CN112210686A - 一种低导热金材料及其制备方法、金器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低导热金材料及其制备方法、金器。该低导热金材料包括单质Au、Q和单质V，其中Q包括单质Ti和/或单质Cr，且单质Au的重量含量≥99.99％。一方面单质Au的重量含量≥99.99％，材料金纯度较高，满足贵金属制品高纯度要求。另一方面材料还包括单质Q和单质V，作为更微小的掺杂元素成分，促使材料具有更好的低导热性能。同时，材料的机械性能比如硬度更佳，使用效果更好。
Description
技术领域
本发明涉及贵金属加工领域，具体而言，涉及一种低导热金材料及其制备方法、金器。
背景技术
随着国人生活水平的提高，消费理念发生很大变化，金制品生活化应用的市场逐步拓展，进入新的需求阶段。而金具有非常优异的导热性，造成其制成的餐具和茶具，如：碗、勺、筷，杯等生活化器具盛放热食、热饮后导热过快，外壁温度过高，难以手持或端握。
导热性是物质传导热量的性能。导热性其大小用热导系数来衡量，纯金属的导热性很好，合金的导热性会下降，但是通常通过合金化方式则降低了材料纯度。如何在确保金高纯度的条件下(纯度大于99.9％)，降低纯金材料的热导率是一个技术难题。
基于以上原因，有必要提供一种低导热金材料，在满足含金纯度高的条件下，满足材料热导率较低的使用需求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种低导热金材料及其制备方法、金器，以解决现有技术中高纯度金材料热导率高的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种低导热金材料，包括单质Au、Q和单质V，其中Q包括单质Ti和/或单质Cr，且单质Au的重量含量≥99.99％。
进一步地，按重量含量计，低导热金材料包括99.99％的单质Au，10～50ppm的Q和余量的单质V。
进一步地，Q和单质V的重量比为(1:9)～(4.8:5.2)。
进一步地，Q包括单质Ti和单质Cr，且单质Ti和单质Cr的重量比为(1:1.5)～1，Q和单质V的重量比为(1:9)～(2.5:7.5)；或者，Q包括单质Ti，Q和单质V的重量比为(1:9)～(1.2:8.8)；或者，Q包括单质Cr，Q和单质V的重量比为(1:9)～(1.5:8.5)。
进一步地，低导热金材料包括99.99％的单质Au、12ppm的单质Ti及88ppm的单质V；或者，低导热金材料包括99.99％的单质Au、15ppm的单质Cr及85ppm的单质V；或者，低导热金材料包括99.99％的单质Au、75ppm的单质V、15ppm的单质Ti及10ppm的单质Cr。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种低导热金材料的制备方法，将单质Au、Q和单质V进行混合熔炼，得到低导热金材料。
进一步地，熔炼中得到了熔炼金材料，制备方法还包括：将熔炼金材料进行机械碾压处理，得到低导热金材料。
进一步地，将熔炼金材料在铣床上进行机械碾压处理，且铣床的碾压头转速为ω＝1900～3800r/min，碾压头横向移动速度为v＝8～45mm/min，碾压钢球的直径为3～9mm；优选地，机械碾压处理过程中，碾压深度为0.05～0.25mm。
根据本发明的另一方面，提供了一种金器，金器的材料为上述低导热金材料。
进一步地，金器为金餐具或金茶具。
应用本发明的技术方案，提供的上述低导热金材料包括单质Au、Q和单质V，其中Q包括单质Ti和/或单质Cr，且单质Au的重量含量≥99.99％。一则单质Au的重量含量≥99.99％，材料金纯度较高，满足贵金属制品高纯度要求。二则材料还包括单质Au、Q和单质V，作为更微小的掺杂元素成分，促使材料具有更好的低导热性能。同时，材料的机械性能比如硬度更佳，使用效果更好。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明的实施例1的低导热金材料的金相组织图；
图2示出了本发明的实施例1的低导热金材料的纳米晶粒形貌图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明的主要目的在于提供一种低导热金材料及其制备方法、金器，以解决现有技术中高纯度金材料热导率高的问题。
为了解决这一问题，本发明提供了一种低导热金材料，包括单质Au、Q和单质V，其中Q包括单质Ti和/或单质Cr，且单质Au的重量含量≥99.99％。一则金材料中单质Au的重量含量≥99.99％，促使材料金纯度较高。二则单质Ti、单质Cr和单质V三种过渡金属元素作为金材料的微掺杂元素，在更微小的元素添加量下，促使金材料在满足含金纯度高的条件下，热阻更大，导热性显著地下降，低热导性能更佳。除此之外，材料机械性能如硬度更优。
