一種貴金屬彈簧制作過程質(zhì)量風(fēng)險識別及探討

趙 凱, 葉凝香, 鄒振宇, 張毅浩

(深圳市周大福珠寶制造有限公司 材料研發(fā)實驗室,廣東 深圳 518081)

0 引言

黃金首飾歷來都是我國珠寶消費首選品類,尤其隨著時代文化的發(fā)展,消費者在審美方面轉(zhuǎn)向追求時尚、品質(zhì)潮流的觀念日趨強烈,這促使相關(guān)珠寶公司在產(chǎn)品方面更加多元化發(fā)展。例如一種運用于黃金項鏈或者手鏈中的足金扣(圖1,圖片來自互聯(lián)網(wǎng)),其設(shè)計順應(yīng)時尚潮流,符合年輕人追求美觀、時尚的審美取向;同時避免了一些常規(guī)扣(如足金M扣、S扣)因太軟做成搭扣不牢固的弊端,滿足了消費者對品質(zhì)的追求。但在消費者實際購買佩戴過程中,該類足金扣內(nèi)部金合金彈簧(14K)卻存在易折斷及失去彈性效能的缺陷(圖2),不符合當(dāng)下消費者對該類黃金首飾產(chǎn)品質(zhì)量保證的訴求,從而發(fā)生了一定比例的客訴。本文從消費者投訴該類產(chǎn)品的根本原因著手,分析了該類產(chǎn)品中14K成分彈簧的特點,著重探討了其制作工藝流程存在的風(fēng)險,并對制作流程中的風(fēng)險因素進行相關(guān)識別,為保證該類產(chǎn)品中14K彈簧質(zhì)量品質(zhì)的穩(wěn)定提出了一些參考建議。

圖1 足金扣(互聯(lián)網(wǎng)圖片)

圖2 缺陷彈簧

1 彈簧特點

(1)足金扣中14K彈簧在安全性方面有著先天優(yōu)勢,但其組成元素種類的局限性使其性能與不銹鋼材料同種彈簧相比差距較大。

(2)主體與彈簧懸殊的質(zhì)量比決定了14K彈簧在整個結(jié)構(gòu)中的實際大小,導(dǎo)致了其所受應(yīng)力就會相對集中,長時間處于往復(fù)循環(huán)開合狀態(tài)會降低其使用壽命。

(3)14K彈簧在足金首飾扣中樣小且輕,與純足金(≥999.9‰)外殼搭配組成的首飾扣在成色方面能夠達到足金的成色,即國家標準中所規(guī)定“足金含量不小于990‰”的要求[1],頗受消費者喜歡。

(4)14K彈簧有結(jié)構(gòu)簡單,易加工的優(yōu)勢,其是由圓形截面線材沿其軸線卷繞,端部(扭臂)適合于傳遞扭矩的扭轉(zhuǎn)彈簧[2]。

從以上特點可知:足金扣中的14K彈簧雖有優(yōu)勢,但存在的缺陷同樣明顯。總體來講,要使14K彈簧上述存在的缺陷有所改善,可以從材料制作工藝方面進行優(yōu)化或改進。參考相關(guān)彈簧文獻資料[3],與此同時結(jié)合首飾扣中彈簧的實際使用情況,足金彈簧扣中14K彈簧應(yīng)具備成色均勻、強度高、抗疲勞性強、耐腐蝕、易加工的特點。所以,有必要針對14K彈簧在制作過程中存在的質(zhì)量風(fēng)險進行分析探討。

2 工藝流程

14K彈簧制作需將貴金屬金原料及相關(guān)補口熔煉、鑄造、鍛造、成線,之后才能置于專屬機器上進行彈簧制作。在貴金屬首飾領(lǐng)域,制作14K彈簧材料的加工一般遵循以下流程(圖3)。

