора йода. На платину йод не действует, а на палладии оставляет черный налет.

Палладий является пластичным и мягким металлом.

Он легко прокатывается в тонкие листы и протягивается в тонкую проволоку.

В природе встречается в большинстве платиновых руд и очень небольшом проценте в виде сплавов с другими металлами платиновой группы, очень редко встречается в почти чистом состоянии.

Применяется в ювелирном деле для изготовления ювелирных украшений. Его сплав с серебром и добавками никеля идет на изготовление колец, браслетов и т.п.

Кроме того, палладий используют в сплаве с золотом. В этом случае его добавка так же, как и добавка платины, обесцвечивает золотой сплав и образуется так называемое "белое золото".

Иногда палладий добавляют в сплавы платины для придания большей прочности и твердости.

Палладий в чистом виде идет на изготовление реторт для перегонки плавиковой кислоты, сосудов для изготовления изотопов.

Рутений

Рутений – металл платиновой группы. По внешнему виду очень похож на платину, но отличается от нее хрупкостью и твердостью.

Открыт в середине 19 века при исследовании уральской платиновой руды.

Его название происходит от рутения что значит Россия. Встречается обычно как примесь к иридию и осмию.

Температура плавления 2450°С.

Применяется в химической промышленности, в точном приборостроении.

Родий

Родий – легкий металл платиновой группы. По цвету и блеску напоминает алюминий. Свое название получил от красного цвета своих солей. Температура плавления 1966°С.

Твердый и хрупкий металл. Некоторую пластичность приобретает при накаливании. Кислоты и их смеси на родий не действуют. Также на него не действуют сера, кислород, фтор, фосфор.

В природе родий встречается вместе с платиной и другими платиновыми металлами.

Применяется для гальванических покрытий серебряных и золотых изделий, а также для производства химической посуды. В некоторых случаях применяют в ювелирном деле для гальванопокрытия ювелирных изделий. Достаточным считают слой в 0,1 мм.

Иридий

Иридий – металл по внешнему виду и цвету напоминающий олово, но отличающийся от него высокой твердостью и хрупкостью. Относится к металлам платиновой группы.

Открыт в начале 19 века. Свое название получил за различные окраски своих соединений.

Температура плавления 2454°С.

Не взаимодействует ни с кислотами, ни со щелочами, не действует на него и "царская водка".

Из-за своей твердости с трудом поддается резанию. Некоторую ковкость приобретает только при белом калении.

Хорошо полируется и в этом состоянии напоминает сталь.

Из сплава платины (90 процентов) и иридия (10 процентов) изготовлены эталоны метра и килограмма.

Сплавы иридия с платиной применяют для изготовления химической посуды. В чашках из этого сплава можно растворять золото в "царской водке".

Применяется для изготовления хирургического инструмента и иногда в ювелирном деле.

Осмий

Осмий – один из самых твердых и тяжелых металлов. Принадлежит к платиновой группе.

Блестящий синевато-серый металл, не растворим ни в кислотах, ни в "царской водке". Свое название получил от греческого "запах", за сильно пахнущие соединения.

Температура плавления 2700°С.

Применяется как в чистом виде, так и в сплавах, которые используются в точном приборостроении.

Сплавы золота

Для изготовления ювелирных и других изделий далеко не всегда используют чистые металлы. Происходит это из-за высокой стоимости драгоценных металлов, недостаточной твердостью их и износоустойчивости, поэтому на практике чаще всего употребляют сплавы, которые образуются путем соединения металлов с металлами или металлов с металлоидами и приобретают свойства, отличающие их от свойств чистых металлов.

Меняя компоненты – металлы, входящие в сплав, можно изменять различные свойства металла – твердость, коррозийную стойкость, пластичность, цвет, прочность и т.д.

Наиболее число сплавов и легирующих компонентов имеет золото, затем серебро, платина и палладий.

В качестве составных легирующих компонентов в состав золотых сплавов входят серебро, палладий, медь, цинк, кадмий, платина.

Серебро в составе сплава сохраняет пластичность, мягкость, ковкость, понижает температуру плавления. При содержании его до 65 процентов цвет золота становится зеленоватым, желто-зеленым, желто-белым. При содержании серебра свыше 65 процентов желтый цвет сплава исчезает.

