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Einmalige Kenntnis der Platingruppenmetalle und ihrer Legierungen, die in Schmuckprodukten verwendet werden
Ein umfassender Leitfaden zu den Eigenschaften und Merkmalen von Reinplatin und Platinlegierungen
Zu den Metallelementen der Platingruppe gehören Ruthenium (Ru), Osmium (Os), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Palladium (Pd) und Platin (Pt). Unter den Mineralien der Platingruppenmetalle weisen diese sechs Elemente in der Regel eine große Bandbreite an Isomorphie auf, wobei auch isomorphe Gemische wie Eisen, Kobalt und Nickel vorkommen. Die Platingruppenmetalle, die üblicherweise in der Schmuckindustrie verwendet werden, sind Platin, Palladium, Rhodium und eine geringe Menge Iridium.
Obwohl die Platingruppenmetalle erst später entdeckt wurden, verfügen sie über einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften. Sie werden heute in modernen Industrien und Spitzentechnologien wie der Automobilindustrie, der Erdölindustrie, der chemischen Industrie, der Kommunikation, der Landesverteidigung und der Luft- und Raumfahrt weit verbreitet eingesetzt und haben sich den Titel "Pioniermaterialien" verdient. In der Schmuckindustrie werden als Basiselemente der Platingruppenmetalle hauptsächlich Pt und Pd verwendet. Im Gegensatz dazu werden Ir und Ru manchmal als Legierungselemente in Schmucklegierungen verwendet. Os wird in der Schmuckindustrie nicht verwendet. Obwohl das Volumen von Schmuck aus Platingruppenmetallen weitaus geringer ist als das von Gold und Silber, haben sich diese Metalle aufgrund ihrer hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften im Bereich des Edelmetallschmucks weltweit durchgesetzt. Nach dem Automobilbau sind sie inzwischen zu einem bedeutenden Endverwendungsbereich geworden.
Inhaltsübersicht
Abschnitt Ⅰ Physikalische und chemische Eigenschaften von Platingruppenmetallen
1. Physikalische Eigenschaften von Platingruppenmetallen
Von den Platingruppenmetallen gehören Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh) und Palladium (Pd) zur Gruppe 5 der 5. Periode. Osmium (Os), Iridium (Ir) und Platin (Pt) hingegen gehören zur Gruppe VIII der 6. Periode und damit zu den Übergangsmetallen.
Die wichtigsten physikalischen Eigenschaften der Platingruppenmetalle sind in Tabelle 5-1 aufgeführt. Die Dichte von Platin ist höher als die von Gold und etwa doppelt so hoch wie die von Silber, wodurch es sich spürbar schwer anfühlt. Die Dichte von Palladium ist etwas höher als die von Silber, aber viel niedriger als die von Gold. Platingruppenmetalle haben ein hohes Reflexionsvermögen über das gesamte sichtbare Lichtspektrum, das mit zunehmender Wellenlänge gleichmäßig ansteigt, so dass Platingruppenmetalle im Allgemeinen silbrig-weiß erscheinen. Bei den Elementen der Platingruppe in derselben Periode sinkt der Schmelzpunkt der Metalle mit zunehmender Ordnungszahl. Die Schmelzpunkte von Platin und Palladium sind deutlich höher als die von Gold und Silber, was das Schmelzen und Gießen erschwert. Die Wärmeleitfähigkeit der Platingruppenmetalle ist geringer als die von Gold und Silber; bei Raumtemperatur (300 K) ist die Wärmeleitfähigkeit von Platin beispielsweise geringer als die von Gold. Obwohl die zum Schmelzen von Platinlegierungen erforderliche Wärme hoch ist, kann die Wärme aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit während des Erhitzens nur schwer abgeführt werden, was dazu führt, dass die zum Laserschweißen von Platinschmuck erforderliche Laserleistung geringer ist als die von Gold und Silber, was für die Montage und das Laserschweißen von Schmuck aus Platinlegierungen sehr vorteilhaft ist. Platingruppenmetalle sind paramagnetisch; sie magnetisieren sich selbst nicht, aber Edelmetallelemente wie Pt und Pd können einen gewissen Magnetismus aufweisen, wenn sie mit Elementen wie Fe, CO.
Tabelle 5-1 Hauptindikatoren für physikalische Eigenschaften von Platingruppenmetallen
| Indikatoren für physische Eigenschaften | Platingruppenmetalle | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Indikatoren für physische Eigenschaften | Ru | Rh | Punkt | Os | Ir | Pd |
| Ordnungszahl | 44 | 45 | 46 | 76 | 77 | 78 |
| Relative Atommasse | 101.07 | 102.905 | 106.4 | 190.2 | 192.22 | 195.078 |
| Kristallstruktur | Dicht gepacktes Sechseck | Flächenzentriert kubisch | Flächenzentriert kubisch | Dicht gepacktes Sechseck | Flächenzentriert kubisch | Flächenzentriert kubisch |
| Dichte (20℃)/(g/cm3) | 12.37 | 12.42 | 12.01 | 22.59 | 22.56 | 21.45 |
| Farbe | Blau weiß | Silber weiß | Stahl weiß | Blau weiß | Silber weiß | Zinn weiß |
| Schmelzpunkt /℃ | 2333 | 1966 | 1555 | 3127 | 2448 | 1768.1 |
| Siedepunkt /℃ | 4077 | 3900 | 2990 | 5027 | 4577 | 3876 |
| Schmelzwärme/(kJ/mol) | 39.0 | 27.3 | 16.6 | 70.0 | 41.3 | 22.11 |
| Verdampfungswärme (1 x 105 Pa)/(kJ/mol) | 649 | 558 | 377 | 788 | 670 | 565 |
| Spezifische Wärmekapazität (1 x 105 Pa, 25℃) /[J/(mol⸳K)] | 24.05 | 24.90 | 26.0 | 24.69 | 25.09 | 25.65 |
| Wärmeleitfähigkeit (0℃)/[W/(m⸳K)] | 119 | 153 | 75.1 | 88 | 148 | 71.7 |
| Widerstandswert (25℃)/(/uΩ⸳m) | 7.37 | 4.78 | 10.55 | 9.13 | 5.07 | 10.42 |
| Koeffizient der thermischen Ausdehnung (20℃)/(X10-6/) | 9.1 | 8.3 | 11.77 | 6.1 | 6.8 | 8.93 |
Platingruppenelemente wie Pt und Pd haben die Eigenschaft, Gase zu adsorbieren, insbesondere H. Pt, Pd Die Fähigkeit, H zu adsorbieren, hängt mit ihrem physikalischen Zustand zusammen; Platinschwarz kann bis zum 502-fachen seines Volumens an H adsorbieren, und aufgrund von Unterschieden im Herstellungsprozess von Platinschwarz kann die Menge des absorbierten Wasserstoffs stark variieren. Im Vergleich dazu kann Platinschwamm nur das 49,3-fache seines Volumens an Wasserstoff aufnehmen. Palladium kann bis zum 2800-fachen seines Volumens an Wasserstoff aufnehmen und bildet einen Palladium-Wasserstoff-Mischkristall, der an Dichte, elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit verliert, aber beim Erhitzen Wasserstoff freisetzen kann.
2. Chemische Eigenschaften der Platingruppenmetalle
Die Metalle der Platingruppe weisen eine ausgezeichnete Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit auf, doch gibt es zwischen den einzelnen Elementen der Platingruppe Unterschiede in der Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit, und diese Unterschiede sind recht groß.
2.1 Oxidationsbeständigkeit
In trockener Luft bei Raumtemperatur weisen die Platingruppenmetalle eine gute Oxidationsbeständigkeit auf; allerdings gibt es erhebliche Unterschiede in ihrer Oxidationsleistung, die der Reihenfolge nach der Affinität für Sauerstoff folgt Pt < Pd < Rh < Ir < Ru < Os. Beim Erhitzen an der Luft bildet sich eine Oxidschicht auf der Oberfläche, die die Qualität der Schmuckoberfläche beeinträchtigt. Wenn die Temperatur steigt, zerfällt die Oxidschicht und wird wieder zu Metall, wodurch der metallische Glanz der Schmuckoberfläche wiederhergestellt wird.
Platin reagiert mit Sauerstoff und bildet PtO, Pt2O3 und PtO2. Erhitzt man Platinpulver in einer oxidierenden Atmosphäre bei einem Druck von 0,8 MPa auf 430℃, so oxidiert das Platin zu PtO.
Palladium reagiert mit Sauerstoff zu PdO bei 350-790℃, ist aber bei hohen Temperaturen instabil und zerfällt. Bei weiterer Erhitzung über 870℃ wird PdO vollständig zu metallischem Palladium reduziert. PdO2 ist dunkelrot und ist ein starkes Oxidationsmittel. Es verliert bei Raumtemperatur langsam Sauerstoff und zerfällt in PdO und O2 unter 200℃.
Auf der Oberfläche von Iridium und Rhodium bildet sich bei 600-1000℃ ein Oxidfilm.
2.2 Korrosionsbeständigkeit
Bei Raumtemperatur ist Platin sehr korrosionsbeständig; Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure und organische Säuren greifen Platin in kaltem Zustand nicht an, während Schwefel Platin bei Erwärmung leicht angreift. Königswasser kann Platin jedoch sowohl im kalten als auch im heißen Zustand auflösen. Geschmolzenes Alkali oder geschmolzene Oxidationsmittel können Platin ebenfalls korrodieren. Wenn die Temperatur unter oxidativen Bedingungen auf 100℃ erhöht wird, wirken verschiedene Halogenwasserstoffsäuren oder Halogenide als Komplexbildner, wodurch Platin komplexiert und gelöst wird. Bei 350-600℃ reagiert Platin mit Chlor und bildet Platinchlorid, das zur Reduktion weiter erhitzt werden kann.
Geschmolzenes Alkali kann Platin korrodieren. Bei hohen Temperaturen kann sich Kohlenstoff in Platin lösen, wobei die Löslichkeit mit der Temperatur zunimmt; beim Abkühlen machen Kohlenstoffrückstände Platin spröde, ein Phänomen, das als "Kohlenstoffvergiftung" bekannt ist. Daher sollten beim Schmelzen von Platin keine Graphittiegel verwendet werden; in der Regel werden Aluminiumoxid- oder Zirkoniumdioxidtiegel eingesetzt, und der Prozess wird unter Vakuum oder Inertgasschutz durchgeführt. Die Zugabe von Rhodium und Iridium zu Platin kann dessen Korrosionsbeständigkeit erhöhen.
