Человек любил украшать себя и свое жилище исстари. В каменном веке для изготовления различных украшений служили такие материалы, как камень, дерево, кость, глина, раковины. Но уже тогда человек собирал и использовал природные самоцветные камни: горный хрусталь, сердолик, сапфиры, рубины и др.

Знакомство наших предков с металлами произошло несколько тысячелетий назад. Многие металлы встречаются в природе в виде крупных самородков. В некоторых случаях они имеют достаточно большие размеры. Так, в Северной Америке в прошлом веке нашли сросток медных самородков, вес которого превышал 400 т. Известны и крупные самородки золота (о них будет сказано ниже) и таких металлов, как олово, свинец и некоторые другие.

Все эти металлы применялись для изготовления украшений. В отличие от камней металлы легко деформируются, принимают любые формы; в отличие от глины – долговечны. А медь и золото, кроме того, красиво окрашены.

В Древнем мире наиболее широко применяли медь и впоследствии бронзу – сплав меди с оловом. Об этом говорят многочисленные ювелирные изделия, найденные в раскопках. В наиболее древних захоронениях кольца, подвески, браслеты выполнены из меди. По мере развития техники изменяются и способы изготовления украшений. Если кольца, браслеты в самых ранних захоронениях сделаны непосредственно из самородков и носят следы грубой пластической деформации, то в дальнейшем человек научился их отливать. Древнейшая известная историкам отливка – медный топор – насчитывает шесть тысячелетий.

Литье – один из основных технологических способов получения изделий любой формы и размеров. Кроме того, в процессе плавки можно получать сплавы, т. е. металлы определенного состава. Период развития человечества, который называют медным веком, сменился веком бронзовым.

Чистая медь – пластичный мягкий металл. Она хорошо обрабатывается холодной пластической деформацией. Однако изделия из чистой меди также легко деформируются, покрываются окисной пленкой, царапинами, тем самым теряя свою привлекательность как украшения.

Сплав медь – олово (бронза) имеет ряд явных преимуществ. У него более высокие твердость и прочность, он меньше окисляется. Он прекрасно полируется, и зеркальная полировка сохраняется дольше.

Химический состав бронз различен. Наиболее старые бронзы содержали 1–1,5 % олова. Бронзовые предметы более позднего происхождения содержат уже от 4–5 до 15–16 % олова. Благодаря своим великолепным литейным свойствам бронза нашла широкое применение как самый распространенный сплав. Предметы из бронзы встречаются в раскопках повсеместно: в Европе, Африке, Азии, Америке.

В зависимости от назначения изделия и условий эксплуатации применяли сплавы разного состава. Так, для изготовления оружия применяли бронзу с 13–16 % олова. Эти сплавы имеют высокое сопротивление износу. Кроме того, у бронзы красивый цвет: с 8 % олова – красновато-желтый; с 10 % – оранжево-желтый; с 14 % олова – желтый. Поэтому она, а в дальнейшем латунь – сплав меди с цинком – использовались для имитации золота.

Примерно пять тысячелетий бронзу используют как наиболее удобный литейный сплав для создания художественных изделий (статуй, барельефов, перил, капителей колонн, орнаментов, люстр и др.). Бронза обладает высокой жидкотекучестью, невысокой усадкой, имеет невысокую температуру плавления, выдерживает разные виды обработки (ковку, чеканку, резание, гравировку), хорошо сопротивляется изнашиванию и истиранию.

Однако красивый натуральный цвет бронзы со временем изменяется. Естественное агрессивное влияние окружающей среды в течение столетий создает на ее поверхности плотную корочку продуктов химического воздействия, так называемую патину разных цветов – от светло-голубого и зеленого до коричневого и даже черного. Чаще всего благородная патина имеет малахитово-зеленые и зеленовато-голубые оттенки. Патина образуется в основном окислами (оксидами) и углекислотными солями металлов, входящих в бронзу. В промышленных городах сернистые соединения придают патине черный цвет.

Среди древнейших памятников из Египта, Междуречья и других стран Древнего Востока, хранящихся в музеях европейских стран, много художественных литых предметов из бронзы. Так, в одном из парижских музеев экспонируется бронзовая женская фигура канефоры (кариатиды) – произведение, созданное в Шумере за 2 тыс. лет до новой эры.

Художники Месопотамии уже в начале III тысячелетия до н. э. изготовляли литые бронзовые фигуры животных. В государстве Урарту (на территории Армянского нагорья) в этот же период древние мастера готовили художественные бронзовые отливки по восковым выплавляемым моделям. Древние греки при изготовлении художественных бронзовых изделий применяли ковку, штамповку, чеканку, волочение, тиснение, полировку, гравировку, инкрустацию, пайку, золочение, серебрение. В эпоху высшего расцвета греческой культуры, в середине I тысячелетия до н. э., созданы бронзовые статуи, красота которых поражает до сих пор. С древних времен бронзу применяли для изготовления денег.

Более двух тысячелетий (с конца IV тысячелетия до н. э. до начала I тысячелетия до н. э.) бронза была важнейшим материалом для изготовления оружия, инструмента, художественных изделий, украшений. Бронзовый век внес весомый вклад в развитие материальной культуры.

Несколько тысячелетий назад человек познакомился с золотом. Очевидно, это произошло в тот период, когда он открыл для себя и другие самородные металлы – медь, серебро, олово. Однако золото очень быстро заняло особое место в жизни людей.

Особые свойства золота: привлекательный цвет, устойчивость к коррозии, способность сохранять долгое время блеск – сразу выделили его из ряда металлов, известных человеку в то время. Золото повсеместно ценилось как драгоценный, благородный металл. Оно превратилось во всеобщий денежный эквивалент и остается им по сию пору. Во всех странах древней цивилизации золото скапливалось в сокровищницах царей, фараонов, императоров и богатых вельмож. Постепенно оно стало мерилом богатства и власти.

Первоначально добыча золота сводилась к поискам более или менее крупных самородков. В дальнейшем стали проводить промывку золотосодержащих песков и отделенные от пустой породы крупицы золота сплавлять в слитки.

Самой богатой страной считался Египет. Не случайно при раскопках захоронений египетской знати археологи находят много украшений и других золотых предметов. «Отблески золота вспыхнули всюду, чуть только брызнул первый луч… Золото на полу, золото на стенах, золото там, в самом отдаленном углу, где рядом со стеной стоит гроб, золото яркое и светлое, как будто бы оно только что вышло совсем новое из рук золотых дел мастера…» – писал один из участников первого проникновения в могилу неизвестного фараона, найденную в 1907 г. в Долине царей близ Фив, на левом берегу Нила.

Спустя 15 лет английский археолог Говард Картер обнаружил там же гробницу фараона Тутанхамона, правившего в XIV в. до н. э. Здесь сохранились бесценные произведения древнего искусства, многие из которых сделаны из чистого золота. Мумия юного фараона покоилась в золотом гробу, весившем 110 килограммов. Необычайно красива маска Тутанхамона, выполненная из золота и разноцветных поделочных камней.

Но в могилы и склепы попадала лишь малая толика тех поистине неисчислимых богатств, которыми были окружены властители Древнего мира при жизни. Так, согласно легендам, царица Ассирии Семирамида, чтобы снискать себе милость богов, отлила из чистого золота их гигантские изображения. Одна такая статуя высотой около 12 метров весила 1800 талантов (около 30 т). Еще более грандиозной была статуя богини Реи: на нее ушло 8000 талантов чистого золота (почти 250 т). Богиня восседала на троне, по сторонам которого стояла «стража»: два больших золотых льва.

Примерно два с половиной тысячелетия назад появились первые золотые монеты. Родиной их стала Лидия – могущественное рабовладельческое государство, располагавшееся в западной части Малой Азии. Лидия вела обширную торговлю с Грецией и своими восточными соседями. Для удобства расчетов при торговых сделках лидийцы ввели в обращение золотую чеканную монету – статер, на котором была изображена бегущая лисица – символ главного лидийского бога Бассарея.

После завоевания Лидии персидским царем Киром монеты начали чеканить и в других странах Ближнего и Среднего Востока. Широкое распространение получили, например, дарики – монеты царя Персии Дария I, на которых он изображен стреляющим из лука.

Первые русские золотые монеты – гривенники и пятаки – появились в начале XVII в., выпущенные в обращение Василием Шуйским.

