Мокуме-Гане и гальваническая пара
Мокуме-гане - это композитный материал, состоящий из разнородных, разноокрашенных металлов. Чаще всего это композиция из цветных металлов, драгоценных металлов, или железа и цветных металлов. Родом этот материал из средневековой Японии, там он использовался в основном для украшения оружия. Сегодня мокуме-гане используют в ювелирном деле, для создания украшений. Но, я хотел поговорить не об этом. Давайте изучим технику создания мокуме-гане.
На сегодняшний день есть несколько способов получить этот красивый материал. Рассмотрим самые распространённые.
Первый способ: эвтектический.
Пластины из различных металлов (медь, серебро, латунь, томпак, золото, и др.) собираются стопкой, предварительно зачищенные и обезжиренные, стягиваются туго проволокой и подвергаются нагреву до образования на поверхности брикета из различных металлов жидкой фазы. После чего пакет легонько простукивают молотком и для дальнейшей расковки больше не нагревают его до такой температуры.
Во время плотного контакта металлов происходит диффузия одного металла в другой, при нагреве этот процесс ускоряется и, чем выше нагрев, тем активнее происходит процесс. Когда происходит максимальная растворимость одного металла в другом, возникает эвтектическая фаза, которая имеет более низкую температуру плавления, чем каждый соединяемый металл в отдельности.
Например, пара серебро и медь. Температура плавления серебра 962 градуса Цельсия. Температура плавления меди 1085 градусов Цельсия. Эвтектическая точка двух этих металлов будет соответствовать температуре 778 градусов Цельсия. Именно этот сплав, образующийся в местах контакта меди и серебра, создаёт соединение двух металлов подобно пайке. Именно таким способом в Японии и пользовались.
Теперь рассмотрим более прогрессивный метод:диффузионная сварка.
Этот метод даёт возможность получать неразъёмныесоединения различных материалов, он широко используется в промышленности. Основы этого метода одинаковы, а способы реализации разные. Мы поговорим именно о том, который применяю я в своих работах.
Итак, для того чтобы подготовить наши пластинки к сварке,я делаю ровно то же самое, что и в методе, описанномвыше. Только я не связываю их проволокой, а зажимаю стопку пластин между двух стальных пластин толщиной 5мм, по торцам привариваю ещё пластинки, чтобы пакет был зажат в стальную струбцину.
Затем нашу струбцину помещаю в контейнер из профильной трубы, завариваю торцы контейнера и сверлю отверстие в одном из торцов. В отверстие заливаю масло и помещаю контейнер на угли, медленно нагревая.
Масло в контейнере закипает и вытесняет весь воздух, создавая внутри восстановительную среду. Затем отверстие я завариваю, пока ещё из него выходит небольшой огонёк.
Я помещаю наш контейнер в электрическую печь с температурой 0,7 от температуры плавления самого легкоплавкого металла в пакете и выдерживаю при этой температуре час.
Поверхность пластин защищена от окисления, медь при нагреве увеличивается в размерах значительно сильнее стали - тем самым у нас создаются усилия, вызывающие пластическую деформацию. Температура и время позволяют произойти диффузии в пограничных слоях контактирующих металлов.
В кристаллических решётках есть дефекты, называемые пустотами (вакансиями), соседние атомы стремятся их занять, освобождая место для новых. Если сблизить два металла на межатомное расстояние, то между ними будет происходить процесс обмена атомами. Чем дольше будет происходить этот процесс, тем толще будет пограничный слой, тем крепче будет соединение.
А теперь перейдём к теме гальванической пары в мокуме-гане.
Как нам известно из истории, Луиджи Гальвани случайно наткнулся на явление, получившее название «опыт Гальвани», и не смог правильно его объяснить, поскольку исходил из ложной гипотезы о существовании некоего «животного» электричества. Результаты исследований он изложил в «Трактате о силах электричества при мышечном движении».
Что мы знаем об этом явлении: гальваническая пара — этопара проводников, изготовленных из разных материалов и соединённых друг с другом с целью обеспечения электрического контакта.
Гальваническая пара, погружённая в кислотный или щелочной раствор, будет коррозировать, разрушаясь под действием окисления. Казалось бы, что мокуме-гане именно тот случай, особенно медно-железная пара. Но, как известно, дьявол кроется в мелочах.
Разные металлы имеют разные электродные потенциалы.Так, в присутствии электролита один из них играет роль катода, а другой анода. В результате химической реакции, протекающей между ними, начнётся коррозионный процесс, в котором медь (катод) будет беспощадно разрушать алюминий (анод).
Другими словами, чтобы этот эффект работал, необходимо окисление. Но диффузионная сварка подразумевает соединение на молекулярном уровне, где окисление в принципе невозможно!
В электротехнике это явление приносило большие неудобства. Например, при соединении медных и алюминиевых проводов возникала гальваническая коррозия, соединение разрушалось, что могло привести к возгоранию.
Для этого инженеры и придумали биметаллические гильзы, например медно-алюминиевые. Они изготовлены из алюминия и меди методом фрикционной сварки, контакт металлов обеспечен на молекулярном уровне.
Вывод: гальваническая пара в мокуме-гане невозможна, так как металлы приведены в контакт на молекулярном уровне.
Я лично проводил эксперимент: помещал железно-медный мокуме в раствор соли на сутки. Никаких изменений с мокуме не произошло.