Palladium ist das am wenigsten korrosionsbeständige der Platingruppenmetalle. Salpetersäure löst Palladium auf, ebenso wie heiße Schwefelsäure und geschmolzenes Kaliumbisulfat. Insbesondere in Gegenwart von Hydridkomplexen (z. B. Königswasser) ist Palladium anfälliger für Korrosion und Auflösung. Bei sengenden Temperaturen reagiert Palladium mit Chlor zu Palladiumchlorid. Palladium reagiert mit Königswasser und Salzsäure unter Bildung von Chlorpalladitsäure oder Chlorpalladit. Wird dem Chlorpalladit ein Überschuss an Ammoniak zugesetzt, erhält man eine Tetrachlorammoniaklösung, und bei Zugabe von Salzsäure fällt ein hellgelber, feinkristalliner Niederschlag von Palladiumdichlorid aus, der sich nach dem Kalzinieren in metallisches Palladium zersetzt. Palladium reagiert mit Schwefel unter Bildung von Palladiumsulfid und mit Selen und Tellur unter Bildung von Palladiumselenid (Tellur). Beim Schmelzen von Palladium in Graphittiegeln kommt es auch zu einer Kohlenstoffvergiftung, die zu spröden Eigenschaften führt. Die Korrosionsbeständigkeit von Palladium erhöht sich, wenn andere Platingruppenelemente vorhanden sind.
Rhodium und Iridium sind die chemisch stabilsten Metalle unter den Platingruppenmetallen, und heißes Königswasser löst sie nicht ohne weiteres auf. Geschmolzene Alkalimetallperoxide und Alkalien können Rhodium und Iridium jedoch oxidieren, und das oxidierte Rhodium und Iridium lässt sich leicht durch Komplexbildner auflösen; geschmolzene Sulfate können Rhodium ebenfalls auflösen. Wenn Iridium mit Chlor reagiert, entstehen bei unterschiedlichen Temperaturen verschiedene chlorierte Iridiumprodukte. In einer wässrigen Lösung kann durch Chlorierung Iridiumchlorat ausgefällt werden, das bei der Raffination von Platingruppenmetallen von großem Wert ist und zur Rückgewinnung und Trennung von Iridium und anderen Platingruppenmetallen verwendet wird.
Das Korrosionsverhalten von Platingruppenmetallen in bestimmten korrosiven Medien ist in Tabelle 5-2 dargestellt.
Tabelle 5-2 Merkmale der Korrosionsbeständigkeit von Platingruppenmetallen
| Ätzende Medien | Metalle der Platingruppe | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ätzende Medien | Punkt | Pd | Rh | Ir | Os | Ru | |
| konzentriert H2SO4 | / | / | / | / | / | / | |
| HNO3 | 70%, Raumtemperatur | / | stark | / | / | allgemein | / |
| 70%, 100℃ | / | stark | / | / | stark | / | |
| Königswasser | Raumtemperatur | stark | stark | / | / | stark | / |
| Kochen Sie | stark | stark | / | / | stark | / | |
| HCl | 36%, Raumtemperatur | / | / | / | / | / | / |
| 36%, kochend | schwach | schwach | / | / | allgemein | / | |
| Cl2 | Trocken | schwach | allgemein | / | / | / | / |
| Nass | schwach | stark | / | / | allgemein | / | |
| NaClO-Lösung | Raumtemperatur | / | allgemein | schwach | / | stark | stark |
| 100℃ | / | stark | / | / | stark | / | |
| FeCl3 Lösung | Raumtemperatur | - | allgemein | / | / | allgemein | / |
| 100℃ | - | stark | / | / | stark | / | |
| Geschmolzenes Na2SO4 | Geschmolzenes Na2SO4 | schwach | allgemein | allgemein | / | schwach | schwach |
| Geschmolzenes NaOH | Geschmolzenes NaOH | schwach | schwach | schwach | schwach | allgemein | allgemein |
| Geschmolzenes Na2O2 | Geschmolzenes Na2O2 | stark | stark | schwach | allgemein | stark | allgemein |
| Geschmolzenes NaNO3 | Geschmolzenes NaNO3 | / | allgemein | / | / | stark | / |
| Geschmolzenes Na2CO4 | Geschmolzenes Na2CO4 | schwach | schwach | schwach | schwach | schwach | schwach |
Anmerkung: / bedeutet nicht korrosiv; schwach bedeutet leichte Korrosion; allgemein bedeutet Korrosion; stark bedeutet schwere Korrosion; eins bedeutet, dass es in der Originalliteratur keine entsprechenden Angaben gibt.
Abschnitt II Schmuck Verwendetes Platin und seine Legierungen
1. Geschichte der Entwicklung von Platinschmuck
1.1 Geschichte der Entwicklung von Platinschmuck
Platin ist ein sehr seltenes Edelmetall. Aufgrund seiner Seltenheit, Stabilität und Einzigartigkeit sowie seines schillernden silberweißen Metallglanzes war sein Wert oft teurer als der von Gold. Die Geschichte der menschlichen Nutzung von Platin ist sehr lang;
Archäologische Funde deuten darauf hin, dass die Menschen bereits vor 3000 Jahren im alten Ägypten mit der Verwendung von Platin begonnen haben. Das wissenschaftliche Verständnis dieses Edelmetallmaterials ist jedoch erst seit etwas mehr als 200 Jahren vorhanden. Historisch gesehen begann die Verwendung von Edelmetallen mit der Herstellung von Kunsthandwerk, Schmuck, religiösen Ornamenten und Gebrauchsgegenständen. Platin kommt in der Natur nur selten vor, und sein Vorkommen in der Erdkruste ist selten. In Verbindung mit seiner Unlöslichkeit und Stabilität stellt dies eine große Herausforderung für den Abbau, die Auswahl, die Raffination und die Reinigung von Platin dar. Der hohe Schmelzpunkt von Platin macht die Verarbeitung sehr schwierig, insbesondere wenn primitive Methoden verwendet werden. Daher ist es verständlich, dass in der Antike nur wenige Platinprodukte hergestellt wurden, und noch weniger sind erhalten geblieben.
Statistiken zufolge wurden 1980 weltweit etwa 15 Tonnen Platin für die Herstellung von Platinschmuck verwendet, was bis 1995 auf 58 Tonnen anstieg. Japan ist das Land, das Platinschmuck am meisten liebt und den höchsten Verbrauch an Platin hat. China begann in den 1920er und 1930er Jahren mit der Verarbeitung von Platinschmuck. Da die chinesischen Verbraucher jedoch seit langem Goldschmuck bevorzugen, musste die Herstellung von Platinschmuck bis in die 1990er Jahre hinein verstärkt werden. Mit der Öffnung der Wirtschaft, der Entwicklung und der Verbesserung des Lebensstandards der Menschen sowie dem Einfluss der Mode und der Platinschmuckhersteller begann sich die chinesische Schmuckindustrie in Richtung Platinschmuck zu entwickeln. Bis zum Jahr 2000 hatte China Japan überholt und war zum weltweit größten Verbraucher von Platinschmuck aufgestiegen. Seitdem ist die Nachfrage nach Platinschmuck in China rasant gestiegen und erreichte zwischen 2012 und 2015 mit einer jährlichen Nachfrage von 55-60 Tonnen ihren Höhepunkt, was etwa 701TP3 Tonnen der weltweiten Gesamtnachfrage entspricht.
1.2 Merkmale von Platinschmuck
Platinschmuck wird von den Menschen wegen seiner einzigartigen Beschaffenheit, Schönheit und seines Rhythmus geliebt. Platinschmuck unterstreicht nicht nur die allgemeine Eleganz und Anmut des Schmuckstücks, sondern vermittelt auch eine gewisse geheimnisvolle Atmosphäre, die reich an künstlerischem Geschmack ist. Dies ist auch der Grund, warum Platinschmuck bei Gesellschaftsschichten mit einer gewissen künstlerischen Kultiviertheit und höheren kulturellen Ansprüchen beliebt ist.
Die weiche, elegante und luxuriöse Farbe des Platins symbolisiert Reinheit und Noblesse. Daher wird es oft zusammen mit Diamanten zu Trauringen verarbeitet, die als Liebesbeweis für die Reinheit und Unvergänglichkeit der Liebe stehen. Die transparenten, farblosen und strahlenden Diamanten, die in die schimmernde Platinfassung gefasst sind, heben das makellose Weiß und die Erhabenheit der Diamanten noch mehr hervor.
Platinschmuck kann in zwei Kategorien eingeteilt werden: reiner Platinschmuck ohne Edelsteine und Platinschmuck mit Edelsteinen besetzt. Reines Platin ist weich, und aufgrund der begrenzten Materialstärke wird es in der Regel zu reinem Platinschmuck ohne Edelsteine verarbeitet. Zu den gängigen Modellen gehören vor allem Ringe, Halsketten, Ohrringe und Broschen.
1.3 Reinheitskennzeichnung von Platinschmuck
Der auf dem Markt erhältliche Platinschmuck lässt sich in zwei Hauptkategorien unterteilen: reiner Platinschmuck, auch hochreines Platin genannt, das theoretisch einen Feingehalt von 1000‰ haben sollte. Der Feingehalt wird in der Regel in Teilen pro Tausend ausgedrückt, aber in Wirklichkeit gibt es weder reines Gold noch reines Platin; der Feingehalt von reinem Platin liegt immer unter diesem Wert. Die andere Kategorie sind Schmuckstücke aus Platinlegierungen, einer Legierung, die durch Zugabe anderer Metalle wie Wismut, Palladium und Kupfer zu reinem Platin entsteht, um dessen Härte und Zähigkeit zu erhöhen.
Aufgrund unterschiedlicher regionaler Kulturen und Schmuckkulturen sind auch die Reinheitsstandards der verschiedenen Länder (Regionen) unterschiedlich.
Japan, Hongkong: Die zulässige Platinreinheit beträgt 1000‰, 950‰, 900‰ und 850‰, mit einem zulässigen Fehler von 0,5%.
Vereinigte Staaten: Schmuck mit einem Platingehalt von mehr als 95% darf mit "Pt" (Platin oder Plat) gestempelt werden; Schmuck mit einem Platingehalt zwischen 75% und 95% muss mit der Bezeichnung des Platingruppenmetalls gestempelt werden, z. B. "IR-10-PAT", was auf eine Legierung mit Iridium 10% hinweist. Schmuckstücke mit einem Platingehalt zwischen 50% und 75% müssen mit dem Gehalt und der Bezeichnung des enthaltenen Platingruppenmetalls gestempelt sein, z. B. "585 Platinum(585PAT)" oder "365 Palladium" (365PALL).
Europa: In den meisten Ländern ist ein Reinheitsgrad von 950‰ vorgeschrieben, während in einigen Ländern Iridium als Platin gezählt werden kann. Deutschland lässt andere Reinheitsgrade zu.
Der Begriff "Feinplatin" bezieht sich auf Platin mit einem Gehalt von mindestens 990 Teilen pro Tausend, das mit einer Feinplatinmarke versehen oder mit dem tatsächlichen Gehalt bedruckt sein muss.
2. Reines Platin
2.1 Mechanische Eigenschaften
Reines Platin ist weich, hat eine gute Duktilität und lässt sich hervorragend verarbeiten, so dass es je nach Bedarf zu Blechen gewalzt und zu Drähten gezogen werden kann. Ein Gramm reines Platin kann zu etwa 2 km feinem Draht gezogen werden. Reines Platin hat eine gute Zähigkeit, die die Herstellung von flexiblem Platinschmuck ermöglicht, was bei reinem Gold, Silber und anderen Edelmetallen nur schwer möglich ist.
