一种紫色金合金及其制备方法与流程

1.本发明涉及合金材料技术领域，具体涉及一种紫色金合金及其制备方法。


背景技术：

2.在目前的首饰市场中，所用的黄金通常为金合金，即在纯金中加入ag、cu、ni、co等元素制成金合金，以提高首饰用金合金的强度、耐磨性，并通过调节金合金的颜色，首饰用金合金通常以k来表示成色。
3.彩金是指玫瑰色、白色、粉红色、紫色等展现与黄金不同颜色的k金，通常彩金是由18k黄金与其他合金组成的。传统紫色金合金主要作为镶嵌材料使用，通过熔铸成型，然而其存在铸态组织中晶粒较大且块体内部常伴有不同大小的气孔等缺陷，严重影响紫色金合金的机械性能，这一缺陷极大地限制了紫色金合金在首饰行业的应用。
4.需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种紫色金合金及其制备方法，以解决现有技术中紫色金合金存在铸态组织中晶粒组大且块体内部常伴有不同大小的气孔等缺陷，而严重影响紫色金合金的机械性能的问题。
6.第一方面，本发明实施例提供一种紫色金合金的制备方法，所述制备方法包括：
7.将金属原材料加热进行反应，得到合金熔体；其中，按照质量百分比计，所述金属原材料包括70～79％的au、18～23％的al、2～5％的cr和1～5％的ir；
8.将所述合金熔体进行球磨并过筛，得到合金粉末；
9.将所述合金粉末进行烧结处理，保温一定时间后冷却，得到紫色金合金。
10.作为本发明第一方面的优选方式，在得到合金熔体的步骤中，按照质量百分比计，所述金属原材料包括75％的au、18.75％的al、5％的cr和1.25％的ir。
11.作为本发明第一方面的优选方式，在得到合金熔体的步骤中，将所述金属原材料混合并加入高频炉中加热，按照100～200℃/min的升温速度加热至700～1200℃使所述金属原材料发生固相反应或液相反应。
12.作为本发明第一方面的优选方式，在得到合金熔体的步骤中，将所述金属原材料加热至熔化后，再以50～100rmp的速度搅拌10～20min后自然冷却。
13.作为本发明第一方面的优选方式，在得到合金粉末的步骤中，将所述合金熔体按照球料比为20:1的比例加入球磨罐中，再将所述球磨罐固定在行星球磨机上，控制正反转比为2:1，按照300～500rmp的正转速度进行50个周期的球磨。
14.作为本发明第一方面的优选方式，在得到合金粉末的步骤中，将所述合金熔体球磨后，再采用300～500目的筛体过筛。
15.作为本发明第一方面的优选方式，在得到紫色金合金的步骤中，将所述合金粉末
加入预制模具并抽真空至5～10mpa，再将所述预制模具进行烧结，保温一定时间后自然冷却，脱模得到所述紫色金合金。
16.作为本发明第一方面的优选方式，将所述预制模具加入等离子放电烧结设备中进行烧结，按照100～200℃/min的升温速度加热至500～700℃，并保温10～30min后自然冷却。
17.作为本发明第一方面的优选方式，所述得到合金熔体的步骤、所述得到合金粉末的步骤以及所述得到紫色金合金的步骤，均在惰性气体保护下进行。
18.第二方面，本发明实施例提供一种紫色金合金，其由上述第一方面及其优选方式中任意一项所述的紫色金合金的制备方法制备得到。
19.本发明实施例提供的紫色金合金及其制备方法，通过优化紫色金合金的组分及配比，并在传统熔铸工艺的基础上增加了球磨和烧结工艺，工艺的改变使紫色金合金的组织结构得到了优化，成分更加均匀，有效解决了晶粒较大且块体内部伴有不同大小的气孔的缺陷，此外其硬度、强度和塑性等机械性能也都得到了同步提高，解决了紫色金合金在首饰行业应用的难点。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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。
21.图1为本发明实施例提供的一种紫色金合金的制备方法流程图；
22.图2为金铝合金的相图；
23.图3为本发明实施例提供的一种紫色金合金样品的x射线图谱；
24.图4为图3中对应的紫色金合金样品的dsc测试数据示意图；
25.图5为本发明实施例提供的一种紫色金合金的制备方法与其他方法制备出的金合金样品的显微维氏硬度压坑示意图；
