首飾制作教學(xué)用黃銅的工藝性能比較研究

嚴(yán)忠

摘 要：黃銅是一種在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的材料。近年，隨著珠寶首飾相關(guān)專業(yè)在高職教育中的興起，因其工藝性能十分接近貴金屬，又有價(jià)格便宜取材方便的優(yōu)勢(shì)，黃銅材料廣泛應(yīng)用于首飾制作工藝的教學(xué)中。從基本性質(zhì)、澆鑄、退火、壓延、切削、焊接、鑲嵌等方面出發(fā)，對(duì)黃銅與金銀等貴金屬首飾加工工藝性能進(jìn)行對(duì)比，研究黃銅制作首飾的缺點(diǎn)，從而在教學(xué)中有針對(duì)性的做出調(diào)整，最大限度地發(fā)揮黃銅制作首飾的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：澆鑄；焊接；延展性；鑲嵌

近年首飾制作工藝專業(yè)課程在許多職業(yè)院校興起，而首飾工藝教學(xué)中首飾制作基材除了金銀等貴金屬外，以銅及銅合金等非貴金屬為主要制作材料。銅材用于首飾教學(xué)，工藝性能與金銀等貴金屬十分接近，材料價(jià)格與貴金屬相比低廉，易于購(gòu)買，適合用于大規(guī)模教學(xué)的耗材。

1 銅的基本性質(zhì)

和首飾制作有關(guān)的非貴金屬材料以銅和鋅最為常用。用于首飾制作的銅主要是純銅和銅合金。純銅（電解銅，無(wú)氧銅）比重為8.96，熔點(diǎn)1083℃，硬度比金，銀稍高，含氧量極低，容易氧化和硫化。延展性和塑性良好，無(wú)氣孔、砂眼、疏松，可精打細(xì)打，適合作為首飾的基材。

純金銀和鉑金具有良好的加工性能，能軋成所需的片狀及拉成所需的絲線狀，用于制作素身飾品，但質(zhì)地偏軟，不宜用于寶石玉石的鑲嵌。實(shí)驗(yàn)證明，在貴金屬中適當(dāng)加入鉑族元素、銅、鋅等元素可成為理想的金屬鑲嵌材料。而純銅制作鑲嵌首飾的性能比其他貴金屬為差，其合金也較差。黃銅的鑲嵌性能不如金銀合金，在寶玉石首飾鑲嵌教學(xué)，對(duì)于工藝要求高的鑲嵌方式，工藝性能較差，如起釘鑲、迫鑲、悶鑲、密釘鑲、微鑲等。

2 銅合金的種類和特性

常見(jiàn)的首飾用銅材料是銅合金。常用的有：紫銅（含鋅15%）， 黃銅（含鋅15—45%），青銅（含錫5—20%），白銅。銅合金中還常常加入一定比例的鋅，錫，以及一些稀有元素，配制成不同色澤，亮度和機(jī)械性能的仿金首飾材料。銅合金的仿金材料成本并不高，但技術(shù)研究成本很高。含鋅量在35%以下的黃銅為α單相黃銅 ，塑性好，適于冷熱加壓加工；含鋅量在36%～46%范圍內(nèi)的黃銅為雙相黃銅， 黃銅塑性減小而抗拉強(qiáng)度上升，只適于熱壓力加工。含鋅量超過(guò)46%～50%的黃銅，為β單相黃銅。若繼續(xù)增加鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù) ，則抗拉強(qiáng)度下降，無(wú)使用價(jià)值。論文以雙相黃銅為研究對(duì)象，與其它貴金屬進(jìn)行比較研究。

3 黃銅首飾的熔煉澆鑄性能

銅材的化學(xué)性質(zhì)不是很穩(wěn)定，在首飾澆鑄過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)銅鋅氧化及硫化現(xiàn)象，容易形成枝狀和貓爪狀的表面紋理，及砂眼等，澆鑄時(shí)易二次氧化吸氣，在熔煉過(guò)程中有較強(qiáng)的吸附雜質(zhì)的能力。由于黃銅及其合金具有較強(qiáng)的親氧性，所以在澆鑄過(guò)程中具有一定的燒損。常出現(xiàn)縮孔、氣孔、裂紋、晶枝偏析、冷隔等鑄造缺陷。與其它貴金屬合金相比，黃銅的鑄態(tài)組織晶粒較為粗大，鑄態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度較高，鑄錠的伸長(zhǎng)率和斷面縮減率偏低。由于混入雜質(zhì)和氧化表現(xiàn)，合金熔鑄時(shí)時(shí)效析出的的晶粒偏少而粗糙，阻礙了位錯(cuò)的爬升、滑移和晶界偏移，使得再結(jié)晶溫度硬度偏高，成品率和工藝穩(wěn)定性與貴金屬合金相比較差。