Die Zugfestigkeit und die Streckgrenze von reinem Platin im geglühten Zustand sind höher als die von reinem Gold und reinem Silber; seine spezifische Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht) ist jedoch immer noch relativ gering, was es anfällig für Verformungen macht. Es wird hauptsächlich für die Herstellung von einfachem Schmuck ohne Edelsteinbesatz verwendet, z. B. für Ringe, Halsketten und Ohrringe.
Die wichtigsten mechanischen Eigenschaften von reinem Platin sind in Tabelle 5-3 aufgeführt.
Tabelle 5-3 Wichtigste mechanische Eigenschaften von reinem Platin
| Mechanische Eigenschaften | Geglühter Zustand | Verarbeiteter Zustand (60%) | |
|---|---|---|
| Härte HV/(N/mm)2) | 39 ~ 42 | 90 ~ 95 |
| Zugfestigkeit /MPa | 130 ~ 160 | 300 ~ 350 |
| Streckgrenze /MPa | 70 ~ 110 | - |
| Dehnungsrate /% | 40 ~ 50 | 1 ~ 3 |
Aufgrund der geringen Härte von reinem Platin ist Schmuck aus Platin anfällig für Dellen, Kratzer und Abnutzung durch den täglichen Gebrauch aufgrund von Stößen und Reibung, was eine Verstärkungsbehandlung erforderlich macht.
2.2 Prozessleistung
Platin hat einen sehr hohen Schmelzpunkt, und die Temperatur beim Feingießen liegt in der Regel über 1900 °C, was das Schmelzen und Gießen vor erhebliche Herausforderungen stellt. Kohlenstoff kann sich bei hohen Temperaturen in Platin lösen, und die Löslichkeit nimmt mit der Temperatur zu. Beim Abkühlen machen die Kohlenstoffrückstände das Platin spröde, ein Phänomen, das als Kohlenstoffvergiftung bekannt ist. Daher können beim Schmelzen von Platin keine Graphittiegel verwendet werden; in der Regel werden Tiegel aus Aluminiumoxid oder Bleioxid eingesetzt, und das Schmelzen erfolgt unter Vakuum oder Schutzgas. Platin kann mit Elementen wie P, S und Si Eutektika mit niedrigem Schmelzpunkt bilden, was zu einem Sprödbruch des Materials führt.
Die Oberflächenspannung von Platin ist 1,5 mal so hoch wie die von Gold, und seine Wärmeleitfähigkeit beträgt 1/3 derjenigen von Gold. Die Viskosität ist bei gleichem Überhitzungsgrad wesentlich höher als die von Gold (Abbildung 5-1). Die hohe Oberflächenspannung und Viskosität erschweren es dem geschmolzenen Metall, die Form gleichmäßig zu füllen, insbesondere bei kleinen Teilen; die niedrige Wärmeleitfähigkeit führt zu ungleichmäßiger Temperatur und Zusammensetzung des geschmolzenen Metalls, insbesondere bei großen Temperaturunterschieden zwischen dem geschmolzenen Metall und der Form. In der Praxis wird häufig das Schleuder- oder Vakuumsauggießen eingesetzt, um die Füllkraft zu erhöhen und die Füllleistung zu verbessern. Während des Gießens haben herkömmliche Gipsmodellwerkstoffe eine schlechte thermische Stabilität und erfahren unter der Einwirkung von Hochtemperatur-Platinflüssigkeit schwere thermische Zersetzungsreaktionen, die zu Defekten wie Porosität und Sandlöchern in den Gussstücken führen. Daher müssen Gießpulvermaterialien mit Phosphat als Bindemittel verwendet werden.
Reines Platin im geglühten Zustand hat eine niedrige Härte und eine höhere Kaltverfestigung als Gold und Silber, gehört aber auch zu den Metallen mit niedriger Schweißenergie. So ist die Kaltverfestigung nicht hoch, hat eine gute Flexibilität und Kaltverformungseigenschaften, kann gewalzt, gezogen, geschmiedet und andere Kaltverformung Verarbeitung, kann in einen sehr feinen Draht gezogen werden, rollte in eine sehr dünne Platinfolie.
3. Platin-Legierung
Um die Festigkeit und Härte von Platinwerkstoffen zu verbessern, damit sie den Anforderungen für die Herstellung von Schmuck gerecht werden, ist es notwendig, sie zu verstärken. Zum Legieren von Platin werden viele Metallelemente verwendet, und die Verstärkungswirkung der verschiedenen Legierungselemente auf Platin ist sehr unterschiedlich. Auch die Menge desselben Legierungselements führt zu unterschiedlichen Schwankungen in der Verstärkungswirkung (Abbildung 5-2).
Zu den Metallelementen, die üblicherweise in Platinlegierungen für Schmuck verwendet werden, gehören hauptsächlich Ir, Cu, Co, Ru, Pd usw. Ihre binären Legierungen können direkt für die Schmuckherstellung verwendet werden, oder sie können ternäre oder Multielement-Legierungen auf der Grundlage dieser Legierungen bilden, um die Gesamtleistung von Platinlegierungen zu optimieren.
3.1 Binäres Legierungssystem
3.1.1 Pt-Ir-Legierung
Pt-Ir-Legierung ist eine Legierung, die durch Zugabe einer geringen Menge Iridium zu reinem Platin entsteht. Wie in Abbildung 5-3 dargestellt, ist diese Legierung bei hohen Temperaturen ein kontinuierlicher Mischkristall, und wenn der Iridiumgehalt 7at % übersteigt, tritt beim Abkühlen von hoher Temperatur auf 975-700℃ eine Phasentrennung auf.
Ir ist ein wirksames Verstärkungsmittel für Pt. Mit zunehmendem Iridiumanteil lassen sich Festigkeit und Härte der Pt-Ir-Legierung deutlich verbessern, doch wird die Verarbeitung der Legierung schwierig, wenn der Ir-Gehalt > 30% ist (Abbildung 5-4).
Pt-Ir-Legierungen sind silber-weiß, mit einem starken metallischen Glanz, ist die weißeste und hellste aller Platin-Legierungen. Der Zusatz von Iridium verbessert die chemische Korrosionsbeständigkeit von Platin, 90% Pt-10% Ir-Legierung chemische Korrosionsrate ist nur 58% von reinem Platin. Legierung hat Flüchtigkeit, Ir in der Luft, wenn erhitzt flüchtigen Verlust als Pt viele Male, in 1227℃ , Ir Flüchtigkeit als Pt 100 mal, mit Ir höher als 5% der Legierung in der Luft, wenn erhitzt wird oxidieren, in 700℃ oder mehr, wird es die Legierung Oberflächenschicht wird blau. In 1200℃ über, wird die blaue Schicht verschwinden.
Pt-Ir-Legierungen mit einem geringeren Ir-Gehalt weisen bessere Gusseigenschaften auf. Mit zunehmendem Ir-Gehalt steigt der Schmelzpunkt der Legierung, und die Gussstücke weisen häufig dendritische Kristalle oder innere Entmischung auf, was zu einer schlechteren Einheitlichkeit der Legierungseigenschaften führt.
Je nach Nickel- und Platingehalt umfasst die Pt-Ir-Legierung hauptsächlich die drei Sorten 95%Pt-5%Ir, 90%Pt-10%Ir und 85%Pt-15%Ir; ihre wichtigsten Eigenschaften sind in Tabelle 5-4 aufgeführt. Die Pt-Ir-Legierung ist eines der wichtigsten Materialien für Platinschmuck und wird vor allem in den Vereinigten Staaten weit verbreitet. In den letzten Jahren wurde die Legierung Pt950Ir50 auch in Japan und Deutschland für Schmuckstücke verwendet.
Tabelle 5-4 Haupteigenschaften der verschiedenen Sorten von Platin-Iridium-Legierungen
| Klasse | Schmelzpunkt/°C | Dichte/ (g/cm3) | Härte HB/(N/mm)2) | Zugfestigkeit/ MPa | Dehnung/ % | Farbkoordinaten | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Klasse | Schmelzpunkt/°C | Dichte/ (g/cm3) | Geglühter Zustand | Verarbeiteter Zustand | Geglühter Zustand | Verarbeiteter Zustand | Geglühter Zustand | Verarbeiteter Zustand | L* | a* | b* |
| 95%Pt - 5%Ir | 1795 | 21.49 | 90 | 140 | 275 | 485 | 32 | 2.0 | 84.7 | -0.2 | 4.2 |
| 90%Pt - 10%Ir | 1800 | 21.53 | 130 | 185 | 380 | 620 | 27 | 2.5 | 85.5 | -0.1 | 4.7 |
| 85%Pt - 15%Ir | 1820 | 21.57 | 160 | 230 | 515 | 825 | 24 | 2.5 | - | - | - |
95%Pt-5%Ir Geringe Härte, geringe Neigung zur Schrumpfung beim Gießen, aber schlechte Fließfähigkeit, gröbere Körnung und nicht leicht zu polieren. Geeignet für handwerkliche Bearbeitung, Stanzen und andere Umformverfahren. Aufgrund der geringen Härte und der relativ hohen Zähigkeit ist sie schlecht zerspanbar und neigt dazu, an Werkzeugen zu haften. Diese Legierung kann als allgemeine Schmucklegierung zum Gießen, Basteln und Stanzen verwendet werden.
90%Pt-10%Ir ist eine Legierung mittlerer Härte, die mit den meisten Herstellungsverfahren verarbeitet werden kann. Diese Legierung bildet im geschmolzenen Zustand keinen Oxidfilm, was für das Gießen von Kleinteilen von Vorteil ist und als allgemeine Schmucklegierung zum Gießen, Basteln und Stanzen verwendet werden kann.
3.1.2 Pt-Cu-Legierung
Wie in Abbildung 5-5 dargestellt, ist die Pt-Cu-Legierung bei hohen Temperaturen ein kontinuierlicher Mischkristall, und bei niedrigeren Temperaturen ( < 825℃ ) scheidet sie geordnete Phasen wie PtCu3 und PtCu, was zu einer Verstärkung der Alterung und einer erhöhten Härte führt. Die Forschung hat herausgefunden, dass der Gusszustand der Legierung 95%Pt-5%Cu einer Wärmebehandlung bei 100-400℃ unterzogen wird und die Härte der Legierung aufgrund der Bildung eines Pt7Cu-Übergitterstruktur, wobei einige Legierungen eine geordnete Umwandlung durchlaufen, was zu einem geordneten Härtungseffekt und einer erhöhten Härte führt.
Cu ist ein mittelfestes Element für Platin, und seine Härtungswirkung hängt von der Behandlungsmethode ab. Der Härtungseffekt der Pt-Cu-Mischkristalllegierung ist nicht signifikant, wenn sie einer Alterungsbehandlung bei niedriger Temperatur unterzogen wird. Dennoch gibt es einen Härtungseffekt, wenn die Mischkristalllegierung kalt verformt und dann bei 300-500 °C gealtert wird.
