添加釔對(duì)Pt-5Cu合金組織結(jié)構(gòu)和性能的影響

蔡宏中，羅 圓，魏 燕，陳 力，趙 君，張?jiān)傁?，張貴學(xué)，胡昌義

添加釔對(duì)Pt-5Cu合金組織結(jié)構(gòu)和性能的影響

蔡宏中，羅 圓，魏 燕，陳 力，趙 君，張?jiān)傁?，張貴學(xué)，胡昌義*

(昆明貴金屬研究所 稀貴金屬綜合利用新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650106)

采用真空電弧熔煉方法制備了Pt-5Cu、Pt-4.9Cu-0.10Y和Pt-0.48Cu-0.20Y合金。利用X射線衍射儀(XRD)、金相顯微鏡、顯微硬度儀及分光光度計(jì)等研究了Pt-Cu及Pt-Cu-Y合金的物相組成、顯微組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及反射率。結(jié)果表明，釔對(duì)Pt-Cu合金的相結(jié)構(gòu)無明顯影響，當(dāng)釔的添加量為0.20%時(shí)，Pt-Cu合金的晶粒尺寸顯著細(xì)化，晶粒的平均尺寸由約150 μm降至約80 μm；細(xì)晶強(qiáng)化使Pt-Cu合金的維氏硬度顯著增加到165；在可見光波段內(nèi)，Pt-Cu及Pt-Cu-Y合金的反射率無明顯差別。

Pt-Cu合金；添加釔；組織結(jié)構(gòu)；維氏硬度；反射率

鉑具有光亮的色澤、高化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕，同時(shí)鉑資源稀缺，具有極高的收藏價(jià)值，作為飾品材料廣受消費(fèi)者的青睞。在20世紀(jì)前30年，鉑金飾品產(chǎn)量增加，開始逐漸活躍于商品交易市場(chǎng)，1970年代以后，鉑金飾品獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，各類鉑飾品已成為人類生活與文明的組成部分之一。1990年代日本成為最大的鉑珠寶飾品銷售大國(guó)，2002年以后，中國(guó)則取代日本成為世界第一鉑金飾品銷售大國(guó)[1-3]。然而，純鉑的硬度(HV)較低，僅為50，不適合首飾加工并實(shí)現(xiàn)飾品的特殊造型，需要進(jìn)一步強(qiáng)化來提高鉑的硬度，但在強(qiáng)化過程中，鉑合金的硬度也不宜過高，如果硬度太高，會(huì)導(dǎo)致合金不容易加工成型，對(duì)于飾品合金，最佳的硬度范圍為130~180，合金化則是改善鉑的力學(xué)性能最主要方式[4-6]。Pt-5Cu是目前市場(chǎng)上常用的鉑基飾品合金之一，該合金具有內(nèi)部缺陷少、致密度高的優(yōu)點(diǎn)，銅元素的添加使鉑得到固溶強(qiáng)化，硬度有所增加。但是作為飾品合金，該合金的硬度仍略偏低，在合金的加工及雕刻過程中容易出現(xiàn)粘刀等現(xiàn)象，影響飾品的成形，使其應(yīng)用存在一定局限性[7-9]。稀土釔(Y)具有細(xì)化晶粒、排氣、凈化熔體及減少氧化夾雜物的效果，鉑與釔可能會(huì)形成金屬間化合物分布在晶界和晶粒內(nèi)部阻礙晶粒長(zhǎng)大[10-14]，微量(<1%)稀土添加到鉑合金中，能夠起到改善合金性能的作用。

綜合考慮合金的純度、價(jià)格以及成色等因素，本文通過在Pt-5Cu添加微量的釔，研究其對(duì)Pt-5Cu合金組織結(jié)構(gòu)和性能的影響，為制備具有優(yōu)異性能的Pt950新型鉑基飾品合金提供支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)使用的原料主要為鉑片、銅片及釔粉，純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)均在99.95%以上，在配料之前鉑片和銅片表面用細(xì)砂紙進(jìn)行打磨，然后用酒精進(jìn)行超聲清洗，去除表面雜質(zhì)。

1.2 合金熔煉

將選用的原料按名義比混合后，在真空電弧爐中進(jìn)行合金錠的熔煉，分別制備出Pt-5Cu、Pt-4.9Cu-0.10Y和Pt-0.48Cu-0.20Y合金。熔煉電流控制在180 A以內(nèi)，熔煉時(shí)間約2~3 min。為使熔煉得到的合金錠成分更均勻，合金錠需反復(fù)翻轉(zhuǎn)熔煉不少于3遍。

