Наш адрес: ул.Электрозаводская, д.21, подъезд №4, комплекс МЭЛЗ
пн-пт: 10.00-19.00
сб-вс: по записи
+7 (495) 767 95 92

Технология литья ювелирных изделий с камнями

Технология литья ювелирных изделий с камнями

В связи с развитием ювелирного производства в России (и во всём мире) в настоящее время актуальным остаётся вопрос повышения качества изготовляемой продукции с одновременным снижением затрат на её производство.
Одной из проблем (с экономической и технологической стороны) была и остаётся проблема закрепки камней в ювелирное изделие.
На подавляющем большинстве современных ювелирных предприятий камни крепятся вручную. Альтернативой данного процесса является современная технология литья ювелирных изделий с камнями.
Основной принцип данной технологии – закрепление вставок не в отлитое изделие, а в восковую модель. При внедрении данной технологии на крупном ювелирном предприятии значительно сокращается время и затраты на производство изделий с камнями.
Данная технология была разработана в 80-е годы прошлого столетия в США и порядка 10 лет была засекреченной. В Штатах (по сравнению с Европой и Россией) операция закрепления камней в ювелирное изделие наиболее высоко оплачиваемая операция на ювелирном предприятии. Именно по этой причине американские ювелиры нашли и с успехом применяют до сих пор технологию литья ювелирных изделий с камнями.

Описание технологии

Рис.1 Схема технологического процесса «Литьё с камнями»

Рассмотрим схему технологического процесса по операциям (рис.1)

1) Изготовление мастер-модели 
Мастер-модель является прототипом будущего изделия, изготавливается вручную или машинным способом. Вручную – традиционный способ. Машинный способ – изготовление мастер-моделей с помощью различных 3D-принтеров, стереолитографических установок, станков с числовым программным управлением. В настоящее время машинный способ предпочтительней ручного способа из-за высокой геометрической точности и стоимости изготовления, не смотря на то, что доводка моделей производится вручную. 
Требования, предъявляемые к мастер-модели:
- материал для изготовления модели не должен менять свои свойства, разрушаться в процессе вулканизации резиновых пресс-форм, химически взаимодействовать с резиной,
- параметры шероховатости модели должен быть не ниже требуемого для получаемых по нему отливок: раковины, царапины, вмятины на его поверхности не допустимы,
На этом этапе необходимо уделить повышенное внимание посадочным местам под камень (касты), которые должны обеспечить надёжное удержание камня воском и формовочной массой, а так же равномерный отвод тепла от металла через камни по формомассе. Касты должны быть обработаны с учётом усадочным процессов на дальнейших стадиях технологического процесса.
На предприятиях ювелирной промышленности как правило модели изготавливают из серебра 925 пробы, причем поверхность модели покрывают родием для предотвращения процесса окисления во время вулканизации резины.

2) Изготовление резиновой пресс-формы
Резиновая пресс-форма необходима для изготовления и тиражирования восковых моделей. Различают резины горячей и холодной вулканизации, листовые резины и силиконовые. Наиболее высокое качество резиновой формы получается при использовании резины горячей вулканизации.
Резину помещают в металлическую рамку чуть выше, чем до половины. Модель с припаянным литником помещается в рамку, поверх резины так, чтобы конец литника касался внутренней поверхности рамки. Затем рамку заполняют резиной так, чтобы её количество сверху и снизу было одинаковым. Металлическую рамку помещают в вулканизационный пресс и прижимают верхней плитой пресса. После того как температура верхней плиты достигает 140-150 ºС, ее опускают до предела и под давлением производится вулканизация в течении 30-45 мин. Уже вязкая резина заполняет все пустоты и воздушные карманы внутри рамки. По истечению этого времени нагрев выключается и раму с пресс-формой извлекают и охлаждают. Остывшая пресс-форма представляет собой монолитный кусок резины с моделью внутри.
Пресс-форма разрезается вручную на две половины для того чтобы удалить модель и сделать полость доступной для заполнения её модельным составом (воском). При разрезании пресс-формы следуют внимательно проводить линию реза в области посадочных мест.


3) Изготовление выплавляемых (восковых) моделей
Восковые модели получают путём запрессовки расплавленного модельного состава в полость резиновой формы. Данную операцию производят на специальных установка – восковых инжекторах. На современных ювелирных предприятиях это, как правило, автоматические инжекторы с устройством зажима и подвода резиновой формы к соплу инжектора. Необходимо соблюдать оптимальное давления инжекции, что бы на восковках не было облоя (слишком высокое давление) или недоливов (слишком низкое давление). Для литья с камнями следует использовать ювелирный воск с повышенной пластичностью и хорошей «памятью». Применение обычного воска, не обладающего достаточной «памятью», приводит к неплотной посадке камней и проблемам литья.

4) Посадка камней в готовые восковые модели
Перед посадкой камня в восковую модель, производится тщательный контроль качества восковых моделей на отсутствие дефекта. Особое внимание уделяется кастам, т.к. после заливки металла невозможно будет обработать эти места. Закрепка камня в воск производится вручную с использованием пинцетов и заостренных шпателей. После посадки камней может потребоваться дополнительная коррекция их положения по высоте и зазоров между ними (рис.2).

Рис.2 Схематичное изображение положений камня в касте:
а) камень посажен криво,
б) камень выпирает из каста,
в) камень утоплен в касте,
г) камень стоит ровно

Для технологии литья с камнями наиболее рентабельными являются синтетические камни – фианиты (в европейской терминологии – кубический цирконий). Так же пригодны бриллианты, рубины, сапфиры, гранаты. Камни должны иметь высокое качество, наилучшую калибровку и точные размеры. Кроме того, фианиты должны быть предварительно подвергнуты термической обработке.