总之，本发明提供的低导热金材料，在含金纯度高、满足贵金属高纯度的要求下热导率更低，低导热性能更佳。同时，材料的机械性能如硬度有较大的提高。
优选地，按重量含量计，低导热金材料包括99.99％的单质Au，10～50ppm的Q和余量的单质V。将单质Au、Q和单质V的重量控制在上述范围内，能够在含金纯度高、满足贵金属高纯度的要求下进一步降低材料热导率。
优选地，Q和单质V的重量比为(1:9)～(4.8:5.2)。在此范围内，Q和单质V的协同增效作用更佳，低导热金材料表面的纳米结构晶粒大小更适宜，晶粒间界面更大，促使材料热阻更高，热导率更低，硬度更高，强度更高。
在一种优选的实施方式中，Q包括单质Ti和单质Cr，且单质Ti和单质Cr的重量比为(1:1.5)～1，Q和单质V的重量比为(1:9)～(2.5:7.5)；或者，Q包括单质Ti，Q和单质V的重量比为(1:9)～(1.2:8.8)；或者，Q包括单质Cr，Q和单质V的重量比为(1:9)～(1.5:8.5)。在此范围内，各个组分的优势得以更充分地发挥，协同促使低导热金材料表面的纳米结构平均晶粒大小更适宜，材料结构更均匀，良好的均匀性促使材料的低热导性能更好，硬度更高，使用效果更好。
进一步优选地，按重量含量计，低导热金材料包括99.99％的单质Au、12ppm的单质Ti及88ppm的单质V；或者，低导热金材料包括99.99％的单质Au、15ppm的单质Cr及85ppm的单质V；或者，低导热金材料包括99.99％的单质Au、75ppm的单质V、15ppm的单质Ti及10ppm的单质Cr。
根据本发明的另一方面，还提供了一种低导热金材料的制备方法，将单质Au、Q和单质V进行混合，按照传统方法大气环境下进行熔炼，熔炼温度为1200～1300℃，得到低导热金材料。
基于前述各成分协同增效带来的有益效果，上述制备方法促使各成分间相容性更好，分散性更佳，得到的熔炼金材料均匀性更佳。
优选地，熔炼中得到了熔炼金材料，制备方法还包括：将熔炼金材料进行机械碾压处理，得到低导热金材料。在熔炼之后进行机械碾压处理，促使材料表层发生晶粒细化，形成极细的纳米结构，晶粒间界面大幅度增加，热阻增高，热导率更低，同时材料的硬度更优，强度更优。在实际操作过程中，可以在得碾压处理得到低导热金材料之后，再利用常规的制作工艺将该低导热金材料制成不同造型的制品。当然，也可以在将熔炼金材料制成金制品后，再对制品表面施加碾压力进行碾压。这是本领域技术人员能够自行选择的，在此不再赘述。
在一种优选的实施方式中，将熔炼金材料在铣床上进行机械碾压处理，且铣床的碾压头转速为ω＝1900～3800r/min，碾压头横向移动速度为v＝8～45mm/min，碾压钢球的直径为3～12mm；优选地，机械碾压处理过程中，碾压深度为0.05～0.25mm。实际操作过程中通常使用碾压深度作为指标，通过调整碾压力，即可调整碾压深度，比如碾压深度0.05mm近似对应200kgf碾压力，0.25mm近似对应1500kgf碾压力。在此范围内，机械碾压处理过程中，碾压头接触的材料表层形成的剪切变形区厚度更适宜，晶粒细化的尺寸更适宜，晶粒平均大小更适宜，形成的纳米结构更均匀，促使材料热阻更高，热导率更低，低导热性能更佳，同时硬度更佳，强度更佳。
根据本发明的又一方面，还提供了一种金器，金器的材料为前述低导热金材料。
基于前文的各项原因，本发明提供的金器，一则单质Au的重量含量≥99.99％，材料金纯度较高，满足贵金属制品高纯度要求。二则材料还包括单质Au、Q和单质V，作为更微小的掺杂元素成分，促使材料具有更好的低导热性能。同时，材料的机械性能比如硬度更佳，使用效果更好。三则低导热金材料的制备先将单质Au、Q和单质V混合熔炼，后进行机械碾压处理，材料表层形成纳米结构，促使材料晶粒间界面大幅度增加，热导率显著地下降，硬度成倍增加，力学性能更佳。优选地，金器为金餐具或金茶具，如：金碗、金勺、金杯等。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
性能表征：
(1)热导率测试：
采用激光闪射法，设备为德国耐驰LFA467激光热导率仪。
(2)表面硬度测试：
采用显微硬度，设备为德国Zwick/Roell公司的万能硬度试验机Zwick ZHU0.2。
(3)纳米结构组织深度测试：
采用奥林巴斯BX53M金相显微镜，根据截面金相组织测量纳米结构深度。
(4)纳米晶粒平均大小测试：
采用TECNAI F30透射电子显微镜，合适的放大倍数为1-2万倍。
图2示出了本发明的实施例1的低导热金材料表面纳米结构晶粒形貌图。
对比例1
金材料配方：市售4N纯金。
