СПЛАВ НА ОСНОВЕ ПЛАТИНЫ Российский патент 1997 года по МПК C22C5/04 

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к сплавам металлов платиновой группы, и может быть использовано для художественного литья по выплавляемым моделям для получения ювелирных изделий.

Изготовленные с использованием благородных металлов ювелирные изделия, например, предметы украшения человека кольца, браслеты, колье, кулоны, должны удовлетворять эстетическим, эксплуатационным и технологическим требованиям.

Так, ювелирные сплавы должны иметь высокую пробность, обладать определенной износостойкостью и твердостью, иметь блестящую поверхность в изделии, быть технологичными для получения плотного, без газовых пузырей, слитка с мелкозернистой структурой.

Следует отметить, что способ производства ювелирных изделий путем литья по выплавляемым моделям в настоящее время по уровню брака уступает методам сборки украшений из деформированных элементов. При этом, качество изделий, определяемое наличием ингредиентов сплава, их количественным соотношением, технологией литья, после получения отливки уже не может быть значительно улучшено за счет последующего воздействия на структуру металла. Поэтому к сплавам для производства высокохудожественных ювелирных изделий из драгоценных металлов методом прецизионного литья по выплавляемым моделям предъявляются наиболее жесткие технические требования.

Известно, что большую часть ювелирных изделий, в том числе украшений, на сегодняшний день изготавливают из сплавов благородных металлов, например платины ("Kinzoki" Metals and Technol", 63, N 10, стр. 36 42, оп. РЖ ВИНИТИ, вып. 15, 1994, 6И393). Однако, использование чистой платины для изготовления ювелирных изделий не всегда целесообразно вследствие их недостаточной твердости и износостойкости (кн. "Ювелирное дело", авт. В. И. Марченков, М. "Высшая школа", 1975, с. 16).

Для получения нужных качеств к драгоценному металлу платине добавляют в определенных соотношениях другие легирующие металлы, например неблагородные: медь (а. з. Япония N 3-2939, C 22 C 5/04), олово (а. з. Япония N 3-2938, C 22 C 5/04), кобальт (а. з. Япония N 3-2937, C 22 C 5/04, а. з. Япония N 2197539, C 22 C 5/02, 5/04), никель (а. з. Японии N 61-91337, C 22 C 5/04, а. з. Японии N 3-48254, C 22 C 5/04), а. з. Японии N 4-362149, C 22 C 5/04), хром и марганец (а. з. Японии N 61-133339, C 22 C 5/04), галлий (а. з. Японии N 63-61372, C 22 C 5/04, а. з. Японии N 1-43825, C 22 C 5/04).

В обычной практике кроме указанных двойных сплавов платины для изготовления ювелирных изделий используется сплав платины, включающий 90% платины и другой благородный металла палладий. Однако сплав не полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к сплавам данного вида и к нему добавляют в небольших количествах, например никель (а. з. Японии N 5-33084, C 22 C 5/04; N 2221340, C 22 C 5/04), кобальт (а. з. Японии N 1-32298, C 22 C 5/04; N 1-14300, C 22 C 5/04; 2-1900, C 22 C 5/04; а. з. Японии N 2-197539, C 22 C 5/02), хром (а. з. Японии N 63-61375, C 22 C 5/04), олово (а. з. Японии N 63-61374, C 22 C 5/04).

Варьируя содержание таких компонентов сплавов на основе платины, как бор и иридий, получают материалы с улучшенными свойствами для точного литья по выплавляемым моделям (кн. "Художественное литье из драгоценных металлов", ред. Гутов Л. А. Л. "Машиностроение", 1988, с. 171 172).

Одни из указанных сплавов с платино-палладиевой основой имеют приемлемый металлический блеск, однако поверхность изготовленных из них украшений не обладает достаточной твердостью, что не исключает появления на ней рисок и царапин при ношении изделий. Когда же за основу берут тот же платино-палладиевый сплав, но делают к нему добавки таких компонентов, как медь или марганец, то удается повысить твердость сплава, однако проявляется явление окисления его ингредиентов и в отливках возникают газовые пузыри.

Когда к сплаву платина-палладий добавляют кобальт, поверхность отливок принимает нежелательный оттенок и недостаточный блеск.

