電鑄硬千足金飾品變形問(wèn)題探討

袁軍平，李衛(wèi)，王昶，黃宇亨

（1.暨南大學(xué)材料科學(xué)與工程系，廣東 廣州 510632；2.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院珠寶學(xué)院，廣東 廣州 511483）

【電鑄】

電鑄硬千足金飾品變形問(wèn)題探討

袁軍平1,2,*，李衛(wèi)1，王昶2，黃宇亨2

（1.暨南大學(xué)材料科學(xué)與工程系，廣東 廣州 510632；2.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院珠寶學(xué)院，廣東 廣州 511483）

電鑄硬千足金飾品具有成色高、硬度高、可佩戴、耐磨損、輕巧等特點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)千足金首飾品的局限，得到了市場(chǎng)的青睞。但作為薄壁中空鑄件，在生產(chǎn)和使用過(guò)程中會(huì)遇到變形問(wèn)題。本文從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、壁厚、電鑄液、電鑄工藝條件、操作方法等方面分析了電鑄硬千足金飾品產(chǎn)生變形的原因，提出了相應(yīng)的解決措施。

飾品；硬千足金；電鑄；變形；硬度

1 前言

傳統(tǒng)千足金飾品有兩大類(lèi)，一是作為佩戴用的首飾，二是空心電鑄件。前者由于硬度很低，難以滿足造型復(fù)雜、花紋細(xì)致、鏤空雕刻、鑲嵌寶石等首飾加工工藝要求，在佩戴使用中飾品容易磨損變形而失去光澤。因此，大大制約了千足金飾品的藝術(shù)價(jià)值[1-2]。后者由于產(chǎn)品壁很薄，非常容易變形崩潰，因而只能作為擺設(shè)品[3]，無(wú)法當(dāng)作佩戴用的飾品。電鑄硬千足金飾品是對(duì)傳統(tǒng)千足金首飾和擺設(shè)件的一個(gè)突破，它具有如下特點(diǎn)[4-5]：

(1) 成色高。含金量超過(guò)99.9%，一般在99.92% ～99.95%之間，完全符合國(guó)家對(duì)千足金的成色規(guī)定。

(2) 硬度高。鑄態(tài)硬度一般可達(dá)120 ～ 160 HV，相當(dāng)于18K黃金的硬度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)千足金的硬度。

(3) 可配戴。隨著硬度大幅增加，飾品的抗變形性能提高，可作為首飾配戴，突破了傳統(tǒng)黃金電鑄工藝飾品只能作為擺件的老問(wèn)題。

(4) 耐磨損。突破了傳統(tǒng)千足金首飾質(zhì)地軟的限制，耐磨損性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)千足金飾品。

(5) 輕巧。采用中空電鑄工藝，壁厚一般在220 μm以內(nèi)，質(zhì)量比同樣外觀、同樣體積的傳統(tǒng)千足金首飾大大降低。

然而，作為一項(xiàng)全新的工藝技術(shù)，電鑄硬千足金飾品常遇到各種問(wèn)題，給生產(chǎn)和使用帶來(lái)了困擾。這其中，盡管硬千足金的強(qiáng)度可以得到大幅提高，抗變形能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的千足金飾品，但它畢竟是薄壁中空鑄件，而生產(chǎn)過(guò)程中出于裝飾方面的要求，常需要進(jìn)行脫芯、打磨、車(chē)花、噴砂、釘砂等各種表面處理，且飾品主要用于日常佩戴，因此在生產(chǎn)和使用過(guò)程中還是可能遇到變形問(wèn)題。為此，有必要對(duì)電鑄硬千足金飾品的變形問(wèn)題進(jìn)行探討。

2 千足金飾品變形的影響因素

2. 1 產(chǎn)品壁厚

作為空心鑄件，壁厚是保證強(qiáng)度的基本因素。對(duì)于某種確定的電鑄液體系，鑄件的抗變形性能在很大程度上取決于壁厚。厚壁件的抗變形能力優(yōu)于薄壁件。實(shí)踐證明，電鑄件壁厚在140 μm以內(nèi)較易發(fā)生變形。因此，要獲得足夠的抗變形性能，各種電鑄液體系一般都要求壁厚達(dá)到160 μm以上。如果確實(shí)需要將壁厚控制在低限，就需要在電鑄件的結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行改進(jìn)。當(dāng)然，壁厚也并非越厚越好。一是出于經(jīng)濟(jì)方面考慮，壁厚過(guò)厚將增加金重，因此需要在滿足使用性能的前提下，盡量控制壁厚；二是隨著壁厚增加，電鑄件表面的清晰度降低，特別是在一些精細(xì)的紋飾部位；三是當(dāng)壁厚過(guò)厚時(shí)，電鑄件的內(nèi)應(yīng)力顯著增加，從而增加其脆性。因此，目前電鑄硬千足金飾品的壁厚大都控制在220 μm以內(nèi)。