Wenn die Pt-Cu-Legierung an der Atmosphäre erhitzt wird, bildet sich durch die selektive Oxidation der Kupferkomponente eine Kupferoxidschicht, die die Legierung anfällig für Oxidation und Verfärbung macht. Daher sollten das Schmelzen und die Wärmebehandlung in einer Schutzatmosphäre oder Vakuumumgebung erfolgen.
Die Pt-Cu-Legierung hat eine mäßige Härte, ist gießbar und wird üblicherweise als Allzwecklegierung verwendet. Legierungen, die für Schmuck verwendet werden, enthalten im Allgemeinen 3%-5%Cu, und wenn der Kupfergehalt 5% übersteigt, verschlechtert sich die Gießleistung der Legierung. Die wichtigsten Eigenschaften der Legierung 95%Pt-5%Cu sind in Tabelle 5-5 aufgeführt. Basierend auf dem Pt-Cu-Legierungssystem enthält die Legierung 4%-6% Cu und andere Legierungselemente wie Co, Ni, Pd, etc.
Tabelle 5-5 95%Pt-5%CuHaupteigenschaften der Legierung
| Schmelzpunkt/°C | Dichte/ (g/cm3) | Härte HV/(N/mm)2) | Zugfestigkeit/ MPa | Dehnung/ % | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Schmelzpunkt/°C | Dichte/ (g/cm3) | Feste Lösung | Geglühter Zustand (800℃) | Verarbeiteter Zustand (90%) | Geglühter Zustand | Bearbeiteter Zustand (90%) | Geglühter Zustand (800℃) | Maschine d Zustand (90%) |
| 1750 | 20.05 | 90 | 150 | 240 | 310 ~ 410 | 720 ~ 920 | 27 ~ 45 | 13 |
3.1.3 Pt-Co-Legierung
Abbildung 5-6 zeigt, dass die Pt-Co-Legierung bei Temperaturen über 825℃ einen unendlichen Mischkristall bildet, dessen Kristallstruktur kubisch-flächenzentriert ist. Unterhalb dieser Temperatur weist die Legierung, je nach Zusammensetzung, CoPt3 und CoPt geordneten Phasen, die einen Übergang von der ungeordneten Phase-> zur geordneten Phase durchlaufen, was zu einem geordneten Härtungseffekt führt. Die Härte der Pt-Co-Legierung hängt stark vom Wärmebehandlungsverfahren ab.
Im Vergleich zur Pt-Ir- und Pt-Ru-Legierung hat die Pt-Co-Legierung einen niedrigeren Schmelzpunkt, kann bei niedrigeren Temperaturen gegossen werden und ihre Schmelze hat eine relativ geringere Viskosität als andere Platinlegierungen (Abbildung 5-7). Daher ist die Fließfähigkeit der Pt-Co-Legierung besser als die der anderen Legierungen, mit geringerer Tendenz zur Gasaufnahme und Schrumpfung, was das Gießen von Schmuckstücken mit feinen Mustern ermöglicht.
Die Gussoberfläche der Pt-Co-Legierung weist einen gewissen Grad an Oxidation auf, der eine leicht grau-blaue Farbe ergibt. Durch Eintauchen des Werkstücks in Borsäure und Erhitzen auf eine orange-gelbe Temperatur kann diese blaue Farbe beseitigt werden. Die Pt-Co-Legierung weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf und wird weder von anorganischen Säuren und Basen bei Raumtemperatur noch von heißer, konzentrierter Schwefelsäure angegriffen. Mit steigendem Co-Gehalt nimmt die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit der Legierung ab, und die Wahrscheinlichkeit von Defekten durch oxidierte Einschlüsse in den Gussstücken steigt. Wenn diese Legierung für die Schmuckherstellung verwendet wird, überschreitet der Co-Gehalt daher im Allgemeinen nicht 10%, wobei die Legierung 95%Pt-5%Co (Tabelle 5-6) am häufigsten verwendet wird.
Tabelle 5-6 95%Pt-5%Co Haupteigenschaften der Legierung
| Schmelzpunkt/°C | Dichte/ (g/cm3) | Härte HV/(N/mm)2) | Zugfestigkeit/ MPa | Farbkoordinaten | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Schmelzpunkt/°C | Dichte/ (g/cm3) | Geglühter Zustand | Verarbeiteter Zustand | Geglühter Zustand | Verarbeiteter Zustand | L* | a* | b* |
| 1765 | 20.8 | 135 | 270 | 275 | 475 | 86.6 | 0.5 | 4.5 |
95%Pt-5%Co Die Legierung weist bei der Wärmebehandlung oder beim Schweißen eine leichte Oxidation auf der Oberfläche auf, so dass ein Schutz erforderlich ist. Sie sollte nach dem Schweißen unter Borsäurealkohol abkühlen, wobei eine leuchtend orange Farbe entsteht, die mit Zitronensäure entfernt werden kann. Beachten Sie, dass Borsäure nicht zum Schutz vor dem Schweißen verwendet werden sollte. Da Borsäure bei hohen Temperaturen zu einer Verunreinigung wird, lässt sich diese Legierung nicht gut mit einem Sauerstoff-Acetylen-Brenner schweißen; am besten ist die Verwendung eines Wasserschweißgeräts oder eines Lasers.
95%Pt-5%Co Die Legierung erfährt unterhalb einer bestimmten Temperatur eine magnetische Umwandlung und zeigt einen leichten Magnetismus. Bei der Verarbeitung ist besondere Vorsicht geboten, und Magnete sollten nicht zur Trennung von Pt-Co-Spänen und Sägemehl verwendet werden.
95%Pt-5%Co Die Legierung lässt sich gut gießen, und die Zugabe von Co als Zusatzstoff zu Pt kann die Härte der Legierung wirksam verbessern, was ihr gute mechanische Eigenschaften verleiht, sie leicht polierbar macht und für handwerkliche Arbeiten, Stanzen und maschinelle Bearbeitung geeignet ist. Die Legierung weist schließlich eine schwach blaue Farbe auf, die besonders gut mit Diamanten harmoniert und in Europa und Nordamerika häufig als Schmuckstück verwendet wird.
3.1.4 Pt-Ru Legierung
Die Kristallstruktur von Platin ist eine dicht gepackte hexagonale Struktur, die von Natur aus spröde und schwer zu verarbeiten ist. Wenn man Platin Ruthenium hinzufügt, kann sich ein breiter Mischkristall am Pt-reichen Ende bilden (Abbildung 5-8), so dass diese Legierung keine alterungsbeständige Wirkung hat. Ruthenium hat jedoch eine gewisse mischkristallverfestigende Wirkung und ist ein Kornfeinungsmittel, so dass die Zugabe von Ruthenium das Gefüge der Legierung verfeinern kann; die Legierung Pt-Ru hat daher eine gute Festigkeit und Härte. 95%Pt-5%Ru Die wichtigsten Eigenschaften der Legierung sind in Tabelle 5-7 aufgeführt. Durch die Zugabe von Ruthenium wird der Schmelzpunkt der Legierung Pt-Ru angehoben, und die Legierung erscheint silbrig-weiß.
Tabelle 5-7 95%Pt-5%RuHaupteigenschaften der Legierung
| Schmelzpunkt/°C | Dichte/ (g/cm3) | Härte HV/(N/mm)2) | Zugfestigkeit/ MPa | Dehnungsrate/% | Farbkoordinaten | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Schmelzpunkt/°C | Dichte/ (g/cm2) | Geglühter Zustand | Verarbeiteter Zustand | Geglühter Zustand | Verarbeiteter Zustand | Geglühter Zustand | L* | a* | b* |
| 1795 | 20.67 | 125 ~ 135 | 230 | 415 | 760 | 25 | 84.2 | 0 | 4.1 |
Die Härte der Pt-Ru-Legierung beträgt nach dem Glühen etwa HV130, mit einer stabilen Kaltverfestigungsrate, und kann schließlich etwa HV230 erreichen. Die Zugfestigkeit der Legierung ist ebenfalls relativ hoch, was der Pt-Ru-Legierung eine gute Verarbeitungs- und Polierleistung verleiht und sie für die Herstellung von Ringen aus Pt-Ru-Rohren geeignet macht. Die Pt-Ru-Legierung kann auch zum Gießen verwendet werden, ist aber im Vergleich zu anderen Platinlegierungen nicht optimal zum Gießen geeignet; das geschmolzene Metall hat eine hohe Tendenz zur Gasaufnahme, insbesondere mit einer guten Affinität für Sauerstoff, was zu Defekten wie Poren und Einschlüssen in den Gussstücken führt. Die Fließfähigkeit des geschmolzenen Metalls könnte besser sein, was es schwierig macht, kleine Schmuckteile zu formen, mit starker Mikroschrumpfung zwischen den Dendriten, ungleichmäßiger Korngrößenverteilung und gröberen säulenförmigen Körnern an der Oberfläche. Eine Erhöhung der Gieß- und Formtemperatur hilft, die Füllleistung zu verbessern, aber es muss feuerfestes Gießpulver mit guter Hitzebeständigkeit verwendet werden. Das Schmelzen mit einer Acetylen-Sauerstoffflamme wird nicht empfohlen, da das entstehende Rutheniumoxid RuO2 Dämpfe sind giftig.
Die Pt-Ru-Legierung ist eine in den USA weit verbreitete Platinlegierung, die ursprünglich für handgefertigte Gegenstände entwickelt wurde. Es handelt sich um eine Allzwecklegierung, wobei 95%Pt-5%Ru die gebräuchlichste ist, die gute Verarbeitungseigenschaften aufweist und bei der Herstellung von Hochzeitsschmuck weit verbreitet ist und sich auf dem US-Markt großer Beliebtheit erfreut. In der Schweiz wird diese Legierung auch häufig in der Uhrenherstellung verwendet.
3.1.5 Pt-Pd-Legierung
Abbildung 5-9 zeigt, dass die Pt-Pd-Legierung bei hohen Temperaturen ein kontinuierlicher Mischkristall ist. Bei langsamer Abkühlung unter 770℃ kommt es zu einer Phasenzersetzung, wobei sich zwei nicht mischbare feste Lösungen bilden: eine Pt-reiche Phase und eine Pd-reiche Phase.
Pt-Pd Die Härte der Legierung im geglühten Zustand ist sehr gering, mit guten Verarbeitungseigenschaften. Mit zunehmendem Pd-Gehalt steigen Härte und Festigkeit der Legierung zunächst rasch an und erreichen einen Spitzenwert, nach dem weitere Erhöhungen des Pd-Gehalts zu einem Rückgang von Härte und Festigkeit führen (Abbildung 5-10).
Pt-Pd Die Legierung weist eine hohe Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit auf, aber mit steigendem Pd-Gehalt nehmen ihre Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit leicht ab. Pt-Pd, Die Gießleistung der Legierung ist im Allgemeinen durchschnittlich, da Pd leicht Gase absorbiert, was dazu führt, dass sich beim Gießen in der Atmosphäre Nadellöcher in den Gussstücken bilden; es muss unter Schutzatmosphäre gegossen werden. Pt-Pd Die Legierung wird in der Regel in ihrer ursprünglichen Farbe verwendet. Es gibt drei Typen: 95%Pt-5%Pd, 90%Pt-10%Pd und 85%Pt-15%Pd, mit den folgenden Eigenschaften und Anwendungsbereichen.
