添加钇对Pt-5Cu合金组织结构和性能的影响

蔡宏中，罗 圆，魏 燕，陈 力，赵 君，张诩翔，张贵学，胡昌义

添加钇对Pt-5Cu合金组织结构和性能的影响

蔡宏中，罗 圆，魏 燕，陈 力，赵 君，张诩翔，张贵学，胡昌义*

(昆明贵金属研究所 稀贵金属综合利用新技术国家重点实验室，昆明 650106)

采用真空电弧熔炼方法制备了Pt-5Cu、Pt-4.9Cu-0.10Y和Pt-0.48Cu-0.20Y合金。利用X射线衍射仪(XRD)、金相显微镜、显微硬度仪及分光光度计等研究了Pt-Cu及Pt-Cu-Y合金的物相组成、显微组织结构、力学性能及反射率。结果表明，钇对Pt-Cu合金的相结构无明显影响，当钇的添加量为0.20%时，Pt-Cu合金的晶粒尺寸显著细化，晶粒的平均尺寸由约150 μm降至约80 μm；细晶强化使Pt-Cu合金的维氏硬度显著增加到165；在可见光波段内，Pt-Cu及Pt-Cu-Y合金的反射率无明显差别。

Pt-Cu合金；添加钇；组织结构；维氏硬度；反射率

铂具有光亮的色泽、高化学稳定性、耐腐蚀，同时铂资源稀缺，具有极高的收藏价值，作为饰品材料广受消费者的青睐。在20世纪前30年，铂金饰品产量增加，开始逐渐活跃于商品交易市场，1970年代以后，铂金饰品获得了长足的发展，各类铂饰品已成为人类生活与文明的组成部分之一。1990年代日本成为最大的铂珠宝饰品销售大国，2002年以后，中国则取代日本成为世界第一铂金饰品销售大国[1-3]。然而，纯铂的硬度(HV)较低，仅为50，不适合首饰加工并实现饰品的特殊造型，需要进一步强化来提高铂的硬度，但在强化过程中，铂合金的硬度也不宜过高，如果硬度太高，会导致合金不容易加工成型，对于饰品合金，最佳的硬度范围为130~180，合金化则是改善铂的力学性能最主要方式[4-6]。Pt-5Cu是目前市场上常用的铂基饰品合金之一，该合金具有内部缺陷少、致密度高的优点，铜元素的添加使铂得到固溶强化，硬度有所增加。但是作为饰品合金，该合金的硬度仍略偏低，在合金的加工及雕刻过程中容易出现粘刀等现象，影响饰品的成形，使其应用存在一定局限性[7-9]。稀土钇(Y)具有细化晶粒、排气、净化熔体及减少氧化夹杂物的效果，铂与钇可能会形成金属间化合物分布在晶界和晶粒内部阻碍晶粒长大[10-14]，微量(<1%)稀土添加到铂合金中，能够起到改善合金性能的作用。

综合考虑合金的纯度、价格以及成色等因素，本文通过在Pt-5Cu添加微量的钇，研究其对Pt-5Cu合金组织结构和性能的影响，为制备具有优异性能的Pt950新型铂基饰品合金提供支持。

1 实验

1.1 实验原料

实验使用的原料主要为铂片、铜片及钇粉，纯度(质量分数，下同)均在99.95%以上，在配料之前铂片和铜片表面用细砂纸进行打磨，然后用酒精进行超声清洗，去除表面杂质。

1.2 合金熔炼

将选用的原料按名义比混合后，在真空电弧炉中进行合金锭的熔炼，分别制备出Pt-5Cu、Pt-4.9Cu-0.10Y和Pt-0.48Cu-0.20Y合金。熔炼电流控制在180 A以内，熔炼时间约2~3 min。为使熔炼得到的合金锭成分更均匀，合金锭需反复翻转熔炼不少于3遍。

1.3 物相分析

采用D/max-3b型X射线衍射仪(XRD)获取材料的晶格常数的变化、晶面指数以及合金中包含的物相，XRD设定的条件参数为：铜靶Kα，扫描速度：5°/min，扫描步长：0.02°，电压：40 kV，电流：200 mA，扫描范围(2)：20°~90°。

1.4 金相制样及测定

1) 制样。合金线切割取样后，经过多道次的砂纸打磨抛光，进行电解腐蚀，腐蚀介质为饱和的盐酸+氯化钠溶液，电极为石墨，腐蚀电压为12~15 V，腐蚀时间为2~4 min，腐蚀过后的样品用无水乙醇在超声波清洗机中超声清洗10 min后吹干备用。

2) 金相显微组织。采用OLYMPUS-DSX510电脑型金相显微镜观察不同合金成分的金相显微组织、形貌及晶粒大小情况。

3) 硬度。使用HXS-1000A型数字显微硬度计进行硬度(HV0.1)测试，压头采用锥型夹角为136°金刚石正四棱锥体，载荷为100 g，加载时间为10 s。

4) 反射率。用UV-3000 plus型分光光度计对试样进行可见光谱波段的反射率的测量。

2 结果与讨论

2.1 合金物相分析

采用XRD技术对纯铂、Pt-5Cu、Pt-4.9Cu-0.10Y和Pt-0.48Cu-0.20Y合金进行物相分析，XRD图谱如图1所示，晶格常数、晶面间距列于表1。