热导率：317w/mk；硬度：30～40。
实施例1
低导热金材料配方：
Au 99.99％
Ti 10ppm
V 90ppm
其中，Ti和单质V的重量比为1.2:8.8。
按上述配方混合按照传统方法大气环境进行熔炼，熔炼温度为1200～1300℃，得到熔炼金材料，经过轧制，形成厚度为1mm的金板；再将金板材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝1900r/min，碾压头横向移动速度为v＝8mm/min，碾压钢球的直径为3mm，碾压深度为0.15mm。
在金表面深度约70μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：20nm；
热导率：和对比例1相比，热导率降低46％；
力学性能：硬度(HV)：105。
实施例2
低导热金材料配方：
Au 99.99％
Cr 10ppm
V 90ppm
其中，Cr和单质V的重量比为1.5:8.5。
按上述配方混合按照传统方法大气环境进行熔炼，熔炼温度为1200～1300℃，得到熔炼金材料，经过轧制,形成厚度为1mm的金板；再将金板材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝1900r/min，碾压头横向移动速度为v＝8mm/min，碾压钢球的直径为3mm，碾压深度为0.25mm。
在金表面深度约100μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：25nm；
热导率：和对比例1相比，热导率降低43％；
力学性能：硬度(HV)：98。
实施例3
低导热金材料配方：
其中，Q和单质V的重量比为2:8；单质Ti和单质Cr的重量比为1:1。
按上述配方混合按照传统方法大气环境进行熔炼，熔炼温度为1200～1300℃，得到熔炼金材料，经过轧制,形成厚度为1mm的金板；再将金板材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝1900r/min，碾压头横向移动速度为v＝8mm/min，碾压钢球的直径为6mm，碾压深度为0.20mm。
在金表面深度约110μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：30nm；
热导率：和对比例1相比，热导率降低48％；
力学性能：硬度(HV)：98。
实施例4
低导热金材料配方：
Au 99.99％
Cr 50ppm
V 50ppm
其中，单质Cr和单质V的重量比为1:1。
按上述配方混合按照传统方法大气环境进行熔炼，熔炼温度为1200～1300℃，得到熔炼金材料，经过轧制,形成厚度为1mm的金板；再将金板材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝3800r/min，碾压头横向移动速度为v＝8mm/min，碾压钢球的直径为3mm，碾压深度为0.05mm。
在金表面深度约60μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：25nm；
热导率：和对比例1相比，热导率降低44％；
力学性能：硬度(HV)：90。
实施例5
低导热金材料配方：
Au 99.99％
Ti 50ppm
V 50ppm
其中，单质Ti和单质V的重量比为1:1。
按上述配方混合按照传统方法大气环境进行熔炼，熔炼温度为1200～1300℃，得到熔炼金材料，经过轧制，形成厚度为1mm的金板；再将金板材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝3800r/min，碾压头横向移动速度为v＝45mm/min，碾压钢球的直径为10mm，碾压深度为0.05mm。
在金表面深度约60μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：45nm；
热导率：和对比例1相比，热导率降低38％；
力学性能：硬度(HV)：88。
实施例6
低导热金材料配方：
其中，Q和单质V的重量比为2.5:7.5；单质Ti和单质Cr的重量比为1:1.5。
按上述配方混合按照传统方法大气环境进行熔炼，熔炼温度为1200～1300℃，得到熔炼金材料，经过轧制,形成厚度为1mm的金板；再将金板材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝1900r/min，碾压头横向移动速度为v＝8mm/min，碾压钢球的直径为12mm，碾压深度为0.05mm。
在金表面深度约75μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：35nm；
