Cu-Ag木纹金制作工艺的研究

2019-05-19唐艺畅胡义筛史漳潼姚嘉豪杨超祖恩东

超硬材料工程 2019年6期

唐艺畅，胡义筛，史漳潼，姚嘉豪，杨超，祖恩东

(1.昆明理工大学材料学院宝石及材料工艺学系，云南 650093；2.昆明市旅游职业学校，云南 650221)

1 引言

木纹金，英文名称译为Mokume Gane，“Mokume”意为木材的眼睛，实际含义是英文木纹金中金属层叠呈现的视觉效果类似于木材的纹理；“Gane”的意思为金属，日文直译为“木目金”，如同他的字面意思一样，就是在金属表面表现出木纹的金工技术[1]。

木纹金是制作金属材料的工艺，而不是成型的工艺。它的独特在于采用多种金属叠加成片经高温高压熔合而生成全新的混合金属原料，经过钻孔、敲花、扭转、腐蚀等各种处理后再经反复锻打后可模拟类似木纹或者其他各种随机性的自由图案[2]。

本文以Cu、Ag为材料，以保温温度、保温时间、保压压力为因素，以不同试验条件为水平，采用正交试验方法，最终确定木纹金制作的最佳工艺参数。

2 实验方案及制作工艺

2.1 实验方案

2.1.1 实验材料

实验用材料为厚度1mm，长宽均为30mm的紫铜(T2)和白银(IC-Ag99.90%)板。材料化学成分见表1。

表1 材料化学成分表(wt%)

2.1.2 实验方案

前期为了探究合适的实验温度，结合Cu-Ag合金二元相图，进行了多次温度探索实验。根据实验结果，确认实验保温温度区间范围为：740℃～750℃。

本论文用正交试验表，将保温温度、保温时间、保压压力三个因素分别设置3个水平变量，利用实验结果分析Cu-Ag木纹金制备的最佳条件。根据三因素三水平的正交试验法,各影响因素和水平变量的设置见表2，试验设置叠加层数为11层。

表2 Cu-Ag木纹金制作工艺正交试验因素和水平变量表

2.2 制作工艺

木纹金的制作工艺主要有切割、锻打、锤揲、钻孔、扭转、腐蚀等。

(1)样品切割及锻打：将熔接好的样品的边缘部分切割下来，通过打磨及抛光操作，部分样品可在宏观的角度上观察是否扩散熔接成功。之后将所切割下来的边缘部分进行退火锻打，根据锻打的情况判断样品的扩散熔接程度。锻打过程中，应勤退火，避免金属板裂开[3]。

(2)锤揲处理[4]：指把扩散熔接好的样品捶打至原有状态的1/3或1/4厚。

(3)钻孔处理：是在样品表面用钢凿或钻头进行钻孔(盲孔)[5]。根据打孔的力度、角度、密度等因素的不同，样品表面会出现不同程度的圆形或其他形状花纹。

(4)扭转的处理方式是将样品高温退火后，将样品旋转成螺纹状，再将其捶打平整，或通过以不同角度的捶打将样品变成想要的花纹。

(5)对于花纹已经成型的样品，可以对其进行着色和抗金属表面氧化处理，主要采用化学染色、电解染色和热处理改色等方法[6]。根据花纹需求还可用强酸或其他溶液，根据不同金属的特点选择不同的溶液进行腐蚀，以改变花纹颜色。

2.3 首饰制作

木纹金工艺是源于日本的一种特殊金属工艺,后经西方国家改进后运用于当代首饰制作与设计中[7]。木纹金工艺在首饰设计中的应用促进了我国首饰艺术朝着多元化的方向发展,不仅丰富了首饰设计的表现形式和艺术语言,还在一定程度上满足了社会大众对首饰艺术的审美新需求[8]。

论文结合Cu-Ag木纹金花纹特点，设计首饰并制作了成品：木纹金耳钉(图1)、木纹金对戒(图2)。

图1 Cu-Ag木纹金耳钉Fig.1 Cu-Ag mokume-gane earrings

图2 Cu-Ag木纹金对戒Fig.2 Cu-Ag mokume-gane couple rings

3 实验结果与讨论

3.1 金相显微分析

选取具有代表性的7#试样进行显微组织分析观察(图3)。

图3 试样7#金相显微分析图(50×)Fig.3 Metallographic micrograph of sample 7# (50×)

图内可见明显扩散层，两侧扩散较为均匀，厚度几乎相同，单侧扩散层约为250μm厚，扩散层与白银边缘可见锯齿咬合状形态，说明扩散边缘结合程度较好，紫铜板厚度约为850μm，为原始厚度的85%；白银板厚度约为650μm，为原始厚度的65%，可说明越靠近样品中心，扩散程度越好。

3.2 扫描电镜分析

选取具有代表性的7#试样进行SEM分析观察(图4)。

图4 试样7#SEM形貌图(100×)Fig.4 SEM topography of sample 7#(100×)

图内可见明显Fe、Sb等颗粒的分布，但是皆均匀分布在整个画面中，说明保温温度设定在750℃时原子扩散更均匀。

3.3 能谱分析

选取7#试样进行EDS分析(图5)。

图5 试样7#能谱仪结果图Fig.5 Result diagram of energy spectrometer of sample 7#(a)线扫描轨迹；(b)线扫描结果； (c)面扫描元素分布图

根据面扫描图(c)可清晰见到，银界面的边缘位置Cu元素均匀分布其中；而在银界面中心位置，除材料本身的杂质外，几乎不存在Cu元素。根据线扫描图像(b)可知，银界面存在扩散层，扩散层为419μm～628μm(上半部分)和1369μm～1536μm(下半部分)，扩散层厚度分别为209μm(上)和167μm(下)，由于图像上半部分更靠近样品的中心位置，因此可证明Cu元素发生扩散，且扩散较为良好，越靠近样品中心位置，扩散层越厚。