Cu-Ag木紋金制作工藝的研究

唐藝暢，胡義篩，史漳潼，姚嘉豪 ，楊超，祖恩東

(1.昆明理工大學(xué)材料學(xué)院寶石及材料工藝學(xué)系，云南 650093；2.昆明市旅游職業(yè)學(xué)校，云南 650221)

1 引言

木紋金，英文名稱譯為Mokume Gane，“Mokume”意為木材的眼睛，實際含義是英文木紋金中金屬層疊呈現(xiàn)的視覺效果類似于木材的紋理；“Gane”的意思為金屬，日文直譯為“木目金”，如同他的字面意思一樣，就是在金屬表面表現(xiàn)出木紋的金工技術(shù)[1]。

木紋金是制作金屬材料的工藝，而不是成型的工藝。它的獨特在于采用多種金屬疊加成片經(jīng)高溫高壓熔合而生成全新的混合金屬原料，經(jīng)過鉆孔、敲花、扭轉(zhuǎn)、腐蝕等各種處理后再經(jīng)反復(fù)鍛打后可模擬類似木紋或者其他各種隨機性的自由圖案[2]。

本文以Cu、Ag為材料，以保溫溫度、保溫時間、保壓壓力為因素，以不同試驗條件為水平，采用正交試驗方法，最終確定木紋金制作的最佳工藝參數(shù)。

2 實驗方案及制作工藝

2.1 實驗方案

2.1.1 實驗材料

實驗用材料為厚度1mm，長寬均為30mm的紫銅(T2)和白銀(IC-Ag99.90%)板。材料化學(xué)成分見表1。

表1 材料化學(xué)成分表(wt%)

2.1.2 實驗方案

前期為了探究合適的實驗溫度，結(jié)合Cu-Ag合金二元相圖，進行了多次溫度探索實驗。根據(jù)實驗結(jié)果，確認(rèn)實驗保溫溫度區(qū)間范圍為：740℃～750℃。

本論文用正交試驗表，將保溫溫度、保溫時間、保壓壓力三個因素分別設(shè)置3個水平變量，利用實驗結(jié)果分析Cu-Ag木紋金制備的最佳條件。根據(jù)三因素三水平的正交試驗法,各影響因素和水平變量的設(shè)置見表2，試驗設(shè)置疊加層數(shù)為11層。

表2 Cu-Ag木紋金制作工藝正交試驗因素和水平變量表

2.2 制作工藝

木紋金的制作工藝主要有切割、鍛打、錘揲、鉆孔、扭轉(zhuǎn)、腐蝕等。

(1)樣品切割及鍛打：將熔接好的樣品的邊緣部分切割下來，通過打磨及拋光操作，部分樣品可在宏觀的角度上觀察是否擴散熔接成功。之后將所切割下來的邊緣部分進行退火鍛打，根據(jù)鍛打的情況判斷樣品的擴散熔接程度。鍛打過程中，應(yīng)勤退火，避免金屬板裂開[3]。

(2)錘揲處理[4]：指把擴散熔接好的樣品捶打至原有狀態(tài)的1/3或1/4厚。

(3)鉆孔處理：是在樣品表面用鋼鑿或鉆頭進行鉆孔(盲孔)[5]。根據(jù)打孔的力度、角度、密度等因素的不同，樣品表面會出現(xiàn)不同程度的圓形或其他形狀花紋。

(4)扭轉(zhuǎn)的處理方式是將樣品高溫退火后，將樣品旋轉(zhuǎn)成螺紋狀，再將其捶打平整，或通過以不同角度的捶打?qū)悠纷兂上胍幕y。

(5)對于花紋已經(jīng)成型的樣品，可以對其進行著色和抗金屬表面氧化處理，主要采用化學(xué)染色、電解染色和熱處理改色等方法[6]。根據(jù)花紋需求還可用強酸或其他溶液，根據(jù)不同金屬的特點選擇不同的溶液進行腐蝕，以改變花紋顏色。

2.3 首飾制作

木紋金工藝是源于日本的一種特殊金屬工藝,后經(jīng)西方國家改進后運用于當(dāng)代首飾制作與設(shè)計中[7]。木紋金工藝在首飾設(shè)計中的應(yīng)用促進了我國首飾藝術(shù)朝著多元化的方向發(fā)展,不僅豐富了首飾設(shè)計的表現(xiàn)形式和藝術(shù)語言,還在一定程度上滿足了社會大眾對首飾藝術(shù)的審美新需求[8]。

論文結(jié)合Cu-Ag木紋金花紋特點，設(shè)計首飾并制作了成品：木紋金耳釘(圖1)、木紋金對戒(圖2)。

圖1 Cu-Ag木紋金耳釘Fig.1 Cu-Ag mokume-gane earrings

圖2 Cu-Ag木紋金對戒Fig.2 Cu-Ag mokume-gane couple rings

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 金相顯微分析

選取具有代表性的7#試樣進行顯微組織分析觀察(圖3)。

圖3 試樣7#金相顯微分析圖(50×)Fig.3 Metallographic micrograph of sample 7# (50×)

圖內(nèi)可見明顯擴散層，兩側(cè)擴散較為均勻，厚度幾乎相同，單側(cè)擴散層約為250μm厚，擴散層與白銀邊緣可見鋸齒咬合狀形態(tài)，說明擴散邊緣結(jié)合程度較好，紫銅板厚度約為850μm，為原始厚度的85%；白銀板厚度約為650μm，為原始厚度的65%，可說明越靠近樣品中心，擴散程度越好。

3.2 掃描電鏡分析

選取具有代表性的7#試樣進行SEM分析觀察(圖4)。

圖4 試樣7#SEM形貌圖(100×)Fig.4 SEM topography of sample 7#(100×)

圖內(nèi)可見明顯Fe、Sb等顆粒的分布，但是皆均勻分布在整個畫面中，說明保溫溫度設(shè)定在750℃時原子擴散更均勻。

3.3 能譜分析

選取7#試樣進行EDS分析(圖5)。

圖5 試樣7#能譜儀結(jié)果圖Fig.5 Result diagram of energy spectrometer of sample 7#(a)線掃描軌跡；(b)線掃描結(jié)果； (c)面掃描元素分布圖

根據(jù)面掃描圖(c)可清晰見到，銀界面的邊緣位置Cu元素均勻分布其中；而在銀界面中心位置，除材料本身的雜質(zhì)外，幾乎不存在Cu元素。根據(jù)線掃描圖像(b)可知，銀界面存在擴散層，擴散層為419μm～628μm(上半部分)和1369μm～1536μm(下半部分)，擴散層厚度分別為209μm(上)和167μm(下)，由于圖像上半部分更靠近樣品的中心位置，因此可證明Cu元素發(fā)生擴散，且擴散較為良好，越靠近樣品中心位置，擴散層越厚。

4 結(jié)論

(1)Cu-Ag木紋金制作工藝的最佳條件為：保溫溫度為750℃；保溫時間為120min；保溫時樣品所受壓力為32MPa。

(2)溫度設(shè)置在750℃時原子擴散更加均勻；越靠近樣品中心，擴散程度越好，且擴散層越厚。