在首飾澆鑄過(guò)程中，黃銅材質(zhì)表現(xiàn)出比金銀等貴金屬較差的流動(dòng)性，液態(tài)黏性比較大，鑄態(tài)硬度較高。冷卻時(shí)，表面形成枝晶骨架相互搭連，金屬液不潤(rùn)濕金屬架構(gòu)，表面比貴金屬粗糙，澆鑄失敗率也較高，主要表現(xiàn)為首飾的頂部和尾部的殘缺，表面粗糙，砂眼、氣孔、裂紋等；在使用離心鑄造機(jī)易出現(xiàn)紊流現(xiàn)象。但黃銅在澆鑄后裂開的性能比純銀首飾較低，可以在澆鑄后立即進(jìn)行炸洗。

4 黃銅首飾的基本加工特性對(duì)比

在教學(xué)中銅材首飾的手工加工諸多環(huán)節(jié)，銅材表現(xiàn)出與金銀鉑等貴金屬材料不一樣的屬性，具有一定的差異性，總體來(lái)說(shuō)，銅材的基本加工性能比貴金屬差。

4.1 硬化速率及延展性的不同

柱狀晶組織銅合金具有良好的室溫塑性變形能力。由于黃銅中過(guò)量氧的存在，與影響黃銅性能的有害雜質(zhì)一起作用，形成過(guò)量的氧化銅，并在銅基體中形成不均勻分布，在銅首飾的加工中容易引起加工硬化和產(chǎn)生局部裂紋，首飾加工中常稱為起皮、起刺、開裂。在研究的前期試驗(yàn)中，選用等質(zhì)量的普通黃銅、925銀、18K金材料進(jìn)行對(duì)比，分別進(jìn)行壓延和拉絲試驗(yàn)。在壓延過(guò)程中，在不退火的情況下，進(jìn)行10次對(duì)比試驗(yàn)，黃銅每進(jìn)行6～10次壓片和拉絲操作，即先出現(xiàn)斷裂、起刺、起皮、開裂等現(xiàn)象；在退火的情況下，將材料壓延成1.5㎜的細(xì)方條，并拉成Φ0.8㎜，銅的退火次數(shù)明顯較多，最終絲材也較短。說(shuō)明黃銅銅與貴金屬相比，首飾加工硬化速率高，道次加工率高，延展性較差，但隨著道次率的增加，后期加工硬化速率有所下降。尤其在材料準(zhǔn)備粗坯加工階段表現(xiàn)的較為明顯，其應(yīng)對(duì)方法是增加退火次數(shù)消除應(yīng)力及彈性，恢復(fù)金屬延展性。

黃銅在油壓機(jī)超塑性試驗(yàn)表明，黃銅的硬度和強(qiáng)度較高，在常態(tài)下擠壓需要很高的壓力，在進(jìn)行沖壓敲擊壓延時(shí)，需要高強(qiáng)度的磨具，較大的能量消耗，要經(jīng)過(guò)較多道工序的擠壓，才能成型。

另外，在銅首飾及擺件敲鏨工藝制作時(shí)，由于硬度大延展性差，容易出現(xiàn)走形，圖案凹凸不分明、不清晰等現(xiàn)象。

4.2 退火性能的不同

金屬材料退火有細(xì)化晶粒和調(diào)整材料組織、消除應(yīng)力、降低硬度、改善切削加工性能等作用。銅合金退火時(shí)表現(xiàn)出較強(qiáng)的親氧性，考慮到方便教學(xué)，教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)氧化性的要求不高，退火只能是有氧環(huán)境。由于黃銅合金具有較高的層錯(cuò)能，在塑性變形過(guò)程中不易通過(guò)交滑移產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，因此加工硬化速率高，塑性下降明顯，導(dǎo)致工件加工過(guò)程中退火次數(shù)明顯較其它貴金屬為多，工藝流程被拉長(zhǎng)，成材率較低。 由于黃銅在首飾鍛壓、焊接、壓延、敲鏨等加工過(guò)程中，產(chǎn)生比金銀力學(xué)性能更差的粗大過(guò)熱組織、硬度偏高、雜質(zhì)多、成分不均勻等現(xiàn)象，并且適宜緩慢冷卻，所以銅材不僅退火的次數(shù)相對(duì)較多，而且針對(duì)銅材的缺點(diǎn)，教學(xué)過(guò)程中，需有針對(duì)性的采取完全退火、球化退火、等溫退火、再結(jié)晶退火、去應(yīng)力退火等方法予以解決。endprint