5) Изготовление модельного блока
Модельный блок (или «ёлка») представляет собой центральный восковой стояк, на который напаяны восковые модели на питателях. Следует отметить, что угол между питателем и стояком должен составлять 70 - 80°. Данное расположение способствует наилучшему удалению газов из формы перед процессом заливки формы, при использовании машин с донным разливом (рис.3). Перед процессом изготовления литейной формы, модельный блок смачивают в спирте или в специальном мыльном растворе, для снятия статического напряжения воска.

6) Изготовление литейной формы
Литейные формы изготавливают из формомассы, которая представляет собой сложный состав огнеупорных компонентов, как правило, оксидов кремния в виде кварца и кристобалита, гипса, различных замедлителей и связующих (глюкоза, бура, серная кислота) и др.
Технология литья с камнями требует применения специальных формовочных смесей с мелкодисперсной структурой смеси. Такие смеси благодаря своим свойствам защищают камни от высоких температур при прокаливании формы. На рынке смесей основные представители это SRS (England) –Stonecast, Kerr (USA) – Satin Cast Extreme. 
Формовочная смесь приготавливается в специальных вибро-вакуумных смесителях (рис.4). При подготовке формомассы необходимо обеспечить не только перемешивание, но и качественную дегазацию смеси, что особенно важно для участков крепления камней.

7) Прокаливание опок и выплавление модельного состава
Выплавление модельного состава предпочтительней производить в той же печи, где будет производиться и прокаливание формы. Это обеспечит минимальные потери тепла при переходе от этапа вытапливания к этапу прокаливания. Печь для прокалки (как правило, муфельная) должна обладать принудительной вентиляцией.
При литье с камнями, для предотвращения нанесения вреда камням, следует изменить стандартный цикл прокаливания формы. Ниже приведены циклы прокаливания при обычном литье и литье с камнями.

8) Заливка форм
Плавка и заливка производится в печах индукционного нагрева с донным разливом расплавленного металла. Данный выбор обусловлен высоким качеством поверхности получаемых отливок, хорошей пластичностью и прочностью на излом. 
Важно использовать исходные чистые компоненты, для достижения наивысшего результата. При литье с камнями следует обращать внимание на температуру заливаемого металла.

9) Финишные операции 
После того как залитые опоки остыли до комнатной температуры производится очистка блока отливок от формовочной смеси. 
Первый этап это размывка в гидромониторе струёй воды под сильным давлением.
Второй этап – операция «отбел», снятие с поверхности отливок оксидного слоя. Отбел производится в слабом растворе серной кислоты. 
Третий этап – очистка блока отливок в ультразвуковой ванне, промывка в проточной воде, сушка. 
Блок отливок раскусывается вручную специальными кусачками.

10) Механическая обработка
Отлитые изделия с камнями категорически запрещено подвергать операции пайки, т.к. высокие температуры могут негативно повлиять на качество камней. 
На участках шлифовки и полировки следует внимательно обрабатывать места посадки камней. Снятие лишнего слоя металла с крапанов изделия может привести к выпадению камня и как следствие – браку изделия. 
Не рекомендуется операция - галтование изделий. Возникает риск повреждения камней (образование трещин, сколов, царапание поверхности).

 а)    

  

б)

 Рис.3 Вакуумные литейные машины с донной заливкой металла
а) Induterm модель V-400
б) Neutec USA модель J-zP

Рис.4 Вибро-вакуумный смеситель формовочных смесей, KWS Germany

Проблемы литья с камнями
Основная проблема технологии – выпадение вставок из посадочных мест, трещины в камнях, изменение цвета камня. Эти проблемы вызваны многими факторами. 
Причины выпадения камней: неправильная посадка камня в восковку, термосиловое взаимодействие системы форма-камень-металл, усадка сплава, турбулентный поток расплавленного металла при заливке формы и др.
Причины возникновения трещин в камнях: резкое охлаждение опоки, нерациональная литниково-питающая система, перегрев в металле, внутреннее напряжение в камне и др.
Причины изменения цвета камней: влияние отклонения температуры на физические свойства камней, нарушение режима прокаливания формы, перегрев металла и др.
Контролировать одновременно все параметры очень сложно, потому для достижения высокого качества продукции необходимо соблюдать следующие правила и инструкции:
- при посадке камня следует контролировать положение камня в касте,
- при выполнении цикла прокаливания формы следует строго соблюдать рекомендации по изготовлению формовочной смеси. При плавке металла и заливке формы важно помнить, что даже незначительный перегрев металла может повлиять на сохранность камней. Рациональней увеличить температуру формы перед заливкой, нежели увеличивать температуру сплава.
- всегда надо помнить об усадке формомассы в процессе прокаливания и усадке сплава при его затвердевании. Геометрические преобразования системы форма-металл – одна из главных проблем выпадения камней из посадочных мест. Что бы избежать этого, нужно контролировать геометрическую точность изготовляемых мастер-модели, восковок и, наконец, отливок, учитывая усадки воска и металла, правильно устанавливать цикл прокаливания формы.
Для исключения брака в продукции следует уделять повышенное внимание термо-силовому взаимодействию системы форма-камень-металл. Исследование усадочных процессов формовочной массы и металла позволят подбирать оптимальные условия для сохранности камней. 
Для решения вопросов способа заливки изделия с камнями (без их дозакрепки) необходимо исходя из известных физических свойств материала камня, восковки и формы прежде всего решить задачу взаимодействия этих материалов в пределах упругости.
Более точное решение этой задачи представляется в случае решения с учётом упруго-пластических свойств перечисленных материалов.