При императрице Елизавете Петровне появилась крупная золотая монета достоинством 10 рублей, получившая название «империал» в честь правительницы России, которая была явно неравнодушна к золоту: после ее кончины во дворце осталось солидное наследство – множество больших и малых сундуков, набитых золотыми червонцами.

В природе золото находится в рассеянном состоянии в горных породах – рудах или россыпях в виде вкраплений порядка 100 мкм и мельче. Встречаются самородки массой до нескольких килограммов.

Самые большие самородки были найдены в Австралии в прошлом веке. В 1869 г. произошла встреча с «желанным незнакомцем», весившим 71 кг. А спустя три года обнаружили «плиту Холтермана», которая вместе с включениями породы весила 225 кг, примерно 100 кг из них приходилось на долю золота. Эти уникальные подарки природы не сохранились: оба самородка были переплавлены в слитки. Самый большой самородок золота в России весом 36 кг нашел в 1842 г. на Урале в бассейне реки Миасс, мастеровой Никифор Сюткин.

Самородное золото почти всегда содержит серебро (в массовой доле от 5 % до 30 %) и почти всегда – медь (в массовой доле до 20 %), изредка – металлы платиновой группы.

К золотосодержащим минералам относятся: самородное золото, электрум, медистое золото, теллурит золота – кор-нерит, калаверит, сильвинит и др. Различают коренные месторождения, где золото находится в виде включений в рудные тела, и россыпи. Последние образуются в результате разрушения коренных месторождений, выноса золота вместе с породой природными водами и отложения его в долинах рек и ручьев.

У древних народов, населявших Латинскую Америку, золото считалось священным металлом, металлом бога Солнца. Их властелины и жрецы придумали немало ритуалов, которые должны были свидетельствовать о нерушимой связи между властью сильных мира сего и богатством, дарованным им богами в виде золота. Один из таких ритуалов у ацтеков заключался в следующем. В предрассветный час вождя покрывали благовонным маслом, а затем по сигналу верховного жреца натирали золотой пудрой. Позолоченный вождь, восседая в окружении свиты на камышовом плоту, отправлялся в плавание по глади озера навстречу восходящему солнцу. Когда раскаленный диск поднимался из-за гор, начиналось торжественное омовение вождя, во время которого жрецы осыпали его из золотых кубков и чаш кольцами, браслетами, кулонами и другими украшениями из золота. После этой процедуры ни у кого не должно было остаться сомнений в том, что их властелин – сын Солнца.

Документы сохранили сведения о шедевре вековой культуры инков – городе Куско, одном из богатейших городов Перу. Его украшением служил покрытый золотом храм Солнца. Стены и потолок центрального зала храма были отделаны золотыми листами, а на восточной его стороне сиял золотой диск – лик бога с глазами, выложенными из самоцветов. Когда первые лучи восходящего солнца падали на этот диск, загадочные глаза бога загорались разноцветными огнями. Потолок храма был весь усыпан ажурными золотыми звездами, стрекозами, бабочками, птицами, которые, словно невесомые, парили над людьми и были так великолепны, что их красота вызывала трепетное восхищение у всех, кто попадал туда. К храму примыкал золотой сад. Деревья, кустарники, птицы – все было искусно сделано из золота. В саду стояли золотые троны, на которых восседали изваяния сынов Солнца – Великих Инков.

Однако священный город Куско был варварски разграблен и полностью уничтожен испанскими конкистадорами под предводительством Франсиско Писарро. Ценнейшие творения древнейших инков переплавлялись в золотые слитки, удобные для транспортировки через океан.

Накопленное за много веков ацтеками, инками, майя и другими народами Нового Света золото широким потоком хлынуло в Европу. На протяжении двух столетий флотилии груженных золотом галионов ежечасно отходили от берегов Америки, держа курс на Тринидадский полуостров. Но, словно мстя завоевателям, океан не раз вырывал у них из рук награбленное золото и надежно скрывал его в своих пучинах.

По подсчетам историков, в Карибском море, например, покоятся останки примерно 100 галионов. Приблизительно столько же кораблей затонуло у юго-восточной оконечности Флориды. Багамские и Бермудские острова – кладбище более 60 испанских судов. Около 70 лежат на дне Мексиканского залива. И все они без преувеличения могут быть названы золотыми. Так, галион «Сант?-Роза» увлек за собой на морское дно груды золота и другие сокровища из дворца знаменитого Монтесумы. Всего, по мнению некоторых зарубежных специалистов, океан «позаимствовал» у человечества золота, серебра и прочих ценностей на несколько сотен миллиардов долларов.

Золото!.. Ни один другой металл не играл столь зловещей роли в истории. За право владеть им велись кровопролитные войны, уничтожались целые государства и народы, свершались тяжкие преступления.

Благодаря хитрости, проявленной золотых дел мастерами прошлого, все же малая часть уникального наследия мировой культуры сохранилась до наших дней в своем первозданном виде. Так, близ Бангкока – столицы Таиланда – стояла неизвестно кем и когда привезенная огромная статуя Будды, выполненная, как казалось, из камня. Полвека назад на том месте решили построить завод по переработке древесины, в связи с чем изваяние необходимо было перенести. Когда его снимали с постамента, несмотря на принятые меры предосторожности, повредили, и в глубине образовавшейся трещины что-то заблестело. Руководители работ решили снять со статуи облицовку. Перед присутствующими предстал Будда, выполненный из чистого золота и весящий 5,5 т. Специалисты установили, что памятник насчитывает не менее семи столетий. Сейчас статуя хранится в знаменитом храме Золотого Будды.

Золото – один из самых тяжелых металлов. Именно это свойство позволило Архимеду уличить в мошенничестве ювелиров сиракузского царя Гиерона, изготовивших по его заказу золотую корону. Царь попросил ученого выяснить, из чистого ли золота сделана корона, или часть его заменена другим металлом. Архимед взвесил корону, а затем погрузил ее в воду и определил объем вытесненной воды. Разделив массу на этот объем, он получил плотность материала не 19,3 кг/см³, а меньшую. Это означало, что ювелиры присвоили часть золота, заменив его более легким металлом.

Чистое золото – очень мягкий и пластичный металл. Кусочек его со спичечную головку можно вытянуть в длину на несколько километров или раскатать в прозрачный голубовато-зеленый лист площадью 50 м². Если царапнуть ногтем по чистому золоту, на нем останется след. Поэтому золото, идущее на ювелирные украшения, обычно содержит так называемые лигатуры – добавки меди, серебра, никеля, кадмия, палладия и других металлов, придающих ему прочность и твердость.

Однако одно из самых важных свойств золота – его исключительно высокая химическая стойкость. На него не действуют кислоты и щелочи. Лишь царская водка (смесь концентрированных азотной и соляной кислот) способна растворить золото. Этим обстоятельством воспользовался однажды известный датский физик Нильс Бор. В 1943 году, спасаясь от гитлеровских оккупантов, он вынужден был покинуть Копенгаген. Но у него хранились две золотые Нобелевские медали его коллег – немецких физиков-антифашистов Джеймса Франка и Макса фон Лауэ (медаль самого Бора была вывезена из Дании раньше). Не рискуя взять медали с собой, ученый растворил их в царской водке и поставил ничем не примечательную бутылку подальше на полку, где пылилось много таких же бутылок и пузырьков с различными жидкостями. Вернувшись после войны в свою лабораторию, Бор нашел драгоценную бутылку. По его просьбе сотрудники выделили золото из раствора и заново отлили обе медали.

В настоящее время большая доля добываемого золота идет на изготовление ювелирных изделий, украшений, сувениров и зубных протезов.

«Второй высокий металл называется серебро, – писал М. В. Ломоносов, – цвет его столь бел, что, ежели серебро совсем чисто и только после плавления вымыто, а не полировано, то кажется издали бело как мел».

У многих народов серебро ассоциировалось с благополучием и радостью. Так, серебряная ложка символизировала успех. Украшения с изображением Луны – лунницы – считались священными и, по мнению их владелиц, обладали волшебной силой. Чаще всего их делали из серебра. Лунницы, украшенные зернью, найденные археологами на Смоленщине в конце прошлого века, были выполнены русскими мастерами в X в.

Зернь – это мелкие серебряные или золотые шарики диаметром от 0,5 до 4 мм. Ими выкладывают плоский или рельефный узор, который иногда сочетают со сканью – узором из тонкой проволоки.

Еще с давних времен люди знают о волшебной очистительной силе серебра. На Руси был обычай «серебрить» новорожденного: при крещении или при первом купании малыша в воду опускали предмет или монету из серебра. Серебряной монетой освящались вновь вырытые колодцы. Научно доказано, что ионы серебра обеззараживают воду.

