Ювелирное производство: плавка металла

Плавим металл

Поступающие для плавки частицы одного или нескольких металлов загружаются в специальные плавильные печи, под влиянием высокой температуры доводятся до жидкой однородной массы, которая отливается в формы для получения слитков.

Материал, поступающий в плавку, называется шихтовым, или шихтой. Шихта может быть в виде чистых металлов, бракованных слитков и изделий, лома, обрезков, стружки и опилок и других отходов ювелирного производства.

Шихтовый материал в зависимости от степени и характера загрязнения подвергается различной обработке.

Возвратные отходы от переработки драгоценных металлов своего производства (литники, высечка, стружка, обрезки и др.), не вызывающие сомнения в отношении содержания основных и легирующих компонентов, поступают в плавку без предварительной подготовки.

Отходы драгоценных металлов (опилки, мелкие обрезки, стружка), загрязненные в процессе работы, проходят очистительную обработку и только после этого поступают в плавку.
Шихтовые материалы, загрязненные вредными примесями (металлами, не отвечающими составу сплава; материалами, отрицательно влияющими на свойства сплава, и т.д.), подвергают предварительной плавке, а затем отправляют на аффинажные заводы или на заводы вторичных драгоценных металлов.

Очистка шихты. Отходы драгоценных металлов, возвращающиеся от рабочих (опилки, стружка, мелкие обрезки и т.д.), не могут быть не загрязнены. Очистительной обработкой этих отходов занимаются сами рабочие. Собранные опилки прокаливают в муфельной печи для удаления всех сгорающих примесей (дерева, воска, щетины от щеток, бумажной и другой пыли). Остывшую шихту разрыхляют и тщательно промагничивают для извлечения стальных примесей (опилок, обломков лобзиковых пилок и сверл, окалины). Очищенные таким образом отходы драгоценных металлов можно считать подготовленными к плавке Для определения слитка на пригодность к дальнейшему использованию.

Сплавляют для различных целей - соединения частей одного металла в один слиток, приготовления сплавов и припоев (легко­плавких, легкотекучих сплавов), освежения сплава и т.д.

Плавку драгоценных металлов производят в индукционных печах с графитовым тиглем. Шихтовый материал загружается в тигель (смотри рис. а - графитовый тигель) - огнеупорный сосуд плавильной печи, в котором расплавляют металл. Последовательность загрузки зависит от величины и состояния шихты (крупные куски, слитки или мелкие обрезки, стружка и т.д.), состава и температурных характеристик компонентов входящих в сплав.

Порядок загрузки и плавки шихты. При плавке однородного металла шихту можно загружать в тигель одновременно, если плавильная печь обеспечивает быстрый нагрев шихты. В противном случае сначала загружают крупные куски или брикеты, а по мере расплавления их добавляют мелкие обрезки и другие отходы. Расплав из золота нагревают до 1200... 1250 °С, серебра - до 1100...1 150 °С.

Для приготовления двойных золотосеребряных сплавов загрузку шихты начинают с серебра. Его загружают на дно тигля, а сверху засыпают золото и расплавку ведут одновременно, если куски шихты приблизительно одного размера. Если же величина шихтовых материалов различна, то загружают сначала крупные куски, а по мере их расплавки добавляют мелкие, серебряные или золотые. Температура нагрева расплава для золотых сплавов с содержанием до 30 % Ag - 1200... 1250 °С, для сплава с содер­жанием 40...70 % Ag - 1180... 1240 °С, для сплава с содержанием 80% Ag- 1170... 1230 °С.
При легировании золота медью (приготовление двойных золотомедных сплавов) плавку шихты начинают с золота. Если величина шихтовых материалов различна, то плавят раньше слитки и крупные куски золота, а затем догружают мелочь. Медь загружают только после того, как полностью расплавится золотая шихта. Для всех сплавов с содержанием меди в качестве медной лигатуры используют прокат марок не ниже Ml. Расплав, содержащий до 2 % Си, нагревают до 1190... 1250 °С; 8,4 % Си - до 1180...1240 °С; 42,7% Си - до 1150... 1230 °С.

При приготовлении тройных золотосеребряномедных сплавов сначала загружают золото и серебро, а затем в золотосеребряный расплав - медь. Нагрев расплава производится: для сплава 958-й пробы до 1180... 1240 °С; 750-й - до 1 180... 1200 °С; 583-й - Ю80...1200°С; 500-й - 1070... 1160 °С; для сплавов 375-й пробы до 1120... 1230 °С.

Загрузку золотоникелевомедного сплава начинают с золота. После его расплавления догружают никель и медь. Тигель нагревают на 150...250° выше температуры полного расплавления.

При плавке серебряных сплавов загрузку тигля начинают с серебра и после полного расплавления загружают медь. Для сплавов серебра 875-й пробы и выше температура нагрева 1090... П40°С.

