放下高貴身段，融合平民元素
——黃金趣話(3)

供稿|賈成廠 / JIA Cheng-chang

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黃金是一種廣受歡迎的貴金屬，非常珍貴?；谌藗兊恼J知程度、黃金的穩(wěn)定性和保值性等因素決定了金的“高貴”身價。然而，金并不是一種高高在上脫離“群眾”的貴族元素，相反，金可以與許多“平民”元素融合形成“金合金”，在眾多領(lǐng)域里得到廣泛應用。賈成廠教授“黃金趣話”系列文章之(三)高屋建瓴，帶您了解金銀合金、金銅合金、金鎳合金、金鉻合金等“金合金”所具有的獨特優(yōu)異性能以及廣泛用途。

金合金概述

黃金質(zhì)地軟，可以加工成比紙還薄很多的金箔——厚度可以達到1/50000 mm，它既能隔熱，又能透光，可以用作太空服和消防隊員面罩的隔熱物質(zhì)。在冬季利用黃金薄膜把太陽輻射中的熱射線透射到室中，室內(nèi)就溫暖如春；夏季，在房屋的玻璃外貼上一層黃金鍍膜，可將太陽的絕大部分熱射線反射出去，室內(nèi)不會悶熱。

現(xiàn)在“金合金”已廣泛應用于火箭、超音速飛機、核反應堆和宇宙航行等工業(yè)設(shè)施中。此外，用黃金合金制成的金幣、金首飾也深受人們的喜愛。平時常見的22K、18K金首飾，都是含有不同分量黃金的合金。

“金合金”品種很多，其中應用較多的是金銀合金、金銅合金、金鎳合金等，其他重要的“金合金”還有：金鉻合金、金鉑合金、金鈀合金、金鋯合金、金鈦合金、金硅合金、金鍺合金、金錫合金和金銻合金等。

金銀合金

金銀合金是指金與銀組成的合金和以金銀合金為基礎(chǔ)添加其他組分構(gòu)成的合金。主要有金銀合金、金銀銅合金和金銀鈀合金等。

完美的相圖

金與銀是可以無限互溶的。就是說任意比例的金與銀都可以形成金銀的連續(xù)固溶體，合金的熔點是從金的熔點(1064 ℃)平穩(wěn)地降低到銀的熔點(962 ℃)，如圖1所示。

圖1 Au-Ag二元相圖

從相圖上看，Au、Ag在液相、固相，以任意比例都完美互溶。金和銀的晶體結(jié)構(gòu)都是面心立方結(jié)構(gòu)，而且原子半徑幾乎沒差距，接近完美重合。材料學者看到這種沒有析出相的合金相圖，估計會感動到哭！

獨特的性能

金銀合金的抗拉強度從金端開始，隨銀含量增加而平緩地增大，在含銀原子數(shù)分數(shù)為50%～60%時達到最大值；全部金銀合金的韌性都很好，有相當高的伸長率，而且其退火溫度較低。這就使得金銀合金具有特別良好的熱加工和冷加工性能，易冷加工成線材和片材。在50% Ag(原子數(shù)分數(shù))處合金的電阻率出現(xiàn)最大值，其膨脹系數(shù)也近乎線性地從金端(100% Au)變化到銀端(100% Ag)；金銀合金有良好的抗蝕性和抗氧化性能，良好的導熱導電性和耐蝕性，接觸電阻低且穩(wěn)定。

金中添加銀會逐漸改變合金的顏色，在含38%Ag(原子數(shù)分數(shù))時合金顯示微弱的綠色，含銀量更高時合金會變白。合金還具有良好的抗氧化性、流動性和鑄造性。

廣泛的用途

常用的金銀合金是AuAg10、AuAg25、AuAg40和AuAg41.7等，還有金銀銅合金和金銀鈀合金等。

在金銀銅合金中起支配作用的是金的含量及銀與銅的比例，金含量決定合金的化學穩(wěn)定性，而銀與銅的比例影響合金的力學性能、時效能力和加工性能。不同成分的金銀銅合金可以獲得色調(diào)和力學性能在很大范圍內(nèi)變化的合金，因此金銀銅合金是最重要的首飾合金和牙科合金。工業(yè)上，金銀銅合金主要用作電位計繞組、電刷和輕負荷的接點材料，也用作電真空釬料。在金銀銅三元合金基礎(chǔ)上進一步添加錳、鎳、釓形成多元金基合金，適于用作電位計繞組材料。合金中添加釓，使合金的強度、再結(jié)晶溫度和耐磨性提高。較常用的合金是AuAgCu35-5、AuAgCuMnGd33.5-3-2.5-0.4和AuAgCu 12.5-12.5。金銀鈀合金是單相固溶體結(jié)構(gòu)，抗腐蝕性良好，可用作釬料合金、釬焊牙用鈀合金。