Из истории известно, что в 327 г. до н. э. Александр Македонский вторгся в Индию, но в его войске вспыхнула эпидемия желудочно-кишечных заболеваний. Это заставило полководца отказаться от дальнейших военных действий. Однако эпидемия не коснулась военачальников и самого Александра, которые в походе пользовались серебряной, а не оловянной посудой.

Раньше у состоятельных людей было такое понятие, как «фамильное серебро». За ним тщательно ухаживали и использовали исключительно в торжественных случаях. Так, более 3 тыс. предметов, выполненных в едином стиле, входило в сервиз графа Орлова. Общий вес серебряной посуды составлял около 2 т. Причем стоимость готового изделия во много раз превышала стоимость самого драгоценного металла, так как изготовляли его талантливые мастера и оно представляло собой ценное произведение декоративно-прикладного искусства.

Серебро хорошо обрабатывается резанием: гравируется, рубится, отпиливается. Пластичность чистого серебра настолько высока, что из 1 г металла можно с помощью волочения вытянуть проволоку длиной около 2 км. Тончайшая проволока из серебра – бить – применяется для серебряного шитья. Высокая пластичность серебра позволяет изготовлять из него листы толщиной в четверть микрометра. Это свойство используют для производства сусального серебра.

Серебро обладает самой высокой отражательной способностью. Поэтому с древнейших времен зеркала делали из металла, в том числе из серебра, отполированного до блеска. В современных зеркалах драгоценный металл наносится на стекло с обратной стороны очень тонким слоем по специальной технологии.

В X–XI вв. в художественной обработке серебра больших успехов достигли мастера Киевской Руси, о чем в своем трактате о технике ювелирного дела писал древний автор Теофил. Древнерусские мастера искусно применяли технику перегородчатой эмали, скани и зерни, чеканки и басмы, гравирования. Ими были созданы бесценные изделия из серебра с «припуском» черни.

Начиная с XII в. центром производства серебряных изделий стала Москва. В мастерских изготовляли серебряную посуду: братины, чарки, ковши, на которых гравировали надписи, узоры, орнаменты. Черневыми узорами украшали тарелки, стопы, чары, табакерки, оклады икон. Особенно славилось искусство серебряных дел мастеров древнего города Великого Устюга.

Начиная с 1840-х годов в русском декоративно-прикладном искусстве шел процесс создания национальной школы. Все чаще взгляд мастеров обращался к орнаментальному богатству и многокрасочности древнерусского прикладного искусства, что привело к формированию неорусского стиля.

В этой связи любопытно сравнить опыт двух российских центров по художественной обработке серебра – Санкт-Петербурга и Москвы. В Петербурге придерживались в основном западного направления, поскольку там работало немало европейских мастеров-серебряников и ювелиров. Петербургские мастера отличались высокой квалификацией, но не предложили принципиально новых художественно-стилевых решений. В Москве же яркое выражение получила национальная школа художественного серебра, и, кроме того, она способствовала развитию системы его производства. Так, если в XVIII – первой половине XIX в. серебряное дело в России было сосредоточено в руках отдельных мастеров-ювелиров или в небольших мастерских, работавших на заказ, то вторая половина XIX – начало XX в. – время появления новых технологий, позволявших удовлетворять растущий спрос российского покупателя на вещи, созданные в неорусском стиле.

Все это способствовало возникновению и быстрому развитию отечественных ювелирных фирм. Как и российские художественно-промышленные выставки, которые регулярно проводились с 1829 г. Постоянная конкуренция и широкий рынок сбыта стимулировали поиск новых технологий и технических приемов работы с серебром, сохранение высокого художественного уровня продукции, чистоты отделки. Поэтому к сотрудничеству с ювелирными фирмами привлекали известных художников, скульпторов, на их предприятиях организовывали профессиональные учебные центры. Так, например, в фирме Сазанова (основанной в 1793 г. купцом Павлом Федоровичем Сазановым, владельцем мастерской по изготовлению серебряных изделий) работали Быковский, Витали, Клодт. В фирме Губкина (основанной в 1841 г. купцом и фабрикантом Иваном Семеновичем Губкиным) работал академик Бортников.

При фабрике золотых и серебряных изделий Павла Акимовича Овчинникова, основанной в 1853 г., была организована одна из крупнейших школ по подготовке художников и мастеров – исполнителей работ по серебру. Это позволило организовать выпуск сравнительно недорогих и качественных изделий, доступных широким слоям общества.

Многочисленность русских ювелирных фирм обеспечивала разнообразие художественных украшений и технологий обработки серебра. При этом каждая из фирм имела свое лицо. Так, фирма Постникова специализировалась на изделиях, выполненных в технике скани; фирма Овчинникова – на изделиях с эмалью; фирма Хлебникова – на имитациях в серебре других материалов; фирма Семенова – на изготовлении изделий, украшенных чернью; фирма Губкина – на чеканных работах по серебру; фирма Фаберже – на эмали по гильоширу.

Во второй половине XIX в. большую популярность приобрела мелкая пластика (скульптура малых форм), посвященная охотничьей тематике: сцены русской псовой и соколиной охоты, образ медведя – символика России. Популярной стала и крестьянская тема: изображения пахарей, крестьян на празднике, отдыхающих и т. д. Народная тема нашла отражение в изделиях из серебра. Распространение получили пепельницы-лапти, солонки в форме берестяных туесков, подстаканники в форме деревенских рубленых изб, сухарницы, стаканчики в виде кадушек и т. д. Особый интерес вызывали изделия из серебра в сочетании с эмалью.

К началу XX в. русская художественная культура находилась в поиске новой эстетики, упрочнения стиля модерн. Ассортимент изделий из серебра в целом сохранил узнаваемость форм и декора вещей второй половины XIX в. Использовалось сочетание полудрагоценных или поделочных камней с горячими эмалями по скани. Новым приемом для украшения серебра в начале в. стала техника витражных (прозрачных) эмалей, придававшая изделиям изысканность.

Русское художественное серебро благодаря деятельности отечественных ювелирных фирм приобрело общеевропейскую известность, а школа русского художественного серебра стала явлением в европейском декоративно-прикладном искусстве.

Таким образом, хотя серебро и считалось вторым после золота благородным металлом, но по универсальности и разнообразию применения золото уступает ему первенство.

Развитие ювелирного художественного литья

История украшений, в частности литейных, уходит корнями в глубокую древность.

Наряду с эстетической функцией ювелирные украшения выполняли и другие задачи: служили амулетами и талисманами; были отличительными знаками власти и богатства; ими скрепляли или застегивали одежду, обувь, пояса; поддерживали прическу и т. д.

На территории России и Украины (Киевская Русь X–XI вв.) были найдены бронзовые и золотые украшения, свидетельствующие о том, что нашим предкам были известны процессы литья по выплавляемым моделям.

При Петре I появились ювелирные изделия из драгоценных металлов с драгоценными камнями, предназначавшиеся для украшения одежды знати. Появились небольшие портреты на эмали Екатерины I, Меншикова и др. Изделия выполнялись литьем и чеканкой, а затем украшались эмалью и драгоценными камнями.

В период правления Александра II (1870-е гг.) ювелирное дело претерпевает новый подъем. Появляются фирмы Фаберже, Овчинникова, Хлебникова. Они украшают предметы для церквей литьем, чеканкой, гильошировкой. Применяются глухие, оконные и опалесцирующие эмали. Скульптурные произведения Фаберже, отлитые фирмой Грачевых, пользовались большим успехом.

В производстве ювелирных изделий можно выделить четыре направления: ручное изготовление, литье, обработка металлов давлением и станочное. Ручное индивидуальное изготовление является основой развития как совершенных технологий, так и новых художественных направлений (стилей) ювелирного искусства. Кроме того, ни одна совершенная технология не обходится без образца, выполненного вручную. Следует отметить, что в ювелирной терминологии серийным производством считают выпуск изделий одного образца, в количестве более 200 штук, единичным производством – выпуск до 200 изделий. Индивидуальным (эксклюзивным) считается изготовление единственного экземпляра по рисунку (замыслу) автора.

Классификация и ассортимент ювелирных изделий

Общепринятая классификация ювелирных изделий – это объединение их в группы по назначению: личные украшения, предметы туалета, принадлежности для курения, предметы для сервировки стола, письменные принадлежности, принадлежности для часов (цепочки, браслеты, брелоки), сувениры. Классификация по назначению объединяет группы товаров, выполненных из разных материалов (драгоценных и недорогих) в различной технике (не только ювелирной).