26.图6为本发明实施例提供的一种紫色金合金的制备方法与其他方法制备出的金合金样品在不同载荷情况下的显微维氏硬度值示意图。
具体实施方式
27.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
28.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
29.参照图1所示，本发明实施例公开了一种紫色金合金的制备方法，该制备方法主要包括：
30.s1、将金属原材料加热进行反应，得到合金熔体；其中，按照质量百分比计，金属原材料包括70～79％的au、18～23％的al、2～5％的cr和1～5％的ir；
31.该步骤中，金属原材料包括70～79％的au、18～23％的al、2～5％的cr和1～5％的ir，由于最终制备出的紫色金合金为18k金，因此需保证金属原材料中au的质量百分比含量在75％左右，其余的al、cr和ir为补口元素，其质量百分比含量为25％左右，其中cr和ir分别作为防锈剂和细化剂。
32.在补口元素中加入了cr元素，并使其质量百分比含量为2～5％时，可明显提高合金的抗腐蚀能力。通常情况下，首饰在使用时，腐蚀介质主要为人体汗液，加入cr元素后可明显提高其抗汗液的腐蚀性，表面不易产生锈蚀。另外，在补口元素中还加入了ir元素，并使其质量百分比含量为1～5％，由于ir元素在金中的溶解度很小，在降温过程中会析出，从而起到抑制晶粒长大的作用，使得铸态组织中的晶粒细化。
33.在有惰性气体保护的手套箱中，将按照上述比例的au元素、al元素、cr元素和ir元素均匀混合进行配料。将配好的金属原材料加热进行反应，反应一定时间，之后停止加热自然冷却，得到合金熔体。
34.优选地，在得到合金熔体的步骤中，按照质量百分比计，金属原材料包括75％的au、18.75％的al、5％的cr和1.25％的ir。
35.具体地，将元素au和al的质量百分比分别设置为75％和18.75％，该合理的配比能够使最终得到的金合金获得艳丽的紫色元素，元素cr的质量百分比设置为5％可以有效提高样品的耐腐蚀性能，而元素ir的质量百分比设置为1.25％能够减小熔炼得到的合金熔体的晶粒尺寸，还使晶粒得到了细化，能够同时提高产品的硬度和韧性。
36.对金属原材料中各组分的质量百分比进行了优化，使最终得到的产品的色泽、硬度以及耐腐蚀性能得到了进一步提高。
37.优选地，在得到合金熔体的步骤中，将金属原材料混合并加入高频炉中加热，按照100～200℃/min的升温速度加热至700～1200℃使金属原材料发生固相反应或液相反应。
38.具体地，优选将金属原材料在高频炉中进行加热，该高频炉具备恒定电流和恒定功率的控制功能，能够极大地优化金属的加热过程，实现高效、快速加热，产品的优越性能得到充分发挥。
39.在加热之前，为降低最终制备出的合金熔体的含氧量，先对高频炉抽真空后再充入惰性气体进行保护。在加热过程中，根据图2中金铝合金的相图，当温度达到700℃时，金铝合金即开始固相反应，温度达到1060℃时就达到了金铝合金的熔点，金铝合金就会熔化发生液相反应，因此按照100～200℃/min的升温速度加热至700～1200℃，使金属原材料在该温度区间内发生固相反应或液相反应，能够使金属原材料的反应过程得到优化。
40.优选地，在得到合金熔体的步骤中，将金属原材料加热至熔化后，再以50～100rmp的速度搅拌10～20min后自然冷却。
41.具体地，将金属原材料加热至其熔化成金属液体后，金属原材料即发生了液相反应，此时还需采用搅拌机以50～100rpm的速度对金属液体进行搅拌，并使搅拌时间控制在10～20min。在该优选的搅拌速度及搅拌时间下，不仅可以加快反应速度，还可以防止成分的富集，最终形成成分均匀的铸锭，以确保后续工艺的顺利进行。
42.搅拌结束后停止加热，使金属液体随高频炉自然冷却，得到合金熔体。
43.s2、将合金熔体进行球磨并过筛，得到合金粉末；
44.该步骤中，在有惰性气体保护的手套箱中，将上述步骤熔铸得到的紫色的合金熔体进行球磨处理，可为后续的烧结工艺提供亚微米级的优质合金粉末。合金熔体中包含大量的au6al
11
