添加稀土、硅元素對銀合金的物理性能的影響

張 偉

(株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司,湖南株洲 412004)

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添加稀土、硅元素對銀合金的物理性能的影響

張 偉

(株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司,湖南株洲 412004)

文章介紹了添加微量稀土釔和硅對銀合金物理性能的影響。微量硅元素的加入改善了銀合金的鑄造性,細(xì)化了合金組織,顯著提高鑄態(tài)合金的硬度。稀土元素釔的加入細(xì)化了銀合金組織,在銀中加入釔,實現(xiàn)固溶強(qiáng)化。含量為0.03%的添加量在實驗中表現(xiàn)最佳。

銀合金;硅;稀土;物理性能;合金組織

純銀以其優(yōu)良的性能和低廉價格優(yōu)勢常用作飾品材料,并受到消費者青睞[1]。但純銀經(jīng)過冷變形加工后,在常溫存放數(shù)月后,其機(jī)械強(qiáng)度和硬度均有明顯下降,這種現(xiàn)象稱作自然時效軟化。試驗發(fā)現(xiàn)這種軟化程度取決于銀材冷變形量和雜質(zhì)的含量。為防止銀飾品材料的自然時效軟化,本文研究添加微量稀土釔和硅對銀合金物理性能的影響。

1 試驗原料

純銀(99.0%);純銅(99.9%);純鋁(99.8%);高純硅(99.9%);Al-Y合金等。

2 試驗儀器

真空熔煉爐;箱式電阻爐;真空保溫箱;POLV AR -MET型金相顯微鏡;無級變速金相拋光機(jī)。

3 銀合金成分表

試驗所配制的銀合金成分見表1。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 銀合金的加工性能

銀合金試樣鑄態(tài)硬度與加工態(tài)硬度對比列于表2,由表2可知,冷軋后,含銀合金試樣的硬度大大提高。由于加工硬化的作用,合金在塑性變形時,晶粒發(fā)生滑移,出現(xiàn)位錯的纏結(jié),使晶粒拉長、破碎和纖維化,金屬內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力,使變形后合金的硬度值提高。

表1 銀合金化學(xué)成分表%

表2 銀合金試樣鑄態(tài)硬度與加工態(tài)硬度對比表

由表2還可以看到,2#(0.03Y)試樣的加工硬化效果明顯優(yōu)于1#試樣。這是由于稀土元素引起合金晶格畸變,降低層錯能,增大位錯密度,細(xì)化晶粒,增大晶界面積,使銀合金材料在隨后的冷變形中位錯密度顯著增加,增強(qiáng)了銀合金的硬化效果。從表中的數(shù)據(jù)可見,添加稀土釔的2#(0.03Y)合金強(qiáng)化效果較好,雖然稀土含量較低但其固溶后硬度值有所增加,實現(xiàn)固溶強(qiáng)化。由于稀土元素的原子半徑遠(yuǎn)大于貴金屬的原子半徑,因而在固溶體范圍,稀土元素使貴金屬基體晶格明顯膨脹,增加了變形時的阻力。稀土元素的加入增大了位錯密度并降低了堆垛層錯能:稀土在晶界處偏聚并細(xì)化了晶粒,增大了晶界面積,從而提高合金的位錯密度,引起加工硬化

效果[2,3]。

綜上所述,微量稀土元素的添加對合金的加工硬化起了顯著的作用。硅元素增加鑄態(tài)硬度,但加工態(tài)硬度變化不明顯,因為硅原子小于銀原子,雖然有一定的強(qiáng)化作用,但對于銀的加工性能影響不大。

4.2 銀合金的拉伸性能

幾種試樣的力學(xué)性能列于表3,由表3可知,1#(0Y0Si)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與伸長率大于2#合金。這表現(xiàn)了未摻雜微量元素的合金具有較優(yōu)的力學(xué)性能。另一方面,摻雜微量Y元素并沒有大幅度的降低合金的力學(xué)性能,屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與延伸率都在較好的范圍之內(nèi),對于飾品用的銀合金已滿足了對加工性能的要求。

