Сплав на основе золота, упрочненный интерметаллидами, содержащими железо, (варианты)

Изобретение относится к металлургии благородных металлов и сплавов, в частности к сплавам на основе золота, и может быть использовано в электронике, авиакосмической промышленности, ювелирном производстве. По одному из вариантов сплав содержит, мас. %: золото - 50-95, железо - 3-5, кремний - 0,5-2, бор - 0,01-1,0, по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей медь, палладий, серебро, платину в сумме до 40, при суммарном содержании кобальта и кремния, не превышающем 5%, при этом после термической или термомеханической обработки сплав имеет структуру, упрочненную интерметаллидом Fe₂Si. По второму варианту сплав содержит, масс. %: золото - 50-85, железо - 11-13,5, алюминий - 1,5-4, бор - 0,01-1,0, по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей медь, палладий, серебро, платину в сумме до 40, при суммарном содержании железа и алюминия, не превышающем 15%, при этом после термической или термомеханической обработки сплав имеет структуру, упрочненную интерметаллидами Fe₃Al, FeAl, Fe₂Al₃. Техническим результатом изобретения является повышение прочностных свойств, особенно твердости, при сохранении уровня литейных свойств и пластичности. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 пр.

 

Изобретение относится к металлургии благородных металлов, в частности к сплавам на основе золота, предназначенным для использования в различных отраслях промышленности, в частности для изготовления ювелирных изделий.

Золото обладает уникальным комплексом свойств, которого не имеет ни один другой металл. Оно обладает самой высокой стойкостью к воздействию агрессивных сред, по электро- и теплопроводности уступает лишь серебру и меди, способность золота к отражению инфракрасных лучей близка к 100%. Золото хорошо паяется и сваривается под давлением. Такая совокупность полезных свойств золота послужила его широкому использованию в различных отраслях промышленности: электронике, космической и авиационной технике и т.д. Однако основная масса золота идет на получение сплавов, используемых для изготовления ювелирных изделий, монет, медалей, зубных протезов, сусального золота, декоративных покрытий.

Золото технической чистоты в отожженном состоянии имеет невысокую прочность и твердость.

Для повышения прочностных характеристик золота используют легирование золота элементами, способствующими его упрочнению.

Известны сплавы на основе золота, используемые для изготовления ювелирных изделий и зубных протезов, в которых для повышения прочностных свойств в качестве легирующих элементов используют железо, индий, платину, вольфрам или железо, индий, палладий, серебро, олово или серебро, медь цинк (JP 01-132728 А, С22С 5/02, опубликован 25.05.1989; JP 07-238333 А, С22С 5/02, опубликован 12.09.1995; GB 2279662 А, С22С 5/02, 11.01.1995). Недостатком известных сплавов является недостаточный уровень механических свойств, обусловленный при термической обработке твердорастворным упрочнением.

Наиболее близким к предложенному изобретению является сплав, содержащий, мас. %: 25-95 золота, 0,01-2 железа, 0,01-1,0 кремния, до 1,0 бора, 1-50 меди, 1-5 - серебра, 0,1-20 цинка, 0,01-2 индия (US 5045411 А, С22С 5/02, 03.09.1991). Сплавы имеют низкую температуру плавления, высокую трещиностойкость, улучшенную обрабатываемость, но обладают недостаточным уровнем прочностных характеристик, особенно твердости.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание сплава на основе золота, обладающего оптимальным сочетанием физико-механических свойств.

Техническим результатом изобретения является повышение прочностных свойств, в частности твердости, при сохранении уровня литейных свойств и пластичности.

Технический результат достигается тем, что сплав на основе золота, содержащий железо и бор, дополнительно содержит кремний и, по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, содержащей медь, палладий, серебро, платину, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

золото	50-95
железо	3-5
кремний	0,5-2
бор	0,01-1,0

по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, содержащей медь, палладий, серебро, платину в сумме до 40, при суммарном содержании железа и кремния, не превышающем 5%, при этом после термической или термомеханической обработки сплав имеет структуру, упрочненную интерметаллидом Fe₂Si.

По другому варианту осуществления изобретения сплав на основе золота, содержащий железо и бор, дополнительно содержит алюминий и, по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, содержащей медь, палладий, серебро, платину, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

золото	50-85
железо	11-13,5
алюминий	1,5-4
бор	0,01-1,0

по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, содержащей медь, палладий, серебро, платину в сумме до 40, при суммарном содержании железа и алюминия, не превышающем 15%, при этом после термической или термомеханической обработки сплав имеет структуру, упрочненную интерметаллидами Fe₃Al, FeAl, Fe₂Al₃.

Сплавы по обоим вариантам могут дополнительно содержать, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, содержащей до 10 мас. % индия и до 10 мас. % галлия.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Дисперсионное твердение при низкотемпературном отжиге приводит к росту твердости с одновременным снижением пластичности, что позволяет повысить износостойкость сплавов.

Заявленные сплавы обладают способностью упрочняться в процессе термической или термомеханической обработки, при этом они имеют сравнительно низкую температуру плавления и хорошую технологичность при литье, горячей и холодной деформации.

