CN105369048A

CN105369048A - 微合金强化硬质足金及其制备方法

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Publication number: CN105369048A
Application number: CN201510749481.0A
Authority: CN
Inventors: 金明江; 李伟; 丁希可
Original assignee: Shanghai Qijiu New Material Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Qijiu New Material Technology Co Ltd
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2035-11-05
Also published as: CN105369048B

Abstract

本发明提供一种用于足金首饰的硬质足金材料，其组分质量比为：钙0.1～0.4％，钛0.5～0.8％，稀土元素0.01～0.1％，其余为金，并且金含量在99.0％以上。制备过程中，通过引入微量钙元素，在纯金基体中形成弥散的团簇结构，该结构可以非常有效的促进纳米尺度的金四钛化合物强化相的析出，大大提高足金的硬度和强度。这样设计的足金适应常规的首饰加工工艺，可以用于各种足金首饰。

Description

微合金强化硬质足金及其制备方法

技术领域

本发明涉及黄金制造技术领域，尤其是用于首饰生产的硬质足金材料及其生产工艺，具体而言涉及一种微合金强化硬质足金及其制备方法。

背景技术

高纯度的黄金制品一直以来都受到世人的喜爱青睐，在中国首饰市场占据极高的比例，同时在很多新兴行业也得到关注和应用。比如，苹果公司最近推出了最低售价10000美元的黄金版AppleWatch，其最大的卖点之一便是其金质的奢华夺目的外壳。然而，普通足金的硬度很低，在日程佩戴过程中容易磨损或变形，影响首饰的外观、亮度，甚至导致镶嵌宝石的脱落。因此，非常有必要在保证足金成色的前提下，大幅度提高足金的硬度和强度，同时不明显牺牲足金的加工性能，以保证其在传统工艺下的正常使用。黄金版AppleWatch使用的黄金材料硬度是普通黄金的2倍。

现有技术中合金强化主要通过细晶强化、固溶强化以及析出强化等方式实现。细晶强化必须保证足金的晶粒维持在微米尺度以下才能展现高硬度，但是实际生产过程中热处理不可避免，会使得晶粒长大，并导致硬度下降。固溶强化也是一种不错的强化方式，但是由于成色的限制，添加固溶强化元素的量十分有限，因此固溶强化对足金硬度的提高不够明显，难以满足市场需要。相对而言，析出强化是较为理想的强化方式，其中析出元素的选择和添加方式是提高足金硬度的关键。

先前技术中提出了一些通过合金化的方式提高金的硬度的方法，例如潘明等人公开的发明专利申请“首饰用超强高纯合金材料”提出使用钛作为强化元素可以有效的提高足金的硬度，其中提高足金硬度的有效强化析出相为Au₄Ti。但是该强化相必须通过依此固溶处理和中温长时间的时效热处理才能实现，显然这在传统首饰加工行业中是难以实现的。这本质上是由于钛原子在金中扩散困难，析出驱动力不足引起的。

发明内容

本发明目的在于提供一种新的用于足金首饰的硬质足金材料及其制备工艺，在保证足金成色，即金含量不低于99.0％的前提下，显著提高足金硬度，包括铸态、退火态和加工态，同时保持足金的塑性和加工性能。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出一种用于足金首饰的硬质足金材料，其组分质量比为：钙0.1～0.4％，钛0.5～0.8％，稀土元素0.01～0.1％，其余为金，并且金含量在99.0％以上。

进一步的实施例中，前述的稀土元素包括镝和/或铽，总添加比例为0.01～0.1％。

根据本公开的实施例，还提出一种所述硬质足金材料的制备方法，包括：

将99.99％的纯金材料与强化元素钙、钛混合粉体按照质量比9：1配比混合，通过真空感应熔炼法熔炼制备中间合金；

再将制备的中间合金与99.99％纯金材料按1：9的重量比配比进行二次真空感应熔炼，待合金在高温熔化后，加入稀土元素粉体，精炼后进行浇铸成型或制块。

进一步的实施例中，所述方法中所添加的强化元素钙、钛的质量比为1～4:5～8。

进一步的实施例中，所述稀土元素粉体添加量为最后熔炼产物中质量的0.01～0.1％。

进一步的实施例中，所述的稀土元素粉体为镝和/或铽元素粉体。

进一步的实施例中，所述中间合金的熔炼制备指通过真空感应熔炼法熔炼合金，其熔炼真空度为5×10^-3Pa，熔炼温度为1400～1600摄氏度。

进一步的实施例中，所述二次真空感应熔炼是指通过真空感应熔炼法熔炼目标硬质足金，将中间合金与99.99％纯金材料按比例混合后熔化，加料时将纯金材料覆盖在上层，待全部熔化后加入稀土元素粉体，精炼20～60秒后进行浇铸成型或制块。