圖3 14K貴金屬彈簧制作流程

3 質(zhì)量風(fēng)險及識別

從以上制作過程可知:制作加工流程涉及環(huán)節(jié)較多,而各個環(huán)節(jié)對材料的性能均會產(chǎn)生一定的影響,對能否生產(chǎn)出符合性能要求的彈簧產(chǎn)生了決定性的作用。故應(yīng)該加強制作工藝流程中風(fēng)險點的識別,進而對相關(guān)風(fēng)險因素進行控制,確保產(chǎn)品的合格性。本章節(jié)主要從以下方面探討了彈簧制作工藝流程中存在的風(fēng)險點。

3.1 成色均勻性

金合金熔煉后形成的合金材料均勻與否是制作14K金合金彈簧的質(zhì)量風(fēng)險識別點。其可通過主體成色的均勻性進行表征。

眾所周知,金合金材料均勻性取決于其組成元素是否能夠處于一種或幾種具有相同組分或相同結(jié)構(gòu)的狀態(tài)[4]。當(dāng)金合金材料處于均勻狀態(tài)時,其特定相關(guān)物化性能就會趨于一致性,從而表現(xiàn)出合金穩(wěn)定特性,具體表現(xiàn)在材料的機械性能、耐腐蝕性能、熱處理效果等方面。在機械加工方面,均勻的金合金材料不僅可減少來自材料內(nèi)部的影響,而且可以避免加工過程由于晶粒位移引起材料內(nèi)部產(chǎn)生扭曲效應(yīng)造成外表破碎狀態(tài)的情況[5]。而金合金材料是否均勻,筆者從合金的熔煉材料量燒損、熔煉設(shè)備及熔煉方式方面進行了總結(jié)。

首先,正確的熔煉方式不僅可以很好地控制合金中金組分均勻分布,而且可以大大降低金合金中賤金屬補口的燒損,尤其是配方比例中占比較大的補口元素,其損耗可能導(dǎo)致合金材料主體成色偏高,從而影響材料性質(zhì),增大后續(xù)工序不確定風(fēng)險。如14K材料補口中含鐵時,其他賤金屬補口的揮發(fā)會導(dǎo)致合金中鐵含量的增加,當(dāng)達到一定量時,其抗變色性能就會降低,不再適合首飾的制作[6]。除此之外,也應(yīng)根據(jù)實際操作過程中補口的燒損量,在理論配比的基礎(chǔ)上添加相應(yīng)的燒損補口元素,這樣熔煉出的金合金材料更加貼近理論配比,避免成色偏離預(yù)定目標成色。

其次,熔煉設(shè)備方面常使用感應(yīng)熔煉電爐,按頻率可分為工頻、中頻和高頻,其具有高功率密度和可重現(xiàn)性好的特點[7]。而使用特制坩堝進行熔煉的中頻感應(yīng)熔爐,其具有熔煉效率高、元素?zé)龘p少、收得率穩(wěn)定、溫度好控制、操作方便、污染小、能變換熔煉不同種類的金屬液等優(yōu)點[8]。故選擇中頻感應(yīng)電爐為佳。

最后,熔煉時間長短、溫度高低、熔煉材料添加順序、冷卻方式等因素也會對金合金熔煉效果產(chǎn)生一定影響,故針對于不同種類的金合金,也應(yīng)注意根據(jù)金合金的相關(guān)特性及材料配比嚴格控制相關(guān)參數(shù)以防合金成分偏析。

3.2 材料強度

參考不銹鋼彈簧材料制作要求,可以將金合金材料成線過程中材料的硬度、抗拉強度、可塑性作為質(zhì)量風(fēng)險識別點。其可以通過拉力機及硬度計測試數(shù)值進行表征。

由于合金材料的硬度反映了材料抵抗局部變形的能力,抗拉強度反映了合金材料斷裂階段抵抗外力的過程[9]。針對足金扣中14K彈簧出現(xiàn)問題(圖2),筆者從彈簧制作工藝流程強度控制方面進行了總結(jié)。

