СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЗОЛОТА, УПРОЧНЕННЫЙ ИНТЕРМЕТАЛЛИДАМИ, СОДЕРЖАЩИМИ КОБАЛЬТ, (ВАРИАНТЫ)
GOLD-BASED ALLOY, HARDENED WITH INTERMETALLIDES CONTAINING COBALT, (VERSIONS)

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 дисперсионному твердению сплава при последующей термообработке. Одним из таких элементов является кобальт. Предельная растворимость кобальта в золоте невелика, что указывает на возможность использования кобальта для упрочнения золота.
Известны дисперсионно-твердеющие сплавы на основе золота, содержащие в качестве основного компонента кобальт (GB 1491155 А, С22С 5/02, опубл. 09.11.1977; JP 06-128668 А, С22С 5/02, опубл. 10.05.1994; US 5180551 А, С22С 5/02, 19.01.1993; RU 2318889 C1, С22С 5/02, 10.03.2008). Недостатком известных сплавов является недостаточный уровень механических свойств, обусловленный при термической обработке твердорастворным упрочнением.
Наиболее близким к изобретению является сплав, содержащий, мас. %: 74-77 или 57-60 золота, не более 4 кобальта, от 0 до 0,15 кремния, не более 0,15 бора, медь - остальное (ЕР 1266974 B1, С22С 5/02, 29.09.2004). Сплавы пластичны, хорошо обрабатываются, но обладают не достаточными прочностными характеристиками, особенно твердостью.
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, особенно твердости, при сохранении уровня литейных свойств и пластичности.
Технический результат достигается тем, что сплав на основе золота, содержащий кобальт, медь и бор, дополнительно содержит кремний при следующем соотношении компонентов, мас. %:
золото
50-95
кобальт
3-5
кремний
0,5-2
медь
до 40
бор
0,01-1,0,
2
при суммарном содержании кобальта и кремния, не превышающем 5%, при этом после термической или термомеханической обработки сплав имеет структуру, упрочненную интерметаллидом CoSi.
В другом варианте осуществления изобретения технический результат достигается тем, что сплав на основе золота для изготовления ювелирных изделий, содержащий кобальт, медь и бор, дополнительно содержит алюминий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
золото
50-85
кобальт
11-13,5
алюминий
1,5-4
медь
до 40
бор
0,01-1,0,
3
2
3
при суммарном содержании кобальта и алюминия, не превышающем 15%, при этом после термической или термомеханической обработки сплав имеет структуру, упрочненную интерметаллидами CoAl, CoAl, CoAl.
Сплавы по обоим вариантам могут дополнительно содержать, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, содержащей до 30 мас. % палладия, до 10 мас. % индия, 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.
2
3
2
3
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 кобальт и кремний, а в другом варианте - кобальт и алюминий. Их количественное содержание в сплавах определяется стехиометрическим соотношением, необходимым для образования при последующей термической или термомеханической обработке интерметаллидов CoSi и CoAl, CoAl, CoAl соответственно.
Являясь раскислителем, бор в количестве 0,01-1% снижает влияние кислорода при выплавке сплавов, уменьшает потерю легирующих компонентов на угар и уменьшает размер зерна, увеличивая при этом жидкотекучесть расплава.
Медь повышает твердость золотого сплава, сохраняя ковкость и тягучесть. Увеличение содержания меди в сплаве выше 40 мас. % приводит к снижению прочностных характеристик сплава, а также понижает его антикоррозионные свойства.
2
3
2
3
Упрочнение сплавов на основе золота, содержащих кобальт 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 CoSi или CoAl, CoAl, CoAl.
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% Co, 1% Si, 19% Cu, около 1,0% В, примесей не более 0,1%.
Плавка велась в вакуумной печи резистивного нагрева. Шихтовые материалы были загружены в тигель из искусственного сапфира, который был помещен в разогреваемый графитовый тигель. Температура плавки составила 1260°С. Были получены слитки цилиндрической формы диаметром 30 мм и высотой 8 мм. Введение бора позволило улучшить литейные свойства сплава, повысить жидкотекучесть. Кроме того, металлографический анализ показал уменьшение размеров зерна. Высокое содержание меди позволило добиться красивого "красного" оттенка.
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 ч, проведение от этой температуры закалки в воде до температуры менее 100°С. После этого провели старение при температуре 470°С в течение 1 ч. Твердость сплава после термообработки составляла 280 НВ, что почти в два раза превышало твердость литых сплавов с твердорастворным упрочнением.
Пример 2. Был получен сплав нижеприведенного химического состава: 75% Au, 12% Co, 3% Al, 5% Cu, 4,9% Pd, около 0,1% В, примесей не более 0,1%.
Плавка велась аналогично примеру 1 при температуре 1260°С. Введение палладия позволило добиться "белого" цвета с красивым металлическим блеском.
Закалку в воду осуществляли после выдержки сплава при температуре 960°С в течение 1 ч. Старение проводили при температуре 470°C с выдержкой в течение 2 ч.
Полученный после термообработки сплав имел твердость 280 НВ по сравнению с литым сплавом, 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.