图1 Pt、Pt-Cu及Pt-Cu-Y合金的X射线衍射图

表1 Pt、Pt-Cu及Pt-Cu-Y合金的晶格常数、晶面间距

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

在制备的合金样品中，由于铜的含量较低，钇也只是少量添加，铜和钇都以固溶的形式存在于铂中。因此其XRD图谱与纯铂的衍射图谱基本一致(如图1)，合金的衍射图谱也只有铂峰的存在，无其他物相的衍射峰。但铜、钇在铂中的固溶使得晶格常数、晶面间距发生变化(如表1所列)，造成了晶格畸变，合金中铂的衍射峰发生了细微的宽化，其衍射角度也出现了细小的偏移。

2.2 Y对合金显微组织结构的影响

合金的金相显微组织如图2所示。

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

图2(b)中，Pt-4.90Cu-0.10Y合金的平均晶粒尺寸为150 μm，但是晶粒大小不一；与Pt-5Cu合金相比，晶粒尺寸变化不明显，说明添加0.1%的Y无明显的晶粒细化效果。图2(c)中Pt-4.80Cu-0.20Y合金，晶粒的平均尺寸约为80 μm；与Pt-4.90Cu- 0.10Y合金和Pt-5Cu合金相比，已经发生了较为明显的细化。

2.3 Y对合金密度及硬度的影响

表2为Pt、Pt-Cu及Pt-Cu-Y合金维氏硬度测量结果。由表2数据，Pt-4.90Cu-0.10Y合金的维氏硬度平均值为135，是纯铂的2.32倍，硬度提高了132%，但同Pt-5Cu合金相比，硬度仅提高9.8%，添加0.1%Y对Pt-5Cu合金的硬化效果并不显著。Pt-4.80Cu-0.20Y合金的平均维氏硬度为165，是纯铂的2.84倍，硬度提高了184%，与Pt-5Cu合金相比，硬度提高了34%，可见添加0.2%Y对Pt-5Cu合金具有较好的硬化效果。晶粒越细小，阻碍滑移的晶界则越多，则屈服极限也就越高，根据Hall- Petch公式[15]：

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

式(1)中：i和K为常数，y和分别为金属的屈服强度和晶粒度。由式(1)可知，合金的晶粒越小，则金属的屈服极限越高。根据金属的屈服极限，还可推导出金属的硬度和晶粒度之间的关系式为：

表2 Pt、Pt-Cu及Pt-Cu-Y合金维氏硬度

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

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

式(2)中：HV为维氏硬度，A和B为常数。式(2)表明，对于同种合金，晶粒越细小，则硬度越高。Pt-4.90Cu-0.10Y合金同Pt-5Cu合金相比，晶粒尺寸细化不明显，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细化到80 μm，所以硬度提高明显(相对Pt-5Cu合金提高了34%)，细晶强化效果显著。合金显微硬度的提高主要缘于稀土钇对合金的细晶强化作用。

2.4 钇对合金反射率的影响

图3列出了Pt、Pt-Cu及Pt-Cu-Y合金在可见光波段(波长380~780 nm)的反射率。从图3可以看出，波长从380 nm增加到780 nm，4个样品的反射率均缓慢上升，反射率随波长的变化较小，反射率曲线随波长的变化较平稳。但在相同波长条件下，铂的反射率高于其他3个合金约20%。其余3个合金在可见光谱段的反射率差异不大，密集交错在一起；平均反射率差别不大，分别为50.0%、49.2%、50.0%，在可见光波段都呈现银白色。这一现象表明铜的添加降低了铂的反射率，但钇的添加对Pt-Cu合金的反射率无明显影响。

图3 Pt、Pt-Cu及Pt-Cu-Y合金可见光波段的反射率

3 结论

添加少量钇对Pt-5Cu合金的相结构无明显影响。当钇的添加量为0.1%时，合金的晶粒尺寸及硬度无明显变化；钇的添加量为0.2%时，合金的晶粒尺寸由150 μm降至约80 μm，硬度提高34%，HV0.1为165。在可见光波段，Pt-Cu及Pt-Cu-Y合金的反射率无明显差别，钇的添加不会降低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

云南省基础研究计划重点项目(2019FA048)；云南省稀贵金属材料基因工程(2019ZE001)；云南省重大科技专项贵金属材料专业数据库建设及应用示范(202002AB080001-1)

蔡宏中，男，硕士，正高级工程师，研究方向：稀贵金属功能材料。E-mail: chz@ipm.com.cn

胡昌义，男，博士，研究员，研究领域：贵金属功能材料。E-mail: hcy@ipm.com.cn