Плавку золотых припоев с содержанием легкоплавких металлов цинка и кадмия можно производить двумя способами: 1) цинк и кадмий вводят в расплав в последнюю очередь подогретыми до температуры 150 °С; 2) сначала создают промежуточные лигатуры легкоплавких металлов с медью при постепенном нагревании металлов, а затем сплавляют весь набор сплава.

Защитные покровы, флюсы, раскислители. При плавке драгоценных металлов и сплавов для предохранения расплавов от окисления, насыщения кислородом и другими газами из окружающей среды, а также для верхней теплоизоляции расплавов (для сокращения расходов, теплоты на плавку) применяют следующие защитные покровы: древесный уголь, буру, борную кислоту, хлористый кальций, хлористый натрий, хлористый калий, хлористый барий.

Флюсы очищают расплавы от нежелательных компонентов, загрязнений и примесей путем окисления и перевода оксидов в шлаки. В большинстве случаев в качестве флюсов используются те же вещества, что и для защитных покровов.

Раскислители восстанавливают окисленные компоненты расплава до металлов для повышения его жидкотекучести и качества отливаемых слитков. Для драгоценных сплавов раскислителями являются цинк, фосфористая медь и марганцовокислый калий.
При выборе защитных покровов, флюсов и раскислителей необходимо учитывать характер их взаимодействия с расплава­ми и отдельными компонентами расплавов. Например, древесный уголь, один из лучших защитных покровов для серебра и его сплавов, не пригоден для платины, так как платина, металлы платиновой группы и никель, а также сплавы с содержанием этих металлов при плавке подвержены науглероживанию. Недопустимо также применение угля совместно с калиевой селитрой и поташом, так как эти флюсы при нагревании в присутствии углерода образуют взрывоопасные соединения.

Древесный уголь может выполнять роль как защитного покрова, так и флюса. Для плавок драгоценных металлов и сплавов лучшим считается хорошо прокаленный березовый уголь. Температура вспышки угля 250...300°С. Уголь прокаливается без доступа воздуха до вишнево-красного цвета. Хранится в сушильных шкафах при температуре на 20...50° выше температуры окружающей среды. В качестве защитного покрова может быть применен при плавке серебра, серебряно-медных сплавов, золота и золотых сплавов без содержания платины, металлов платино­вой группы и никеля.

Бура (плавленая) используется в качестве флюса и защитного покрова при плавке драгоценных металлов. Обладает свойством хорошо отшлаковывать оксиды многих металлов и шлаковых включений. Расплавленная бура обладает хорошей смачиваемостью. Находясь в шихте, она обволакивает нерастворимые тугоплавкие включения и оксиды и поднимает их на поверхность. Переплавленную, мелкоистолченную и прокаленную при температуре 450 °С буру хранят в сухой посуде с притертой пробкой. В качестве флюса и защитного покрова бура может применяться для всех драгоценных металлов и сплавов, как самостоятельно, так и в сочетании с другими флюсами. Для лучшего скольжения расплава по стенкам бурой покрывают рабочую часть тигля.

Борная кислота (плавленая) используется в качестве флюса при плавке золотых сплавов.
Буру или борную кислоту засыпают на дно прогретого тигля до загрузки шихты, таким образом смачивая частицы металла до начала их окисления.

Смесь поташа с бурой (1:1 по массе) применяют как флюс при очистительных плавках. Смесь должна быть прокалена. Флюс вводят порциями. При загрязнении шихты нежелательными металлами применяют смесь буры с калиевой или натриевой селитрами.

При плавке драгоценных сплавов с селитрой можно повысить пробу сплава до 20 ед. При плавке с селитрой шихту нагревают под покровом буры до температуры отливки и в расплав двумя-тремя приемами вводят селитру.

Другие флюсы - хлористый кальций, хлористый барий, хло­ристый натрий, хлористый калий - также применяют при очистительных плавках. Свойства и действие флюсов однотипны. Температура плавления 772...925°С. Образуют хорошие защитные покровы для сплавов с температурой плавления до 1300°С. Хлористый кальций, хлористый барий, хлористый натрий или хлористый калий, как и буру, применяют в переплавленном, измельченном и прокаленном виде.

Лучший раскислитель для золотых сплавов - цинк. Его вво­дят из расчета 0,05...0,1 % от массы шихты. Для серебряных сплавов используют фосфористую медь.

Процесс плавки. Перед загрузкой шихты в тигель следует проверить исправность плавильной системы и подготовить для отливки слитка изложницы. Тигель перед загрузкой в него металла прогревают, на дно прогретого тигля засыпают флюс из расчета 1% от массы шихты. Затем в тигель загружают шихту и задают нужную температуру. После расплавления шихты расплав покрывают небольшим количеством свежего флюса и перемешивают. Не понижая температуры нагрева, расплаву дают отстояться, чтобы флюс отшлаковал ненужные оксиды и примеси, вводят раскислитель. В расплавы припоев и сплавов, содержащих цинк, раскислитель не вводится в связи с достаточным количеством компонентов, выполняющих роль раскислителя. Изложницы, нагретые до 100°С для удаления следов влаги, натирают технологической смазкой и устанавливают для отливки. После этого расплав отливают через сливной желоб тигля в изложницы, и после полной кристаллизации и выдержки слиток извлекают.