由圖3流程可知:在貴金屬首飾制造領(lǐng)域,14K彈簧的材料主要是通過機械擠壓出相應(yīng)的形狀再使用圓孔刀具進行相應(yīng)的切削加工。機械力作用促使了金合金材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進行重組,從而使金合金材料硬度大幅度增加,對加工造成了難度,此時金合金材料塑性太小容易導(dǎo)致金合金材料硬脆,加工容易出現(xiàn)材料崩裂或劈裂現(xiàn)象(圖4)。同時,拉拔過程中材料處于由粗變細的過程,其抗拉強度隨著擠壓的增加而增大,并且在圓孔刀具的擠壓力作用下,受垂直于切削速度方向擠壓應(yīng)力產(chǎn)生擴展塑性變形,以及在切削力的作用下受沿切削速度方向拉應(yīng)力產(chǎn)生伸長塑性變形,促使硬度增加[10-11]。所以鍛造和拉拔過程是金合金材料硬度與抗拉強度同步提升的一個階段,在這個過程中需要格外注意保持金合金材料的可塑性,否則易出現(xiàn)線材拉斷或劈裂的情況(圖5)。經(jīng)過相關(guān)試驗驗證,14K金合金材料在630 ℃、30 min、氣體保護氛圍條件下進行退火操作,可使其硬度維持在170～220 HV(2N/10s),有利于冷加工[12-13]。

圖4 壓線加工合金棒材劈裂情況

因此,在擠壓機切削過程中通過輔以適當(dāng)?shù)耐嘶鸩僮?可以保證金合金材料的硬度、抗拉強度及可塑性,使制作相應(yīng)線徑彈簧的14K金合金線材能夠滿足制作彈簧的要求。

3.3 耐腐蝕性

合金材料通常會進行相關(guān)的耐腐蝕性試驗以驗證合金表面質(zhì)量的好壞,故金合金材料的耐腐蝕性能可作為14K金合金材料制作彈簧的質(zhì)量風(fēng)險識別點。其通過相關(guān)鹽霧試驗前后材料表面的圖片是否有明顯變化進行表征。

作為一種常與首飾鏈搭配的搭扣,足金扣避免不了與人的皮膚接觸,而人的皮膚由于體表汗液的原因會產(chǎn)生pH值4.2～7.5的氛圍。由于足金扣中彈簧成色屬于14K金,且補口中多含其他賤金屬等易氧化成分,在中性偏酸性條件下極易發(fā)生化學(xué)腐蝕引起產(chǎn)品性能缺陷,從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。故筆者針對金合金材料耐腐蝕性能對合金材料的重要性進行了總結(jié)。

良好的耐腐蝕性一方面可保證材料表面不會因出現(xiàn)裂紋、凹陷的質(zhì)量缺陷從而對產(chǎn)品加工過程或成品質(zhì)量造成影響,另一方面也保證產(chǎn)品光澤不會在腐蝕環(huán)境下變色[14]。在實際生產(chǎn)過程中,首飾合金中一般會加入一些常見耐腐蝕元素,如添加一定量的鎳可提高抗腐蝕性能,或改變其補口成分配比、或添加其他微量元素等方法,以盡量避免材料元素產(chǎn)生氧化夾雜;或通過細化晶粒等方式得到平整光亮的鑄態(tài)表面,但要注意添加微量元素的含量以防產(chǎn)生偏聚,形成硬質(zhì)點而影響表面性能[15],在加工階段造成加工缺陷從而對材料的耐腐蝕性造成影響。

除此之外,金合金材料良好的表面質(zhì)量可有效保護加工的設(shè)備及刀具,不會對其造成損傷從而在后續(xù)加工中對金合金材料造成更嚴重的表面缺陷,出現(xiàn)金合金材料表面產(chǎn)生裂紋、劈裂或斷裂的現(xiàn)象。

3.4 抗疲勞性

模擬消費者的使用習(xí)慣及方式,以完整產(chǎn)品扣的開合次數(shù)作為判斷14K彈簧的抗疲勞性能好壞的依據(jù),故抗疲勞性應(yīng)作為一種產(chǎn)品是否達標的質(zhì)量風(fēng)險識別點。其可通過圖6的試驗方式依據(jù)儀器顯示的開合數(shù)字表征。