Систематика по материалам.

1. Ювелирные изделия – изделия, изготовленные из драгоценных металлов с применением ювелирных камней и без них.

2. Художественные изделия из мельхиора и нейзильбера, изготовленные вручную с применением ювелирных камней и без них.

3. Ювелирная галантерея – литые и штампованные изделия, изготовленные из недрагоценных металлов с недорогими вставками и без них.

4. Изделия, изготовленные вырезанием из камня, – декоративные и художественные украшения из ювелирно-поделочных и поделочных камней с применением металлов и без них.

Способы изготовления художественных изделий из металлов весьма многообразны, а технология их производства может быть как простой, так и достаточно сложной.

Ювелирные украшения (кольца, серьги, броши и пр.) можно получать как методами литья заготовки с последующими штамповкой, отделкой и покрытием, так и только литьем с дальнейшей полировкой и эмалированием. Предметы сервировки стола получают из литой заготовки, прокаткой листа с последующей штамповкой, правкой и гальваническим покрытием. Изделия для украшения интерьера (вазы, шкатулки, фигурки и пр.) получают как точным литьем с последующими отделочными операциями, так и литьем заготовки с дальнейшей термообработкой, ковкой и отделочными операциями, например оксидированием.

Единственно возможным методом изготовления и тиражирования сложнопрофильных ювелирных и орнаментных изделий являются точные способы литья в разовые (разрушающиеся) формы, заполняемые литейными сплавами с принудительной заливкой, потому что при других технологиях, например ковке или штамповке, сложнопрофильные изделия невозможно извлечь из штампов и пресс-форм, применяемых в этих процессах.

К точным способам литья можно отнести литье по выплавляемым или выжигаемым моделям, литье в керамические формы, литье в гипсовые формы и литье в резиновые формы. Последний метод применяется для художественных украшений, изготовляемых из сплавов, температура плавления которых не превышает 400–450 °C.

Таким образом, мы видим, что любой технологический процесс, как простой, так и сложный, начинается с получения литой заготовки или непосредственно ювелирного изделия. Сложнопрофильные отливки можно получать только литьем. Кроме того, литые изделия могут имитировать любую технику исполнения (монтировку, филигрань и т. д.)

Поэтому в дальнейшем будут рассмотрены деформированные и литейные сплавы на медной, алюминиевой, цинковой основах и сплавы драгоценных металлов, применяемые в ювелирном деле. Будет рассказано об особенностях их выплавки и термической обработки.

Наиболее универсальным способом получения ювелирных изделий служит метод литья по выплавляемым моделям (ЛПВМ). Он является развитием применявшегося с древних времен способа изготовления литых художественных и ювелирных изделий по восковым моделям. Советские археологи установили, что искусством литья бронзы по восковым моделям хорошо владели наши предки скифы, населявшие более 2500 лет тому назад Среднее Приднепровье, берега Черного и Азовского морей, Алтай и другие местности.

^{Рис. 2.1. Процесс изготовления украшений по восковой форме: а – на огнеупорную поверхность нанесен сдой воска; б – воску придана форма будущей отливки; в – на плоскость восковой модели наложены валики из воска; г – на воск острием инструмента нанесен орнамент, в ушко продет стержень – восковая модель готова; д – восковая модель залита жидкой глиной; е – воск выплавлен, на его место залит металл; ж – готовая отливка (застежк?-лунница).}

Позже, в Древней Руси, медное, бронзовое и серебряное литье по восковым моделям производилось в большом количестве. Например, еще в VI–VII вв. и даже раньше литейщики, жившими в районе Днепра, отливали по восковым моделям различные украшения (подвески, височные кольца, браслеты, пряжки и др.). Ажурные литые изделия были недавно обнаружены при раскопках на Кавказе (в городе Гори и др.).

Процесс отливки украшений, применявшийся в те времена (восстановленный Б. А. Рыбаковым), показан на рис. 2.1. Применение восковых моделей подтверждается сложностью отливок, диктующих необходимость разрушения формы для извлечения отливки, тонким орнаментом на поверхности, как бы вырезанным резцом и, в особенности, отпечатками пальцев мастера, лепившего восковую модель, обнаруженными на некоторых литых изделиях.

В совершенстве технология литья по выплавляемым моделям была разработана в 1950-х гг. Характерно, что этому расцвету литья способствовали новые формовочные массы на основе этилсиликата, кристобалита, гипса, специальных резин и синтетических восков.

Суть технологического процесса литья по выплавляемым моделям

В пресс-формах изготавливают модели из воскоподобных материалов (наиболее распространенный вариант техпроцесса) и их компонуют в блоки моделей с литниковой системой. Затем приготовляют суспензию, состоящую из кремнийорганического жидкого связующего и пылевидного огнеупора. Суспензия послойно наносится на блок моделей. Обсыпается зернистым огнеупором и отверждается. Число слоев определяется массой блока и колеблется от 3 до 15. Из полученной формы нагревом удаляют модельный состав, затем ее прокаливают при 800—1000 °C и в горячем состоянии заливают металлом. Отливки отделяют от литниковой системы, очищают в щелочной среде, термически обрабатывают и передают на окончательную отделку, включающую шлифовку, полировку, гальванические покрытия, эмалирование, чернение и пр. (материалы для эмалирования и чернения приведены в Приложении). Приведенный технологический процесс применяется для отливок из металлов и сплавов, температура плавления которых превышает 1100 °C, или для художественных отливок большой массы.

Ювелирные отливки из сплавов на медной, алюминиевой, цинковой основах, а также из серебра и золота выполняются эстрих-процессом, где операции проводят в несколько другой последовательности и применяют другие материалы. Пресс-формы, в которых изготовляют модели из воскоподобных материалов, выполняются из ласила, виксинта или резины. После того как изготовлены модели и получены блоки, их помещают в трубчатые опоки и заливают суспензией, состоящей из огнеупорных материалов (динаса или кристобалита), гипса и воды. После отвердения суспезии опоки помещают в муфельную печь и производят выплавку модельного состава. Затем форму прокаливают при 750–800 °C и заливают расплавленным металлом. Дальнейшие операции выполняются по приведенной выше технологии, за исключением выщелачивания. Удаление формовочной массы производится под струей воды (вспомогательные материалы, используемые при литье по выплавляемым моделям для сплавов с температурой плавления свыше 1100 °C и литье эстрих-процессом, приведены в Приложении).

В нашей стране этот вид литья получил развитие в 1968 г. Тогда были произведены закупки оборудования в ФРГ и Италии. Технология стала высокопроизводительной и экономичной, благодаря чему ювелирные изделия подешевели.

В производстве ювелирных изделий выделяют ручное, точное литье, прокатку в вальцах, штамповку и механическую обработку.

Точное литье по выплавляемым моделям позволяет существенно удешевить производство, копировать и тиражировать ювелирные изделия в любом количестве. Кроме того, механической обработки требуется меньше, и себестоимость изделия в целом оказывается значительно ниже, чем при использовании любого другого метода литья. Все это дает возможность быстро реагировать на изменение рыночной ситуации и обеспечивает литейным ювелирным изделиям большую конкурентоспособность. Поэтому возникает потребность механизации ювелирного дела – от ручной сборки до тиража, выполняемого точным литьем. Кроме того, необходимо специализировать технологические процессы изготовления ювелирных изделий и оснастить рабочие места специализированным оборудованием.

В наше время Россия в числе передовых стран – таких, как Италия, Германия, США, Израиль и Турция, – занимает одно из ведущих мест по производству ювелирной продукции.

3.1. Структура вещества в твердом состоянии

В твердом состоянии большинство неорганических материалов (более 96 %) имеют кристаллическое строение, т. е. правильное, упорядоченное, периодическое расположение атомов, ионов или молекул в пространстве.

Характер расположения атомов, ионов или молекул в пространстве принято описывать с помощью кристаллической решетки. Если мысленно соединить центры тяжести атомов, ионов или молекул прямыми, то образуется пространственная решетка, в узлах которой находятся те частицы, из которых состоит вещество. Так как положение атомов в пространстве является периодическим, правильным, а следовательно, симметричным, то и кристаллическая решетка также будет обладать определенной симметрией.

Симметрией кристаллов называют их свойство совмещаться с собой при поворотах, отражениях, параллельных переносах или при комбинации этих операций.