(＞95％)，其本身脆性较大，容易磨成更细的粉体，因此采用球磨处理能够实现粉体的细化。
45.后续的烧结处理中，合金粉末的粗细程度对最终紫色金合金的机械性能至关重要，因此所用的合金粉末需要进一步进行过筛处理，以保证合金粉末的质量。
46.经过球磨处理和过筛处理，最终可得到满足要求的合金粉末。
47.优选地，在得到合金粉末的步骤中，将合金熔体按照球料比为20:1的比例加入球磨罐中，再将球磨罐固定在行星球磨机上，控制正反转比为2:1，按照300～500rmp的正转速度进行50个周期的球磨。
48.具体地，对合金熔体进行球磨处理时，在有惰性气体保护的手套箱中，将合金熔体和球磨使用的硬质合金球按照球料比为20∶1的比例放入硬质合金球磨罐中。然后，使球磨罐中充满惰性气体并密封。
49.将球磨罐固定在行星球磨机上，控制正反转比为2∶1，正转转速控制在300～500rpm，然后开始50个周期的球磨过程，使合金熔体磨成合金粉末。在球磨过程中，控制正反转比为2∶1，并控制正转速率为300～500rpm的较高转速，是为了能够得到更细的合金粉末，有利于降低后续烧结工艺中的烧结温度，起到最终细化晶粒的效果。同时，对合金熔体进行50个周期的球磨过程，可以使合金熔体被充分研磨，从而提供亚微米级的优质合金粉末。
50.优选地，在得到合金粉末的步骤中，将合金熔体球磨后，再采用300～500目的筛体过筛。
51.具体地，球磨得到的合金粉末经过筛处理后，能够过滤掉一些粒径较大的粉末，以保证合金粉末的质量，有利于提高最终紫色金合金的机械性能。
52.将球磨结束后的球磨罐在有惰性气体保护的手套箱中开启，再采用300～500目的筛体对合金粉末进行过筛处理，可以满足对合金粉末的粒径要求，得到亚微米级的优质合金粉末。
53.s3、将合金粉末进行烧结处理，保温一定时间后冷却，得到紫色金合金。
54.该步骤中，在有惰性气体保护的手套箱中，将上述步骤得到的合金粉末进行烧结处理，可使最终得到的紫色金合金的组织结构得到优化，成分更加均匀，同时使其机械性能更加优异。
55.优选地，在得到紫色金合金的步骤中，将合金粉末加入预制模具并抽真空至5～10mpa，再将预制模具进行烧结，保温一定时间后自然冷却，脱模得到紫色金合金。
56.具体地，在有惰性气体保护的手套箱中，将过筛得到的合金粉末装在用于等离子放电烧结的预制模具中，并抽真空至5～10mpa以给予一定的预压力，使合金粉末在预制模具中预成型。然后，将预制模具连通其内的合金粉末进行烧结，达到预设的烧结温度后保温一定时间。保温结束后，使其自然冷却，待温度降到室温后取出预制模具，脱模后即得到最终的紫色金合金。
57.通常，该预制模具为石墨模具。
58.优选地，在得到紫色金合金的步骤中，将预制模具加入等离子放电烧结设备中进行烧结，按照100～200℃/min的升温速度加热至500～700℃，并保温10～30min后自然冷却。
59.具体地，将装满合金粉末的预制模具放入等离子放电烧结设备中进行烧结处理，升温速度控制为100～200℃，保温温度为500～700℃，保温时间为10～30min。
60.保温结束后，使预制模具随等离子放电烧结设备冷却，待温度降到室温后取出预制模具，脱模后即得到最终的紫色金合金。
61.上述烧结过程使用放电等离子烧结技术，它与传统烧结技术的不同点在于该技术可以在更低的温度、更短的时间内烧结得到更加致密的块体，一般可以达到理论密度的98％以上，这能使最终得到是紫色金合金的晶粒在烧结过程中不会长大，使其晶粒较小，并避免紫色金合金内部出现微气孔和裂纹而影响其机械性能。
62.优选地，得到合金熔体的步骤、得到合金粉末的步骤以及得到紫色金合金的步骤，均在惰性气体保护下进行。
63.具体地，在整个制备工艺都在真空或惰性保护气氛下进行，可以有效防止在制备过程中发生氧化反应，避免影响最终得到的紫色金合金的颜色和机械性能。
64.一般地，该惰性气体优选为氩气。
65.本发明实施例还提供一种紫色金合金，其由上述任意一个实施例中所述的制备方法制备得到。
66.按照质量百分比计，该紫色金合金包括70～79％的au、18～23％的al、2～5％的cr和1～5％的ir。
67.优选地，按照质量百分比计，该紫色金合金包括75％的au、18.75％的al、5％的cr和1.25％的ir。