(1) 95%Pt - 5%Pd Legierung:
Weit verbreitet in Japan, Hongkong und Europa, geeignet für das Gießen feiner Teile. Die Härte im geglühten Zustand ist etwa HV70, Dichte 20,98 g/cm3, Schmelzpunkt 1765℃.
(2) 90%Pt - 10%Pd Legierung:
Sie wird in Japan und Hongkong als Allzwecklegierung bevorzugt, kann gegossen, geschweißt und gelötet werden und ist eine der am häufigsten verwendeten Platinlegierungen in Asien. Sie hat eine grau-weiße Farbe, und die Oberfläche ist im Allgemeinen rhodiniert. Die Härte im geglühten Zustand liegt bei etwa HV80 und im verarbeiteten Zustand bei etwa HV140, ähnlich wie bei der Legierung 95%Pt-5%Ir. Die Dichte beträgt 20,51 g/cm3Der Schmelzpunkt liegt bei 1755℃, und das Gießverhalten ist gut, aber die Gussstücke weisen häufig Schrumpfungsfehler auf.
(3) 85%Pt - 15%Pd Legierung:
Wird für die Verarbeitung von Ketten in Japan und Hongkong verwendet, mit einer geglühten Härte von etwa HV90 und guter Flexibilität. Dichte 20,03 g/cm3, Schmelzpunkt 1750℃.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die binären Platinlegierungen, die sich aus verschiedenen Legierungselementen zusammensetzen, gewisse Leistungsunterschiede aufweisen und sich für verschiedene Verarbeitungsverfahren in der Schmuckherstellung unterschiedlich gut eignen, wie in Tabelle 5-8 dargestellt.
Tabelle 5-8 Häufige Anwendungen von Platinlegierungsreihen
| Legierungstyp | Schweißen | Razzia | Hydraulischer Druck | Stanzen | Präzisionsgießen | Schmieden | Einlage | Kettenherstellung | Zubehör | zusammenstellen |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Pt-Co-Legierung | ● | ● | ● | ● | ●●● | ● | ● | ● | ● | ● |
| Pt-Cu-Legierung | ●●● | ●●● | ●●● | ●●● | ●● | ●● | ●● | ●●● | ● | ●●● |
| Pt-Pd-Legierung | ●● | ●●● | ●●● | ●●● | ● | ●● | ●●● | ●● | ●● | ●●● |
| Pt-Rh-Legierung | ●● | ●● | ●● | ●● | ● | ●● | ●● | ●● | ●● | ●● |
| Pt-Ru-Legierung | ●● | ● | ●● | ●● | ● | ●● | ● | ●● | ●● | ● |
| Pt-Ir-Legierung | ●●● | ●●● | ●● | ●● | ●● | ● | ● | ●●● | ●● | ●●● |
| Pt-W-Legierung | ●●● | ●●● | ●● | ●●● | ● | ● | ● | ●● | ●●● | ●●● |
Anmerkung: ●Empfohlen; ●●Annehmbar; ●●●Schwierigkeiten.
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3.2 Ternäre oder quaternäre Platinlegierungen
Bei vielen Anwendungen muss die Härte von binären Platinlegierungen noch verbessert werden, und ihre Verarbeitungseigenschaften müssen besser sein, was zu Problemen bei der Herstellung und Verwendung der Produkte führt. Daher wurden viele ternäre oder quaternäre Platinlegierungen auf der Grundlage binärer Legierungen entwickelt, wie z. B. die Pt-Pd-Me-Legierungsreihe, die Pt-Ir-Me-Legierungsreihe, die Pt-Ru-Me-Legierungsreihe, die Pt-Co-Cu-Legierungsreihe usw. Die Pt-Pd-Me-Legierungsreihe basiert beispielsweise auf der binären Pt-Pd-Legierung, der ein oder mehrere andere Legierungselemente hinzugefügt werden.
Platinlegierungen bestehen aus Legierungselementen. Aufgrund der sehr geringen Härte der Pt-Pd-Legierung und ihrer durchschnittlichen Gießleistung kann die Zugabe von Elementen wie Cu, Co und Ru die Gesamtleistung der Legierung wirksam verbessern.
3.2.1 Pt-Pd-Cu-Legierung
Die Zugabe einer kleinen Menge Cu zur Pt-Pd-Legierung kann die Härte und Verschleißfestigkeit verbessern und gleichzeitig die Kosten der Legierung senken. Ein zu hoher Cu-Gehalt kann die Farbe, Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit der Legierung beeinträchtigen, und die Oberfläche neigt dazu, sich durch Oxidation während des Gießens, der Wärmebehandlung, des Schweißens und anderer Vorgänge zu verdunkeln. Daher wird der Cu-Zusatz im Allgemeinen auf 3% - 5% eingestellt, wobei die Farbe der Legierung durch Kupfer nicht beeinträchtigt wird und der Kupferoxidfilm, der sich bei der Warmverarbeitung auf der Oberfläche bildet, durch Einweichen in verdünnter Schwefelsäure entfernt werden kann. Die Verarbeitungseigenschaften und die Härte der Pt-Pd-Cu-Legierung werden verbessert. Mit steigendem Kupfergehalt nimmt die Härte der Legierung zu, insbesondere wenn sie in verarbeiteter Form verwendet wird, so dass sie sich für die Herstellung harter Schmuckstücke wie Halsketten, Armbänder, Broschen, Ohrringe und Anhänger eignet, die relativ leicht zu polieren sind. Die Gussleistung der Pt-Legierung ist im Allgemeinen durchschnittlich, und sie neigt zur Gasaufnahme und Oxidation, wenn sie an der Atmosphäre gegossen wird. Die Legierung ist relativ spröde und muss in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum gegossen werden. Diese Legierung wird häufig in China und Japan verwendet.
3.2.2 Pt-Pd-Ru-Legierung
Der Zusatz von Ru zur Pt-Pd-Legierung kann die Härte und die Verschleißfestigkeit verbessern und in gewissem Maße auch die Gießleistung steigern. Die Legierung hat eine gute Korrosionsbeständigkeit. Die Legierung hat eine gute Flexibilität und kann als Allzwecklegierung für verschiedene Umformverfahren verwendet werden.
3.2.3 Pt-Pd-Co-Legierung
Die Zugabe von Co kann die Gussleistung und die Verarbeitungsleistung der Pt-Pd-Legierung verbessern, die Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit der Legierung erhöhen und die Kaltverfestigungsrate der Legierung steigern (Abbildung 5-11). Nach der Zugabe von Co zu Pt900 mit 5% ist der Kaltverfestigungsgrad der Legierung deutlich höher als der von 90%Pt-10%Pd und 90%Pt-10%Ir und auch deutlich höher als der von 18 K Gold. Daher wird die Pt-Pd-Co-Legierung häufig zu harten Schmuckstücken verarbeitet. Da Co leicht oxidiert wird, kann sich beim Glühen oder Schweißen an der Atmosphäre leicht ein oxidierter Kobaltfilm auf der Oberfläche der Legierung bilden. Daher liegt der Co-Gehalt der Legierung im Allgemeinen innerhalb von 5%. Die Pt-Pd-Co-Legierung kann als Allzwecklegierung verwendet werden, die sich zum Gießen und zur Kaltverarbeitung eignet.
Die wichtigsten Eigenschaften und Verwendungszwecke der verschiedenen Legierungselemente und der verschiedenen Qualitäten von ternären Platinlegierungen sind in Tabelle
Tabelle 5-9 Haupteigenschaften und Anwendungen von ternären Platinlegierungen
| Legierung | Schmelzpunkt /℃ | Dichte / (g/cm)3) | Geglüht Härte HV/(N/mm2) | Zugfestigkeit im geglühten Zustand Festigkeit /MPa | Anmeldung | Hauptanwendungsbereich |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 90%Pt-7%Pd-3%Cu | 1740 | 20.7 | 100 | 300 ~ 320 | Allgemeine Anwendungen, bearbeitete Teile | Japan, China |
| 90%Pt-5%Pd-5%Cu | 1730 | 20.5 | 120 | 340 ~ 360 | Bearbeitete Teile | Japan, China |
| 85%Pt-10%Pd-5%Cu | 1750 | 20.3 | 130 | 350 ~ 370 | Bearbeitete Teile | Japan |
| 95%Pt-7%Pd-3%Co | 1740 | 20.4 | 125 | 350 ~ 370 | Allgemeine Anwendung | Japan, China |
| 85%Pt-10%Pd-5%Co | 1710 | 19.9 | 145 | 500 ~ 520 | Gussteile, bearbeitete Teile | Japan |
| 85%Pt-12%Pd-3%Co | 1730 | 20.1 | 135 | 370 ~ 390 | Gussteile, bearbeitete Teile | Japan |
| 80%Pt-15%Pd-5%Co | 1730 | 19.9 | 150 | - | Harte dekorative Teile | Japan |
| 95%Pt-3%Co-2%Cu | 1765 | 20.4 | 115 | 370 | Gussteile, bearbeitete Teile | China |
4. Häufige Probleme bei der Herstellung von Platinlegierungsschmuck
Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Platinlegierungen weist das Gießen von Platinschmuck Merkmale wie hohe Schmelztemperatur, kurze Verweildauer im flüssigen Zustand und leichte Verunreinigung der Metallflüssigkeit auf, was leicht zu Gussfehlern führen kann; die Härte von Platinschmuck ist relativ gering, während seine Zähigkeit hoch ist, was seine Herstellung viel schwieriger macht als die von Gold- und Silberschmuck.
4.1 Schmelztiegel
Platin hat einen hohen Schmelzpunkt, der hohe Anforderungen an die Hitzebeständigkeit, thermische Stabilität und chemische Reaktivität des Schmelztiegels stellt. Der für das Schmelzen von Platin verwendete Tiegel sollte die folgenden Eigenschaften aufweisen, um die metallurgische Qualität und die Produktionsstabilität zu gewährleisten.
(1) Hoher Schmelzpunkt und hohe Feuerfestigkeit. Es sollte den hohen Temperaturen des geschmolzenen Platins standhalten, ohne zu schmelzen oder weich zu werden.
(2) Gute Temperaturwechselbeständigkeit. Es kann dem schnellen Wechsel von Erwärmung und Abkühlung beim Induktionserwärmen, Schmelzen und Gießen standhalten, ohne dass es zu thermischen Schockrissen kommt.
(3) Gute chemische Inertheit. Es ist beständig gegen die Erosion von Metallflüssigkeiten bei hohen Temperaturen, reagiert nicht chemisch mit geschmolzenem Metall und wird nicht durch geschmolzenes Metall erodiert oder perforiert.
(4) Ausreichende mechanische Festigkeit. Es kann den Auswirkungen der Metallbeschickung und den äußeren Kräften des Schleudergusses widerstehen und ist daher weniger anfällig für Risse oder Abplatzungen.