热导率：和对比例1相比，热导率降低43％；
力学性能：硬度(HV)：90。
实施例7
低导热金材料配方：
Au 99.99％
Ti 12ppm
V 88ppm
其中，Ti和单质V的重量比为1.2:8.8。
按上述配方混合按照传统方法大气环境进行熔炼，熔炼温度为1200～1300℃，得到熔炼金材料，经过轧制,形成厚度为1mm的金板；再将金板材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝1900r/min，碾压头横向移动速度为v＝8mm/min，碾压钢球的直径为3mm，碾压深度为0.10mm。
在金表面深度约65μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：35nm；
热导率：和对比例1相比，热导率降低37％；
力学性能：硬度(HV)：85。
实施例8
低导热金材料配方：
Au 99.99％
Cr 15ppm
V 85ppm
其中，Cr和单质V的重量比为1.5:8.5。
按上述配方混合按照传统方法大气环境进行熔炼，熔炼温度为1200～1300℃，得到熔炼金材料，经过轧制,形成厚度为1mm的金板；再将金板材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝1900r/min，碾压头横向移动速度为v＝8mm/min，碾压钢球的直径为12mm，碾压深度为0.25mm。
在金表面深度约110μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：33nm；
热导率：和对比例1相比，热导率降低44％；
力学性能：硬度(HV)：95。
实施例9
低导热金材料配方：
其中，Q和单质V的重量比为4.8:5.2；单质Ti和单质Cr的重量比为1:1。
按上述配方混合按照传统方法大气环境进行熔炼，熔炼温度为1200～1300℃，得到熔炼金材料，经过轧制,形成厚度为1mm的金板；再将金板材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝1900r/min，碾压头横向移动速度为v＝8mm/min，碾压钢球的直径为10mm，碾压深度为0.10mm。
在金表面深度约80μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：38nm；
热导率：和对比例1相比，热导率降低35％；
力学性能：硬度(HV)：87。
实施例10
低导热金材料配方：
其中，Q和单质V的重量比为1.5:1；单质Ti和单质Cr的重量比为1:2。
按上述配方混合按照传统方法大气环境进行熔炼，熔炼温度为1200～1300℃，得到熔炼金材料，经过轧制，形成厚度为1mm的金板；再将金板材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝1900r/min，碾压头横向移动速度为v＝10mm/min，碾压钢球的直径为10mm，碾压深度为0.25。
在金表面深度约120μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：35nm；
热导率：和对比例1相比，热导率降低30％；
力学性能：硬度(HV)：80。
实施例11
和实施例3的区别仅在于机械碾压处理过程中，铣床的碾压头转速为ω＝3800r/min，碾压头横向移动速度为v＝45mm/min。
在金表面深度约110μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：28nm；
热导率：和对比例1相比，热导率降低51％；
力学性能：硬度(HV)：80。
实施例12
和实施例3的区别仅在于机械碾压处理过程中，碾压深度为0.02mm。
在金表面深度约50μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：45nm；
热导率：和对比例1相比，热导率降低28％；
力学性能：硬度(HV)：60。
实施例13
和实施例3的区别仅在于并未对材料进行机械碾压处理。
在金表面没有纳米结构层，晶粒大小在几十微米甚至上百微米。
热导率：和对比例1相比，导热率降低16％；
力学性能：硬度：HV43。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本发明提供的低导热金材料及其制备方法、金器，有效地解决了现有技术中高纯度金材料热导率高的问题。
