首飾制作教學用黃銅的工藝性能比較研究

嚴忠

摘 要：黃銅是一種在工業上廣泛應用的材料。近年，隨著珠寶首飾相關專業在高職教育中的興起，因其工藝性能十分接近貴金屬，又有價格便宜取材方便的優勢，黃銅材料廣泛應用于首飾制作工藝的教學中。從基本性質、澆鑄、退火、壓延、切削、焊接、鑲嵌等方面出發，對黃銅與金銀等貴金屬首飾加工工藝性能進行對比，研究黃銅制作首飾的缺點，從而在教學中有針對性的做出調整，最大限度地發揮黃銅制作首飾的優點。

關鍵詞：澆鑄；焊接；延展性；鑲嵌

近年首飾制作工藝專業課程在許多職業院校興起，而首飾工藝教學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，工藝性能與金銀等貴金屬十分接近，材料價格與貴金屬相比低廉，易于購買，適合用于大規模教學的耗材。

1 銅的基本性質

和首飾制作有關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，無氧銅）比重為8.96，熔點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，無氣孔、砂眼、疏松，可精打細打，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，但質地偏軟，不宜用于寶石玉石的鑲嵌。實驗證明，在貴金屬中適當加入鉑族元素、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，對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%范圍內的黃銅為雙相黃銅， 黃銅塑性減小而抗拉強度上升，只適于熱壓力加工。含鋅量超過46%～50%的黃銅，為β單相黃銅。若繼續增加鋅的質量分數 ，則抗拉強度下降，無使用價值。論文以雙相黃銅為研究對象，與其它貴金屬進行比較研究。

3 黃銅首飾的熔煉澆鑄性能

銅材的化學性質不是很穩定，在首飾澆鑄過程中，會出現銅鋅氧化及硫化現象，容易形成枝狀和貓爪狀的表面紋理，及砂眼等，澆鑄時易二次氧化吸氣，在熔煉過程中有較強的吸附雜質的能力。由于黃銅及其合金具有較強的親氧性，所以在澆鑄過程中具有一定的燒損。常出現縮孔、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，黃銅的鑄態組織晶粒較為粗大，鑄態合金的抗拉強度較高，鑄錠的伸長率和斷面縮減率偏低。由于混入雜質和氧化表現，合金熔鑄時時效析出的的晶粒偏少而粗糙，阻礙了位錯的爬升、滑移和晶界偏移，使得再結晶溫度硬度偏高，成品率和工藝穩定性與貴金屬合金相比較差。

在首飾澆鑄過程中，黃銅材質表現出比金銀等貴金屬較差的流動性，液態黏性比較大，鑄態硬度較高。冷卻時，表面形成枝晶骨架相互搭連，金屬液不潤濕金屬架構，表面比貴金屬粗糙，澆鑄失敗率也較高，主要表現為首飾的頂部和尾部的殘缺，表面粗糙，砂眼、氣孔、裂紋等；在使用離心鑄造機易出現紊流現象。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行炸洗。

4 黃銅首飾的基本加工特性對比

在教學中銅材首飾的手工加工諸多環節，銅材表現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，總體來說，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。由于黃銅中過量氧的存在，與影響黃銅性能的有害雜質一起作用，形成過量的氧化銅，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。在研究的前期試驗中，選用等質量的普通黃銅、925銀、18K金材料進行對比，分別進行壓延和拉絲試驗。在壓延過程中，在不退火的情況下，進行10次對比試驗，黃銅每進行6～10次壓片和拉絲操作，即先出現斷裂、起刺、起皮、開裂等現象；在退火的情況下，將材料壓延成1.5㎜的細方條，并拉成Φ0.8㎜，銅的退火次數明顯較多，最終絲材也較短。說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。尤其在材料準備粗坯加工階段表現的較為明顯，其應對方法是增加退火次數消除應力及彈性，恢復金屬延展性。

黃銅在油壓機超塑性試驗表明，黃銅的硬度和強度較高，在常態下擠壓需要很高的壓力，在進行沖壓敲擊壓延時，需要高強度的磨具，較大的能量消耗，要經過較多道工序的擠壓，才能成型。

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

4.2 退火性能的不同

金屬材料退火有細化晶粒和調整材料組織、消除應力、降低硬度、改善切削加工性能等作用。銅合金退火時表現出較強的親氧性，考慮到方便教學，教學環節對氧化性的要求不高，退火只能是有氧環境。由于黃銅合金具有較高的層錯能，在塑性變形過程中不易通過交滑移產生動態回復，因此加工硬化速率高，塑性下降明顯，導致工件加工過程中退火次數明顯較其它貴金屬為多，工藝流程被拉長，成材率較低。 由于黃銅在首飾鍛壓、焊接、壓延、敲鏨等加工過程中，產生比金銀力學性能更差的粗大過熱組織、硬度偏高、雜質多、成分不均勻等現象，并且適宜緩慢冷卻，所以銅材不僅退火的次數相對較多，而且針對銅材的缺點，教學過程中，需有針對性的采取完全退火、球化退火、等溫退火、再結晶退火、去應力退火等方法予以解決。endprint

4.3 切削打磨性能的不同

傳統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在金屬基體上成彌散分布的質點的均勻性。黃銅中的α相較軟，加工中易得到綿長的切削，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，如其鋸切環節產生金屬粉末粗糙且較多，碎屑光亮度、均勻性差；冷焊效應對鋸齒的附著效應，易塞住鋸條，鋸條磨損及斷鋸比率較高。打磨環節，難度大耗時長損耗多，回收相對麻煩。因此，學生在實訓練習過程中，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，耗費較多課時效率降低。

4.4 焊接性能的不同

黃銅中的鋅熔點低，僅為907℃，容易蒸發，導致在焊接時有氣孔裂紋容易出現虛焊，焊接口力學強度和耐腐蝕性降低。通過焊料的熔焊、走焊，依據液體物質的毛細作用、虹吸作用使焊液深入到焊接處。在實訓中，黃銅首飾在焊接時容易吸附雜質，焊料存在不熔化的現象，焊接失敗的幾率較高。處理的辦法是保持工件、工作臺、工具的整潔，不要混入雜質，并且點硼砂水的時候不要過多，因硼砂有吸附雜質在金屬表面的作用，這一點在銅材首飾上表現的較為突出。

4.5 鑲嵌性能的不同

銅首飾具有鑲嵌效率、成品率低，對操作人員的技能要求高，材料損耗加大等明顯缺點，容易出現鑲口過硬、起釘效果不佳、劃石、掉石、斷爪等現象，增加了教學的難度。銅材由于硬度大、粗糙、容易斷裂很難做到。教學中，為了規避銅材不利于鑲嵌的特點，可以按一定配方適當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。對比顯示，黃銅首飾進行滾筒拋光、磁力拋光、布輪拋光等性能均不如貴金屬，拋光時間長、效果差、容易膩蠟，除蠟時間較長。黃銅首飾可進行化學清洗，如硝酸、鹽酸、硫酸、磷酸等，由于具有一定的腐蝕作用，不可長時間清洗。

5 結論

黃銅材料用于首飾制作教學，大量購材方便，經濟節約，但加工工藝整體性能不如貴金屬，主要表現在隨著加工道次增加，硬化加大，退火次數增加，鋸切容易產生粉末多、不容易清理，壓延拉絲容易起皮斷裂，焊接容易出現虛焊、吸附雜質、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。考慮到首飾制作教學與實際的工廠批量化生產有一定的區別，在教學中銅材的工藝性能要求可適當降低。

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