Упрочнение сплавов на основе золота основано на эффекте дисперсионного твердения. Термическая обработка дисперсионно твердеющих сплавов заключается в их нагреве до образования пересыщенного твердого раствора, последующего быстрого охлаждения (закалки) и старения. В результате такой термической обработки твердый раствор распадается с выделением нанофазных частиц фаз-упрочнителей. Упрочняющий эффект при этом достигается за счет выделяющихся интерметаллидов. Отличие от упрочнителей иного состава является существенным как по методу образования, так и по структуре, характеру температур плавления, кинетике распада твердого раствора, эффекту упрочнения и его стабильности. Способ упрочнения сплавов на основе золота включает введение в состав сплава двух компонентов, образующих между собой химическое соединение. В качестве таких компонентов в одном из вариантов изобретения используют железо и кремний, а в другом варианте - железо и алюминий. Их количественное содержание в сплавах определяется стехиометрическим соотношением, необходимым для образования при последующей термической или термомеханической обработке интерметаллидов Fe₂Si и Fe₃Al, FeAl, Fe₂Al₃ соответственно.

Являясь раскислителем, бор в количестве 0,01-1% снижает влияние кислорода при выплавке сплавов заявленного состава, уменьшает потерю легирующих компонентов на угар и уменьшает размер зерна, увеличивая при этом жидкотекучесть расплава.

Медь, платину, серебро и палладий добавляют в сплав в зависимости от его назначения для придания сплаву дополнительных свойств, таких как декоративность, повышение электросопротивления, улучшение ковкости и т.д.

Упрочнение сплавов на основе золота, содержащих железо и кремний или алюминий, основано на механизме дисперсионного твердения, реализуемого посредством термической или термомеханической обработки. Термическая обработка заключается в нагреве сплава до образования пересыщенного твердого раствора, последующего быстрого охлаждения - закалки и старения, в результате которого твердый раствор распадается с выделением упрочняющих нанофазных частиц Fe₂Si или Fe₃Al, FeAl, Fe₂Al₃.

При термомеханической обработке между закалкой и старением или после старения осуществляют пластическую деформацию.

Примеры реализации изобретения

Пример 1. Был получен сплав нижеприведенного химического состава:

75% Au, 4% Fe, 1% Si, 15% Cu, 4,5% In, до 0,5% В, примесей не более 0,1%.

Плавка велась в вакуумной печи резистивного нагрева в разогреваемом графитовом тигле, в который был помещен тигель из искусственного сапфира с шихтовыми материалами. Температура плавки составила 1250°С. Были получены слитки цилиндрической формы диаметром 30 мм и высотой 8 мм. Введение индия позволило уменьшить температуру плавления, а бора - улучшить литейные свойства сплава, повысить жидкотекучесть и уменьшить размеры зерна. Полученные слитки подвергли термической обработке по схеме: нагрев сплава до температуры, обеспечивающей образование пересыщенного твердого раствора и равной 960°С, выдержка при этой температуре в течение 1 часа, проведение от этой температуры закалки в воде до температуры менее 100°С. После этого провели старение при температуре 490°С в течение одного часа.

Твердость сплава после термообработки составляла 250 НВ, что почти в два раза превышало твердость литых сплавов с твердорастворным упрочнением.

Пример 2. Был получен сплав нижеприведенного химического состава: 75% Au, 12% Fe, 3% Al, 9,9% Ag, до 0,1% В, примесей не более 0,1%. Плавка велась аналогично примеру 1 при температуре 1250°С. Закалку в воду осуществляли после выдержки сплава при температуре 960°С в течение одного часа. Старение проводили при температуре 470°C с выдержкой в течение двух часов.

Полученный после термообработки сплав имел твердость 240 НВ, в сравнении с литым сплавом с твердорастворным упрочнением, твердость которого составляла 125 НВ, с сохранением литейных свойств и пластичности.

Таким образом, заявленные сплавы обладают высокими литейными свойствами. Они имеют высокую твердость в сочетании с пластичностью, интересные цветовые оттенки, что позволяет использовать их в различных отраслях промышленности, в том числе для изготовления ювелирных изделий с высокими потребительскими свойствами.

1. Сплав на основе золота, содержащий железо и бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей медь, палладий, серебро и платину, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

золото	50-95
железо	3-5
кремний	0,5-2
бор	0,01-1,0

по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей медь, палладий, серебро и платину в количестве до 40, при суммарном содержании железа и кремния не превышающем 5%, при этом после термической или термомеханической обработки сплав имеет структуру, упрочненную интерметаллидом Fe₂Si.

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, содержащей до 10 мас. % индия и до 10 мас. % галлия.

3. Сплав на основе золота, содержащий железо и бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюминий и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей медь, палладий, серебро и платину, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

золото	50-85
железо	11-13,5
алюминий	1,5-4
бор	0,01-1,0

по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей медь, палладий, серебро и платину в количестве до 40, при суммарном содержании железа и алюминия, не превышающем 15%, при этом после термической или термомеханической обработки сплав имеет структуру, упрочненную интерметаллидами Fe₃Al, FeAl, Fe₂Al₃.

4. Сплав по п. 3, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, содержащей до 10 мас. % индия и до 10 мас. % галлия.