2. 2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是電鑄硬千足金飾品時(shí)需要考慮的重要因素，它會(huì)影響電鑄過(guò)程中的金屬沉積方式及鑄件承受外力的能力，因而會(huì)影響電鑄件的抗變形能力。

根據(jù)電沉積理論，電鑄沉積過(guò)程中壁厚的均勻性體現(xiàn)了鑄件表面電流的分布特性。電流分布均勻，壁厚就較均勻[6-7]。電鑄飾品結(jié)構(gòu)會(huì)影響電流分布狀況，在鑄件尖角、棱邊等部位的電流密度較高，容易出現(xiàn)電鑄層燒焦或樹(shù)枝狀結(jié)晶，而在鑄件凹陷、盲孔等部位的電流密度低，鑄層厚度薄，甚至?xí)霈F(xiàn)穿孔現(xiàn)象。

不同的結(jié)構(gòu)承受外來(lái)的能力不同，以圖 1為例，如果鑄件表面是沒(méi)有弧度的光滑平面(圖1a)，當(dāng)其面積超過(guò)1 cm2時(shí)，承受外力的能力就大大下降，輕輕擠壓，中間就可能出現(xiàn)凹陷。

圖1 表面結(jié)構(gòu)對(duì)承受外力的影響Figure 1 Effect of surface structure on bearing of external force

圖1b、1c和1d分別是改變后的結(jié)構(gòu)。圖1b是在平面中央形成凹陷，這種結(jié)構(gòu)在一定程度上略微增加了承受外力的能力。但是當(dāng)凹陷深寬比稍大時(shí)，可能在凹陷部位出現(xiàn)壁厚不足而發(fā)生破裂脫落的現(xiàn)象；圖1c是在平面中央形成臺(tái)階凸起，這種結(jié)構(gòu)對(duì)于承受外力幾乎沒(méi)有益處，甚至還更容易受擠壓變形；圖1d是在平面中央形成弧面凸起，這種結(jié)構(gòu)大大改善了鑄件承受外力的能力，壁厚也基本均勻。因此，在飾品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮生產(chǎn)工藝的可行性和鑄件的抗變形能力，因?yàn)椴⒉皇撬蟹厦缹W(xué)觀點(diǎn)的飾品都能生產(chǎn)出來(lái)。一般優(yōu)先采用弧面結(jié)構(gòu)，但不同形狀的浮凸，抗變形的能力也有區(qū)別。圖2是3種面積相同但形狀不同的表面凸起，而圖 2a的抗變形能力就低于圖 2b和圖2c。

圖2 表面凸起形狀對(duì)承受外力的影響Figure 2 Effect of raised surface shape on bearing of external force

許多飾品的底部都是平面，且面積較大，為了增加其承受外力的能力，可以在原版的底平面上打出密密麻麻的小孔，使電鑄出來(lái)的金貨底面也形成這樣的小孔，如圖 3所示。這種結(jié)構(gòu)可以明顯改善平面的抗變形能力。

圖3 為防止變形而打孔的飾品底平面Figure 3 Perforated bottom plane of a ornament for preventing deformation

當(dāng)飾品比較大時(shí)，可采取多處鏤空的辦法，如圖4所示。這種結(jié)構(gòu)除可形成特別的裝飾效果外，對(duì)抗變形性能也是有利的。

圖4 飾品表面多處鏤空防止變形Figure 4 Hollowing out on the surface of an ornament for preventing deformation