Вид поверхности отливок сплавов на основе платины с палладием говорит о том, что во время плавления абсорбируется значительное количество газа, которое при последующем затвердевании выделяется. Вследствие этого отливки имеют заметную пористость и шероховатость поверхности. Это не позволяет придать украшению необходимый блеск.

Известны также сплавы на основе платины с палладием, в которых одним из ингредиентов является рений (а. з. Японии N 2 43331, C 22 C 5/04; N 2-43332, C 22 C 5/04; N 2-43333, C 22 C 5/04), который образует легкоплавкий оксид, испаряющийся при 1300^oC и способствующий дегазации расплава. Это позволяет повысить технологичность сплава и получать достаточно плотную однородную отливку. Однако твердость сплава не обеспечивает его требуемую износостойкость, поэтому в процессе шлифования при изготовлении украшения на нем легко возникают риски, металлический блеск создается с трудом, а при ношении изделий также легко образуются царапины.

Недостатком указанных цветных сплавов является невозможность обеспечения всего комплекса технологических свойств, необходимых для материалов ювелирного производства украшений, получаемых литьем по выплавляемым моделям. В результате снижается коммерческая ценность сплавов, использование их становится возможным лишь при каких-то ограничениях, увеличивается также уровень внутризаводкого брака и доля зарекламированной продукции. Все эти недостатки определяются известным составом ингредиентов и их количественным выражением.

Наиболее близким по составу компонентов к заявляемому изобретению является аналог декоративный сплав на основе платины (а. з. Японии N 2-43334, C 22 C 5/04), содержащий в мас, платину 80 98; палладий 1 19; рений 0,5 10; один или более одного из элементов титан, цирконий, ванадий, которые содержатся в сплаве в количестве 0,05 3 мас.

Известный сплав, хорошо пригодный к литью, в то же время характеризуется недостаточно высокой твердостью.

При данном содержании титана, ванадия и циркония возврастает вероятность образования крупных дендритообразных оксидов при разливке. Это снижает твердость отливок, поскольку наибольшее увеличение твердости следует ожидать при наличии большого количества мелкодиспесных оксидов.

Износостойкость такого сплава не обеспечивается его уровнем твердости и недостаточна для сохранения качества поверхности изделий в условиях эксплуатации, то есть не обеспечивает устойчивость сплава против царапин. Изготовить ювелирное изделие с требуемой блестящей поверхностью также затруднительно из-за возможности появления случайных рисок при ее полировании. Кроме того, легирование благородного металла значительным количеством неблагородных элементов, в сумме составляющих до 20 мас. хотя и позволяет повысить уровень твердости сплава, однако приводит к снижению его пробности, что нежелательно, так как способствует ухудшению цвета и блеска, свойственных драгоценностям. Использование в сплаве рения способствует газопоглощению и исключению газовых пузырей в отлитом сплаве. Однако состав ингредиентов известного сплава и их количественное соотношение не позволяют достичь всего комплекса технологических свойств для изготовления высокохудожественных украшений из драгоценных металлов.

Задачей, на решение которой направленно заявляемое изобретение, является создание нового сплава на основе платины, обеспечивающего комплекс свойств материала для ювелирных украшений. Поставленная задача достигается за счет технического результата, который может быть получен при осуществлении изобретения: повышение твердости сплава за счет облегчения формирования его мелкозернистой структуры, создание условий для кристаллизации расплава при контролировании содержания кислорода для получения плотного слитка с одновременным поддержанием высокой пробности сплава и качественного блеска.

Поставленная задача достигается тем, что сплав на основе платины, преимущественно для литья по выплавляемым моделям, включающий платину, палладий, рений, согласно изобретению, дополнительно содержит иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.

Палладий 0,50 8,50
Рений 0,50 2,50
Иттрий 0,01 0,10
Платина Остальное.

Содержание в заявляемом сплаве таких компонентов, как платина и палладий, находится приблизительно в тех же пределах, что и у наиболее близкого аналогов, благодаря чему пробность заявляемого сплава не понижается. Качественная характеристика свойства поверхности отражать свет, то есть ее блеск, также не ухудшается у этого драгоценного металла высокой пробности. Введение рения в сплаве в количестве, меньшем, чем в рассматриваемом известном сплаве (0,5-2,5 мас.) позволяет все-таки сдерживать газопоглощающие расплава и исключить наличие газовых пузырей в отливке.