特别的是，实施例1至13中，本发明提供的低导热金材料，一则单质Au的重量含量≥99.99％，材料金纯度较高，满足贵金属制品高纯度要求。二则材料还包括单质Au、Q和单质V，作为更微小的掺杂元素成分，促使材料具有更好的低导热性能。同时，材料的机械性能比如硬度更佳，除此以外，强度更佳，使用效果更好。三则低导热金材料的制备先将单质Au、Q和单质V混合熔炼，后进行机械碾压处理，材料表层形成纳米结构，促使材料晶粒间界面大幅度增加，热导率显著地下降，强度硬度成倍增加，力学性能更佳。和对比例1相比，在满足高金纯度的条件下，热导率更低，低导热性能更佳，机械性能如硬度更优。
更特别的是，由实施例1至5、实施例8的数据可知，按重量含量计，低导热金材料包括99.99％的单质Au，10～50ppm的Q和余量的单质V。将各个成分控制在上述范围内，尤其是低导热金材料包括99.99％的单质Au、12ppm的单质Ti及88ppm的单质V；或者，低导热金材料包括99.99％的单质Au、15ppm的单质Cr及85ppm的单质V；或者，低导热金材料包括99.99％的单质Au、75ppm的单质V、15ppm的单质Ti及10ppm的单质Cr。金材料中金纯度高，同时，材料热导率更低，机械性能如硬度更高。
尤其特别的是，由实施例1至10的数据可知，Q和单质V的重量比为(1:9)～(5.2:4.8)。Q包括单质Ti和单质Cr，且单质Ti和单质Cr的重量比为(1:1.5)～1，Q和单质V的重量比为(1:9)～(2.5:7.5)；或者，Q包括单质Ti，Q和单质V的重量比为(1:9)～(1.2:8.8)；或者，Q包括单质Cr，Q和单质V的重量比为(1:9)～(1.5:8.5)。在上述范围内，低导热金材料的低导热性能更佳，机械性能如硬度更优。
除此以外，由实施例1至5、实施例11至13中的数据可知，材料熔炼后再进行机械碾压处理，且机械碾压处理过程中，铣床的碾压头转速为ω＝1900～3800r/min，碾压头横向移动速度为v＝8～45mm/min，碾压钢球的直径为3～9mm，碾压深度为0.05～0.25mm。在此范围内，机械碾压处理过程中，碾压头接触的材料表层形成的剪切变形区厚度更适宜，晶粒细化的尺寸更适宜，晶粒平均大小更适宜，形成的纳米结构更均匀，促使材料热阻更高，热导率更低，低导热性能更佳，同时硬度更佳，强度更佳。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种低导热金材料，其特征在于，所述低导热金材料包括单质Au、Q和单质V，其中所述Q包括单质Ti和/或单质Cr，且所述单质Au的重量含量≥99.99％。
2.根据权利要求1所述的低导热金材料，其特征在于，按重量含量计，所述低导热金材料包括99.99％的所述单质Au，10～50ppm的所述Q和余量的所述单质V。
3.根据权利要求2所述的低导热金材料，其特征在于，所述Q和所述单质V的重量比为(1:9)～(4.8:5.2)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的低导热金材料，其特征在于，
所述Q包括所述单质Ti和所述单质Cr，且所述单质Ti和所述单质Cr的重量比为(1:1.5)～1，所述Q和所述单质V的重量比为(1:9)～(2.5:7.5)；或者，
所述Q包括所述单质Ti，所述Q和所述单质V的重量比为(1:9)～(1.2:8.8)；或者，
所述Q包括所述单质Cr，所述Q和所述单质V的重量比为(1:9)～(1.5:8.5)。
5.根据权利要求4所述的低导热金材料，其特征在于，按重量含量计，
所述低导热金材料包括99.99％的所述单质Au、12ppm的所述单质Ti及88ppm的所述单质V；或者，
所述低导热金材料包括99.99％的所述单质Au、15ppm的所述单质Cr及85ppm的所述单质V；或者，
所述低导热金材料包括99.99％的所述单质Au、75ppm的所述单质V、15ppm的所述单质Ti及10ppm的所述单质Cr。
6.一种权利要求1至5中任一项所述的低导热金材料的制备方法，其特征在于，将单质Au、Q和单质V进行混合熔炼，得到所述低导热金材料。
7.根据权利要求6所述的低导热金材料的制备方法，其特征在于，所述熔炼中得到了熔炼金材料，所述制备方法还包括：将所述熔炼金材料进行机械碾压处理，得到所述低导热金材料。
8.根据权利要求7所述的低导热金材料的制备方法，其特征在于，将所述熔炼金材料在铣床上进行所述机械碾压处理，且所述铣床的碾压头转速为ω＝1900～3800r/min，碾压头横向移动速度为v＝8～45mm/min，碾压钢球的直径为3～9mm；
优选地，所述机械碾压处理过程中，碾压深度为0.05～0.25mm。
9.一种金器，其特征在于，所述金器的材料为权利要求1至5中任一项所述的低导热金材料。
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