На рис. 3.1 показаны пример правильного, периодического расположения атомов в пространстве и кристаллическая решетка.

^{Рис. 3.1. Схема расположения атомов в твердом теле.}

В кристаллической решетке можно выделить минимальный объем, с помощью которого описываются положение атомов и симметрия решетки в целом. Этот параллелепипед называется элементарной ячейкой.

Таблица 3.1

Варианты кристаллических решеток

Ребро такого параллелепипеда называется периодом или параметром решетки. Величина параметра решетки соизмерима с размерами атома. Для металлов параметры решетки составляют 0,2–0,6 нм, в зависимости от размера атома и типа кристаллической решетки. Элементарные ячейки могут иметь прямые или косые углы, ребра параллелепипедов могут быть равны друг другу или не равны, а следовательно, у них разная симметрия.

По симметрии формы элементарные ячейки, и соответственно кристаллические решетки, разделены на три категории: низшую, среднюю и высшую. Низшая категория содержит три сингонии: триклинную, моноклинную и ромбическую. Средняя – также три сингонии: тригональную, тетрагональную и гексагональную. Высшая категория включает одну сингонию – кубическую (табл. 3.1).

Свойства вещества зависят от природы тех частиц, из которых оно состоит, типа связи и ее энергии, а также от типа кристаллической решетки. Так, например, углерод в твердом состоянии существует в двух кристаллических формах: в виде графита с гексагональной решеткой и в виде алмаза с кубической решеткой. Возможность существования одного и того же вещества в нескольких кристаллических формах называется аллотропией или полиморфизмом. Этим свойством обладают некоторые металлы (олово, железо, титан, марганец и др.).

Любое вещество в природе может существовать в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. В подавляющем большинстве случаев в твердую фазу вещество переходит из жидкой.

Процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. В расплавленном, жидком состоянии металл не имеет правильного кристаллического строения. Однако расположение атомов не полностью хаотично. В жидкости имеются группы атомов с правильным расположением, характерным для кристаллической решетки данного вещества. Группы эти нестабильны из-за большой подвижности атомов. Они образуются, рассыпаются, распадаются, возникают в новых местах. Такие группы атомов служат зародышами кристаллов в процессе кристаллизации, происходит при температуре ниже температуры плавления. Эта температура является константой для каждого вещества. Так, например, температура плавления меди составляет 1083 °C, серебра – 960 °C и т. д. При температурах ниже указанных эти металлы пребывают в твердом состоянии.

Процесс кристаллизации начинается с зарождения мелких кристалликов – зародышей кристаллизации. Их образование носит случайный характер. Другими словами, возникновение кристалла может произойти в любой части объема жидкости. Одновременно формируется не один, а несколько кристаллов (в некоторых случаях множество). Скорость зарождения – это число кристалликов, появляющихся в единице объема в единицу времени.

Образованные кристаллики растут за счет присоединения атомов из жидкости. При этом грань растущего кристалла перемещается в сторону жидкой фазы. Линейная скорость перемещения грани растущего кристалла называется скоростью роста кристалла.

На рис. 3.2 приведен пример кристаллизации в схематическом виде. Скорость зарождения составляет 4 зародыша в секунду, скорость роста кристалла – 1 мм в секунду. За первую секунду в объеме образовалось 4 кристаллика (обозначены цифрой 1). За вторую еще 4 (обозначены цифрой 2), а ранее возникшие кристаллы выросли на 1 мм с каждой стороны. В следующую секунду образовалось еще 4 кристалла (обозначены цифрой 3), и выросли все, образованные ранее, и т. д.

^{Рис. 3.2. Кинетика процесса кристаллизации.}

^{Скорость зарождения – 4 зародыша в секунду; скорость роста кристалла – 1 мм в секунду. Наименее симметрична триклинная сингония, наиболее симметрична – кубическая.}

Как видно из приведенной схемы, форма растущего кристалла остается правильной, пока он окружен жидкостью со всех сторон. Однако в ходе кристаллизации количество жидкой фазы уменьшается, кристаллы сталкиваются и рост их в сторону друг друга, естественно, прекращается. Кристалл продолжает расти в тех направлениях, в которых он соприкасается с жидкостью. В связи с этим кристалл теряет правильность формы.

Таким образом, структура металлов в твердом состоянии состоит из множества кристаллов неправильной формы.

Эти кристаллы называют зерном или кристаллитами, а саму структуру – поликристаллической.

Размер зерна металла зависит от скорости зарождения и скорости роста кристаллитов при кристаллизации. Чем выше скорость зарождения, тем меньше размер получаемого зерна. Чем выше скорость роста, тем оно крупнее.

В зависимости от состава жидкости при переходе ее в твердое состояние кристаллиты-зерна имеют разный состав. В частности, могут состоять из простого вещества – химического элемента, например чистого золота. Если расплав состоит не из одного, а из двух или более компонентов, то в результате кристаллизации возможны следующие виды взаимодействия:

1. Состав сплава таков, что соответствует химическому соединению. Тогда при кристаллизации все зерна однородны по составу, соответствующему этому химическому соединению, одинаковы по структуре. Так же как в случае кристаллизации чистого вещества, структура сплава однофазна.

2. Если в составе расплава присутствуют два или более компонентов, то в определенных случаях после кристаллизации состав всех зерен оказывается однородным и соответствует составу расплава. При этом структура всех зерен также одинакова и их кристаллическая решетка соответствует решетке одного из компонентов. Такое вещество называется твердым раствором. Например, при сплавлении золота и серебра в любых пропорциях образуется твердый раствор этих компонентов. Твердые растворы наиболее характерны для металлических сплавов. Два металла образуют твердый раствор замещения: атомы одного компонента замещают атомы другого компонента в его кристаллической решетке. На рис. 3.3 а приведен пример такого твердого раствора. В узлах кристаллической решетки находятся не только атомы золота (они показаны светлыми кружками), но и атомы серебра – темные кружки. Количество узлов, занятых атомами серебра, соответствует составу сплава, т. е. концентрации серебра в нем. Так, если сплав содержит 20 % Ag и 80 % Аи, то 20 % всех узлов кристаллической решетки заняты атомами серебра, а остальные 80 % – золота.

^{Рис. 3.3 а. Схема кристаллической решетки твердого раствора замещения.}

^{Атомная концентрация Au: Ag = 80: 20.}

Если атомы двух металлов мало отличаются по размерам (не более 13 %) и имеют одинаковые кристаллические решетки, то между ними образуются непрерывные твердые растворы. Это означает, что при любой концентрации компонентов структура сплава – твердый раствор. Пример такого взаимодействия – сплавы золота и серебра. Между этими двумя металлами существует неограниченная растворимость в твердом состоянии. Если атомы двух металлов значительно отличаются по размерам и металлы имеют разные кристаллические решетки, то они растворимы друг в друге ограниченно. Это значит, что твердый раствор существует только до определенной концентрации второго компонента. При увеличении концентрации выше растворимости образуется химическое соединение.

Твердые растворы могут образовываться и на базе химических соединений. Так, например, кристаллы чистого корунда (окиси алюминия AI₂O₃) бесцветны и называются лейкосапфиром. Если часть атомов алюминия замещена хромом, то цвет кристалла становится красным – это рубин, если титаном, то синим – сапфир. Интенсивность окраски зависит от концентрации хрома или титана. Таким образом, рубин – это твердый раствор хрома в кристаллической решетке корунда AI₂O₃, сапфир – твердый раствор титана в решетке корунда.

3. После кристаллизации состав зерен неоднороден: существуют зерна одного состава, имеющие определенное кристаллическое строение, и зерна другого состава со своим кристаллическим строением.

Такое происходит, например, при сплавлении меди и свинца. Их расплав представляет собой однородную жидкость, состав которой в любой точке одинаков. После кристаллизации часть зерен состоит из чистого свинца (100 % РЬ), часть – из чистой меди (100 % Си). Количество тех и других зерен определяется соотношением компонентов сплава. Так, если расплав состоял из 20 % РЬ и 80 % Си, то количество зерен свинца и меди будет находиться в пропорции 20: 80.

Приведенный пример является крайним случаем, и подобные ситуации, когда при кристаллизации образуются чистые компоненты, довольно редки. Чаще всего расплав кристаллизуется с образованием двух твердых растворов или твердого раствора и химического соединения.