2. 3 電鑄液

就行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有硬金電鑄工藝而言，主要有氰化電鑄和無(wú)氰電鑄兩大類(lèi)別。后者大多是亞硫酸鹽體系。不同電鑄液體系的致硬機(jī)理可能不同，在電沉積方面的表現(xiàn)也不同，因此電鑄件性能上也有一定區(qū)別。為獲得純度高、硬度高、均勻性好的硬千足金電鑄件，要求電鑄液具有良好的分散性、覆蓋性和穩(wěn)定性，而且電流效率高，電鑄層結(jié)晶細(xì)小致密。電鑄液的分散性能是使電鑄層厚度分布均勻的能力，它主要由電鑄件表面電流分布的均勻性決定，而電解液本身的特性是影響電流分布的一個(gè)基本因素。電鑄液的覆蓋性能是使復(fù)雜鑄件深凹處沉積電鑄層的能力，主要受基體本身的性質(zhì)和表面狀況影響[8]。

氰化物電鑄硬千足金工藝是在傳統(tǒng)氰化物電鑄純金基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，這類(lèi)電鑄液具有較強(qiáng)的陰極極化作用，形成的配合物穩(wěn)定常數(shù)大，在電鑄過(guò)程中釋放金屬離子的速度均勻，電鑄液的分散能力、覆蓋能力和穩(wěn)定性都比較好。但這種工藝對(duì)環(huán)境影響惡劣，屬于明令限制采用和終將淘汰的工藝，而且在電鑄過(guò)程中還可能遇到電流效率逐漸下降的問(wèn)題，不利于獲得厚度、硬度都均勻的鑄層，因而也不利于電鑄金件的抗變形性能。無(wú)氰電鑄工藝以亞硫酸鹽鑄液體系為主，它是近年來(lái)在傳統(tǒng)亞硫酸鹽電鍍液基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的新工藝，具有較好的分散能力和深鍍能力，電流效率高，所得鍍層細(xì)致光亮，沉積速度快，有利于提高電鑄飾品的抗變形能力。但是，當(dāng)前的亞硫酸鹽電鑄工藝還存在穩(wěn)定性不足、產(chǎn)品缺陷較多、生產(chǎn)成本高的問(wèn)題。

2. 4 電鑄工藝條件

電鑄層厚度的均勻性除取決于電解液本身的性能外，還與電鑄工藝條件密切相關(guān)。同種電鑄液采用不同的工藝條件時(shí)，所得結(jié)晶層的致密度和壁厚均勻性會(huì)有差別，也會(huì)影響電鑄金件的抗變形性能。

影響較大的電鑄工藝條件包括：

(1) 幾何因素。包括電極和電鑄槽的尺寸及形狀，陰極和陽(yáng)極間的距離以及相對(duì)排列和布置等。

(2) 工作溫度。它會(huì)影響允許電流密度上限、電鑄層外觀色澤及結(jié)晶組織。溫度過(guò)低，鑄液分散能力差，鑄層不均勻；溫度過(guò)高，電鑄金件結(jié)晶粗糙，甚至使以蠟質(zhì)或低溫合金芯模發(fā)生軟化變形。

(3) 陰極電流密度。它對(duì)上鑄速度、外觀色澤和結(jié)晶質(zhì)量都有明顯影響。過(guò)低時(shí)結(jié)晶較粗，過(guò)高時(shí)局部易燒焦或形成樹(shù)枝狀結(jié)晶。

(4) 基體表面狀態(tài)。如潔凈程度和粗糟程度會(huì)影響電鑄層在陰極表面的分布，特別是對(duì)覆蓋能力有較大的影響?；w不潔凈時(shí)，包括銹蝕物、油污、鈍化膜及被其他物質(zhì)污染等，這些部位沉積金就要比潔凈部位困難，嚴(yán)重污染的部位甚至可能沒(méi)有金屬沉積。

2. 5 操作方法

電鑄硬千足金工序過(guò)程比較繁雜，電鑄件出缸后需要進(jìn)行一系列的后處理，包括脫芯、執(zhí)模、表面處理等。

2. 5. 1 脫芯處理

脫芯是利用高溫使低熔點(diǎn)芯模熔融脫除。無(wú)論是蠟質(zhì)芯模還是低溫合金芯模，其受熱膨脹與金層有差別。因此，要求在電鑄件合適部位開(kāi)設(shè)足夠尺寸和數(shù)量的溢流孔，使熔融的蠟液或低溫金屬液能及時(shí)排出而不至于堵在內(nèi)腔，使電鑄件膨脹變形。為此要嚴(yán)格控制脫芯的溫度和時(shí)間。對(duì)于低溫合金芯模，一般控制溫度在180 °C，時(shí)間30 min左右，待合金熔化后就利用震動(dòng)將其震出。溫度過(guò)高時(shí)，芯模有可能出現(xiàn)沸騰汽化，電鑄金層也可能受熱變軟，導(dǎo)致電鑄件變形甚至報(bào)廢。

