首饰制作教学用黄铜的工艺性能比较研究

严忠

摘 要：黄铜是一种在工业上广泛应用的材料。近年，随着珠宝首饰相关专业在高职教育中的兴起，因其工艺性能十分接近贵金属，又有价格便宜取材方便的优势，黄铜材料广泛应用于首饰制作工艺的教学中。从基本性质、浇铸、退火、压延、切削、焊接、镶嵌等方面出发，对黄铜与金银等贵金属首饰加工工艺性能进行对比，研究黄铜制作首饰的缺点，从而在教学中有针对性的做出调整，最大限度地发挥黄铜制作首饰的优点。

关键词：浇铸；焊接；延展性；镶嵌

近年首饰制作工艺专业课程在许多职业院校兴起，而首饰工艺教学中首饰制作基材除了金银等贵金属外，以铜及铜合金等非贵金属为主要制作材料。铜材用于首饰教学，工艺性能与金银等贵金属十分接近，材料价格与贵金属相比低廉，易于购买，适合用于大规模教学的耗材。

1 铜的基本性质

和首饰制作有关的非贵金属材料以铜和锌最为常用。用于首饰制作的铜主要是纯铜和铜合金。纯铜（电解铜，无氧铜）比重为8.96，熔点1083℃，硬度比金，银稍高，含氧量极低，容易氧化和硫化。延展性和塑性良好，无气孔、砂眼、疏松，可精打细打，适合作为首饰的基材。

纯金银和铂金具有良好的加工性能，能轧成所需的片状及拉成所需的丝线状，用于制作素身饰品，但质地偏软，不宜用于宝石玉石的镶嵌。实验证明，在贵金属中适当加入铂族元素、铜、锌等元素可成为理想的金属镶嵌材料。而纯铜制作镶嵌首饰的性能比其他贵金属为差，其合金也较差。黄铜的镶嵌性能不如金银合金，在宝玉石首饰镶嵌教学，对于工艺要求高的镶嵌方式，工艺性能较差，如起钉镶、迫镶、闷镶、密钉镶、微镶等。

2 铜合金的种类和特性

常见的首饰用铜材料是铜合金。常用的有：紫铜（含锌15%）， 黄铜（含锌15—45%），青铜（含锡5—20%），白铜。铜合金中还常常加入一定比例的锌，锡，以及一些稀有元素，配制成不同色泽，亮度和机械性能的仿金首饰材料。铜合金的仿金材料成本并不高，但技术研究成本很高。含锌量在35%以下的黄铜为α单相黄铜 ，塑性好，适于冷热加压加工；含锌量在36%～46%范围内的黄铜为双相黄铜， 黄铜塑性减小而抗拉强度上升，只适于热压力加工。含锌量超过46%～50%的黄铜，为β单相黄铜。若继续增加锌的质量分数 ，则抗拉强度下降，无使用价值。论文以双相黄铜为研究对象，与其它贵金属进行比较研究。

3 黄铜首饰的熔炼浇铸性能

铜材的化学性质不是很稳定，在首饰浇铸过程中，会出现铜锌氧化及硫化现象，容易形成枝状和猫爪状的表面纹理，及砂眼等，浇铸时易二次氧化吸气，在熔炼过程中有较强的吸附杂质的能力。由于黄铜及其合金具有较强的亲氧性，所以在浇铸过程中具有一定的烧损。常出现缩孔、气孔、裂纹、晶枝偏析、冷隔等铸造缺陷。与其它贵金属合金相比，黄铜的铸态组织晶粒较为粗大，铸态合金的抗拉强度较高，铸锭的伸长率和断面缩减率偏低。由于混入杂质和氧化表现，合金熔铸时时效析出的的晶粒偏少而粗糙，阻碍了位错的爬升、滑移和晶界偏移，使得再结晶温度硬度偏高，成品率和工艺稳定性与贵金属合金相比较差。

在首饰浇铸过程中，黄铜材质表现出比金银等贵金属较差的流动性，液态黏性比较大，铸态硬度较高。冷却时，表面形成枝晶骨架相互搭连，金属液不润湿金属架构，表面比贵金属粗糙，浇铸失败率也较高，主要表现为首饰的顶部和尾部的残缺，表面粗糙，砂眼、气孔、裂纹等；在使用离心铸造机易出现紊流现象。但黄铜在浇铸后裂开的性能比纯银首饰较低，可以在浇铸后立即进行炸洗。

4 黄铜首饰的基本加工特性对比

在教学中铜材首饰的手工加工诸多环节，铜材表现出与金银铂等贵金属材料不一样的属性，具有一定的差异性，总体来说，铜材的基本加工性能比贵金属差。

4.1 硬化速率及延展性的不同

柱状晶组织铜合金具有良好的室温塑性变形能力。由于黄铜中过量氧的存在，与影响黄铜性能的有害杂质一起作用，形成过量的氧化铜，并在铜基体中形成不均匀分布，在铜首饰的加工中容易引起加工硬化和产生局部裂纹，首饰加工中常称为起皮、起刺、开裂。在研究的前期试验中，选用等质量的普通黄铜、925银、18K金材料进行对比，分别进行压延和拉丝试验。在压延过程中，在不退火的情况下，进行10次对比试验，黄铜每进行6～10次压片和拉丝操作，即先出现断裂、起刺、起皮、开裂等现象；在退火的情况下，将材料压延成1.5㎜的细方条，并拉成Φ0.8㎜，铜的退火次数明显较多，最终丝材也较短。说明黄铜铜与贵金属相比，首饰加工硬化速率高，道次加工率高，延展性较差，但随着道次率的增加，后期加工硬化速率有所下降。尤其在材料准备粗坯加工阶段表现的较为明显，其应对方法是增加退火次数消除应力及弹性，恢复金属延展性。