应当理解，所述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的所述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例说明如下。

在本公开中描述本发明的各方面的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

根据本发明的实施例，本发明提供一种用于足金首饰的硬质足金材料，其组分的质量比为：钙0.1～0.4％，钛0.5～0.8％，稀土元素0.01～0.1％，其余为金属金，并且金含量在99.0％以上。

作为优选的方案，前述的稀土元素包括镝和/或铽，其在整个足金材料中的总添加比例为0.01～0.1％。

本发明前述实施例的合金设计中，通过引入微量钙元素，在纯金基体中形成弥散的团簇结构，该结构可以非常有效的促进纳米尺度的金四钛化合物强化相的析出，大大提高足金的硬度和强度。这样设计的足金适应常规的首饰加工工艺，可以用于各种足金首饰。

本发明的一些方面中，还提出一种前述硬质足金材料的制备方法，包括：

优选地，所述方法中所添加的强化元素钙、钛的质量比为1～4:5～8。

优选地，所述稀土元素粉体添加量为最后熔炼产物中质量的0.01～0.1％。按照这样的比例添加的稀土元素粉体为镝和/或铽元素粉体。

前述中间合金的熔炼制备指通过真空感应熔炼法熔炼合金，其熔炼真空度为5×10^-3Pa，熔炼温度为1400～1600摄氏度。

前述二次真空感应熔炼是指通过真空感应熔炼法熔炼目标硬质足金，将中间合金与99.99％纯金材料按比例混合后熔化，加料时将纯金材料覆盖在上层，待全部熔化后加入稀土元素粉体，精炼20～60秒后进行浇铸成型或制块。

下面结合一些示例实施方案，更加具体地描述本发明所提出的硬质足金材料的制备。

【实施例1】

首先,配料炼制中间合金，或称为“补口”，配料比例为：钙1.4％、钛6.8％(以混合粉体形式)，其余为99.99％纯金材料。混料加入真空熔炼炉坩埚内，开始抽真空。真空度达到3.7×10^-3Pa后，开始加热熔炼，熔体温度通过红外测温仪测定。当温度达到1480℃时，降低电流，开始精炼，精炼时间为30秒，熔炼完毕，浇注进入铜坩埚，获得中间合金。然后将中间合金与99.99％纯金材料按1：9配比，再次进行真空熔炼，加料时将纯金覆盖在上层，通过观察窗口看到合金全部熔化后，迅速加入稀土元素镝粉，加入量为0.05％，电磁搅拌均匀，然后精炼30秒，最近进行浇铸成型。

获得目标足金成分为钙0.12％，钛0.64％，镝0.05％，金含量为99.15％，满足足金纯度。切取3部分样品，其中第一份保持为铸态；第二份进行退火处理，900℃保温20分钟后空冷；第三份进行进一步的时效硬化处理，工艺为在500度等温3小时，然后空冷。分别测试三组样品的硬度，进行对比，结果见表1。

【实施例2】

首先配料炼制中间合金，配料比例为：钙2.5％、钛5.1％(以混合粉体形式)，其余为99.99％纯金材料。混料加入真空熔炼炉坩埚内，开始抽真空。真空度达到3.4×10^-3Pa后，开始加热熔炼，熔体温度通过红外测温仪测定。当温度达到1510℃时，降低电流，开始精炼，精炼时间为35秒，熔炼完毕，浇注进入铜坩埚，获得中间合金。然后将中间合金与纯金按1：9配比，再次进行真空熔炼，加料时将纯金覆盖在上层，通过观察窗口看到合金全部熔化后，迅速加入稀土元素镝粉，加入量为0.06％，电磁搅拌均匀，然后精炼28秒，最近进行浇铸成型。

获得目标足金成分为钙0.21％，钛0.50％，镝0.06％，金含量为99.20％，满足足金纯度。同样切取3部分样品，其中第一份保持为铸态；第二份进行退火处理，900℃保温20分钟后空冷；第三份进行进一步的时效硬化处理，工艺为在500度等温3小时，然后空冷。分别测试三组样品的硬度，进行对比，结果见表1。

【实施例3】

首先配料炼制中间合金，配料比例为：钙3.4％、钛5.9％(以混合粉体形式)，其余为99.99％纯金材料。混料加入真空熔炼炉坩埚内，开始抽真空。真空度达到3.1×10^-3Pa后，开始加热熔炼，熔体温度通过红外测温仪测定。当温度达到1530℃，降低电流，开始精炼，精炼时间为45秒，熔炼完毕，浇注进入铜坩埚，获得中间合金。然后将中间合金与纯金按1：9配比，再次进行真空熔炼，加料时将纯金覆盖在上层，通过观察窗口看到合金全部熔化后，迅速加入稀土元素铽粉，加入量为0.04％，电磁搅拌均匀，然后精炼40秒，最近进行浇铸成型。