Tiegel aus Graphit werden üblicherweise für das Schmelzen von Nichteisenmetallen verwendet und sind das bevorzugte Tiegelmaterial für das Schmelzen von Gold- und Silberlegierungen. Da Platin jedoch in seinem geschmolzenen Zustand eine große Menge Kohlenstoff lösen kann und sich beim Erstarren Kohlenstoff in Form von faserigem oder flockigem Graphit an den Korngrenzen ausscheidet, was zu einem Sprödbruch von Platin führt, ist Platin nicht zum Schmelzen in Graphittiegeln geeignet und kann nur in Oxidtiegeln geschmolzen werden.
Die Materialpalette von Oxidtiegeln ist recht breit, aber nur einige Arten von Oxidtiegeln eignen sich zum Schmelzen von Platin. Zum Beispiel haben Materialien wie Aluminiumoxid, Bleioxid und Magnesiumoxid alle sehr hohe Schmelztemperaturen (Aluminiumoxid 2050℃, Magnesium 2800℃, Zirkoniumoxid 2680℃), was sie zu häufig verwendeten Tiegelmaterialien macht; ihre Temperaturwechselbeständigkeit ist jedoch schlecht, und sie neigen zu Rissen und vorzeitigem Versagen, wenn sie für den Platinschmuckguss verwendet werden.
Derzeit werden Quarztiegel hauptsächlich für das Gießen von Platinschmuck verwendet. Quarztiegel haben eine gute Temperaturwechselbeständigkeit und können im Allgemeinen eine schnelle Abkühlung und Erwärmung während des Induktionserwärmungsgusses verkraften. Allerdings haben sie auch ein großes Problem: Ihre Feuerfestigkeit muss verbessert werden, um den hohen Temperaturen beim Platinschmelzen standzuhalten. Mit zunehmender Anzahl der Verwendungen wird die Wandstärke der Seitenwände und des Bodens des Tiegels immer dünner, wodurch sich das nutzbare Volumen effektiv vergrößert. Gleichzeitig nimmt der Außendurchmesser der Schmelzzone des Tiegels leicht ab (Abbildung 5-12). Insbesondere wenn die Rohstoffe nicht vorlegiert und direkt im Tiegel geschmolzen werden, werden häufig höhere Schmelztemperaturen und längere Schmelzzeiten gewählt, um eine gleichmäßige Zusammensetzung zu fördern, was zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit von Tiegelerosion und einer Verschlechterung der metallurgischen Qualität des geschmolzenen Metalls führt.
Tabelle 5-10 zeigt die Abmessungen und das Volumen des Tiegels nach verschiedenen Nutzungszahlen. Daher erfüllen die derzeitigen Quarztiegel die Anforderungen an das Gießen von hochwertigem Platinschmuck nicht ausreichend, und es müssen Tiegelmaterialien entwickelt werden, die eine bessere Temperaturwechselbeständigkeit und Feuerfestigkeit aufweisen.
Tabelle 5-10 Änderungen der Wanddicke und des effektiven Volumens von Quarzglastiegeln nach dem Schmelzen von Platin
| Anzahl/Zeiten der Schmelzöfen | Seitenwanddicke an der Schlackenlinie /mm | Bodendicke des Tiegels /mm | Veränderung des Außendurchmessers der Schmelzzone /mm | Effektives Volumen /mL |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 8.1 | 12.9 | 0 | 35.85 |
| 4 | 7.0 | 11.6 | 0.14 | 36.94 |
| 10 | 4.6 | 9.1 | 0.44 | 39.48 |
4.2 Gusswerkstoffe
Die Temperatur beim Platingießen ist hoch, die relative Dichte des geschmolzenen Metalls ist groß, und das Schleudergussverfahren wird häufig verwendet, ebenso wie die verwendeten Gussmaterialien. Die Materialien müssen Leistungsanforderungen wie hohe Hitzebeständigkeit, gute thermische Stabilität, geringe Reaktivität mit dem geschmolzenen Metall, hohe Formfestigkeit und eine gewisse Durchlässigkeit erfüllen. Für den Präzisionsguss von Gold- und Silberschmuck werden in der Regel Gipsformen verwendet, die sehr praktisch sind, da der Schlicker schnell erstarrt und nach dem Gießen leicht gereinigt werden kann. Für das Gießen von Platinschmuck sind Gipsformen jedoch ungeeignet, da Gips eine schlechte thermische Stabilität aufweist und sich bei 1200℃ thermisch zersetzt und die Festigkeit von Gipsformen relativ gering ist. Die Gießtemperatur des geschmolzenen Metalls beim Platingießen liegt oft über 1850℃. Bei Verwendung von Gipsformwerkstoffen weisen die Gussstücke schwerwiegende Mängel wie Porosität und Sandlöcher auf.
Daher sollten beim Platinguss Formstoffe mit Phosphaten und Kieselsol als Bindemittel verwendet werden, da ihre Hochtemperaturfestigkeit viel höher ist als die von Gipsformen und sie eine bessere thermische Stabilität aufweisen, was für die Herstellung von Gussstücken mit besserer Oberflächenqualität von Vorteil ist. Der aus diesen Formstoffen hergestellte Schlicker erstarrt jedoch nicht so schnell wie Gipsgießpulverschlicker; stattdessen ist eine langsame Entwässerung erforderlich, um die anfängliche Nassfestigkeit zu erreichen. Andernfalls kann die Form beim Brennen reißen, was zu Fehlern wie Graten und Sandlöchern in den Gussstücken führt (Abbildung 5-13). Die Festigkeit von phosphat- und kieselsolgebundenen Formen ist sehr hoch, die Flexibilität gering, und sie neigen aufgrund der geringen Plastizität der Platinlegierung im Gusszustand zu Rissen. Die Restfestigkeit der Form ist sehr hoch, was die Reinigung der Gussstücke erschwert.
4.3 Gussfehlern
Beim Gießen von Platinschmuck können Fehler wie Porosität, Schrumpfung und Einschlüsse auftreten. Abbildung 5-14 zeigt Porositätsfehler an einem Pt950-Platinguss. Das Auftreten von Porosität hängt eng mit den Eigenschaften der Legierung und dem Schmelz- und Gießverfahren zusammen. Platinlegierungen neigen stark zur Gasaufnahme, und wenn die Legierung in einer Atmosphäre mit unzureichendem Vakuum oder unter atmosphärischen Bedingungen geschmolzen wird, kann dies zu Defekten führen.
Bei hohen Temperaturen neigt das geschmolzene Metall dazu, Gase zu absorbieren; je höher die Temperatur des geschmolzenen Metalls ist, desto stärker ist die Gasabsorption. Wenn das geschmolzene Metall in die Form gegossen wird, kühlt es schnell ab, und die Löslichkeit der Gase im geschmolzenen Metall nimmt stark ab. Die Gase, die nicht gelöst werden können, fallen aus, und wenn die ausgefallenen Gase nicht rechtzeitig ausgestoßen werden können, bleiben sie an der Oberfläche oder im Inneren des Gussstücks eingeschlossen und bilden Poren. Platinlegierungen haben eine hohe Schmelztemperatur und eine gewisse Tendenz, Gase zu absorbieren, aber die verschiedenen Legierungstypen haben unterschiedliche Tendenzen. Bei gleichem Überhitzungsgrad ist die Gasabsorptionstendenz der Pt-Pd-Legierung im Allgemeinen größer als bei anderen Legierungen. Wenn im Gussstück häufig Gasporen auftreten, ist es ratsam, eine Legierung mit geringerer Gasabsorptionsneigung zu wählen und den Schutz während des Schmelzens zu verstärken, um die Gasabsorption zu verringern.
Abbildung 5-15 zeigt die Mikroschrumpfungsfehler, die beim Gießen des Pt900-Rings aufgetreten sind, ein häufiges Problem beim Gießen von Platinschmuck. Die Schrumpfungsdefekte verschlechtern die Polierqualität der Schmuckoberfläche erheblich, und eine starke Schrumpfung kann auch die Gesamtqualität und die mechanischen Eigenschaften des Schmucks beeinträchtigen. Der Grund dafür liegt im hohen Schmelzpunkt von Platinlegierungen und in der hohen Viskosität des geschmolzenen Metalls, die einen erheblichen Fließwiderstand erzeugt. Nachdem das geschmolzene Metall in die Form gegossen wurde, kühlt es schnell ab, und die Zeit, in der es in flüssiger Form bleibt, ist kurz. Wenn das Gussstück beim Erstarren schrumpft und das geschmolzene Metall den Fließwiderstand nicht überwinden kann, um zu den Bereichen zu gelangen, die ergänzt werden müssen, hinterlässt es letztendlich Schrumpfungsfehler im Gussstück. Je größer das Kristallisationsintervall der Platinlegierung ist, desto ausgeprägter sind die Dendriten, die sich während der Erstarrung bilden, so dass es für das geschmolzene Metall einfacher ist, sich während des Erstarrungsprozesses in kleinen flüssigen Bereichen zu isolieren. Wenn diese flüssigen Bereiche bei der Erstarrung schrumpfen, ist es für sie schwierig, von außen geschmolzenes Metall zuzuführen, was zu mikroskopischer Schrumpfung führt. Daher sind Platinschmuckstücke anfällig für Schrumpfungsfehler, und beim Gießen ist es ratsam, Platinlegierungen mit besserer Fließfähigkeit und kleineren Kristallisationsintervallen zu wählen, und die Größe der Gießkanäle sollte im Allgemeinen größer sein als bei Gold- und Silberschmuck.
4.4 Platinpolieren
Bei der Herstellung von Platinschmuck sind Schwierigkeiten beim Polieren der Oberfläche ein sehr häufiges Problem, das eng mit den Eigenschaften von Platin zusammenhängt. Für die Herstellung von Platinschmuck mit Intarsien wird im Inland hauptsächlich Pt950 verwendet, das eine geringere Härte aufweist. Die gegossenen Rohlinge haben in der Regel eine unzureichende Dichte und weisen Defekte wie Luftlöcher und Schrumpfung auf, wodurch beim Polieren leicht Kratzer entstehen können. Nach dem Polieren ist die Oberfläche aufgrund ihrer geringen Härte anfällig für Dellen und Kratzer.
Daher sollten bei der Produktion Anstrengungen unternommen werden, um die Härte von Platinlegierungen durch Mischkristallhärtung, Feinkornhärtung, Alterungshärtung und Verformungshärtung zu verbessern, und es sollten Maßnahmen getroffen werden, um die Qualität von Schmuckrohlingen zu verbessern und ihre Dichte zu erhöhen. Während des Schleifens ist es wichtig, den Zustand von Oberflächenfehlern richtig einzuschätzen und geeignete Korrekturmaßnahmen zu wählen. Verwenden Sie immer feineres Schleifpapier, um die Oberfläche wiederholt zu schleifen, bis die letzten Kratzer sehr klein und fast unsichtbar sind. Beim Polieren ist eine Überhitzung zu vermeiden, da sonst das Poliermittel leicht an der Werkstückoberfläche haften bleibt und sich mit dem nächst feineren Poliermittel vermischt, was zu einer Kreuzkontamination führt.
