Stopy metali szlachetnych

Stopami metali szlachetnych nazywa się stopy, których głównym składnikiem jest jeden z metali szlachetnych, a więc złoto, srebro, platyna, pallad, rod, ruten, osm lub iryd. Jeśli stop zawiera najwięcej złota, wtedy mówimy, że jest to stop złota, choćby w jego skład wchodziły też inne metale szlachetne. Wszystkie pozostałe składniki oprócz głównego noszą w zlotnictwie nazwę ligatury lub ligury.

Stopy złota. Najczęściej spotykanymi składnikami w stopach złota są miedź i srebro, a także nikiel, platyna, pallad, mangan i cynk. W rzadkich przypadkach składnikami są kadm, kobalt i beryl. Z miedzią, srebrem, palladem, niklem i platyną złoto tworzy stałe roztwory ciągłe. W niższych temperaturach w stopach złota z miedzią tworzą się dwie nadstruktury odpowiadające wzorom AuCu i AuCu3, a stopy złota z platyną i niklem rozpadają się na mieszaninę roztworów granicznych.

Stopy złota z niklem poniżej temperatury 340�C nabierają właściwości magnetycznych. Stopy złota mają zastosowanie przede wszystkim do wyrobu monet, biżuterii i przedmiotów artystycznych oraz w dentystyce, a także przy produkcji włókien sztucznych oraz w laboratoriach chemicznych. Wyroby artystyczne wykonuje się głównie ze stopów złota z miedzią i srebrem, a monety ze stopów złota z miedzią. Wyroby dentystyczne wytwarza się ze stopów złota z platyną lub palladem. Spoiwa do lutowania wyrobów złotych wyrabia się ze stopów złota z miedzią, srebrem i cynkiem lub z miedzią, srebrem i kadmem. Powstające w stopach z miedzią nadstruktury są bardzo kruche i twarde. Dotyczy to zwłaszcza nadstruktury AuCu. Dlatego, jeśli stop o składzie zbliżonym do AuCu ma być poddany obróbce plastycznej, należy go bardzo szybko chłodzić (np. w zimnej wodzie), aby nie nastąpiło wydzielenie się nadstruktury. Natomiast po zakończonej obróbce plastycznej dobrze jest przeprowadzić wyżarzanie stopu w temperaturze ok. 400�C, a następnie powoli go ostudzić (zbyt powolne studzenie może jednak spowodować nadmierną kruchość). Nastąpi wtedy wykrystalizowanie nadstruktury i w rezultacie utwardzenie stopu. Jest to proces stanowiący odwrotność hartowania lub utwardzania dyspersyjnego. Procesy te polegają bowiem na uzyskaniu struktury sprzecznej z równowagą wewnętrzną stopu w niskiej temperaturze, natomiast utwardzanie złota polega na uzyskaniu struktury zgodnej z równowagą. Utwardzanie dyspersyjne i hartowanie można przeprowadzać w stopach złota, w których rozpuszczalność dodatku stopowego w złocie maleje w miarę spadku temperatury, a więc np. w stopach złota z kilkuprocentowym dodatkiem kobaltu, żelaza lub niklu.
Dodatek srebra do złota zmienia jego zabarwienie od żółtego przez zielonożółte do białego, a dodatek miedzi od żółtego przez czerwonozółte do czerwonego. Zabarwienie jest zależne od stanu, w jakim stop się znajduje. Przeróbka plastyczna na zimno powoduje przesunięcie zabarwienia w kierunku żółtym. Podczas ogrzewania stopów zgniecionych, w temperaturze 200�C zabarwienie znika.
Jednoczesny dodatek srebra i miedzi powoduje duży wzrost twardości i wytrzymałości. Te dwie właściwości ma stop o składzie 52% złota, 26% miedzi i 22% srebra. Jego wytrzymałość na rozciąganie wynosi 60 kG/mm2, a twardość HB = 150 kG/mm2. Niewielki dodatek cynku i kadmu obniża znacznie temperaturę topnienia stopu i bardzo silnie zmienia jego barwę. Dzięki dużej skali zabarwienia stopy są często stosowane do lutowania,
gdyż można dobrać, przez niewielką zmianę ich składu, odpowiednią barwę. Są stosowane także na odlewy. Również cyna obniża temperaturę topnienia, lecz jest stosowana rzadko, gdyż mimo że podnosi twardość, czyni stop kruchym. Podobne działanie, tylko znacznie silniejsze, ma ołów. Tworzy on ze złotem niskotopliwe, bardzo kruche związki międzymetaliczne, co zupełnie uniemożliwia obróbkę plastyczną, dlatego stanowi bardzo szkodliwą domieszkę. Stopy złota z niklem lub palladem są znane pod nazwą białego złota ze względu na białą barwę, zbliżoną do barwy platyny. Zwykle dodatkowo zawierają cynk, który obniża temperaturę topnienia i poprawia lejność. Są stosowane w jubilerstwie oraz w dentystyce. Mają dobre właściwości wytrzymałościowe i dają się ulepszać przez obróbkę cieplną i plastyczną. W jubilerstwie stosuje się zwykle białe złoto niklowe, a w dentystyce palladowe, jednak obrączki ślubne Firmy Łazur wykonywane są ze złota palladowego. Obecnie istnieje bardzo wiele stopów białego złota o różnej zawartości tego szlachetnego kruszcu. W celu odtlenienia stopów stosuje się podczas stapiania różne odtleniacze, jak boraks, 15-procentowy fosforek miedzi lub magnez.