表3 1#、2#、8#試樣力學(xué)性能表

腐蝕預(yù)處理后合金的抗拉強(qiáng)度有所提高,延伸率基本保持不變。從表3可以看出,腐蝕后的顯微硬度比腐蝕前的硬度要高,在腐蝕浸泡過程中,合金表面形成了一層致密的硫化物層和氧化物層,腐蝕層的硬度高于基體的硬度,而拉伸斷裂過程是一個由外表面到中心斷裂的這么一個過程,合金表面的硬度高,在一定程度上抑制了合金的斷裂,在相同的變形量下需要更大的力,所以其抗拉強(qiáng)度相應(yīng)地提高了。

4.3 銀合金的抗時效軟化特性

為了加速時效軟化過程,沒有進(jìn)行自然時效軟化試驗,而是選取50℃,100℃在恒溫烘箱中進(jìn)行快速時效試驗,取冷軋變形程度為90%的板試樣多組放在烘箱中加熱保溫,經(jīng)過不同的時效時間取樣測試維氏硬度(見表4),并做出時效曲線(如圖1、圖2所示)。從圖1中可以看出在50℃時各試樣的硬度的變化都不是十分明顯,隨著時間的延長都有不同程度的軟化現(xiàn)象。經(jīng)過觀察可以發(fā)現(xiàn)添加釔的2#試樣硬度值變化最小,且隨時間延長保持了較好的穩(wěn)定性。從圖2中可以看出,在100℃時效曲線時,由于溫度的升高時效軟化變得明顯,三個試樣的硬度值變化得都比較明顯。2#試樣同樣表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

表4 軋制試樣50℃與100℃人工時效處理硬度表

圖1 軋制試樣50℃人工時效處理硬度變化表

圖2 軋制試樣100℃人工時效處理硬度變化表

圖3為2#(0.03Y)100℃保溫4 h與保溫16 h的金相照片,從圖3可以看到兩種晶粒的大小并沒有明顯的改變,只是保溫4 h的銀還有被拉長的晶粒,而保溫16 h的合金帶狀的組織明顯地減少,但因為晶粒沒有長大,合金的硬度并沒有明顯下降。而且在晶粒之間有了團(tuán)絮狀的析出,這些較小的析出相分散分布有利于提高合金的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性[3,4]。這說明添加稀土釔后銀合金的抗時效軟化效果明顯地增強(qiáng)。在銀合金材料的時效試驗中可看到稀土銀合金在50℃、100℃長時間保溫中,對時效軟化有較強(qiáng)的抑制作用。這是由于稀土元素提高了再結(jié)晶溫度,有效地延緩了銀合金的回復(fù)和再結(jié)晶過程,增強(qiáng)了銀合金的抗時效軟化能力。

圖3 2#合金試樣100℃保溫4 h與16 h的金相照片對比

4.4 銀合金的熱穩(wěn)定性

為了進(jìn)一步研究在更高溫度下,添加元素對合金力學(xué)性能的影響,試驗將加工試樣分別在120℃、240℃、360℃、480℃與600℃下進(jìn)行退火處理,不同溫度下保溫2 h的硬度值數(shù)據(jù)見表5,圖形如圖4所示。

表5 不同溫度下保溫2 h硬度值HV

圖4 不同溫度下保溫2 h硬度值

從圖4中退火后數(shù)據(jù)在240℃都出現(xiàn)了硬度值升高的現(xiàn)象。在240℃保溫2 h發(fā)生了時效硬化。時效硬化的原理是保溫時在沉淀相顆粒長大之前,小的顆粒均勻彌散地分布在基體中,使合金的強(qiáng)度與硬度提高,它也是飾品用925銀常用的重要強(qiáng)化手段之一。