Abschnitt III Verwendetes Palladium und seine Legierungen für Schmuck
1. Palladium-Schmuck
1.1 Die Entwicklungsgeschichte von Palladium-Schmuck
Als seltenes weißes Edelmetall wurde Palladium bereits in den 1940er Jahren in der Schmuckherstellung verwendet. Während des Zweiten Weltkriegs wurde die Verwendung von Platin für zivile Zwecke eingestellt, da die Regierung es als strategische Reserve bezeichnete. Einige bekannte Schmuckmarken, wie z. B. Tiffany & Co. in den Vereinigten Staaten, hatten sich dafür entschieden, Palladium anstelle von Platin für die Schmuckherstellung zu verwenden. Nach dem Krieg fand Palladium in der Schmuckindustrie jedoch keine breite Verwendung mehr. Der Grund dafür ist, dass der Preis von Platin zu dieser Zeit zwar noch relativ akzeptabel war, die besonderen physikalischen Eigenschaften von Palladium jedoch die Herstellung erschwerten. Aus diesem Grund spielte Palladium in der Schmuckherstellung immer nur eine "Nebenrolle". In den frühen Platinschmuckstücken aus Japan und China war die Legierung, die gemeinhin als Füllstoff bezeichnet wird, Palladium, so dass es eine gewisse Anwendung von Palladium in der Schmuckindustrie gab. Die weit verbreitete Verwendung von Palladium in der Schmuckindustrie hat ihren Ursprung in China. Ende 2003, als die Platinpreise hoch waren, begann China, die Verwendung von Palladium für die Schmuckherstellung energisch zu fördern. Palladiumschmuck wurde schnell zu einem neuen Favoriten auf dem Schmuckmarkt, und viele Juweliergeschäfte richteten spezielle Verkaufsstellen für Palladiumschmuck ein, was zu einer raschen Entwicklung des Palladiumschmuckmarktes führte und China zum weltweit größten Verbraucher von Palladiumschmuck machte. In der Zwischenzeit haben auch die Vereinigten Staaten, Japan und Europa Palladiumschmuck entwickelt, und viele international renommierte Juweliere und führende Modeschmuckdesigner sehen generell eine breite Entwicklungsperspektive für Palladiumschmuck. Auch international bekannte Marken begannen, sich auf Palladiumschmuck zu konzentrieren und den einzigartigen Glanz und die starke Plastizität voll auszunutzen, um ein modernes und stilvolles Schmuckstück nach dem anderen zu kreieren.
Im Vergleich zu Platinschmuck ist die chemische Stabilität von Palladiumschmuck jedoch relativ gering. Nach längerem Tragen von Palladiumschmuck neigt er dazu, stumpf zu werden. Außerdem fühlt sich Palladiumschmuck aufgrund seiner geringeren Dichte leicht und luftig an, was zu einer schlechteren Textur führt. Die Verarbeitung ist schwieriger als bei Platin; beim Schmelzen neigt es zum Fliegen und hat eine hohe Verlustrate. Die Produkte neigen zu Problemen wie Porosität, Bruch und Verfärbung beim Schweißen, was hohe Anforderungen an alle Aspekte der Produktion stellt. Das technische Niveau gewöhnlicher Goldgeschäfte und schmuckverarbeitender Fabriken reicht oft nicht aus, um Palladium zu verarbeiten, weshalb die meisten Goldgeschäfte nicht bereit sind, Palladiumschmuck zurückzukaufen. Dies hat dazu geführt, dass der inländische Markt für Palladiumschmuck nach einer kurzen Phase des Ruhms in einen Entwicklungsengpass geraten ist, insbesondere in den letzten Jahren, da der Preis für Palladium aufgrund der steigenden Nachfrage auf dem Umweltmarkt in die Höhe geschnellt ist und deutlich über dem von Platin liegt, was die Entwicklung von Palladiumschmuck weiter behindert.
1.2 Reinheitskennzeichnung von Palladium-Schmuck
Reiner Palladiumschmuck ist der höchste Schmuckgrad mit einem theoretischen Wert von 1000‰. Reines Palladium ist weich und kann im Allgemeinen nur zu einfachem Goldschmuck ohne eingebettete Edelsteine verarbeitet werden, z. B. zu Ringen, Halsketten, Ohrringen usw. Sollen Edelsteine eingefasst werden, muss dem Palladium eine geringe Menge anderer Metalle wie Iridium, Ruthenium oder Kupfer beigemischt werden, um die Härte und Zähigkeit von reinem Palladium zu erhöhen. Daher werden die meisten Palladiumschmuckstücke aufgrund ihrer Zusammensetzung aus Palladiumlegierungen hergestellt, die sich in hochwertiges Palladium und minderwertiges Palladium unterteilen lassen. Hochwertiges Palladium hat in der Regel einen Palladiumgehalt von mehr als 80%, wobei Legierungen mit 95% am häufigsten verwendet werden; minderwertiges Palladium hat in der Regel einen Palladiumgehalt von höchstens 50%.
Um die Reinheit des Palladiums in jedem Schmuckstück zu gewährleisten, muss jedes Palladiumschmuckstück mit einem Pd-Reinheitsetikett versehen sein. In den meisten Ländern der Welt wird die Qualität von Schmuck aus einer Palladiumlegierung in Tausendstel ausgedrückt, z. B. Pd850, Pd900, Pd950 und Pd990, was der Reinheit des Pd in dem Schmuckstück mit 850‰, 900‰, 950‰ bzw. 990‰ entspricht.
2. Palladium-Legierung Schmuck Materialien
2.1 Reines Palladium
Das durchschnittliche Reflexionsvermögen von Palladium für sichtbares Licht ist mit 62,8% niedriger als das von Silber und Platin und erscheint grau-weiß. Palladium hat die geringste Korrosionsbeständigkeit unter allen Platingruppenmetallen, ist aber immer noch besser als Silber. In einer normalen atmosphärischen Umgebung weist Palladium eine gute Korrosionsbeständigkeit und Anti-Anlaufeigenschaften auf. Die Dichte von Palladium beträgt 12,02 g/cm3Palladium wird als leichtes Edelmetall eingestuft, und im Vergleich zu Gold und Platin ist Palladiumschmuck mit demselben Volumen leichter. Im Gegensatz dazu scheint Palladiumschmuck mit demselben Gewicht ein größeres Volumen zu haben.
Reines Palladium im geglühten Zustand hat eine Härte von etwa HV42, eine Zugfestigkeit von etwa 190 MPa und eine Dehnung von 35%-40%, was eine gute Verarbeitungsleistung darstellt. Bei einer Verformung von 50% steigt die Härte auf HV110, und die Zugfestigkeit beträgt etwa 350 MPa. Die Kaltverfestigungsrate von Palladium ist höher als die von Platin.
2.2 Palladiumlegierung für die Dekoration
Aufgrund der geringen Festigkeit und Härte von reinem Palladium wird es bei der Herstellung von Schmuck leicht verformt und abgenutzt. Daher muss es bei der Herstellung häufig nachbehandelt werden. Hochwertige Palladiumlegierungen dürfen nur geringe Mengen oder Spuren von Legierungselementen enthalten, die eine hohe Härtungs- oder Verstärkungswirkung haben sollten. Die Verstärkungswirkung verschiedener Legierungselemente auf Palladium ist sehr unterschiedlich (Abbildung 5-16). Zu den Elementen mit besserer Härtungs- und Verstärkungswirkung gehören Ru, Ni-Ir, Cu und andere.
2.2.1 Pd-Ru-Legierung
Das Phasendiagramm der binären Legierung ist in Abbildung 5-17 dargestellt. Diese Legierung gehört zum peritektischen System, wobei die maximale Löslichkeit von Ruthenium in Palladium 17,2%(at) und die peritektische Reaktionstemperatur beträgt 1583℃, Pd-Ru. Die Legierung ist bei hohen Temperaturen ein einziger Mischkristall. Mit abnehmender Temperatur nimmt die Löslichkeit von Ruthenium in Palladium ab, was bei einer bestimmten Temperatur zur Ausscheidung einer rutheniumreichen Phase führt, die die Festigkeit der Legierung erhöht.
Unter den üblicherweise verwendeten Legierungselementen hat Ruthenium die stärkste Verstärkungswirkung auf Palladium, und die Legierung weist eine hohe Kaltverfestigungsrate auf. Mit steigendem Ru-Gehalt nehmen Härte und Festigkeit der Pd-Ru-Mischkristalllegierung deutlich zu, und die Kaltverfestigungsrate der Legierung steigt. Legierungen mit einem geringeren Rutheniumgehalt, wie z. B. Pd-Ru, haben gute Verarbeitungseigenschaften, aber wenn der Rutheniumgehalt 12% (wt), verschlechtert sich die Verarbeitungsleistung der Legierung. Daher hat die für Schmuck verwendete Pd-Ru-Legierung in der Regel einen geringeren Rutheniumgehalt, wobei 95%Pd-5%Ru die häufigste ist. Die Eigenschaften dieser Legierung sind in Tabelle 5-11 aufgeführt. Der Zusatz von Ruthenium kann das Reflexionsvermögen von Palladium für sichtbares Licht verbessern, wodurch es weißer erscheint; außerdem kann er die Korrosionsbeständigkeit von Palladium erhöhen.
Tabelle5-11 95%Pd-5%Ru Haupteigenschaften der Legierung
| Schmelzpunkt/°C | Dichte/ (g/cm3) | Farbe | Härte HV/(N/mm)2) | Zugfestigkeit/ MPa | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Schmelzpunkt/°C | Dichte/ (g/cm3) | Farbe | Feste Lösung | Alterungszustand der festen Lösung | Verarbeiteter Zustand (50%) | Feste Lösung | Verarbeiteter Zustand (50%) |
| 1590 | 12 | Silber-weiß | 100 | 160 | 180 | 420 | 650 |
95%Pd-5%Ru kann zu Profilen verarbeitet und dann durch Stanzen, maschinelle Bearbeitung und andere Verfahren zu Schmuck oder anderen dekorativen Gegenständen verarbeitet werden; es kann auch direkt im Wachsausschmelzverfahren zu Schmuckrohlingen gegossen und dann durch Formenbau zu Ornamenten verarbeitet werden.
2.2.2 Pd-Cu-Legierung
Das Phasendiagramm einer binären Legierung aus Pd-Cu ist in Abbildung 5-18 dargestellt. Die Legierung ist im Hochtemperaturbereich ein kontinuierlicher Mischkristall. Wenn die Temperatur unter 598℃ sinkt, macht die Pd-Cu-Legierung innerhalb des Zusammensetzungsbereichs mit abnehmendem Palladiumgehalt eine Ordnungsumwandlung durch und bildet verschiedene geordnete Phasen, die die Härte der Legierung erhöhen. Da der Kupfergehalt die Farbe und die Korrosionsbeständigkeit der Legierung nach Erreichen eines bestimmten Niveaus beeinträchtigt, wird der Kupfergehalt in dekorativen Pd-Cu-Legierungen im Allgemeinen innerhalb von 10% gehalten, was weit von der Zone der Ordnungsumwandlung entfernt ist, und die Legierungsstruktur ist eine einzige Mischkristallphase. Sowohl Kupfer als auch Palladium haben eine kubisch-flächenzentrierte Struktur, und der Unterschied zwischen ihren Atomradien ist nicht signifikant, so dass die verstärkende Wirkung von Kupfer in Palladium nicht sehr ausgeprägt ist.