Сравнение заявляемого сплава на основе платины со сплавом аналогичного назначения наиболее близким аналогом, показывает, что отличительными признаками заявляемого сплава являются наличие в нем дополнительного компонента иттрия и его количественного выражения, а также новое количественное соотношение ингредиентов.

Новый элемент иттрий используется как модифицирующая добавка к сплаву на основе платины. Иттрий препятствует росту зерна. Процесс зарождения центров кристаллизации в заявляемом сплаве происходит одновременно с процессом роста твердой фазы за счет движения поверхности раздела. Число зародышей при кристаллизации предлагаемого сплава достаточно велико, поэтому рост столбчатых кристаллов сдерживается и отливка состоит из мелких равноосных зерен. Для сплава данной системы платинового сплава, именно иттрий является хорошим модификатором, введение которого обеспечивает максимальный эффект измельчения зерна и оптимальные технологические и механические свойства.

Измельчение зерна в слитках сопровождается увеличением твердости сплава, повышением его износостойкости, что позволяет создать блестящую поверхность изделия при его изготовлении и сохранить высокое качество при ношении украшений. Микродобавка иттрия сохраняет оптические свойства известного сплава. Иттрий дополнительно оказывает раскисляющее и дегазирующее действие, чем способствует функционированию рения. Добавка иттрия именно в предлагаемом количестве является необходимой и достаточной для действия иттрия в качестве модификатора в сплаве. При этом суммарное содержание недрагоценных легирующих элементов является очень незначительным, что позволяет сохранить высокую пробность сплава.

В заявляемом сплаве рений резко сокращает газопоглощение расплава. По-видимому, в этих условиях иттрий менее подвержен окислению и наиболее полно проявляет свойства модификатора. За счет большего в присутствии рения измельчения зерна сплава иттрием значительнее повышается твердость сплава.

Так, в результате проведенных авторами сравнительных испытаний сплава на основе платины (95 мас. Pt; 4,98 мас. Pd; 0,02 вес. Y) было установлено, что твердость сплава имела значение только 90 HV, в то время как в заявляемом сплаве с приблизительно тем же составом ингредиентов: платины, палладия, иттрия, но дополнительно содержащем рений (95 мас. Pt; 4,0 мас. Pb; 0,02 мас. Y, 0,98 мас. Re), твердость сплава составляла уже 130HV. Т. о. иттрий в сплаве на основе платины именно только с рением приводит к значительному измельчению зерна и, следовательно, повышению твердости сплава. Усиление модифицирующего влияния иттрия обнаружено при содержании рения 0,5-2,5 мас. В сплавах, содержащих >2,5 мас. рения повышается температура и за счет увеличения времени пребывания расплава в кислородсодержащей атмосфере повышается возможность окисления иттрия. Это снижает модифицирующий эффект иттрия и твердость сплава. При содержании рения <0,5 мас. этого количества компонента, вероятно, недостаточно для дегазации расплава, что приводит к увеличению окисления иттрия и ослабляет его свойства как модификатора.

При повышении содержания иттрия более 0,1 мас. сплав охрупчивается. Это происходит вследствие того, что при возрастании содержания иттрия выше указанного предела возрастает вероятность образования его крупных дендритных оксидов. Возможно, что это снижает механические свойства сплава за счет высокой неоднородности и дефектности структуры.

При введении иттрия <0,01 мас. эффект измельчения зерна становится незначительным, твердость сплава не увеличивается. Т. о. повышение твердости заявляемого сплава на основе платины возможно только в узком интервале концентраций иттрия (0,01-0,1 мас.) и при обязательном присутствии рения.

Рассмотренные признаки заявляемого изобретения, отличные от признаков наиболее близкого аналога в своей совокупности и вместе с общими для данных объектов признаками обеспечивают получение указанного технического результата: повышение твердости сплава при сохранении его высокой пробности, отсутствии газовых пузырей на поверхности отливки и наличии качественного блеска.