Na szczególną uwagę zasługuje stop złota z krzemem o zawartości 5,5% krzemu. Jest to stop o wyjątkowo niskiej temperaturze topnienia. Istnieją stopy autektyczne złota z innymi składnikami o niższej temperaturze topnienia, lecz o wielokrotnie mniejszej zawartości złota, np. stop z talem ma temperaturę topnienia 131�C, lecz zawartość talu 73%, z ołowiem odpowiednio 215�C i 85% ołowiu. Stop złota z krzemem został w 1929 r. zbadany przez polskiego metaloznawcę W. Łoskiewicza. Stwierdził on, że temperatura topnienia wynosi 300-310�C, lecz dla pewności podał temperaturę 310�C. Stop ten świetnie nadaje się na odlewy, gdyż wykazuje bardzo mały skurcz i szczelnie wypełnia formę. Po ostudzeniu na powietrzu ma piękną złocistą barwę, wykazuje dużą twardość (HB = 100 kG/mm2), lecz jednocześnie daje się kuć. Natomiast przy studzeniu w wodzie ma barwę srebrzystą, jest bardzo twardy i kruchy, tak że przy uderzeniu młotkiem rozsypuje się. Te cechy wskazują, że przy umiejętnej obróbce cieplnej można jeszcze polepszyć jego właściwości wytrzymałościowe. Stop ten może mieć ogromne zastosowanie zarówno na odlewy, jak i do lutowania, zwłaszcza tam, gdzie chcemy uzyskać wysoką zawartość złota. Żaden inny stop złota o tak wysokiej jego zawartości nie wykazuje równie dobrych cech wytrzymałościowych.
Stopy srebra.
Głównym składnikiem stopów srebra jest miedź. Często są stosowane stopy srebra z cynkiem, kadmem, manganem, niklem i palladem, rzadziej z antymonem, cyną, chromem, magnezem i aluminium. Szkodliwymi domieszkami są siarka, arsen i bizmut, gdyż nie rozpuszczają się w srebrze i czynią stop kruchym. Miedź tworzy ze srebrem stałe roztwory graniczne, przy czym wzajemna rozpuszczalność maleje w miarę spadku temperatury. Można więc stopy srebra z miedzią ulepszać cieplnie przesycać lub hartować. Wyżarzanie konieczne przy tym zabiegu przeprowadza się w temperaturze 750�C.
Stopy srebra są stosowane na wyroby artystyczne, do produkcji monet i na spoiwa twarde. Wyroby artystyczne wykonuje się ze stopów srebra z miedzią, z miedzią i cynkiem lub z miedzią i kadmem. W stopach monetowych składnikiem jest miedź, a w spoiwach miedź i cynk.
Większa zawartość miedzi podnosi wprawdzie właściwości wytrzymałościowe, lecz nadaje brzydkie żółtawe zabarwienie. W celu jego usunięcia wyroby ze stopów o niższej zawartości srebra poddaje się wytrawianiu w kwasie siarkowym. Powoduje to usunięcie z powierzchni atomów miedzi, przez co przedmiot uzyskuje piękną srebrzystą barwę. Stopy srebra z cynkiem można utwardzać przez przesycanie, podobnie jak stopy srebra z miedzią. Stopy te są stosowane w przemyśle głównie do lutowania. Skład chemiczny i postać, w jakiej są dostarczane spoiwa srebrne do lutowania, określa norma.
Srebro w stanie ciekłym pochłania bardzo dużo tlenu (100 g srebra wchłania przeszło 200 cm3 tlenu), a podczas krzepnięcia wydziela go z powrotem. Uniemożliwia to wykonywanie odlewów z czystego srebra, gdyż na powierzchni tworzą się kratery po uchodzącym tlenie. Stopiona ze srebrem miedź odciąga z niego tlen, tworząc tlenek miedzi, którego powstaje tym więcej, im dłużej trwa proces topnienia.