(1)接點材料。強腐蝕介質(zhì)中工作的輕負荷接點材料。金因具有良好的導電性、導熱性和加工性能，電阻穩(wěn)定，在大氣下不易氧化，因此廣泛地用于電氣電子、通訊等工業(yè)并用作電觸點材料。電觸點材料已有逾百年的歷史，最初人們選用純金作接點材料，因其成本較高，20世紀40年代起人們相繼又開發(fā)了Au-Ag等金基合金，用作此類材料。合金具有高強度高耐磨性能，以及能滿足電阻率的要求，綜合性能優(yōu)于常用的材料。圖2為金銀合金接點材料。

圖2 金銀接點材料

(2)電極印刷電路板。金銀粉末與有機樹脂等混合后制成電子漿料中的導體漿料。此類漿料在700～900 ℃下燒結(jié)，其性能很穩(wěn)定，且具有優(yōu)良的可焊性，因而被用作陶瓷電容器的電極印刷電路板等(圖3)。

圖3 電極印刷電路板

(3)釬料。金基釬料已有悠久的使用歷史，與銀基釬料相比，具有抗蝕性強、蒸氣壓低并有很好的流動性及潤濕性等優(yōu)點。金基釬料與母材的作用程度小，潤濕性能好。接頭的高溫強度、延伸性、抗氧化、耐蝕性好，廣泛用于高真空系列制件時的釬焊。在航空發(fā)動機中廣泛使用金基釬料。例如JT-3D發(fā)動機渦輪靜子環(huán)葉片就是用金基釬料真空釬焊而成的(圖4)。

圖4 發(fā)動機渦輪葉片

(4)牙科用鑄造金銀合金。用于承受極高應力的附有薄型部件的牙齒修復體，如可摘局部義齒、卡環(huán)、薄貼面冠、跨度大或橫截面小的橋體、桿、附著體以及種植體的上部結(jié)構(gòu)等。

金銅合金

金和銅的二元合金，在高溫下為連續(xù)固溶體，在約400 ℃發(fā)生無序有序轉(zhuǎn)變(見圖5)。雖然金和銅在液態(tài)和高溫固態(tài)下也是無限互溶，但是與金-銀體系相比，顯然不夠“完美”。首先，金銅體系合金的熔點不是從金的熔點到銅的熔點單調(diào)地變化，而是在含有43%Cu(原子數(shù)分數(shù))時出現(xiàn)了最小值，僅有912 ℃。其次，在低于410 ℃的情況下，固溶體(Au,Cu)發(fā)生了兩相分離。值得注意的一點是，這種情況是在冷卻速度極慢的情況下才會發(fā)生，一般可以忽略。

圖5 Au-Cu合金相圖

金銅合金一般采用感應爐在炭粉保護下熔煉，鑄錠經(jīng)均勻化和水淬后，塑性好，可冷加工成線材、片材和板材。

金銅合金的主要用途之一是制備黃金首飾。黃金首飾是指以黃金為主要原料制作的首飾。從其含金量上可分為純金和K金兩類。純金首飾的含金量在99%以上，最高可達99.99%，故又有“九九金”、“十足金”、“赤金”之稱。

黃金的特點之一是柔軟。正是由于用純金制作首飾太柔軟，難以鑲制出各種精美的款式，尤其是在鑲嵌珍珠、寶石和翡翠等珍品時容易丟失。也就是說，各類純金首飾制品都有一個共同的弱項，那就是因為純度高的金硬度太低而導致純金制成的首飾制品容易變形、劃傷或損壞，說明用高純度的黃金制作首飾或其他物件反而不適用，不耐用。

為了克服純金硬度低、顏色單一、易磨損、花紋不細巧的缺點，通常在純金中加入一些其他的金屬元素(如銀或銅等，考慮到成本等因素，以銅為主)以增加首飾金的硬度、變換其色調(diào)和降低其熔點，因而就出現(xiàn)成色高低有別、含金量明顯不同的金合金首飾。

