CN115011833B

CN115011833B - 一种改善紫色18k金铝合金韧性的配方及其制备方法

Info

Publication number: CN115011833B
Application number: CN202111574988.9A
Authority: CN
Inventors: 于杰; 卢锦康; 李德帅; 崔小英; 徐明丽; 周晓龙
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2023-08-29
Anticipated expiration: 2041-12-21
Also published as: CN115011833A

Abstract

本发明公开一种改善紫色18K金铝合金韧性的配方及其制备方法，主要用作首饰材料。按质量百分比计，包括以下原料：金75％、铝23～24.5％、稀土0.5～2％。通过将铝和稀土混合，通过真空感应熔炼获得铝基稀土中间合金，然后加入金进行真空电弧熔炼制得，获得色彩鲜艳、塑性改善的紫色18K金铝合金材料。本发明既能保证紫色18K金铝合金紫金的颜色品质，又能提高其韧性，改善可加工性能，符合应用于首饰的要求，可以在更多的饰品中应用。

Description

一种改善紫色18K金铝合金韧性的配方及其制备方法

技术领域

本发明涉及黄金的合金，主要用作首饰材料，具体为一种改善紫色18K金铝合金韧性的配方及其制备方法。

背景技术

近乎纯金的首饰由于硬度等问题不能完全满足人们对于首饰的佩戴需求。进入20世纪90年代后，以K金为主，铂金、钯金等及其宝石镶嵌首饰大量面世，贵金属首饰材料在保证具有一定价值的同时，以合金化方式呈现出了颜色多元化的发展，并且提高首饰材料的强度以达到镶嵌宝石的要求，增强材料的硬度、抗腐蚀能力和耐磨损能力。材料性能的大幅提高，为首饰设计师提供新的创作设计机会，大大丰富了贵金属饰品的佩戴欣赏价值。

金铝合金具有鲜艳紫色而被称为“紫金”，作为首饰材料具有应用前景。化学式为AuAl₂，属于金属间化合物，具有CaF₂型(萤石)的晶体结构，其中金的重量百分比为79％，铝的重量百分比为21％，金的含量超过75％，符合18K金的成色要求。紫金AuAl₂可以通过真空熔炼和铸造而成，其熔点为1060℃，AuAl₂稳定性好，具有较高硬度、耐磨、耐腐蚀的优点，铸态硬度可达260Hv。但AuAl₂的缺点是脆性大塑性差而难以加工，使其在首饰的应用中受到局限而不被广泛应用，难以向市场推广。

利用掺杂其他元素以改变材料性能是比较常用且行之有效的方法。添加微量元素合金化可以改善金属间化合物的力学性能，例如在Ni₃Al中添加B以及NiAl中添加Fe和Ga，其室温塑性得到显著提高，还可以降低熔点。并且改进熔炼工艺，对合金的韧性会有所提高。因此，既要保证紫金的颜色品质，又能提高其韧性，改善可加工性能，是紫色18K金铝合金的重要研究方向。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种改善紫色18K金铝合金韧性的配方及其制备方法，以金和铝为合金的基体材料，添加特定的稀土元素，通过真空感应熔炼和真空氩弧熔炼技术熔炼成金铝合金；获得色彩鲜艳、韧性改善的紫色18K金铝合金材料。

本发明提供一种改善紫色18K金铝合金韧性的配方，按质量百分比计，包括以下原料：金75％、铝23～24.5％、稀土0.5～2％。

进一步地，所述稀土包含镧、钇和钪中的至少一种，纯度均为99.99％。

所述金原料的含金量为99.99％；所述铝原料的含铝量为99.99％。

本发明还提供一种改善紫色18K金铝合金韧性的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将铝和稀土混合，通过真空感应熔炼获得铝基稀土中间合金，然后加入金进行真空电弧熔炼，即得紫色18K金铝合金。

进一步地，所述步骤还包括将得到的紫色18K金铝合金取出后室温冷却，打磨抛光至镜面，获得色彩鲜艳的紫色金铝合金。

进一步地，所述真空感应熔炼温度为1000～1600℃。

进一步地，所述真空电弧熔炼温度为1000～1600℃，次数为3～5次，保证合金尽可能均匀熔合。

更进一步地，所述真空电弧熔炼次数为4次。

进一步地，所述真空电弧熔炼是在氩气气氛下进行。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过在紫色18K金铝合金中加入稀土元素，改善合金的金相组织，细化晶粒，去除合金中气体和有害杂质，减少合金的裂纹源；同时，稀土元素的加入使加工变形过程中裂纹萌生位置与扩展途径发生改变，有利于合金的韧化，稀土元素的加入改善金铝合金的加工性能，成为一种性能优良的新型材料。

本发明采用真空感应熔炼技术，该熔炼技术可有效去除杂质元素，降低稀土元素的损耗，从而提高铝基稀土中间合金韧性、疲劳强度和耐腐蚀性能；真空电弧熔炼技术是在水冷铜结晶器中进行熔炼，克服了金属材料之间相互作用而沾污金属的弊端，同时，在高度水冷状态下，对合金液体进行凝固结晶，可得到组织均匀、无缩孔和致密的金铝合金材料。即本发明通过在金铝合金中加入稀土元素，再结合真空感应熔炼技术和真空电弧熔炼技术，使金铝合金在保有紫色特性的条件下其韧性得到提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明紫色18K金铝合金制备流程示意图；