Tlenek miedzi jest szkodliwy, ponieważ jest twardy i kruchy. Gdy stapianie odbywa się zbyt długo, wewnątrz stopu występują pustki wypełnione tlenem lub wydziela się tlenek miedziowy w postaci pasów lub siatki. Przy walcowaniu i żarzeniu powstają w miejscach pustek wzdymki; tlenek miedzi wydzielony w formie pasków powoduje powstanie niebieskich plam przy polerowaniu, a wydzielony w formie siatki jest przyczyną tworzenia się nierówności blachy przy walcowaniu. Aby uniknąć tych szkodliwych skutków, topienie musi trwać możliwie krótko i odbywać się pod pokrywą z węgla drzewnego, a stop przed odlaniem powinien być odtleniony, np. fosforkiem miedzi, brązem manganowym lub brązem krzemowym. Na każdy kilogram stopu należy użyć kilka gramów środka odtleniającego.

Stopy platyny.
Stopy te zawierają prawie wyłącznie metale szlachetne oraz miedź i nikiel. Stopy te zazwyczaj mają nie tylko lepsze właściwości mechaniczne, lecz również większą odporność chemiczną. Wszystkie platynowce (osm, ruten, iryd, rod, pallad) podnoszą twardość platyny, przy czym osm w największym stopniu. Stop platyny z irydem ze względu na wysoką twardość (HB = 265 kG/mm2 przy zawartości 40% irydu) jest stosowany do oprawy kamieni szlachetnych oraz do innych wyrobów jubilerskich. Stop platyny z irydem o zawartości 25-30% irydu jest odporny nawet na działanie gorącej wody królewskiej.
Dodatek palladu wpływa bardzo nieznacznie na właściwości mechaniczne, lecz ze względu na niższą cenę i niższą temperaturę topnienia stopy te stosuje się bardzo często do wyrobu biżuterii. Mają one ładną, jasną barwę, przy czym dają się przerabiać plastycznie na zimno i na gorąco. Z tych samych powodów stosuje się dodatek miedzi. Powoduje on zwiększenie twardości i obniżenie kosztów materiału. Dodatek miedzi mniejszy od 40% nie wpływa na barwę, 50-procentowy dodatek miedzi barwi stop na żółto, a 70-procentowy na czerwono. Używane w złotnictwie stopy platyny zawierają zwykle 95% platyny.
Przy sporządzaniu stopów platyny z palladem i irydem pallad i iryd stapiamy osobno i dodajemy do stopionej platyny, gdyż wtedy otrzymany stop jest bardziej jednorodny.
Odpadki platyny bardzo trudno dają się przerobić na materiał zdatny do dalszej przeróbki. Wymaga to długotrwałego topienia w wysokiej temperaturze, w której zanieczyszczenia utleniają się i wypływają na wierzch. Można je usunąć przez wrzucenie drobnych kawałeczków azbestu, do których przywrą i po ostygnięciu razem z nimi odpadną. Stopy palladu. Pallad tworzy liczne stopy z metalami szlachetnymi i półszlachetnymi, jak miedź, nikiel czy kobalt. Najczęściej stosowanymi stopami palladu są stopy ze srebrem i z miedzią lub jednocześnie ze srebrem i miedzią. Stopy te odznaczają się bardzo dużą odpornością na korozję i stosunkowo niską temperaturą topnienia. Dodanie do nich nieznacznych ilości kadmu i cynku jeszcze bardziej obniża temperaturę topnienia. Stopy te znalazły szerokie zastosowanie w jubilerstwie. Odznaczają się ładną, srebrnobiałą barwą. Cechują je właściwości podobne do właściwości stopów platyny, przy ciężarze prawie o połowę mniejszym. Stopy te dają się łatwo obrabiać mechanicznie. Można je ulepszać plastycznie, a stopy z miedzią poddać obróbce cieplnej. Zgodnie z zaleceniem Międzynarodowej Federacji Związków Przemysłu, Rzemiosła i Handlu Diamentów, Pereł, Kamieni Szlachetnych, Jubilerskiego, Złotniczego i Zegarmistrzowskiego, zwanej w skrócie BI BOA, najczęściej stosowane stopy palladu zawierają 95% palladu. Stapianie stopów palladu przeprowadza się z niewielkim dodatkiem boraksu, gdyż po stopieniu oraz w czasie żarzenia stopy palladu powlekają się cienką warstwą tlenku palladu o barwie stalowoniebieskiej. Obróbkę termiczną stopów palladu z miedzią przeprowadza się tak jak stopów srebra z miedzią, przy czym wyżarzanie powinno się odbywać w temperaturze nie wyższej niż 1200�C ze względu na utlenianie. Najbardziej przydatne do stapiania stopów palladu są indukcyjne piece elektryczne, w których można dokonywać stapiania bez dostępu tlenu. Pozwala to na uniknięcie strat materiału. Obróbkę plastyczną stopów palladu prowadzi się zwykle na gorąco, w temperaturze 800"C. Zgnieciony stop wyżarza się w temperaturze 700�C. Stopy palladu dają się łatwo lutować czystym złotem. Jeśli spoiwo musi mieć biały kolor, to do lutowania stosuje się stop palladu ze złotem i srebrem.