圖6 14K彈簧疲勞性測試

由于足金彈簧扣以打開、閉合為一個循環(huán)周期,使用過程中必然重復(fù)該操作方式,故其內(nèi)部14K彈簧需滿足不折斷且保持彈力至完成規(guī)定開合次數(shù)的要求,而該過程體現(xiàn)了14K彈簧產(chǎn)品的抗疲勞性能。但實際操作中,受于14K彈簧樣小且輕特點的限制,很難對彈簧進行直接測定,故筆者以完整彈簧扣產(chǎn)品作為測試對象,針對彈簧在產(chǎn)品中所起到的具體功能,使用圖6的方式進行相關(guān)模擬測試。

筆者認為,因為消費者對產(chǎn)品質(zhì)量好壞的直觀判斷就是耐用,提前采用抽檢的方式對生產(chǎn)端的足金彈簧扣進行類似檢測,可以判斷出生產(chǎn)端產(chǎn)品內(nèi)14K彈簧抗疲勞性能是否滿足消費者使用要求。

3.5 可加工性

制作彈簧線材的可加工性應(yīng)作為一種質(zhì)量風(fēng)險識別點。其可利用投影儀器對制作出的彈簧大小、姿態(tài)等進行測量后與設(shè)計圖紙比較來表征。

由于彈簧機利用一對或幾對滾輪壓住絲材并進行旋轉(zhuǎn),推動絲材向前運動,并依靠上、下圈徑桿的限位及導(dǎo)向作用使絲材成形。在這個過程中線材會受到擠壓力及相應(yīng)的拉力,所以拉拔出來的材料要具備相應(yīng)的硬度及抗拉強度,同時線材成形需要良好的可塑性,故并不是能夠拉拔成絲的線材都可以用來制作彈簧。

筆者認為,高硬度可保證送線過程中線材不會被壓變形,且在送樣推力作用下直接被扯斷;高抗拉強度則可保證線材擁有大于送樣推力的屈服強度而不變形被扯斷;可塑性好則利于彈簧尺寸、大小的成形,保證彈簧姿態(tài)的準確性。

3.6 其他

除了以上關(guān)于材料方面的質(zhì)量風(fēng)險之外,彈簧機設(shè)備類型的選擇也是一個質(zhì)量風(fēng)險識別點。

由于足金扣的結(jié)構(gòu)及成色要求決定了彈簧的大小,故要求設(shè)備的精密度必須控制在0.02 mm左右。而人工智能設(shè)備的使用可以對其姿態(tài)、尺寸、形狀等產(chǎn)品信息參數(shù)方面進行控制,進而生產(chǎn)出更加精細化的產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的電子化設(shè)備相比,可依據(jù)其精準監(jiān)測功能全程跟蹤傳輸?shù)男畔?shù)據(jù),確保信息傳輸?shù)木珳市浴⒂行院图皶r性,避免了數(shù)據(jù)經(jīng)常會發(fā)生傳輸中斷、傳輸失誤等問題[16]。

因此,應(yīng)盡量采用信息化智能高的彈簧機設(shè)備進行彈簧產(chǎn)品的最后加工,以確保產(chǎn)品的可靠性。

4 總結(jié)

足金扣作為首飾中常用的配件,具有使用方便、時尚潮流等特點,得到了廣大消費者的認可,但目前足金扣在佩戴使用中其內(nèi)部14K彈簧存在易折斷、失去彈性等缺陷。為降低生產(chǎn)14K彈簧的質(zhì)量風(fēng)險,可從合金材料的成色、強度、耐腐蝕性、抗疲勞性及可加工性等方面加強相關(guān)的質(zhì)量風(fēng)險識別,以達到質(zhì)量控制及消除相關(guān)缺陷的目的。此外,對于智能化信息設(shè)備的使用要積極推廣,有利于對生產(chǎn)過程各指標的監(jiān)控及程序執(zhí)行,極大提高效率的同時也可最大程度地減少人為因素帶來的干擾。