68.图3为根据本发明中所述的一种紫色金合金的制备方法制备出的紫色金合金样品的x射线图谱，从图中可以看出，其主要成分为au6al
11
，含量可以达到95％以上，说明根据本制备方法制备出的紫色金合金样品的纯度较高，成分更加均匀。
69.图4为该紫色金合金样品的dsc测试数据示意图，从图中可以看出，该样品的第一个吸热峰温度为656℃左右，第二个吸热峰温度出现在1079℃左右。图中吸热反应即为融化反应的发生，根据图3所示的x射线图谱，可以明确得出该样品中只有au6al
11
和少量铝单质。其中，第一个吸热峰的温度与铝的熔点对应，而第二个吸热峰的温度则为au6al
11
的熔点，这一结果也进一步验证了现有的实验结果。
70.综上所述，本发明实施例提供的紫色金合金及其制备方法，通过优化紫色金合金的组分及配比，并在传统熔铸工艺的基础上增加了球磨和烧结工艺，工艺的改变使紫色金合金的组织结构得到了优化，成分更加均匀，有效解决了晶粒较大且块体内部伴有不同大小的气孔的缺陷，此外其硬度、强度和塑性等机械性能也都得到了同步提高，解决了紫色金合金在首饰行业应用的难点。
71.需要说明的是，对于上述方法的实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明所必须的。
72.为了进一步理解本发明，下面结合具体实施例对本发明提供的紫色金合金及其制备方法进行具体描述。
73.实施例一
74.(1)在有惰性气体保护的手套箱中，将金属原材料混合配料，然后加入充满惰性气体的高频炉中加热，按照100℃/min的升温速度加热至1200℃使金属原材料熔化，再采用搅拌机以50rmp的速度搅拌20min后停止加热使其自然冷却；其中，金属原材料包括75％的au、18.75％的al、5％的cr和1.25％的ir；
75.(2)在有惰性气体保护的手套箱中，将合金熔体与硬质合金球按照球料比为20:1的比例加入球磨罐中，使球磨罐中充满惰性气体并密封，再将球磨罐固定在行星球磨机上，控制正反转比为2:1，按照300rmp的正转速度进行50个周期的球磨；将球磨结束后的球磨罐在惰性气体保护的手套箱中开启，并将磨碎的合金粉末采用300目的筛体过筛；
76.(3)在有惰性气体保护的手套箱中，将合金粉末加入预制模具并抽真空至5mpa，再将预制模具加入等离子放电烧结设备中进行烧结，按照100℃/min的升温速度加热至700℃，并保温10min后自然冷却，脱模得到紫色金合金。
77.实施例二
78.(1)在有惰性气体保护的手套箱中，将金属原材料混合配料，然后加入充满惰性气体的高频炉中加热，按照200℃/min的升温速度加热至1200℃使金属原材料熔化，再采用搅拌机以50rmp的速度搅拌10min后停止加热使其自然冷却；其中，金属原材料包括75％的au、20％的al、4％的cr和1％的ir；
79.(2)在有惰性气体保护的手套箱中，将合金熔体与硬质合金球按照球料比为20:1的比例加入球磨罐中，使球磨罐中充满惰性气体并密封，再将球磨罐固定在行星球磨机上，控制正反转比为2:1，按照400rmp的正转速度进行50个周期的球磨；将球磨结束后的球磨罐在惰性气体保护的手套箱中开启，并将磨碎的合金粉末采用500目的筛体过筛；
80.(3)在有惰性气体保护的手套箱中，将合金粉末加入预制模具并抽真空至8mpa，再将预制模具加入等离子放电烧结设备中进行烧结，按照100℃/min的升温速度加热至500℃，并保温10min后自然冷却，脱模得到紫色金合金。
81.实施例三
82.(1)在有惰性气体保护的手套箱中，将金属原材料混合配料，然后加入充满惰性气体的高频炉中加热，按照200℃/min的升温速度加热至700℃使金属原材料充分反应，待温度升至700℃并保温5min后停止加热使其自然冷却；其中，金属原材料包括75％的au、20％的al、4％的cr和1％的ir；
83.(2)在有惰性气体保护的手套箱中，将合金熔体与硬质合金球按照球料比为20:1的比例加入球磨罐中，使球磨罐中充满惰性气体并密封，再将球磨罐固定在行星球磨机上，控制正反转比为2:1，按照400rmp的正转速度进行50个周期的球磨；将球磨结束后的球磨罐在惰性气体保护的手套箱中开启，并将磨碎的合金粉末采用500目的筛体过筛；