获得目标足金成分为钙0.28％，钛0.58％，铽0.04％，金含量为99.09％，满足足金纯度。切取3部分样品，其中第一份保持为铸态；第二份进行退火处理，900℃保温20分钟后空冷；第三份进行进一步的时效硬化处理，工艺为在500度等温3小时，然后空冷。分别测试三组样品的硬度，进行对比，结果见表1。

【实施例4】

首先配料炼制中间合金，配料比例为：钙2.0％，钛7.1％(以混合粉体形式)，其余为99.99％纯金材料。混料加入真空熔炼炉坩埚内，开始抽真空。真空度达到4.1×10^-3Pa后，开始加热熔炼，熔体温度通过红外测温仪测定。当温度达到1580℃，降低电流，开始精炼，精炼时间为55秒，熔炼完毕，浇注进入铜坩埚，获得中间合金。然后将中间合金与纯金按1：9配比，再次进行真空熔炼，加料时将纯金覆盖在上层，通过观察窗口看到合金全部熔化后，迅速加入稀土元素铽粉，加入量为0.05％，电磁搅拌均匀，然后精炼35秒，最近进行浇铸成型。

获得目标足金成分为钙0.15％，钛0.67％，铽0.05％，金含量为99.12％，满足足金纯度。切取3部分样品，其中第一份保持为铸态；第二份进行退火处理，900℃保温20分钟后空冷；第三份进行进一步的时效硬化处理，工艺为在500度等温3小时，然后空冷。分别测试三组样品的硬度，进行对比，结果见表1。

表1-实施例硬度数据

项目	铸态硬度(HV)	退火态硬度(HV)	时效态硬度(HV)
				实施例1	116.4	94.3	189.7
实施例2	113.0	90.5	195.7
				实施例3	121.9	102.1	201.0
实施例4	112.5	97.0	194.2
				普通足金	38.5	30.0	-

由以上方法制备硬质足金材料的过程中，通过在纯金基体中掺入微量元素钙，形成团簇结构，可以造成局部区域的晶格扭曲和共格应力场；这部分共格应力场可以为后续析出强化相的形核提供巨大的驱动力，非常有效的诱发和促进纳米尺度的金四钛化合物强化相的析出，大大提高足金的硬度和强度。

由于合金材料的硬度和强度与晶粒尺度的关系符合Hall-Petch关系，晶粒越细，合金的硬度和强度就越高。我们认为，在本发明前述的实施例中，稀土的加入可以非常有效的抑制晶粒的长大，降低足金材料的晶粒尺度，从而更加有效的提高本发明前述方案所制备的足金的力学性能。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种用于足金首饰的硬质足金材料，其特征在于，其组分质量比为：钙0.1～0.4％，钛0.5～0.8％，稀土元素0.01～0.1％，其余为金，并且金含量在99.0％以上。

2.根据权利要求1所述的用于足金首饰的硬质足金材料，其特征在于，所述稀土元素包括镝和/或铽，其在整个足金材料中的总添加比例为0.01～0.1％。

3.一种用于足金首饰的硬质足金材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：

4.根据权利要求3所述的用于足金首饰的硬质足金材料的制备方法，其特征在于，所述方法中所添加的强化元素钙、钛混合粉体中，钙、钛的质量比为1～4:5～8。

5.根据权利要求3所述的用于足金首饰的硬质足金材料的制备方法，其特征在于，所述稀土元素粉体添加量为最后熔炼产物中质量的0.01～0.1％。

6.根据权利要求5所述的用于足金首饰的硬质足金材料的制备方法，其特征在于，按照这样的比例添加的稀土元素粉体为镝铽元素粉体、铽元素粉体或者前述二者的混合。

7.根据权利要求3所述的用于足金首饰的硬质足金材料的制备方法，其特征在于，前述中间合金的熔炼制备指通过真空感应熔炼法熔炼合金，其熔炼真空度为5×10^-3Pa，熔炼温度为1400～1600摄氏度。

8.根据权利要求3所述的用于足金首饰的硬质足金材料的制备方法，其特征在于，前述二次真空感应熔炼，在将中间合金与99.99％纯金材料混合时，将纯金材料覆盖在上层，待中间合金与99.99％纯金材料全部熔化后加入稀土元素粉体，精炼20～60秒。