Anmerkung: Ll2 steht für Cu3geordnete Phase vom Pd-Typ; steht für eine geordnete Phase vom CuPd-Typ; 1D LPS steht für eine eindimensionale Domänenstruktur mit umgekehrter Phase; 2D LPS steht für eine zweidimensionale Struktur mit umgekehrter Phase; 506℃ steht für die Anfangstemperatur der Ll2-geordneten Phasenübergangs; 598℃ steht für die Anfangstemperatur des β-geordneten Phasenübergangs.
Im Pd-Cu-Legierungssystem ist die Legierung 95%Pd-5%Cu die am weitesten verbreitete, und ihre wichtigsten Eigenschaften sind in Tabelle 5-12 aufgeführt.
Tabelle 5-12 Haupteigenschaften der Legierung 95% Pd-5% Cu
| Schmelzpunkt/°C | Dichte/ (g/cm3) | Farbe | Härte HV/(N/mm)2) | Zugfestigkeit/ MPa | Dehnungsrate /% | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Schmelzpunkt/°C | Dichte/ (g/cm3) | Farbe | Feste Lösung | Verarbeiteter Zustand (75%) | Feste Lösung | Verarbeiteter Zustand (75%) | Feste Lösung | |
| 1490 | 11.4 | Silber-weiß | 60 | 160 | 250 | 550 | 30 | |
Der Schmelzpunkt der Legierung 95%Pd-5%Cu ist niedriger als der der Pd-Ru-Legierung, und der Bereich der Kristallisationstemperatur ist sehr klein, was für die Gussleistung von Vorteil ist. Aufgrund der hohen Gasabsorptionstendenz von Palladium ist es jedoch wahrscheinlich, dass beim Gießen Defekte wie Porosität auftreten.
Aufgrund der geringeren Härte der Pd-Cu-Legierung kann die Zugabe einer angemessenen Menge von Legierungselementen mit höherer Härtungswirkung, wie Ni, Ga und In, die Härte der Legierung weiter verbessern.
Die Legierung 95%Pd-5%Cu kann zu Profilen verarbeitet werden, um Schmuck herzustellen, und sie kann auch im Wachsausschmelzverfahren zu Schmuck verarbeitet werden. Binäre Legierungen können zur Herstellung von einfachem Goldschmuck verwendet werden, während ternäre oder Multielement-Legierungen, die verstärkende Elemente enthalten, zur Herstellung von Intarsienschmuck geeignet sind.
2.2.3 Pd-Ga-Legierung
Das Phasendiagramm der binären Pd-Ga-Legierung ist in Abbildung 5-19 dargestellt. Ein vollständiges Phasendiagramm muss noch erstellt werden, aber es wird vermutet, dass sich bei niedrigem Ga-Gehalt während der Erstarrung eine kontinuierliche feste Lösung bildet. Wenn die Temperatur sinkt, nimmt die Löslichkeit von Gallium in Palladium ab, was zur Ausscheidung einer Phase führt, die die Ausscheidungsfestigkeit erhöht. Wenn der Galliumgehalt ein bestimmtes Niveau erreicht, bilden sich während der Erstarrung eine Reihe von Zwischenphasen, die die Legierung hart und spröde machen. Daher übersteigt der Galliumgehalt in praktischen Pd-Ga-Legierungssystemen in der Regel nicht 5%, und seine Festigkeitswirkung ist deutlich größer als die von Kupfer, das einen hohen Härtungseffekt aufweist.
Gallium hat einen sehr niedrigen Schmelzpunkt, und seine Zugabe zu Palladium senkt den Schmelzpunkt der Legierung ebenfalls. Die Schmelztemperatur der Legierung 95%Pd-5%Ga ist niedriger als die der Legierung 95%Pd-5%Cu, aber das Kristallisationsintervall der Pd-Ga-Legierung ist größer als das der letzteren. Gallium hat einen sehr hohen Siedepunkt, wird aber in der Atmosphäre leicht oxidiert, so dass während des Schmelzens und Gießens ein Schutz unter Vakuum oder Inertgas erforderlich ist. 95%Pd-5%Ga kann als allgemeine Legierung verwendet und durch Verarbeitungsprofile oder Wachsausschmelzverfahren zu Schmuck verarbeitet werden. Aufgrund seiner hohen Festigkeit kann es für die Herstellung von Intarsienschmuck verwendet werden.
Um die Leistung der Legierung während der Produktion weiter zu verbessern, werden zusätzliche Elemente wie In und Ag auf der Grundlage der Pd-Ga-Legierung hinzugefügt, wie die von der amerikanischen Firma Hoover & Strong entwickelte Legierung 95%Pd-5%Ga/Ag, die eine Glühhärte von HV125 und ein Kristallisationsintervall von nur 30℃ aufweist, und die von der italienischen Firma Legor entwickelte Legierung 95%Pd-5%Ga/In, die eine Glühhärte von HV103 und ein Kristallisationstemperaturintervall von 50℃ aufweist. Diese Legierungen haben eine gute Gießleistung, eine relativ gute Gussqualität und eine gute Rezyklierbarkeit.
2.2.4 Pd-Ag-Legierung
Das Phasendiagramm der binären Legierung Ag-Pd ist in Abbildung 4-13 dargestellt. Diese Legierung ist in flüssiger und fester Phase unbegrenzt mischbar und bildet eine kontinuierliche feste Lösung. Die Zugabe von Ag zu Pd senkt den Schmelzpunkt der Legierung und erhöht ihren Weißgrad und Glanz.
Die Pd-Ag-Legierung lässt sich gut gießen, was für die Schmuckherstellung von Vorteil ist. Wie in Abbildung 5-16 zu sehen ist, hat Silber eine gewisse härtende Wirkung auf Palladium, die jedoch nicht sehr ausgeprägt ist. Für die Herstellung von hochwertigem Palladiumschmuck ist es aufgrund der Festigkeit und Härte der Pd-Ag-Legierung schwierig, die Produktionsanforderungen zu erfüllen. Daher werden dieser Legierung zusätzliche Legierungselemente wie Ru, Ni, Cu, Ga und In zugesetzt, um ternäre oder Multielement-Legierungen mit besserer Festigkeit zu entwickeln.
Die Sowjetunion fügte der Pd-Ag-Legierung einst eine kleine Menge Ni zu, um sie zu verstärken, und entwickelte so die Legierung 85%Pd-13%Ag-2%Ni, einen Einphasenmischkristall mit einem Schmelzpunkt von etwa 1450℃, einer Glühhärte von etwa HB100, guter Korrosionsbeständigkeit und chemischer Stabilität sowie guter Verarbeitungsfähigkeit.
Die Zugabe von Cu zu einer Pd-Ag-Legierung kann deren Härte bis zu einem gewissen Grad verbessern. Bei hochwertigen Palladiumlegierungen ist die kombinierte Verstärkungswirkung von Ag und Cu jedoch ebenfalls begrenzt (Abbildung 5-20).
3. Häufige Probleme mit Palladiumschmuck
3.1 Problem der Verdunkelung und Verfärbung
Nach längerem Tragen von Palladiumschmuck wird die Oberfläche oft stumpf. Das liegt an den Eigenschaften des Palladiums selbst: Pd hat eine relativ geringe chemische Stabilität, seine d-Elektronenschicht ist nicht gefüllt, und es adsorbiert leicht organische Gase. Unter der katalytischen Wirkung von Pd wandeln die adsorbierten organischen Substanzen aromatische Verbindungen in aliphatische Verbindungen oder komplexe Mischungen um und bilden einen dunkelbraunen organischen Polymerfilm auf der Oberfläche, der den so genannten "Braunpulvereffekt" darstellt. Um die Anti-Mattierungsleistung von Palladiumschmuck zu verbessern, ist es aus Sicht der Materialien und Verfahren notwendig, Legierungselemente hinzuzufügen, die die Beständigkeit von Pd gegen organische Verunreinigungen erhöhen, wie Ag, Au, Cu, Ni, Sn usw. Darüber hinaus ist der Weißgrad von Palladiumlegierungen selbst nicht ausreichend, so dass sie in der Regel mit Rhodium beschichtet werden müssen, was Verbesserungen des Rhodiumbeschichtungsprozesses erfordert, um die Lebensdauer der Beschichtung zu verlängern. Bei der Verwendung ist es außerdem wichtig, Quellen organischer Verunreinigungen in der Umwelt zu reduzieren und die Verwendung oder Lagerung in Umgebungen zu vermeiden, die organische Substanzen wie Toluol, Ether und Phenol enthalten.
3.2 Fragen zum Gießverfahren
Die meisten Schmuckstücke müssen durch Gießen geformt werden, wobei der Schwierigkeitsgrad beim Gießen von Palladiumschmuck weit über dem von Gold- und Silberschmuck liegt. Dies hängt mit den Eigenschaften von Palladiumlegierungen zusammen, die sich hauptsächlich in den folgenden Aspekten zeigen:
(1) Graphittiegel können nicht für das Schmelzen von Palladiumlegierungen verwendet werden, da bei ihnen das gleiche Problem der "Kohlenstoffvergiftung" auftritt wie bei Platin; es können nur Quarz-, Magnesia- und andere keramische Tiegel verwendet werden.
(2) Die Palladiumlegierung schmilzt stark und neigt dazu, Gas zu absorbieren. Beim Schmelzen neigt das geschmolzene Metall zum Spritzen, was zu hohen Verlusten führt und höhere Anforderungen an die Gießanlagen und Schmelzverfahren stellt.
(3) Der Schmelzpunkt von Palladiumlegierungen ist relativ hoch, wobei die Gießtemperaturen im Allgemeinen über 1400℃ liegen, und die Gießtemperatur von hochwertigem Palladium kann sogar 1700℃ erreichen. Daher führen herkömmliche Gipsformen zu schwerwiegenden Reaktionen, und es müssen Keramikformen mit Phosphatbindern verwendet werden.
3.3 Pflege und Recycling von Palladiumschmuck
Die handwerkliche Verarbeitung von Palladiumschmuck ist recht anspruchsvoll, und die Produkte weisen unweigerlich verschiedene Probleme auf, die während des Gebrauchs auftreten können, wie Verfärbungen, sichtbare Lochfehler, Risse oder Bruchstellen. Auf dem Schmuckmarkt hat sich noch kein umfassender Wartungs- und Servicekanal herausgebildet. Gewöhnliche Goldläden oder Schmuckfabriken haben oft Schwierigkeiten, die Wartung oder das Recycling von Palladiumschmuck zu übernehmen, da die Hardwarebedingungen und technischen Einschränkungen dies erschweren.
Copywrite @ Sobling.Jewelry - Hersteller von kundenspezifischem Schmuck, OEM- und ODM-Schmuckfabrik