Твердость золотого сплава повышает примесь меди. Медь сохраняет ковкость, тягучесть, меняет цвет в сторону красного, При содержании 14,6 процентов меди сплав имеет ярко-красный цвет. Недостаток сплава – низкая устойчивость против коррозии на воздухе.

Присутствие никеля сохраняет ковкость, придает твердость, повышает литейные качества, меняет цвет сплава в бледно-желтый. Большое содержание никеля делает сплав магнитным.

Значительно повышает температуру плавления присутствие платины. Она увеличивает упругость сплава, изменяет цвет до белого уже при содержании 8,4 процентов платины.

Повышает температуру плавления золотого сплава, сохраняет пластичность и ковкость, резко изменяется цвет присутствие в сплаве палладия.

Цинк понижает температуру плавления, делает сплав твердым, хрупким, повышает текучесть, изменяет цвет в сторону белого.

Также понижает температуру плавления присутствие в сплаве кадмия. Он сохраняет ковкость, пластичность, мягкость, меняет цвет сплава в зеленоватый.

Сплавы серебра, используемые для изготовления ювелирных украшений и бытовых ювелирных изделий, имеют один легирующий компонент – медь. Она повышает твердость сплава, сохраняет пластичность, ковкость и тягучесть. Цвет сплава – ярко-красный.

Сплавы платины составляются в двух случаях: легирующими компонентами становятся медь или иридий. Пять процентов меди в платиново-медном сплаве понижают температуру плавления, сохраняя мягкость, тягучесть и пластичность. При пяти процентах иридия повышается температура плавления, твердость, антикоррозийность, износоустойчивость. Цвет сплавов характерен для платины.

Сплавы платины применяют для изготовления ювелирных украшений, лабораторной посуды, для изготовления некоторых деталей машин, термометров сопротивления и т.д.

Пробы

Клеймение ювелирных изделий из драгоценных металлов

Платина, золото, серебро отличаются очень высокой пластичностью и вязкостью в то же время относительно малой прочностью. Поэтому в чистом виде они для производства художественных изделий применяются редко. Обычно драгоценные металлы используются в виде сплавов между собой или с добавками меди.

Недрагоценные или драгоценные металлы, которые добавляют в сплав, называются лигатурами.

В качестве лигатур применяют в серебряных сплавах – медь; в золотых – медь, серебро, платину, палладий.

В платиновых сплавах применяют медь, серебро, золото, палладий; в палладиевых – золото, серебро. Кроме того, в припои для драгоценных металлов в качестве лигатур добавляют цинк и кадмий. Такие сплавы носят название лигатурных, или пробных.

Если относительное содержание драгоценного металла в сплаве велико, то его считают высокопробным сплавом, если мало – низкопробным.

Проба (клеймо) указывает, сколько чистого драгоценного металла содержится в сплаве, из которого изготовлено изделие.

В России первый указ о клеймении серебряных изделий был издан в начале 16 века.

В 1700 году появился указ, установивший клейма для золотых и серебряных изделий и вводивший надзор за мастерами и торговцами.

Было принято четыре пробы для золота: первая – выше червонного, вторая – против червонного, третья и четвертая – ниже червонного.

Затем была введена русская золотниковая (цифровая) система пробы, обозначавшая количество чистого драгоценного металла в сплаве в золотниковом измерении (1 золотник равен 4,25 граммов; 1 фунт равен 96 золотникам): для золота – 36, 48, 56, 72, 82, 92 и 94-я; для серебра – 72, 76, 84, 88 – я. Например, 86-я золотая проба означала, что на один фунт (т.е. 96 золотников) сплава приходится 82 золотника чистого золота – остальное лигатура.

Пробы сплавов драгоценных металлов гарантируются государством, и устанавливается в каждой стране законодательным путем. В некоторых странах Европы (Англия, Швейцария и др.) для определения проб золотых изделий пользуются каратной системой, где исчисление ведется от 24 единиц сплава.

Металл высшей чистоты отвечает 24-й пробе. Пробы каратной системы: 6к, 8к, 10к, 12к, 14к, 18к, 22к. Золотая проба 18к означает в 24 единицах сплава содержится 18 единиц чистого золота.