黄铜在油压机超塑性试验表明，黄铜的硬度和强度较高，在常态下挤压需要很高的压力，在进行冲压敲击压延时，需要高强度的磨具，较大的能量消耗，要经过较多道工序的挤压，才能成型。

另外，在铜首饰及摆件敲錾工艺制作时，由于硬度大延展性差，容易出现走形，图案凹凸不分明、不清晰等现象。

4.2 退火性能的不同

金属材料退火有细化晶粒和调整材料组织、消除应力、降低硬度、改善切削加工性能等作用。铜合金退火时表现出较强的亲氧性，考虑到方便教学，教学环节对氧化性的要求不高，退火只能是有氧环境。由于黄铜合金具有较高的层错能，在塑性变形过程中不易通过交滑移产生动态回复，因此加工硬化速率高，塑性下降明显，导致工件加工过程中退火次数明显较其它贵金属为多，工艺流程被拉长，成材率较低。 由于黄铜在首饰锻压、焊接、压延、敲錾等加工过程中，产生比金银力学性能更差的粗大过热组织、硬度偏高、杂质多、成分不均匀等现象，并且适宜缓慢冷却，所以铜材不仅退火的次数相对较多，而且针对铜材的缺点，教学过程中，需有针对性的采取完全退火、球化退火、等温退火、再结晶退火、去应力退火等方法予以解决。endprint

4.3 切削打磨性能的不同

传统易切削打磨的黄铜为含铅黄铜，但铅的重金属污染特性，使得黄铜中不能添加含铅成分，考虑到铜首饰的其它综合性能，黄铜中添加铅并不合适。黄铜及其它贵金属的切削性能的决定性因素主要体现在金属基体上成弥散分布的质点的均匀性。黄铜中的α相较软，加工中易得到绵长的切削，易交叉残留在首饰工件和车床刀具磨具上。黄铜的切削打磨性能劣于金银等贵金属，如其锯切环节产生金属粉末粗糙且较多，碎屑光亮度、均匀性差；冷焊效应对锯齿的附着效应，易塞住锯条，锯条磨损及断锯比率较高。打磨环节，难度大耗时长损耗多，回收相对麻烦。因此，学生在实训练习过程中，往往消耗较多的铜材、首饰用线锯、砂纸等，刀具剪具更容易损坏，加工周期拉长，耗费较多课时效率降低。

4.4 焊接性能的不同

黄铜中的锌熔点低，仅为907℃，容易蒸发，导致在焊接时有气孔裂纹容易出现虚焊，焊接口力学强度和耐腐蚀性降低。通过焊料的熔焊、走焊，依据液体物质的毛细作用、虹吸作用使焊液深入到焊接处。在实训中，黄铜首饰在焊接时容易吸附杂质，焊料存在不熔化的现象，焊接失败的几率较高。处理的办法是保持工件、工作台、工具的整洁，不要混入杂质，并且点硼砂水的时候不要过多，因硼砂有吸附杂质在金属表面的作用，这一点在铜材首饰上表现的较为突出。

4.5 镶嵌性能的不同

铜首饰具有镶嵌效率、成品率低，对操作人员的技能要求高，材料损耗加大等明显缺点，容易出现镶口过硬、起钉效果不佳、划石、掉石、断爪等现象，增加了教学的难度。铜材由于硬度大、粗糙、容易断裂很难做到。教学中，为了规避铜材不利于镶嵌的特点，可以按一定配方适当加入银锌等其它金属配制合金，以改善其硬度、延展性等工艺性能，以利于镶嵌。

4.6 表面处理性能的不同

铜材抛光的光洁度不如贵金属，初抛表面光亮如新，容易氧化，抛光后1～2天即表面光泽暗淡，宜隔绝空气保存。对比显示，黄铜首饰进行滚筒抛光、磁力抛光、布轮抛光等性能均不如贵金属，抛光时间长、效果差、容易腻蜡，除蜡时间较长。黄铜首饰可进行化学清洗，如硝酸、盐酸、硫酸、磷酸等，由于具有一定的腐蚀作用，不可长时间清洗。

5 结论

黄铜材料用于首饰制作教学，大量购材方便，经济节约，但加工工艺整体性能不如贵金属，主要表现在随着加工道次增加，硬化加大，退火次数增加，锯切容易产生粉末多、不容易清理，压延拉丝容易起皮断裂，焊接容易出现虚焊、吸附杂质、焊料不化，镶嵌不容易起镶口、容易伤石掉石断爪，表面处理效果差等方面，加工材料及工具损耗大及加工周期变长。考虑到首饰制作教学与实际的工厂批量化生产有一定的区别，在教学中铜材的工艺性能要求可适当降低。

参考文献：

[1]莫永达，姜雁斌，刘新华，谢建新.2014.柱状晶组织HAl77-2铝黄铜的力学性能与加工硬化行为*[J].金属学报，50（11）：p1367- 1376.

[2]张荣红，裴景成等.2011.千足黄金首饰的硬化工艺探讨[J].黄金，32（10）：7-9.

[3]林法禹，黄毅宏，阮峰，李振南，杨立镇，陈叙秋.1984.Hpb59-1黄铜超塑性的研究及应用[J].新技术新工艺.84（02）：11-13.[4]王昶，袁军平.2007.首饰制作工艺技术的新进展[J].宝石和宝石学杂志，9（03）：26-30.endprint