Разработка новых сплавов на основе палладия для реализации литейных технологий в ювелирном производстве

До недавнего времени палладий в ювелирной промышленности применялся только в качестве осветляющей добавки для получения «белого золота», так как даже в незначительном количестве (1 %) палладий способен резко изменить цвет золота в серебристо-белый. Такое узкое использование ювелирной промышлен- ностью палладия неоправданно; благодаря своим высоким эстетическим свойст- вам (серебристо-белый цвет, интенсивный блеск) его возможно применять в каче- стве альтернативного материала широко использующимся в настоящее время «белому золоту» и платине. По физико-химическим и механическим свойствам изделия из палладиевых сплавов практически не уступают изделиям из платины и золота, а некоторые характеристики даже их превышают. Так, например, повы- шенная твердость палладиевых сплавов повышает износостойкость ювелирных изделий.
Однако использование палладия в ювелирной промышленности до сих пор является проблематичным в связи с тем, что чистый палладий характеризуется плохой обрабатываемостью резанием, полируемостью, низкими литейными свой- ствами, трудностью обработки давлением. Кроме того, отсутствие специализиро- ванного оборудования для изготовления конечных изделий и сплавов на основе палладия ведет к нарушению и нестабильности технологического цикла при про- изводстве ювелирных изделий. С другой стороны, применение палладия для изго- товления ювелирных изделий очень выгодно, поскольку эти сплавы имеют потре- бительские качества, практически не уступающие платине и ее сплавам.
Разработка новых ювелирных сплавов на основе драгоценных металлов, в том числе палладия, экспериментальными методами представляет собой длитель- ный и очень дорогостоящий процесс. Кроме того, при создании новых составов ювелирных сплавов необходимо учитывать международные требования, согласно которым ювелирные изделия, предназначенные для повседневной носки и нахо- дящиеся в непосредственном контакте с кожей человека, не могут быть изготов- лены из сплавов, содержащих в своем составе никель, кобальт, которые, согласно
5
декларация о соответствии директиве 94/27 СЕ, отнесены к аллергенам и канцеро- генным веществам, что ограничивает их применение в ювелирной промышленно- сти.
Поэтому разработка научно-обоснованных технических и технологических решений производства ювелирных изделий из новых сплавов на основе палладия, соответствующих требованиям европейских стандартов, несомненно является ак- туальной научно-технической проблемой.
Актуальность работы подтверждается тем, что она выполнялась в рамках Федеральной программы «Стратегия развития цветной металлургии России на 2014-2020 годы и на перспективу до 2030 года», разработанной в соответствии с поручением Правительства Российской Федерации от 16 июля 2013 г. N ДМ-П9- 53пр., а также при финансовой поддержке Красноярского краевого фонда под- держки научной и научно-технической деятельности (проект No 206-КФ) и в рам- ках выполнения хоздоговорных работ с ОАО «Красноярский завод цветных ме- таллов» имени В.Н. Гулидова по темам:
– разработка технологии получения ювелирных палладиевых припоев 850-й пробы;
– разработка технологии изготовления ювелирных палладиевых сплавов бе- лого цвета 500-й, 900-й и 950-й пробы, не содержащих никель, для расширения номенклатуры продукции ювелирного производства.
Благодаря исследованиям отечественных и зарубежных ученых, таких как: Г.Ф. Баландин, В.С. Биронт, А.А. Бочвар, А.И. Вейник, Б.Б. Гуляев, Л.Ф. Мон- дольфо, И.И. Новиков, А.Г. Спасский, Г.И. Эскин, Д.Г. Эскин и др. разработаны научные основы плавки и литья, кристаллизации цветных металлов и сплавов, внесен существенный вклад в дальнейшее развитие теории и практики литейного производства, что явилось научной базой при проведении исследований, обосно- вания и дальнейшего совершенствования литейных технологий производства ювелирных изделий из сплавов на основе палладия [112-118].
Существенный вклад в теорию разработки новых сплавов на основе драго- ценных металлов (в том числе и на основе палладия) и развитие практики произ-

6
водства художественного и ювелирного литья внесли такие ученые как: Н.А. Бе- лов, Н.П. Голикова, Ю.П. Денисов, Н.Н. Довженко, Е.В. Пальгуев, В.К. Руденко, И.Н. Саханская, Г.М. Сивков.
Объектом исследований являются новые составы литейных и припойных сплавов на основе палладия и литейные технологии для производства из них юве- лирных изделий.
В диссертационной работе получил развитие метод разработки составов сплавов путем априорного планирования температур плавления и кристаллизации сплавов на основе построения политермических разрезов многокомпонентных систем, предложенный профессором Биронтом В.С [22].
Цель диссертационной работы: разработка комплекса технологических решений, обеспечивающих производство ювелирных изделий из новых сплавов на основе палладия.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены сле- дующие задачи:
− разработка программного обеспечения для создания многокомпонентных систем на основе палладия, учитывающего влияние легирующих элементов на формирование физических и технологических свойств палладиевых сплавов (да- лее по тексту ПС);
− создание новых ювелирных литейных и припойных ПС, соответствующих международным потребительским требованиям;
− проведение исследований структуры и потребительских свойств новых ПС;
− разработка технологических режимов литейного производства ювелирных изделий из новых ПС;
− внедрение полученных результатов исследований в ювелирное производст- во и использование их в учебном процессе при подготовке высококвалифициро- ванных специалистов в области литейного производства.

