黃金坩堝作為實(shí)驗(yàn)室分析、貴金屬精煉和一些材料制備的容器,其價(jià)值不僅在于所用材料——黃金本身的貴重,更在于其化學(xué)惰性、高溫穩(wěn)定性。其性能、耐用性和使用壽命在很大程度上取決于制造方法。目前,制造方法主要有兩種:鍛造 和鑄造 。
一、 鍛造法
鍛造是利用金屬的塑性,在外力(如錘擊、壓力)作用下,使其在固態(tài)下發(fā)生塑性變形,從而獲得所需形狀和性能的加工方法。對(duì)于黃金坩堝,鍛造工藝能顯著提升其物理和機(jī)械性能。
1. 制造流程:
原料準(zhǔn)備:選用高純度的金錠或金條作為原材料。純度是保證坩堝化學(xué)性能的基礎(chǔ)。
加熱:將金錠加熱到一定溫度。加熱的目的在于退火,即軟化黃金,提高其塑性,降低變形抗力,使其更容易進(jìn)行后續(xù)的塑性加工,并消除內(nèi)部應(yīng)力。
初步成型:加熱后的金塊首先通過(guò)液壓機(jī)或鍛錘進(jìn)行初步的壓延或鐓粗,形成一個(gè)接近坩堝底部和側(cè)壁厚度的圓餅或短圓柱體。
旋壓成型或 鍛打成型:
旋壓成型:這是常用的方法。將初步成型的金塊固定在旋壓機(jī)的芯模上,高速旋轉(zhuǎn)。操作者使用硬質(zhì)合金工具(旋輪)在旋轉(zhuǎn)的金塊外側(cè)施加壓力,通過(guò)連續(xù)的、局部的塑性變形,將其逐漸“拉伸”成所需的坩堝形狀(如圓柱形、帶卷邊)。此過(guò)程需要較高的技巧和精確控制。
鍛打成型:使用帶有坩堝內(nèi)腔形狀的模具,通過(guò)機(jī)械錘或壓力機(jī)對(duì)加熱的金塊進(jìn)行反復(fù)錘打或壓制,使其貼合模具成型。此法對(duì)模具要求高,且易產(chǎn)生應(yīng)力集中。
精整與修型:對(duì)成型的坩堝進(jìn)行精細(xì)加工,如修整卷邊、打磨內(nèi)外表面,確保尺寸精確、表面光滑無(wú)瑕疵。
退火:成型后的坩堝再次進(jìn)行退火處理,以消除在成型過(guò)程中產(chǎn)生的加工硬化和內(nèi)應(yīng)力,恢復(fù)黃金的延展性和韌性,防止在后續(xù)使用中因應(yīng)力而開(kāi)裂。
清潔與檢驗(yàn):用稀硝酸等安全溶劑清洗,去除表面殘留物,然后進(jìn)行尺寸、外觀和純度的檢驗(yàn)。
2. 鍛造法的優(yōu)點(diǎn):
結(jié)構(gòu)致密,強(qiáng)度高:鍛造過(guò)程通過(guò)塑性變形壓實(shí)了金屬內(nèi)部,消除了鑄錠中可能存在的氣孔、縮松等缺陷,使晶粒細(xì)化并沿變形方向(流線)有序排列,顯著提高了坩堝的機(jī)械強(qiáng)度和致密度。
耐用性佳:致密的結(jié)構(gòu)和消除的應(yīng)力使其更能抵抗高溫下的變形、熱沖擊(快速升降溫)和物理?yè)p傷,使用壽命遠(yuǎn)超鑄造品。
壁厚均勻可控:旋壓等工藝能精確控制壁厚和底厚,確保熱傳導(dǎo)均勻。
表面質(zhì)量好:易于獲得光滑的內(nèi)表面,減少樣品殘留。
二、 鑄造法
鑄造是將金屬加熱至液態(tài),然后澆注到具有所需形狀的鑄型(模具)中,待其冷卻凝固后獲得鑄件的工藝。
1. 制造流程:
熔煉:將高純度金錠在專用坩堝中加熱至熔化。
準(zhǔn)備鑄型:制作或準(zhǔn)備一個(gè)與目標(biāo)坩堝形狀相反的耐高溫模具。
澆注:將熔融的黃金液平穩(wěn)地澆注到預(yù)熱的鑄型中。
冷卻凝固:讓黃金在模具中自然冷卻并凝固。
脫模與清理:取出鑄件,去除澆口、冒口等多余部分,并進(jìn)行打磨、拋光等表面處理。
退火處理:通常也需要進(jìn)行退火以改善性能。
清潔與檢驗(yàn)。
2. 鑄造法的優(yōu)點(diǎn):
成本較低:工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,設(shè)備投入小,適合批量生產(chǎn),加工成本遠(yuǎn)低于鍛造。
可制造復(fù)雜形狀:理論上可以鑄造出非常復(fù)雜的幾何形狀。
材料利用率高:幾乎可以將所有熔融金液注入模具。
綜上所述,鍛造和鑄造是制造黃金坩堝的兩種截然不同的路徑。鍛造法,尤其是結(jié)合旋壓技術(shù),通過(guò)固態(tài)塑性變形,生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度高、耐用性的高品質(zhì)坩堝,是科研實(shí)驗(yàn)室、貴金屬精煉廠等對(duì)性能和可靠性要求高的場(chǎng)合的選擇,盡管其價(jià)格昂貴。而鑄造法則提供了一種成本效益更高的解決方案,適用于對(duì)性能要求不是嚴(yán)苛或預(yù)算有限的應(yīng)用場(chǎng)景。