84.(3)在有惰性气体保护的手套箱中，将合金粉末加入预制模具并抽真空至8mpa，再将预制模具加入等离子放电烧结设备中进行烧结，按照100℃/min的升温速度加热至700℃，并保温10min后自然冷却，脱模得到紫色金合金。
85.实施例四
86.在有惰性气体保护的手套箱中，将金属原材料混合配料，然后加入充满惰性气体的高频炉中加热，按照200℃/min的升温速度加热至700℃使金属原材料充分反应，待温度升至700℃并保温5min后停止加热使其自然冷却；其中，金属原材料包括75％的au、18.75％的al、5％的cr和1.25％的ir；
87.(2)在有惰性气体保护的手套箱中，将合金熔体与硬质合金球按照球料比为20:1的比例加入球磨罐中，使球磨罐中充满惰性气体并密封，再将球磨罐固定在行星球磨机上，控制正反转比为2:1，按照400rmp的正转速度进行50个周期的球磨；将球磨结束后的球磨罐在惰性气体保护的手套箱中开启，并将磨碎的合金粉末采用500目的筛体过筛；
88.(3)在有惰性气体保护的手套箱中，将合金粉末加入预制模具并抽真空至8mpa，再将预制模具加入等离子放电烧结设备中进行烧结，按照100℃/min的升温速度加热至700℃，并保温10min后自然冷却，脱模得到紫色金合金。
89.对上述实施例中制备的紫色金合金的各项性能进行评价，具体如下：
90.实施例一与实施例二的主要差别在于，金属原材料中各组分、合金粉末的大小以及等离子放电烧结设备中的烧结温度不同。金属原材料中各组分会影响最终金合金样品的色泽、硬度和耐腐蚀性能等；合金粉体的大小直接决定了经过烧结后最终金合金样品的晶粒大小，并会影响样品的硬度以及韧性；烧结温度的不同直接决定最终金合金样品烧结质量的好坏，从而影响样品的致密度，晶粒细小的样品硬度和韧性较好。烧结温度较高的实施例二中得到的样品烧结充分，微观形貌中没有明显裂纹和孔洞。同时，实施例二中由于铬元素含量高，同时烧结前粉体更细小，使得得到的样品力学性能和耐腐蚀性能都高于实施例一得到的样品。
91.实施例三和实施例四与实施例一和二的区别主要在于金属原材料的熔炼温度的选择不同，在1200℃时金属原材料处于完全熔化状态，得到的合金成分均匀。而熔炼温度为700℃时只有元素al处于熔融状态，各元素之间虽然发生固液反应，但由于反应温度较低，反应较为温和，相比实施例一和实施例二的液相反应，其表面没有多余的氧化铝和氢化铝产生。最终的金合金样品中au6al
11
含量超过95％，明显优于实施例一和二。
92.此外，实施例四与实施例三相比，由于金属原材料中元素au和al的比例不同，最终实施例四得到的金合金样品中基本为单相au6al
11
，没有多余的金和铝单质，纯度更高。
93.实施例一、实施例二、实施例三和实施例四中，经过等离子放电烧结设备烧结得到的各样品，经过阿基米德法测量，其密度均大于理论密度的98％。
94.同时，根据eds能谱分析，所有实施例得到的样品中均未发现成分不均匀的现象。
95.进一步地，优选采用本发明实施例四中制备出的金合金样品与采用现有技术中的一步熔炼方法和熔炼
‑
无压烧结相结合方法制备出的金合金样品进行硬度比较。参照图5和图6所示，图中通过等离子放点烧结(sps)的样品指本发明实施例四中制备出的金合金样品，non
‑
pressuresinter指现有技术中通过熔炼和无压烧结相结合方法制备出的金合金样品，smelting指现有技术中通过一步熔炼方法制备出的金合金样品。
96.从图5中可以看出，本发明实施例四中制备出的金合金样品的维氏硬度压坑明显小于现有技术中其他两种方法制备出的金合金样品的维氏硬度压坑，同时从图6中也可以看出，本发明实施例四中制备出的金合金样品在不同载荷情况下的显微维氏硬度值明显高于现有技术中其他两种方法制备出的金合金样品在不同载荷情况下的显微维氏硬度值，充
分说明本发明实施例四中制备出的金合金样品硬度更高。在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
97.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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。