В таком случае говорят, что сплав состоит из двух (если кристаллиты двух сортов) или из нескольких фаз. Под фазой понимается часть системы, имеющая определенный состав, строение и свойства.

Таким образом, структура большинства веществ, в частности металлов, в твердом состоянии образована множеством зерен-кристаллитов. Состав и кристаллическая решетка их могут быть одинаковы (однофазный сплав) или различны (двух– или многофазный сплав). Размер этих зерен редко превышает доли миллиметра. Для металлов это 10—100 мкм.

Получение единичных кристаллов достаточно крупного размера – десятки миллиметров и более – довольно сложная техническая задача. Она решена для получения синтетических минералов – ювелирных камней.

Чтобы разобраться в материалах ювелирных изделий, полученных ковкой, штамповкой или методами литья, необходимо привести классификацию ювелирных материалов, поскольку в первую очередь от материала зависит общий вид изделия и его способ изготовления. Поэтому раздел 3.2 будет посвящен основам классификации ювелирных материалов.

3.2. Классификация ювелирных материалов

На рис. 3.Зб приведен классификатор материалов, из которых изготовляются ювелирные изделия. Наибольшее их количество выполняется из сплавов на медной основе и благородных металлов. В меньшей степени используются сплавы на алюминиевой основе и сплавы цинка. Однако для бижутерии, пуговиц, зажимов, пряжек, недорогой домашней утвари, накладок на подарочные папки и оружие и т. п. их значение остается доминирующим. Невысокая стоимость и привлекательный внешний вид, особенно после нанесения декоративных покрытий, обуславливают их широкое применение.

^{Рис. З.Зб. Классификатор ювелирных материалов.}

3.3. Диаграммы состояния ювелирных сплавов

В ювелирной технике применяются сплавы на основе благородных металлов: серебра, золота и платины. Это основные металлы. Для имитации золотых и серебряных сплавов используют некоторые сплавы на основе меди и алюминия. Они применяются только для изготовления дешевых изделий – бижутерии.

В зависимости от состава сплав может иметь различную структуру при комнатной температуре. Структурное состояние сплава, превращения при нагреве и охлаждении описываются диаграммами состояния.

Взаимодействие двух компонентов можно изобразить графически. Такое изображение называется диаграммой состояния или диаграммой равновесия. Диаграммы состояния строятся в координатах состав – температура. Они показывают связь между составом, температурой и фазовым состоянием, структурой сплава. Вид диаграммы состояния зависит от характера взаимодействия компонентов в твердом состоянии.

Для построения диаграммы состояния выбирают отрезок на оси абсцисс, который принимается за 100 % компонента (рис. 3.4). Тогда любая точка на этом отрезке соответствует составу сплава, содержащего х% компонента А и 100 % – х% компонента В. Таким образом, если сплав содержит два компонента, то его состав определяется одной точкой на оси абсцисс. По оси ординат откладывается температура.

^{Рис. 3.4.}

^{Графическое изображение состава двухкомпонентного сплава.}

Между некоторыми металлами, применяемыми в ювелирной технике, образуется неограниченная растворимость в твердом состоянии. К таким системам относятся золото – серебро, золото – медь, платина – иридий. Диаграмма состояния для случая неограниченной растворимости в твердом состоянии показана на рис. 3.5. На диаграмме состояния две линии. Верхняя отделяет область, в которой сплавы находятся в жидком состоянии, т. е. в виде расплава. Эта линия называется «линия ликвидуса». Таким образом, при температурах выше линии ликвидуса все сплавы золота и серебра представляют собой расплавленный металл.

^{Рис. 3.5. Диаграмма состояния Au – Ag.}

Нижняя линия на диаграмме называется «линия солидуса». При температурах ниже линии солидуса все сплавы в этой системе находятся в твердом состоянии. Их структура – твердый раствор золота и серебра. Между линиями ликвидуса и солидуса в сплавах в равновесии находятся две фазы – жидкость и кристаллы твердого раствора.

Кристаллизация сплава любого состава начинается при охлаждении его немного ниже линии ликвидуса. Разность между теоретической и реальной температурой начала кристаллизации называется степенью переохлаждения. В жидкой фазе зарождаются и растут кристаллы твердого раствора. Кристаллизация сплава происходит при понижении температуры и заканчивается при достижении температуры линии солидуса или несколько ниже.

Если скорость охлаждения сплава невелика, то в результате кристаллизации структура сплава представляет собой однородный твердый раствор, состав которого точно отвечает составу сплава.

Если скорость охлаждения достаточно высокая, то твердый раствор оказывается неоднородным. Это связано с особенностью кристаллизации твердых растворов при температурах, лежащих в интервале между линиями ликвидуса и солидуса. Например, при температуре 1000 °C (рис. 3.6) состав образовавшихся кристаллов твердого раствора определяется точкой А.

^{Рис. 3.6. Определение состава фаз по диаграмме состояния Au – Ag.}

И при содержании в сплаве 50 % Au и 50 % Ag, в твердом растворе будет 70 % Ag и 30 % Au. В то же время в жидкой фазе находятся 70 % Au и 30 % Ag (точка В). При изменении температуры состав твердой фазы изменяется по линии солидуса, жидкой – по линии ликвидуса. Таким образом, при охлаждении, т. е. при изменении температуры, состав твердой фазы непрерывно изменяется.

Изменение состава происходит за счет перемещения атомов, т. е. за счет диффузии. В твердых телах подвижность атомов невелика, диффузия происходит значительно медленней, чем в жидкости. Если скорость охлаждения при кристаллизации достаточно велика, то выравнивающая диффузия не успевает произойти и состав твердого раствора оказывается неоднородным. В центральной части зерен, которая образовалась при более высоких температурах, повышенное содержание Ag, в периферийной части – повышенное содержание Au по сравнению с составом сплава. Это явление называется дендритной ликвацией. Чем шире интервал кристаллизации сплава, т. е. чем больше разница между температурами ликвидуса и солидуса, тем больше вероятность такого явления.

Неоднородность зерен сплава по составу – нежелательное явление для ювелирных сплавов. Такие сплавы сильнее корродируют, имеют неоднородные механические свойства и т. д.

Дендритную ликвацию можно устранить, если отжечь сплав при температурах на 50—100 °C ниже линии солидуса.

Диаграмму состояния, характерную для системы золото – серебро, имеют также сплавы системы золото – медь и платина – иридий. Кристаллизация сплавов в этих системах происходит аналогично сплавам золото – серебро.

Если два металла ограниченно растворимы в твердом состоянии, то вид диаграммы состояния изменяется. На рис. 3.7 показана диаграмма состояния медь – серебро. Эти два металла ограниченно растворимы в твердом состоянии. Твердый раствор меди в серебре обозначен а. Растворимость меди в серебре изменяется от 0,2 % при 200 °C до 8,8 % при 779 °C. Это максимальная растворимость. Растворимость серебра в меди (область ?-раствора) изменяется от 0 % при 200 °C до 8,0 % при 779 °C.

^{Рис. 3.7. Диаграмма состояния Ag – Си.}

Сплав, содержащий 28 % серебра, называется эвтектическим. Его кристаллизация происходит при постоянной температуре 779 °C. При этом из жидкой фазы кристаллизуются сразу два твердых раствора ? и ?. Процесс кристаллизации начинается с образования зародышей р-твердого раствора. Состав этих зародышей в равновесных условиях кристаллизации соответствует предельной растворимости серебра в меди, т. е. образующиеся кристаллы содержат всего 8,0 % серебра и 92,0 % меди. Иными словами, из жидкой фазы, которая содержала 28 % меди, образуется твердый объем, содержащий 92 % меди, т. е. медь выходит из жидкой фазы состав которой изменяется в сторону увеличения содержания в ней серебра. Обогащение жидкости серебром стимулирует зарождение кристаллов ?-твердого раствора. Они зарождаются на уже имеющихся кристалликах ?-фазы, и в дальнейшем оба кристалла ?– и ?-твердых растворов растут совместно. В результате такой кристаллизации структура сплава состоит из зерен двух видов, двух фаз: ?-твердого раствора, содержащего 8,8 % меди и 91,2 % серебра, и ?-твердого раствора, содержащего 8,0 % серебра и 92 % меди. Такая механическая смесь двух фаз, образующаяся из жидкости при постоянной температуре и имеющая постоянный состав, называется эвтектикой.