На предприятиях, оборудованных плавильными комплексами, плавку и отливку производят в центробежных или вакуумных установках.В условиях мастерских, не оборудованных плавильными печами, шихту нагревают газопламенной горелкой. Плавку проводят в специальных тигельках (плошках), рассчитанных для массы металла не более 30 г. Плошки изготовляют из смесей на основе огнеупорной глины, каолина, графита, шамота. В этих же целях можно использовать шамотный кирпич или кусок древесного угля, обмазанного огнеупорной глиной. Используют также плошки из кварцевого стекла. Но самой доступной в любых условиях является плошка, изготовленная из асбестового картона толщи­ной 6...8 мм. Обрезанный по размеру картон увлажняют и придают ему форму легкого прогиба (углубление не должно превышать 6...7 мм, чтобы не создать эффект отраженного пламени), сушат и перед плавкой глазуруют бурой. Асбестовый тигелек выдерживает 3...4 плавки. Однако все эти тигельки недолговечны, застывающая бура отслаивает глиняную обмазку, а кварцевый тигелек сразу после отливки резко охлаждают в воде, иначе, бура, остывая, разрывает поверхность кварца.

Слитки трехкомпонентных сплавов «золото - медь - серебро» при охлаждении ниже 450 °С сохраняют первоначальную кубическую гранецентрированную решетку и свойства твердого раствора, поэтому слитки необходимо подвергать резкому охлаж­дению. Это придает им мягкость и пластичность.

Для отливки слитков драгоценных металлов используют чугунные и стальные изложницы (смотри рис. Изложницы для отливки слитков сборные, для вертикальной отливки и горизонтальной отливки). Изложница, или ингус, представляет собой металлический брусок с выфрезерованным пазом по форме будущего слитка. Нерабочая стенка изложницы делается выше, она служит экраном, направляющим расплав в паз. Размеры изложниц и толщина их стенок зависят от размеров слитка. Изложницы для горизонтальной отливки делают сплошными. Они могут иметь несколько ячеек. Для вертикальной отливки изготовляют разъемные изложницы, с заливной воронкой с торца. Изложницы рекомендуется делать из серого гематитового чугуна с малым содержанием примесей серы и фосфора или низкосортных сталей  (как правило, разъемные). Изложницы прокаливают до температуры 500...550°С с технологическими смазками. Роль технологических смазок - обеспечить хорошее качество отливаемых слитков, т. е. хорошее растекание расплава по ячейке, препятствовать образованию раковин и наплывов и пригоранию расплава к стенкам изложницы. В качестве смазок употребляют: льняное, конопляное, подсолнечное, веретенное и машинное масла, пчелиный воск и водную эмульсию молотого мела.

Перечисленные масла рекомендуются для отливки слитков из серебра, золота и припоев. Если смазку производят непосредственно перед отливкой, то перед использованием масло обязательно обезвоживают кипячением на водяной бане при ПО... 120 °С в течение 2 ч. Смазку наносят тонким слоем на рабочую поверхность изложницы, подогретой до температуры не более 100 °С. Пчелиный воск - одна из лучших смазок. Используется в тех же случаях, что и масла. Наносится на рабочую поверхность изложницы, нагретой до 50...70°С. Водная эмульсия молотого мела применяется при отливке высокотемпературных металлов и сплавов - золота, платины, палладия. После нанесения слоя эмульсии на рабочую поверхность изложницы, нагретой до 150...200°С, ее тщательно просушивают до полного удаления влаги. Просушенную изложницу рекомендуется  прокаливать  при  температуре  550°С,  тогда   изложница выдерживает более 100 заливок. Делают это заранее, так чтобы к моменту отливки изложница имела рабочую температуру 150...200°С.

Плавка и отливка металлов - один из наиболее опасных процессов, при котором несоблюдение безопасности труда может вызвать серьезные травмы. Выполнять плавку можно только на полностью исправном и налаженном оборудовании. Вся плавильная оснастка должна быть заранее подготовлена и разложена на удобных для работы участках. Плавку следует проводить в защитных очках и с предельной осторожностью. Загружать шихту в нагретый тигель нужно при помощи специального жестяного совочка, размеры которого позволяют безопасно провести операцию. Помешивание расплава и снятие шлака осуществляют специальной графитовой или кварцевой мешалкой, длина которой обеспечивает удобство работы и надежную защиту рук от ожогов. Особой осторожности требует разлив металла в изложницы. Кроме того, что необходим навык, надо убедиться в правильности установки изложницы и степени смазки ее. Лишняя смазка может вызвать разбрызгивание сплава. Плавильщик обязан работать в защитном фартуке из кожи, брезента или войлока. Выброс слитков из изложниц и охлаждение их производят в рукавицах.