Указанный технический результат достигается, по-видимому, взаимодействием неблагородных легирующих элементов рением и иттрием, именно в платиновой основе сплава.

Совокупность заявляемых признаков является существенной и неизвестной из уровня техники, следовательно изобретение является новым.

Для проверки соответствия заявляемого изобретения требованию изобретательного уровня проведен поиск источников информации, которые могли бы содержать признаки, идентичные отличительные от наиболее близкого аналога существенным признакам. Функционально самостоятельным признаком можно было бы рассматривать ингредиент состава сплава иттрий, вводимый в количестве 0,01-0,1 мас. Однако такой отличительный признак не может рассматриваться в отрыве от другого признака рения, так как образует с этим признаком совокупности ингредиентов сплава неразрывную связь, будучи более или менее нейтральным по отношению к остальным признакам этой совокупности платине и палладию. Повышение твердости композиции достигается путем введения в известную композицию сплав платина-палладий-рений, ингредиента иттрия. При этом известно, что для достижения наивысшей твердости сплава иттрий должен "работать" вместе с рением (остальные компоненты платина и палладий - обычные носители свойств платиноидов, поэтому поиск был обращен не на отдельный ингредиент иттрий, а на его сочетание с рением.

Источников информации, в которых описано это сочетание признаков, не обнаружено. Это означает, что такое изобретение должно быть признано соответствующим требованию изобретательского уровня.

Для подтверждения возможности осуществления изобретения приводим примеры реализации способа получения сплавов, приведенные в таблице.

Брали 285 г платины чистотой 99,9 мас. нагревали до расплавления при температуре 1772^oC, затем добавляли 9 г палладия чистотой 99,9 мас. затем вводили рений в количестве 5,94 г и иттрия в количестве 0,06 г. После растворения всех компонентов сплав перегревали на 100^oC, получая расплав с температурой 1870^oC. Затем осуществляли разливку полученного сплава по традиционной технологии изготовления ювелирных украшений литьем по выплавляемым моделям. Затем проводили очистку поверхности изделия и ее полировку.

С помощью оптического микроскопа МБС-10 при увеличении x16 и x32 изучали и оценивали состояние поверхности отливок (наличие газовых пузырей). Кроме того, измеряли твердость сплава на твердомере Викерса при нагрузке 5 кг. Для измерения оптических свойств сплава определяли интегральный коэффициент отражения в диапазоне видимых длин вол с использованием цветовой координатной системы XYZ. Средством, используемым для изготовления сплава согласно изобретению, является оборудование итальянской фирмы "Calloni" установка для прецизионного литья "Modular-6A", отвечающая экологическим требованиям.

Свойства известных и предложенного сплава приведены в таблице. Состояние поверхности отливки охарактеризовано наличием или отсутствием газовых пузырей. Приведены результаты измерения твердости сплава по Викарсу и интегральный коэффициент отражения, определяющий блеск металлической поверхности сплава. Судя по приведенным в таблице результатам, благодаря исключительно эффективному модифицирующему свойству иттрия в присутствии рения, твердость предлагаемого сплава в 1,5 раза выше, чем у известного.

В результате суммарного воздействия легирующих добавок рения и иттрия предлагаемый сплав обладает всем комплексом технологических свойств для изготовления высокохудожественных ювелирных изделий и имеет высокую коммерческую ценность.

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе металлов платиновой группы, используемых для художественного литья по выплавляемым моделям для получения ювелирных изделий.

Предложен сплав на основе платины, содержащей палладий, рений, иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
палладий - 0,5 - 8,5
рений - 0,5 - 2,5
иттрий - 0,01 - 0,1
платина - остальное
Новым в сплаве является наличие микродобавки иттрия. Совместное легирование сплава именно иттрием и рением позволяет достичь высокой твердости сплава в литом состоянии. При этом обеспечивается высокая пробность сплава, отсутствие газовых пузырей в отливке и качественный блеск. 1 табл.

Сплав на основе платины преимущественно для литья по выплавляемым моделям, включающей платину, палладий и рений, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.

Палладий 0,5 8,5
Рений 0,5 2,5
Иттрий 0,01 0,1
Платина Остальноеь