1.3 物相分析

采用D/max-3b型X射線衍射儀(XRD)獲取材料的晶格常數(shù)的變化、晶面指數(shù)以及合金中包含的物相，XRD設(shè)定的條件參數(shù)為：銅靶Kα，掃描速度：5°/min，掃描步長(zhǎng)：0.02°，電壓：40 kV，電流：200 mA，掃描范圍(2)：20°~90°。

1.4 金相制樣及測(cè)定

1) 制樣。合金線切割取樣后，經(jīng)過多道次的砂紙打磨拋光，進(jìn)行電解腐蝕，腐蝕介質(zhì)為飽和的鹽酸+氯化鈉溶液，電極為石墨，腐蝕電壓為12~15 V，腐蝕時(shí)間為2~4 min，腐蝕過后的樣品用無水乙醇在超聲波清洗機(jī)中超聲清洗10 min后吹干備用。

2) 金相顯微組織。采用OLYMPUS-DSX510電腦型金相顯微鏡觀察不同合金成分的金相顯微組織、形貌及晶粒大小情況。

3) 硬度。使用HXS-1000A型數(shù)字顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度(HV0.1)測(cè)試，壓頭采用錐型夾角為136°金剛石正四棱錐體，載荷為100 g，加載時(shí)間為10 s。

4) 反射率。用UV-3000 plus型分光光度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行可見光譜波段的反射率的測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 合金物相分析

采用XRD技術(shù)對(duì)純鉑、Pt-5Cu、Pt-4.9Cu-0.10Y和Pt-0.48Cu-0.20Y合金進(jìn)行物相分析，XRD圖譜如圖1所示，晶格常數(shù)、晶面間距列于表1。

圖1 Pt、Pt-Cu及Pt-Cu-Y合金的X射線衍射圖

表1 Pt、Pt-Cu及Pt-Cu-Y合金的晶格常數(shù)、晶面間距

Tab.1 Lattice constant and inter-planar spacing of Pt, Pt-Cu and Pt-Cu-Y alloys

在制備的合金樣品中，由于銅的含量較低，釔也只是少量添加，銅和釔都以固溶的形式存在于鉑中。因此其XRD圖譜與純鉑的衍射圖譜基本一致(如圖1)，合金的衍射圖譜也只有鉑峰的存在，無其他物相的衍射峰。但銅、釔在鉑中的固溶使得晶格常數(shù)、晶面間距發(fā)生變化(如表1所列)，造成了晶格畸變，合金中鉑的衍射峰發(fā)生了細(xì)微的寬化，其衍射角度也出現(xiàn)了細(xì)小的偏移。

2.2 Y對(duì)合金顯微組織結(jié)構(gòu)的影響

合金的金相顯微組織如圖2所示。

(a). Pt-5Cu; (b). Pt-4.90Cu-0.10Y; (c). Pt-4.80Cu-0.20Y

圖2(b)中，Pt-4.90Cu-0.10Y合金的平均晶粒尺寸為150 μm，但是晶粒大小不一；與Pt-5Cu合金相比，晶粒尺寸變化不明顯，說明添加0.1%的Y無明顯的晶粒細(xì)化效果。圖2(c)中Pt-4.80Cu-0.20Y合金，晶粒的平均尺寸約為80 μm；與Pt-4.90Cu- 0.10Y合金和Pt-5Cu合金相比，已經(jīng)發(fā)生了較為明顯的細(xì)化。

2.3 Y對(duì)合金密度及硬度的影響

表2為Pt、Pt-Cu及Pt-Cu-Y合金維氏硬度測(cè)量結(jié)果。由表2數(shù)據(jù)，Pt-4.90Cu-0.10Y合金的維氏硬度平均值為135，是純鉑的2.32倍，硬度提高了132%，但同Pt-5Cu合金相比，硬度僅提高9.8%，添加0.1%Y對(duì)Pt-5Cu合金的硬化效果并不顯著。Pt-4.80Cu-0.20Y合金的平均維氏硬度為165，是純鉑的2.84倍，硬度提高了184%，與Pt-5Cu合金相比，硬度提高了34%，可見添加0.2%Y對(duì)Pt-5Cu合金具有較好的硬化效果。晶粒越細(xì)小，阻礙滑移的晶界則越多，則屈服極限也就越高，根據(jù)Hall- Petch公式[15]：

y=i+K-1/2(1)

式(1)中：i和K為常數(shù)，y和分別為金屬的屈服強(qiáng)度和晶粒度。由式(1)可知，合金的晶粒越小，則金屬的屈服極限越高。根據(jù)金屬的屈服極限，還可推導(dǎo)出金屬的硬度和晶粒度之間的關(guān)系式為：