图2为本发明实施例1制备的紫色18K金铝合金照片；

图3为本发明实施例1制备的紫色18K金铝合金色品图；

图4为本发明实施例2制备的紫色18K金铝合金色品图；

图5为本发明实施例3制备的紫色18K金铝合金色品图；

图6为本发明实施例4制备的紫色18K金铝合金色品图；

图7为本发明实施例1制备的紫色18K金铝合金显微维氏硬度测试的压痕图；

图8为本发明实施例1制备的紫色18K金铝合金金相图；

图9为本发明实施例2制备的紫色18K金铝合金金相图；

图10为本发明实施例3制备的紫色18K金铝合金金相图；

图11为本发明实施例4制备的紫色18K金铝合金金相图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明所用铝为高纯铝，铝含量为99.999％。

本发明所用金为高纯金，金含量为99.99％。

实施例1～5

制备方法：

将称取的高纯铝和稀土混合，在温度为1600℃条件下进行真空感应熔炼，得到铝基稀土中间合金；

在水冷铜坩埚中加入铝基稀土中间合金和金，在氩气气氛保护下进行真空电弧熔炼，温度为1600℃，重复熔炼4次，即得到紫色18K金铝合金。

取出后室温冷却，打磨抛光至镜面，得到色彩鲜艳的紫色金铝合金。

具体实验及结果：

按照上述制备方法，分别按照表1所示用量比称取原料，同时制备常用18K金(即实施例5)作对比，并对制备得到的紫色18K金铝合金的颜色、维氏硬度、韧性进行测定，根据GB/T 6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》测定晶粒级别，结果如表2所示。

表1实施例1～5原料质量百分比

组别	金质量百分比	高纯铝质量百分比	稀土质量百分比
				实施例1	75％	23％	0
实施例2	75％	24.5％	0.5％
				实施例3	75％	24％	1％
实施例4	75％	23％	2％
				实施例5	75％	0	0

表2实施例1～5制备的紫色18K金铝合金各项测试结果

其中：

1)实施例1制备得到的紫色18K金铝合金照片如图2所示，可以看出，紫色18K金铝合金色彩鲜艳。

2)表2中色度值是使用USB+2000光纤光谱仪采集实施例1～4制备得到的合金抛光面的色彩获得，采用CIE-Lab色彩坐标体系衡量紫色18K金铝合金铸锭的颜色，其色品图如图3～6所示。由图3～6可以看出，随着稀土元素的添加，紫色变化差异非常小，肉眼几乎观察不到变化。

3)对实施例1～5制备的合金进行纳米压痕测试，采用Berkovich三棱锥压头，30mN载荷，加载3s，连续取样十次，取平均值得各合金的杨氏模量。

4)对实施例1～5制备的合金进行维氏硬度测试，采取0.8kgf载荷，加载时间15s，连续取样十次，取平均值获得合金的硬度值，以实施例1的压痕图为例，如图7所示。

5)表2中晶粒直径是采集实施例1～4制备得到的紫色18K金铝合金抛光面的金相图得到的，结果如图8～11所示。

6)使用公式(1)结合硬度值、杨氏模量和压痕对角线半长结果，计算获得合金的韧性值，见表2。

韧性计算公式：

其中K_IC为韧性，E为杨氏模量，采集自纳米压痕测试仪；HV为维氏硬度值，P为载荷，C为压痕中心到裂纹尖端的裂纹长度。

各项测试结果显示，本发明的配方和制备方法所制得的紫色18K金铝合金有效细化晶粒。随稀土添加量增加使合金的硬度降低，韧性逐渐提高，晶粒明显细化(晶粒度级别数越大表示晶粒越细)，且保持鲜艳紫色，其L、a*、b*值变化不明显。其中稀土元素添加量在2wt％时最佳，即为实施例3，其颜色无明显变化，晶粒度级别数细化至9，硬度值为138HV，韧性值提高至韧性与常用18K金接近，符合应用于首饰的要求。可以在更多的饰品中应用。

对比例1

同实施例1，区别在于，按质量百分比计，金75％，高纯铝22.5％，稀土2.5％。

结果发现：制备得到的18K金铝合金紫色消失。

对比例2

同实施例1，区别在于，直接将原料一起加入进行真空电弧熔炼。

结果发现：得到的产物烧损量比较严重，原因在于稀土元素化学性质活泼，以金属单质加入的形式会造成烧损高，成份不容易精确控制，因此需要以铝基稀土中间合金的形式加入紫色18K金铝合金的制备中。

对比例3

同实施例1，区别在于，真空电弧熔炼次数为1次。

结果发现：合金熔融不均匀，得到的金铝合金出现小气孔。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种紫色18K金铝合金，其特征在于，按质量百分比计，包括以下原料：金75%、铝23~24.5%、稀土0.5%~2%；

所述紫色18K金铝合金的制备方法，包括以下步骤：将铝原料和稀土原料混合，经一次真空感应熔炼获得铝基稀土中间合金块，冷却凝固后无需取出，再加入金原料进行二次真空电弧熔炼，即得紫色18K金铝合金；

所述真空感应熔炼温度为1600℃；

所述真空电弧熔炼温度为1600℃；

所述真空电弧熔炼次数为3~5次；

紫色合金的颜色范围为：L：66.31~69.49；a*：11.47~18.20；b*：-16.83~-8.77。

2.根据权利要求1所述的紫色18K金铝合金，其特征在于，所述稀土包含镧、钇和钪中的至少一种，纯度均为99.99%。

3.根据权利要求1所述的紫色18K金铝合金，其特征在于，所述金原料的含金量为99.99%；所述铝原料的含铝量为99.99%。

4.根据权利要求1所述的紫色18K金铝合金，其特征在于，所述真空电弧熔炼是在氩气气氛下进行。