Сплавы, содержащие от 8,8 до 28 % меди, называются доэвтектическими. Их кристаллизация начинается при температурах ниже линии ликвидуса с образования кристаллов ?-твердого раствора. Так как эти кристаллы содержат больше серебра, чем жидкость, в жидком расплаве содержание серебра уменьшается, а следовательно, увеличивается содержание меди. Состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса, и при температуре 779 °C жидкая фаза имеет эвтектический состав, т. е. содержит 28,0 % меди. Таким образом, при температуре 779 °C все доэвтектические сплавы состоят из двух фаз: жидкого расплава, содержащего 28 % меди и 72 % серебра, и кристаллов ?-твердого раствора меди в серебре. При этой температуре происходит кристаллизация жидкости с образованием эвтектики. Процесс эвтектической кристаллизации рассмотрен выше. В твердом состоянии все эти сплавы имеют следующую структуру: первичные кристаллы ?-твердого раствора и окружающая их смесь кристаллов ?– и ?-твердых растворов – эвтектика.

Сплавы, содержащие более 28 % меди (от 28 до 92 %), называются заэвтектическими. Их кристаллизация происходит аналогично кристаллизации доэвтектических сплавов. Различие заключается в том, что в этих сплавах ниже температуры ликвидуса из жидкости выделяются кристаллы ?-твердого раствора. Структура этих сплавов в твердом состоянии такова: первичные кристаллы ?-фазы, окруженные эвтектикой.

При нагревании всех сплавов, содержащих от 8 до 92 % меди, плавление начинается при температуре 779 °C. Первой плавится эвтектика. При дальнейшем повышении температуры происходит плавление кристаллов ?-фазы в доэвтектических сплавах или ?-фазы в заэвтектических сплавах. Окончательный переход сплава в жидкое состояние соответствует нагреву до температуры линии ликвидуса. Как показывает опыт, при плавлении перегрев сплава выше линии ликвидуса не наблюдается.

4.1. Основные механические свойства материалов

Изготовление ювелирных изделий – процесс многоступенчатый и начинается всегда с литья, т. е. получения сплава в жидком состоянии, заливки его в форму, кристаллизации. В отдельных случаях сплав используют в виде полуфабриката, например в виде проволоки. Тогда литье было проведено на заводе-изготовителе.

В процессе изготовления ювелирных изделий, например сканных, возникает задача пластической деформации сплава.

Пластическая деформация – это изменение размера и формы под влиянием внешних напряжений, которое сохраняется после снятия внешней нагрузки.

Под влиянием внешних усилий любое изделие может деформироваться. Если величина приложенных напряжений невелика, то после снятия нагрузки размер и форма изделия возвращаются к исходному состоянию. Такая деформация считается упругой. С увеличением нагрузки происходит пластическая деформация. Последняя стадия деформации – разрушение изделия.

Величина напряжений, которые может выдержать данное изделие без деформации и разрушения, зависит от механических свойств материала, из которого оно изготовлено. Стандартный способ определения механических характеристик (ГОСТ 1497-73) – испытание на растяжение цилиндрических образцов. Кривая растяжения, т. е. зависимость удлинения образца от приложенной силы, показана на рис. 4.1. До величины Р_упр образец деформируется упруго и после снятия нагрузки возвращается к исходной длине. Величина Р_пц называется пределом пропорциональности, т. е. характеризует максимальную нагрузку, до которой ?1 пропорционально Р. Различие Р_пц и Р_упр невелико, и им обычно пренебрегают.

^{Рис. 4.1. Диаграмма растяжения металла.}

^{Р – растягивающая сила (нагрузка),}

^{?I – удлинение образца (деформация).}

Нагрузка больше Р_упр вызывает необратимое изменение длины – происходит пластическая деформация. Величина ?_0,2 называется пределом текучести. Предел текучести – это условная характеристика. Это такое напряжение, которое вызывает в образце пластическую деформацию в 0,2 %. При достижении предела текучести пластическая деформация развивается без увеличения нагрузки. Однако для создания последующей пластической деформации необходим рост внешней нагрузки. После достижения Р_мax нагрузка на образец уменьшается, так как уменьшается площадь поперечного сечения образца. Образуется «шейка». В то же время напряжение (отношение силы, приложенной к образцу, к площади поперечного сечения) продолжает расти. Таким образом, можно отметить несколько стадий деформации материала под действием внешнего напряжения: упругая деформация (участок 0–2), текучесть (участок 2–3), упрочнение (участок 3–4) и разрушение (точка 5, соответствующая нагрузке Р_k).

Основные характеристики прочности материала – предел текучести ?_0,2, предел упругости ?_упр, предел прочности ?_в.

Предел упругости – максимальное напряжение, при снятии которого величина остаточной деформации не превышает тысячных долей процента. Предел прочности – временное сопротивление разрыву – максимальное напряжение, выдерживаемое образцом.

При выборе материала для изготовления ювелирных изделий эти характеристики играют немаловажную роль.

Высокий предел упругости и текучести обеспечивает неизменность формы и размера изделия при воздействии на него различных нагрузок. Высокий предел прочности препятствует разрушению изделия.

Одним из важных механических свойств материала является его твердость. Твердость – это способность материала сопротивляться пластической деформации при внедрении в него более твердого тела. Чем выше твердость материала, тем он лучше полируется до зеркально гладкой поверхности, меньше царапается в процессе эксплуатации, сохраняя внешний вид неизменным. Высокая твердость обеспечивает обычно и высокую износостойкость.

4.2. Механизм пластической деформации

Пластическая деформация осуществляется посредством сдвига внутри кристалла по определенным кристаллографическим плоскостям, которые называются плоскостями скольжения. Сдвиг в кристалле начинается при достижении внешним напряжением величины предела текучести. Так как зерна в образце ориентированы различно относительно внешнего напряжения, то пластическая деформация развивается в металле неоднородно. В первую очередь деформируются те зерна, которые ориентированы таким образом, что напряжение в их плоскости скольжения достигает величины напряжения сдвига. Форма зерна в результате многочисленных сдвигов изменяется. При этом, так как зерна взаимно связаны, происходит поворот соседних зерен, их ориентация относительно внешнего напряжения изменяется, и пластическая деформация распространяется на другие зерна. Постепенно все зерна металла деформируются, их форма изменяется, зерна вытягиваются в направлении приложенного напряжения. В кристаллической структуре металла возникают дефекты.

В результате пластической деформации изменяются механические свойства металла: прочность увеличивается, пластичность уменьшается. Это явление называется «наклеп».

Упрочнение металла при пластической деформации и уменьшение его пластичности ограничивает возможность дальнейшей деформации. Так, при волочении проволоки с уменьшением сечения при следующих проходах через фильеру возникают обрывы.

На рис. 4.2 показана зависимость прочности и пластичности латуни Л68 от степени пластической деформации. В качестве характеристики пластичности выбрано относительное удлинение, ?%, т. е. отношение прироста длины разрушенного образца к его первоначальной длине. Степень пластической деформации оценивается по отношению:

с. п.д. = (d²₀ – d²_д / d²₀,

где с.п.д. – степень пластической деформации,

d_Q – диаметр проволоки до волочения,

d_д – диаметр проволоки после волочения.

^{Рис. 4.2. Влияние степени холодной пластической деформации на твердость (НВ), прочность (?_в) и пластичность (?,%) латуни А68.}

Упрочнение, вызванное предварительной пластической деформацией, можно снять нагревом деформированного металла. В процессе пластической деформации металл запасает энергию, и поэтому состояние его является неустойчивым. Однако при низких температурах диффузия в металле не происходит, так как подвижность атомов в твердом теле мала. При нагреве металла подвижность атомов увеличивается и, начиная с определенной температуры, возникают самопроизвольное зарождение новых, недеформированных зерен и их рост.

Этот процесс называется рекристаллизацей обработки или первичной рекристаллизацей. Температуру, при которой начинается этот процесс, называют температурой начала рекристаллизации Т_нр. С повышением температуры выше температуры начала рекристаллизации образование и рост новых зерен продолжается вплоть до того, как будет достигнута температуры конца рекристаллизации Т_кр. Температура начала рекристаллизации зависит от множества факторов. В первую очередь она связана с природой самого металла, для чистого металла ее можно приближенно оценить по температуре его плавления:

Т_нр = 0,ЗТ_пл (К),

где Т_пл – температура плавления металла,

Т_нр – температура начала рекристаллизации.

Коэффициент 0,3 приближенный и зависит от чистоты металла. Для особо чистых металлов он уменьшается до 0,25—0,15, для сплавов увеличивается до 0,6.