表2 Pt、Pt-Cu及Pt-Cu-Y合金維氏硬度

Tab.2 Vickers hardness of Pt, Pt-Cu and Pt-Cu-Y alloys

HV=A+B-1/2(2)

式(2)中：HV為維氏硬度，A和B為常數(shù)。式(2)表明，對(duì)于同種合金，晶粒越細(xì)小，則硬度越高。Pt-4.90Cu-0.10Y合金同Pt-5Cu合金相比，晶粒尺寸細(xì)化不明顯，所以硬度提高不大；Pt-4.80Cu-0.20Y合金同Pt-5Cu合金相比，平均晶粒尺寸由150 μm細(xì)化到80 μm，所以硬度提高明顯(相對(duì)Pt-5Cu合金提高了34%)，細(xì)晶強(qiáng)化效果顯著。合金顯微硬度的提高主要緣于稀土釔對(duì)合金的細(xì)晶強(qiáng)化作用。

2.4 釔對(duì)合金反射率的影響

圖3列出了Pt、Pt-Cu及Pt-Cu-Y合金在可見光波段(波長(zhǎng)380~780 nm)的反射率。從圖3可以看出，波長(zhǎng)從380 nm增加到780 nm，4個(gè)樣品的反射率均緩慢上升，反射率隨波長(zhǎng)的變化較小，反射率曲線隨波長(zhǎng)的變化較平穩(wěn)。但在相同波長(zhǎng)條件下，鉑的反射率高于其他3個(gè)合金約20%。其余3個(gè)合金在可見光譜段的反射率差異不大，密集交錯(cuò)在一起；平均反射率差別不大，分別為50.0%、49.2%、50.0%，在可見光波段都呈現(xiàn)銀白色。這一現(xiàn)象表明銅的添加降低了鉑的反射率，但釔的添加對(duì)Pt-Cu合金的反射率無明顯影響。

圖3 Pt、Pt-Cu及Pt-Cu-Y合金可見光波段的反射率

3 結(jié)論

添加少量釔對(duì)Pt-5Cu合金的相結(jié)構(gòu)無明顯影響。當(dāng)釔的添加量為0.1%時(shí)，合金的晶粒尺寸及硬度無明顯變化；釔的添加量為0.2%時(shí)，合金的晶粒尺寸由150 μm降至約80 μm，硬度提高34%，HV0.1為165。在可見光波段，Pt-Cu及Pt-Cu-Y合金的反射率無明顯差別，釔的添加不會(huì)降低Pt-5Cu合金的反射率。

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Effect of Yttrium Addition on Microstructure and Properties of Pt-5Cu Alloy

CAI Hong-zhong, LUO Yuan, WEI Yan, CHEN Li,ZHAO Jun, ZHANG Xu-xiang, ZHANG Gui-xue, HU Chang-yi*

(State Key Laboratory of Advanced Technologies for Comprehensive Utilization of Platinum Metals, Kunming Institute of Precious Metals, Kunming 650106, China)

Pt-5Cu, Pt-4.9Cu-0.10Y and Pt-0.48Cu-0.20Y alloys were prepared by vacuum arc-melting. The phase composition, microstructure, mechanical properties and reflectivity of Pt-Cu and Pt-Cu-Y alloys were studied by X-ray diffraction (XRD), metallographic microscope, microhardness tester and spectro- photometer. The results showed that the added Y had no significant effect on the phase structure of Pt-Cu alloy. When the amount of Y added was 0.20%, the grain size of the PtCu alloy was significantly refined, and the average grain size was reduced from about 150 μm to about 80 μm. Fine grain strengthening significantly increased the Vickers-hardness of Pt-Cu alloy to 165. In the visible light band, there was no significant difference in reflectivity between Pt-Cu and Pt-Cu-Y alloys.

Pt-Cu alloy; addition of yttrium; microstructure; Vickers-hardness; reflectivity

TG146.3+3

A

1004-0676(2020)03-0053-04

2019-08-05

云南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2019FA048)；云南省稀貴金屬材料基因工程(2019ZE001)；云南省重大科技專項(xiàng)貴金屬材料專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)及應(yīng)用示范(202002AB080001-1)

蔡宏中，男，碩士，正高級(jí)工程師，研究方向：稀貴金屬功能材料。E-mail: chz@ipm.com.cn

胡昌義，男，博士，研究員，研究領(lǐng)域：貴金屬功能材料。E-mail: hcy@ipm.com.cn