2. 5. 2 執(zhí)模處理

電鑄金件難免出現(xiàn)孔洞、砂眼等缺陷，需要在執(zhí)模階段對(duì)其進(jìn)行焊補(bǔ)修復(fù)。對(duì)于分件生產(chǎn)的產(chǎn)品，如吊墜和吊耳，還需要進(jìn)行扣合焊接。此階段必須借助激光焊接設(shè)備，不能使用火焰焊接，否則電鑄件整體經(jīng)過(guò)高溫加熱后硬度將大幅下降，嚴(yán)重影響其抗變形能力。

2. 5. 3 表面處理

包括壓光、噴砂、車(chē)花等工藝。壓光是利用鋼壓及瑪瑙刀用力在貨件局部表面反復(fù)碾壓，使其光亮似鏡；噴砂是利用壓縮空氣攜帶砂粒沖擊貨件表面，使其形成啞光效果；車(chē)花是利用高速旋轉(zhuǎn)的刀具在貨件表面車(chē)出圖案花紋。這些操作均在空心貨件上進(jìn)行，需要小心謹(jǐn)慎，否則也可能因磕碰、擠壓等誤操作而導(dǎo)致貨件變形。

3 結(jié)語(yǔ)

電鑄硬千足金飾品具有成色高、硬度高、可佩戴、耐磨損、輕巧等特點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)千足金首飾品的局限。但是，電鑄硬千足金飾品作為空心薄壁件，在生產(chǎn)中可能遇到變形問(wèn)題。引起其變形的因素主要有壁厚、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、電鑄液體系、電鑄工藝條件和操作方法等。壁厚直接影響飾品的抗變形能力和重量，為保證飾品獲得必要的強(qiáng)度，同時(shí)避免飾品過(guò)重，一般控制其壁厚在160 ～ 220 μm。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)會(huì)影響電鑄過(guò)程中的金屬沉積方式及飾品承受外力的能力，采用弧面凸起和平面鉆孔方式可以改善飾品的抗變形性能。當(dāng)電鑄液和電鑄工藝條件有利于穩(wěn)定地形成細(xì)小致密、均勻一致的鑄層時(shí)，也可以改善飾品的抗變形性能。在脫芯、執(zhí)模、表面處理等后處理中，要注意避免飾品過(guò)熱軟化、磕碰擠壓等錯(cuò)誤操作而引起的變形問(wèn)題。

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[3] 黃云光, 王昶, 袁軍平. 首飾制作工藝[M]. 武漢: 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社, 2010.

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[8] 馮立明, 王玥. 電鍍工藝學(xué)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.

Discussion about deformation problem of electroformed hard pure gold ornaments //

YUAN Jun-ping*, LI Wei, WANG Chang, HUANG Yu-heng

The electroformed hard pure gold ornaments have many advantages, such as high purity, high hardness, wearability, wear resistance, and handiness, which makes them favorable in breaking through the limitation of traditional pure gold ornaments and winning the market. However, for hollow thin castings, the problem of deformation during manufacturing and application is still encountered sometimes. In this paper, the reasons for deformation of electroformed hard pure gold ornaments were analyzed from aspects of product structure, wall thickness, electroforming bath, electroforming process conditions, and operation methods. Some relevant countermeasures were presented.

ornament; hard pure gold; electroforming; deformation; hardness

Jewelry Institute of Guangzhou Panyu Polytechnic, Guangzhou 511483, China

TS934.3; TG176

A

1004 – 227X (2012) 01 – 0026 – 04

2011–08–18

番禺區(qū)科技局資助項(xiàng)目（2010-Z-69-1）；廣州市教育系統(tǒng)首批建設(shè)創(chuàng)新學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（穗教科(2009)11號(hào)）。

袁軍平（1969–），男，江西新余人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事首飾材料及生產(chǎn)技術(shù)研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) yuanjp@pyp.edu.cn。

[ 編輯：韋鳳仙 ]