Изделия из драгоценных сплавов обязательно проходят пробирный контроль, и на них накладываются оттиски пробирных клейм. Занимается этим специальное контрольное учреждение – пробирная палата.

Проба ставится также на слитках и полуфабрикатах (листах, лентах) из драгоценных металлов. Не подлежат клеймению наградные медали, ордена, монеты, но проба их сплавов строго регламентирована и контролируется. Форма и рисунок пробирных клейм в разных странах различные. Это может быть эмблема страны, города, сочетающаяся с цифрами пробы или с условными цифрами, где каждая соответствует определенной пробе.

Высокохудожественные изделия, на которые невозможно наложить клеймо (сканные, с эмалью)), снабжаются специальной привешенной к ним пломбой, на которой ставятся круглые клейма.

Анализы изделий и сплавов из драгоценных металлов производят разными способами. Наиболее распространенными является анализ на пробирном камне (менее точный) и муфельный (более точный).

Проба была известна еще в античное время. Наиболее распространенным способом пробы у древнем мире было испытание на пробирном камне, который греки применяли еще в 4 веке до нашей эры. Пробирный камень применяется и сейчас. Это черный очень плотный и твердый, не поддающийся действию кислот кремнистый сланец. По нему проводят черту золотым или серебряным изделием. По различному цвету черты опытный мастер может приблизительно определить пробу драгоценного сплава без анализа.

Для более точного определения рядом с этой чертой проводят другую пробирной иглой, сделанной из драгоценного сплава определенной пробы, близкой по цвету к исследуемому.

Величина черт делается примерно 10 – 15 мм длиной и 2 – 3 мм шириной. Затем обе черты смачивают специальными кислотным раствором, под действием которого их цвет изменяется. Если цвет обеих черточек после обработки их раствором – одинаков, то и содержание драгоценного металла в них одно и то же. Если при сличении обнаруживается расхождение цвета, то анализ повторяют, предварительно проведя новую черту другой пробирной иглой соответственно с большим или меньшим содержанием драгоценного металла.

На каждой игле указана соответствующая ей проба. При достаточном навыке этим способом можно довольно точно определить пробу испытуемого сплава. Так как цвет сплава зависит не только от количества содержимого в нем драгоценного металла, а также и от состава лигатур, т.е. других металлов, добавленных в сплав, то пробирных игл, для той или иной пробы бывает несколько. Производство пробирных игл и реактивов для анализа осуществляется только органами пробирного надзора.

Существуют и более точные методы анализа, например, муфельный, который применяется при производстве драгоценных сплавов определенной пробы. Заключается он в сплавлении испытуемого изделия с металлическим свинцом. Полученный сплав (веркблей) подвергается дальнейшей обработке, купелированию и окислительному процессу, в результате которого происходит отделение драгоценных металлов от недрагоценных. Данный процесс протекает при высокой температуре в пористом огнеупорном сосуде – купели. Купель изготавливают из чистой костяной муки или магнезита с цементом.

Оксиды свинца и легирующих элементов всасываются купелью, а драгоценные металлы остаются на поверхности в виде блестящего металлического королька.

Процесс купелирования происходит таким образом: купели помещают в муфельную печь, разогретую до 1123 К, а затем на раскаленных купелях размещают веркблей. Свинец начинает плавиться, покрываясь тонкой пленкой. Окончание купелирования характеризуется цветением королька (на несколько секунд появляются радужные круги и ликованием королька (яркий блеск вследствие испускания скрытой теплоты плавления). Затем королек затвердевает и процесс купелирования заканчивается. Затвердевший королек, содержащий золото и серебро, помещают в азотную кислоту, которая растворяет серебро и другие легирующие металлы, не воздействуя на золото. Оставшийся остаток просушивают, прокаливают и взвешивают на пробирных весах. Пробу сплава определяют по массе сплавленного осадка.

Если при анализе содержание драгоценного металла оказывается меньше заявленной пробы и ошибка выходит за пределы допустимого отклонения, изделия или не допускают к выпуску, или клеймят специальным клеймом с буквами НП, что означает "не соответствует пробе".