從圖4中還可以明顯地看到,稀土銀的硬度值下降最慢,抗高溫軟化的能力最強(qiáng),這是由于具有一定固溶度的高價金屬加入面心立方金屬中,都將使基體金屬的堆垛層錯能降低,銀基體為+1價,稀土Y為+3價,其原子半徑比銀的原子半徑大25%,稀土的存在增加了層錯的數(shù)量,具有較大原子半徑的稀土原子釘扎了層錯缺陷,有效地阻礙了退火過程中晶粒的長大。在退火過程中稀土在晶界偏聚,圍繞晶界形成了高濃RE的氣氛,阻礙晶界遷移的結(jié)果。

2#(0.03Y)合金在240℃下的金相組織如圖5所示,1#(0Y0Si)與8#(0.05Si)合金試樣在600℃保溫下的金相組織如圖6所示。

由圖5可以看到:在晶界邊緣有細(xì)碎的沉淀析出相,這些析出相的存在及其彌散分布強(qiáng)化了銀合金,也是硬度值升高的原因。

從圖6中可以看到:1#合金和8#合金在高溫下晶粒都發(fā)生了長大,這正是導(dǎo)致硬度大幅度下降的原因。

綜上所述,本試驗含量的銀合金在240℃左右具有較好的時效硬化效果,這對于飾品用銀合金是比較理想的。更重要的是由于添加稀土的銀合金中微量的稀土固溶在基體中,有利于釘扎層錯和晶界,可有效地阻礙層錯和晶界的熱運(yùn)動,增強(qiáng)了冷變形的銀合金制品的熱穩(wěn)定性,并大大改善了抗自然時效軟化的特性,使之能長期保持冷變形首飾材料的力學(xué)性能[4]。因此,有選擇地添加微量的稀土元素可以有效地抑制銀合金制品的弱點,顯示了添加微量稀土銀合金材料較好的綜合性能。

圖5 2#(0.03Y)合金240℃下組織的金相照片

圖6 1#(0Y0Si)與8#(0.05Si)合金試樣在600℃保溫后的金相照片

5 結(jié) 論

1.微量硅元素(0.04%～0.08%)的加入改善了銀合金的鑄造性與銀鑄錠的表面狀況;細(xì)化了合金組織,顯著提高鑄態(tài)合金的硬度(HV131.3)。

2.稀土元素釔(0.03%～0.07%)的加入細(xì)化了銀合金組織,在銀中加入釔,實現(xiàn)固溶強(qiáng)化。含量為0.03%的添加量在實驗樣品中表現(xiàn)最佳:其強(qiáng)化效果好(鑄態(tài)硬度HV118,加工態(tài)硬度高達(dá)HV172);在時效中表現(xiàn)出良好的抗時效軟化效果(50℃保溫16 h硬度值為HV170.5;100℃保溫16 h硬度值為HV152.9);在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗高溫軟化效果(600℃保溫2 h硬度仍高達(dá)HV120.5)。

[1] 陳國玲.論傳統(tǒng)銀飾和現(xiàn)代銀飾的融合發(fā)展[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué),2010.

[2] 黎鼎鑫,秦國義.稀土元素對銀的再結(jié)晶及晶粒組織的影響[J] .貴金屬,1988,9(01):1-9.

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[4] 石路,王力軍,王佳夫,等.抗自然時效軟化銀飾品材料的研究[J].稀有金屬材料與工程,2000,(05):350-353.

Abstract:This article describes the influence on the pbysical properties of silver alloys by adding Y and silicon ele-ments.The addition of trace Si improves the castabilityof silver alloys,refines alloys and significantly increases the hardness of cast alloy.The addition of yttrium refines silver,and adding yttrium in silver could achieve solid solution strengthening.The optimal content is 0.03%during the test.

Key words:silver alloy;silicon;rare earth;physical properties;the tissue of alloy

The Influence on the Physical Properties of Silver Alloys by Adding Rare Earth,Silicon Elements

ZHANG Wei
(Zhuzhou Smelter Group Co.,Ltd,Zhuzhou412004,China)

TG146.4+5

A

1003-5540(2011)04-0043-05

2011-06-06

張 偉(1976-),男,工程師,主要從事材料研究工作。