Температура начала рекристаллизации зависит также от степени пластической деформации и уменьшается с увеличением степени пластической деформации.

Образование новых недеформированных зерен и снижение внутренней энергии металла за счет уменьшения концентрации дефектов приводит к изменению механических свойств.

На рис. 4.3 показана зависимость прочности и пластичности холоднодеформированного железа от температуры отжига. Пластичность и вязкость металлов и сплавов существенно зависят от размера зерна. В свою очередь, размер зерна зависит от температуры рекристализационного отжига и степени предварительной пластической деформации. В процессе рекристаллизации обработки размер зерна обычно уменьшается по сравнению с исходным, так как происходит влияние температуры отжига на прочность и пластичность холоднодеформированного металла.

^{Рис. 4.3. Зарождение новых мелких зерен, которые не успевают вырасти к моменту окончания процесса.}

С увеличением температуры выше температуры конца рекристаллизации зерно продолжает расти. Особенно интенсивно это происходит в чистых металлах. На размер зерна оказывает влияние также степень предварительной холодной пластической деформации. Чем выше степень деформации, тем меньше размер рекристаллизованного зерна.

Температура рекристаллизации обработки является физической границей между холодной и горячей пластической деформацией.

Пластическая деформация ниже этой температуры является холодной. При этом возникает упрочнение металла – наклеп. Пластическая деформация при температурах выше температуры рекристаллизации называется горячей. При горячей пластической деформации наклеп непрерывно снимается процессом рекристаллизации. После горячей пластической деформации упрочнения металла не наблюдается.

Выбор температуры рекристаллизационного отжига определяется составом сплава и степенью холодной пластической деформации. Обычно она устанавливается на 50—100 °C выше температуры конца рекристаллизации.

Под технологическими свойствами металлов и сплавов понимают способность металла подвергаться различным видам обработки. К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся: литейные, ковкость, или деформируемость, в горячем и холодном состоянии, свариваемость, прокаливаемость и обрабатываемость резанием.

5.1. Литейные свойства

Литейные свойства двух– и трехкомпонентных сплавов можно оценить по положению их на диаграмме состояния. Закономерности изменения литейных свойств определяются при построении кривых состав – литейное свойство в совокупности с диаграммой состояния. К литейным свойствам сплавов можно отнести жидкотекучесть, линейную и объемную усадки, трегциностойкость, поверхностное натяжение, вязкость и др.

Жидкотекучесть – свойство, характеризующее способность расплавов заполнять литейные формы.

Влияние различных факторов на жидкотекучесть. Величина жидкотекучести непосредственно не связана с вязкостью и поверхностным натяжением жидкого металла, а определяется интервалом кристаллизации и совокупностью теплофизических свойств металлов: теплотой кристаллизации, теплоемкостью и теплопроводностью, вязкостью, окисляемостью. При этом теплота кристаллизации является основным фактором: чем больше теплота кристаллизации, тем выше жидкотекучесть. Минимумы и максимумы жидкотекучести (X) сплавов в зависимости от состава отвечают определенным участкам и критическим точкам на диаграммах состояния (рис. 5.1). Сплавы с широким интервалом кристаллизации, как правило, обладают минимальной жидкотекучестью, а максимумы на диаграммах состав – жидкотекучесть соответствуют эвтектическим сплавам и химическим соединениям.

^{Рис. 5.1. Жидкотекучесть сплавов системы А-Б в зависимости от их состава.}

Необходимо также учитывать размеры, форму кристаллов, образующихся в начальной стадии затвердевания сплавов, и теплоту их образования. Прослеживается следующая зависимость. Если первичные кристаллы растут в виде разветвленных дендритов, граница нулевой жидкотекучести, соответствующей температуре, при которой поток перестает течь, находится вблизи линии ликвидуса,

Если первичные кристаллы растут компактно и имеют небольшие размеры, то граница нулевой жидкотекучести тяготеет к линии солидуса, т. е. при выделении значительной части твердой фазы металл продолжает течь, что объясняется несвязанностью между собой выделившихся первичных кристаллов. Таким образом, увеличение размеров первичных кристаллов и образование ими разветвленной структуры снижает жидкотекучесть. Оценивая величину жидкотекучести, для получения более точных результатов необходимо также учитывать формы кристаллов, образующихся в начальной стадии затвердевания сплавов, и теплоту их образования.

На жидкотекучесть влияют также условия плавки и заливки, перегрев металла, насыщение металла посторонними включениями, условия подвода металла к форме.

Пробы для измерения жидкотекучести. Количественные значения жидкотекучести определяют по длине заполнения канала литейной формы с определенной площадью поперечного сечения.

Технологические пробы для определения жидкотекучести можно разделить на три вида:

– пробы, основанные на прекращении течения в сужающемся канале;

– пробы, основанные на прекращении течения вследствие кристаллизации металла в узком выходном канале;

– пробы, основанные на прекращении течения в длинном канале постоянного сечения вследствие охлаждения и кристаллизации.

К пробам первого вида (сужающийся канал) относятся клиновые пробы (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Клиновая проба для определения жидкотекучести.

Показателем жидкотекучести в клиновой пробе является расстояние I между вершиной клина и закругленной вершиной затвердевшего металла.

Пробы второго вида – шариковые – можно использовать для определения жидкотекучести по весу вытекшего металла.

Мерой жидкотекучести в шариковой пробе, предложенной А. Г. Спасским (рис. 5.3), является диаметр отверстия, образующегося в отливке, залитой в металлическую форму 1 с вертикальным разъемом. Металл заливается через воронку 4, поступает в полость формы через литниковый канал 5, заполняет полость формы и подтекает в пространство между планкой (клином) 3 и шариком 2 диаметром 20 мм, но не заполняет все пространство, оставляя отверстие.

^{Рис. 5.3. Шариковая проба для определения жидкотекучести (по А. Г. Спасскому):}

^{1 – полуформа; 2 – шарик; 3 – клин; 4 – воронка; 5 – литниковый канал.}

Клиновые и шариковые пробы можно использовать для оценки заполнения тонких рельефов.

К пробам третьего вида относятся прямые, спиральные, U-образные, лабиринтные и винтовые.

Пробы этого вида дают более точные результаты с меньшим разбросом параметров. Показателем жидкотекучести является длина пути потока металла до остановки. Пробы третьего вида заливают гравитационным или вакуумным методом. К этому же виду можно отнести пробы с несколькими каналами разной толщины, заполняемыми из общего центрального стояка.

Наибольшее распространение получили спиральные (рис. 5.4.) и U-образные (рис. 5.5) пробы с гравитационным заполнением. Испытание материала на жидкотекучесть заключается в заполнении спиральной или U-образной формы расплавленным металлом и определении длины полученной спиральной или U-образной пробы. На модели спирали и соответственно в форме имеются отметки через каждые 50 мм. Длина спирали (в спиральной пробе) или длина заполнившейся части вертикального канала диаметром б мм (в U-образной пробе), выраженные в миллиметрах, являются характеристикой жидкотекучести сплава в данных условиях.

^{Рис. 5.4. Спиральная проба для определения жидкотекучести по Самарину-Нехендзи:}

^{1 – чаша нарощалка; 2 – сетка, 3 – стояк, 4 – зумпф, 5 – бобышка спираль, 6 – выступы}

^{Рис. 5.5.}

^{U-образная проба для определения жидкотекучести литейных сплавов.}

Причем спиральная проба проводится для материалов с высокой жидкотекучестью (для чугунов, силуминов и т. д.), U-образная проба – для материалов, обладающих относительно низкой жидкотекучестью (для высоколегированных сталей, жаропрочных и тугоплавких металлов и сплавов).

При этом основным является определение условий остановки движущегося потока: выделение 20 % твердой фазы, образование на конце потока прочной твердой корочки, рост в канале литейной формы дендритов, препятствующих движению потока, накопление твердых кристаллов на конце потока.

Для обеспечения идентичных условий заполнения проб при сравнении жидкотекучести предложено различать два вида жидкотекучести: практическую и условную.

Практическая жидкотекучесть определяется в условиях постоянной температуры заливки (и, следовательно, неодинакового перегрева для всех сплавов данной группы). При этом можно оценивать влияние на жидкотекучесть изменений химического состава сплава в цеховых условиях, при поддержании постоянной температуры в плавильном агрегате. Условная жидкотекучесть определяется в условиях одинакового перегрева над температурой ликвидуса. Данный вид пробы получил наибольшее распространение.