7
Научная новизна:
1. Разработан и обоснован химический состав новых литейных и припойных пал- ладиевых сплавов, удовлетворяющих технологическим требованиям и потреби- тельским свойствам ювелирных изделий.
2. Результаты моделирования физических и технологических свойств, получен- ные с помощью программы Polytermo (Политерм), были использованы для приго- товления и литья новых литейных и припойных ПС.
3. Установлены закономерности влияния химического состава на температурные параметры кристаллизации, физико-механические свойства металла и формирование в процессе литья структуры и потребительских свойств новых палладиевых сплавов:
– кремний, как легирующий элемент, оказывает наиболее положительное влияние на литейные свойства ПС, существенно снижая интервал кристаллизации;
– в области содержания легирующих элементов в пределах 5÷10% разработанные ПС имеют дендритную структуру. Твердость ПС линейно зависит от концентра- ции элементов и повышается с ее увеличением, что обеспечивает качественную финишную обработку ювелирных изделий.
4. Установлено, что предложенный новый припойный сплав системы Pd – Si с содержанием кремния 3,9÷4,1 % обеспечивает высокие технологические свойства припоя, в том числе, достаточно низкую температуру нагрева для пайки, не пре- вышающую 950÷1000°С, и хорошую смачиваемость паяемых поверхностей.
5. На основе экспертной оценки эстетических свойств ювелирных изделий после финишной обработки установлено, что ПС на базе системы Pd-Ag-Si имеют более высокую отражательную способность и широкую цветовую гамму по сравнению с ГОСТированными. Улучшение указанных свойств обеспечивается за счет боль- шей твердости сплавов данной системы, обеспеченной дисперсионным упрочне- нием интерметаллидом Pd5Si.
Практическую значимость имеют следующие результаты работы.
1. Разработаны методики выбора составов новых литейных ювелирных и припой- ных ПС и исследований их структуры и служебных свойств.

8
2. Создано программное обеспечение Polytermo (Политерм) для расчета физиче- ских свойств ПС, на которое получено свидетельство о государственной регист- рации программы для ЭВМ No 2015660623.
3. Разработан комплекс технологических решений для производства ювелирных изделий из новых ПС, включающий:
– новые составы ювелирных ПС 500-й, 900-й и 950-й пробы, защищенных патен- тами РФ No 2479655, No 2479656, и евразийскими патентами No 019656, No 021269; – новые составы припойных ПС 850-й пробы, защищенных патентами РФ No 2568406 и No 2591900;
– технологические режимы литейного производства ювелирных изделий из новых ПС, прошедшие испытания в промышленных условиях ОАО «Красцветмет».
4. Результаты исследований внедрены в учебный процесс в ФГАОУ ВО «Сибир- ский федеральный университет» (СФУ) и используются при обучении магистров по направлению 22.04.02 «Металлургия» магистерской программе 22.04.02.07 «Теория и технология литейного производства цветных металлов и сплавов» и ас- пирантов по специальности 05.16.04 «Литейное производство».
Степень достоверности научных положений и полученных результатов обоснована применением научно-обоснованных методов исследований, планиро- вания эксперимента, статистического анализа данных, математического модели- рования, соответствием результатов исследований, полученных автором, с ре- зультатами других исследователей в этой области, практической реализацией по- лученных результатов в промышленных условиях ОАО «Красцветмет».
На защиту выносятся следующие основные положения:
− результаты исследования и выбора рациональных составов ПС для изготов- ления из них литых ювелирных изделий;
− результаты прогнозирования физических и технологических свойств ПС;
− результаты влияния химического состава на температурные параметры кри- сталлизации и на физико-механические свойства ПС;
− технологические параметры литья ювелирных изделий из новых ПС.

9
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка ис- пользованных источников, содержащего 126 источников, и четырех приложений. Основной материал изложен на 148 страницах, включая 36 таблиц и 94 рисунка.
Настоящая работа является продолжением комплекса научно- исследовательских работ, выполняемых на кафедре «Литейное производство» Института цветных металлов и материаловедения (ИЦМиМ) ФГАОУ ВО «Сибир- ский федеральный университет» (СФУ) в рамках научно-исследовательских работ с ОАО «Красцветмет». Включенные в диссертацию и выносимые на защиту ре- зультаты настоящей работы представляют собой ту часть общих результатов на- учно-исследовательских работ по рассматриваемой проблеме, которые получены автором с соавторами за годы совместной работы.
Автор работы выражает глубокую благодарность за консультации в области ювелирного производства доктору технических наук, профессору Сидельникову Сергею Борисовичу, заведующему кафедрой «Обработка металлов давлением» Института цветных металлов и материаловедения ФГАОУ ВО СФУ, доктору тех- нических наук, профессору кафедры ОМД Горохову Юрию Васильевичу, канди- дату технических наук, доценту кафедры ОМД Константинову Игорю Лазареви- чу, кандидату технических наук, доценту кафедры МиТОМ Аникиной Валентине Ильиничне.
Работа выполнена при научной консультации доцента кафедры «Литейное производство» кандидата технических наук Губанова Ивана Юрьевича.