4.3 切削打磨性能的不同

傳統(tǒng)易切削打磨的黃銅為含鉛黃銅，但鉛的重金屬污染特性，使得黃銅中不能添加含鉛成分，考慮到銅首飾的其它綜合性能，黃銅中添加鉛并不合適。黃銅及其它貴金屬的切削性能的決定性因素主要體現(xiàn)在金屬基體上成彌散分布的質(zhì)點(diǎn)的均勻性。黃銅中的α相較軟，加工中易得到綿長(zhǎng)的切削，易交叉殘留在首飾工件和車床刀具磨具上。黃銅的切削打磨性能劣于金銀等貴金屬，如其鋸切環(huán)節(jié)產(chǎn)生金屬粉末粗糙且較多，碎屑光亮度、均勻性差；冷焊效應(yīng)對(duì)鋸齒的附著效應(yīng)，易塞住鋸條，鋸條磨損及斷鋸比率較高。打磨環(huán)節(jié)，難度大耗時(shí)長(zhǎng)損耗多，回收相對(duì)麻煩。因此，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)練習(xí)過(guò)程中，往往消耗較多的銅材、首飾用線鋸、砂紙等，刀具剪具更容易損壞，加工周期拉長(zhǎng)，耗費(fèi)較多課時(shí)效率降低。

4.4 焊接性能的不同

黃銅中的鋅熔點(diǎn)低，僅為907℃，容易蒸發(fā)，導(dǎo)致在焊接時(shí)有氣孔裂紋容易出現(xiàn)虛焊，焊接口力學(xué)強(qiáng)度和耐腐蝕性降低。通過(guò)焊料的熔焊、走焊，依據(jù)液體物質(zhì)的毛細(xì)作用、虹吸作用使焊液深入到焊接處。在實(shí)訓(xùn)中，黃銅首飾在焊接時(shí)容易吸附雜質(zhì)，焊料存在不熔化的現(xiàn)象，焊接失敗的幾率較高。處理的辦法是保持工件、工作臺(tái)、工具的整潔，不要混入雜質(zhì)，并且點(diǎn)硼砂水的時(shí)候不要過(guò)多，因硼砂有吸附雜質(zhì)在金屬表面的作用，這一點(diǎn)在銅材首飾上表現(xiàn)的較為突出。

4.5 鑲嵌性能的不同

銅首飾具有鑲嵌效率、成品率低，對(duì)操作人員的技能要求高，材料損耗加大等明顯缺點(diǎn)，容易出現(xiàn)鑲口過(guò)硬、起釘效果不佳、劃石、掉石、斷爪等現(xiàn)象，增加了教學(xué)的難度。銅材由于硬度大、粗糙、容易斷裂很難做到。教學(xué)中，為了規(guī)避銅材不利于鑲嵌的特點(diǎn)，可以按一定配方適當(dāng)加入銀鋅等其它金屬配制合金，以改善其硬度、延展性等工藝性能，以利于鑲嵌。

4.6 表面處理性能的不同

銅材拋光的光潔度不如貴金屬，初拋表面光亮如新，容易氧化，拋光后1～2天即表面光澤暗淡，宜隔絕空氣保存。對(duì)比顯示，黃銅首飾進(jìn)行滾筒拋光、磁力拋光、布輪拋光等性能均不如貴金屬，拋光時(shí)間長(zhǎng)、效果差、容易膩蠟，除蠟時(shí)間較長(zhǎng)。黃銅首飾可進(jìn)行化學(xué)清洗，如硝酸、鹽酸、硫酸、磷酸等，由于具有一定的腐蝕作用，不可長(zhǎng)時(shí)間清洗。

5 結(jié)論

黃銅材料用于首飾制作教學(xué)，大量購(gòu)材方便，經(jīng)濟(jì)節(jié)約，但加工工藝整體性能不如貴金屬，主要表現(xiàn)在隨著加工道次增加，硬化加大，退火次數(shù)增加，鋸切容易產(chǎn)生粉末多、不容易清理，壓延拉絲容易起皮斷裂，焊接容易出現(xiàn)虛焊、吸附雜質(zhì)、焊料不化，鑲嵌不容易起鑲口、容易傷石掉石斷爪，表面處理效果差等方面，加工材料及工具損耗大及加工周期變長(zhǎng)?？紤]到首飾制作教學(xué)與實(shí)際的工廠批量化生產(chǎn)有一定的區(qū)別，在教學(xué)中銅材的工藝性能要求可適當(dāng)降低。

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