首飾金中純金含量被稱為“金位”，英文名稱Karat，故稱為K金。K金制是國際流行的黃金計量標準，K金的完整表示法為“Karat Gold”，并賦予K金以準確的含金量標準，因而形成了一系列K金飾品。一般稱純金為24K，即理論上含金量為100%，因此，1K即代表金飾含純金量占1/24，約4.16%。一般比較多的是使用18K來鑲嵌珠寶首飾，這樣鑲嵌飾品的牢度比較高。中國金首飾的常見品種為24K、18K和14K，歐美等西方國家常見的金首飾品種為18K和9K。圖6為黃金首飾。

圖6 黃金首飾

金銅合金還可以作為真空釬料，釬接銅與銅、銅與不銹鋼。

AuCu20是應用最廣的金銅合金，對銅、鐵、鎳、鉻、鎢、鉬、鉭和鈮等均有良好的潤濕性。此外，金銅合金也用作貨幣、裝飾品和牙科材料。

金鎳合金

金鎳合金是在金基中添加鎳的二元合金，在850 ℃以上為連續(xù)固溶體，低溫下分解為富金和富鎳的兩相固溶體。Au-Ni相圖與Au-Cu相圖類似，金和鎳在液態(tài)和高溫固態(tài)下也是無限互溶，見圖7。

圖7 Au-Ni合金相圖

金鎳合金有AuNi5、AuNi9、AuNi10和AuNi18等合金。采用真空感應爐熔煉，合金凝固后水淬。Ni原子數(shù)分數(shù)＜10%的合金可以冷加工成材；＞18%的合金經(jīng)軟化處理后，再熱加工和冷加工成材。

金中添加鎳使合金熔點下降，至含Ni42.5%(原子數(shù)分數(shù))時降到最低點950 ℃，鎳含量再繼續(xù)增加，合金熔點又平穩(wěn)地升高，直至純鎳的熔點。金鎳合金凝固生成連續(xù)固溶體，溫度降低時固溶體發(fā)生分解，在室溫下兩相區(qū)可擴展到2%～95%Ni的范圍。固溶體分解會引起合金電性能、磁性能、力學性能和耐蝕性能改變。金中添加鎳使合金強度、硬度提高，鎳的強化作用遠大于銀和銅。金鎳合金特別是含鎳量較高時需軟化處理后在500 ℃熱加工，然后進行冷加工。

含鎳10%左右的金鎳合金被用作輕、中負荷的電接觸材料，如AuNi9、AuNi10合金。含鎳17.5%的合金用作電真空釬料，也被廣泛用來釬焊航空發(fā)動機的葉片。與AuCu20釬料相比，AuNi7.5釬料強度高，熔點也高40 ℃，可采取分級釬焊工藝。

金鎳系合金是金與鎳組成的合金和以金鎳合金為基添加其他組元構(gòu)成的合金，也稱為金鎳多元合金。在金鎳合金中添加鉻、鐵、釔、釓和鋯等元素以構(gòu)成金鎳多元合金。

金鎳系合金具有電阻溫度系數(shù)低、耐磨損、長壽命的特點，適用于作低、中電阻率的繞組和電刷材料，性能優(yōu)于二元金鎳合金。例如在AuNi9基礎(chǔ)上添加少量稀土元素釓、釔構(gòu)成AuNiGd9-0.5、Au-NiY9-0.5合金，添加鉻構(gòu)成AuNiCr5-1、AuNiCr5-2合金，它們都是用量較大的金鎳系合金。

金鉻合金

金鉻合金是在金基中添加鉻的二元合金，在400 ℃時，鉻在金中的溶解度近25%(原子數(shù)分數(shù))。常見的金鉻合金有AuCr0.99、AuCr1.8、AuCr2.3、AuCr5等。它們都具有良好的化學穩(wěn)定性，穩(wěn)定的電阻系數(shù)和低的電阻溫度系數(shù)，適宜于作精密電阻材料，特別是標準電阻。

低鉻合金采用感應爐以硼砂覆蓋熔煉，鑄錠在熱鍛開坯后，冷加工成材。

結(jié)束語

以一首七律，作為對“黃金趣話”系列的總結(jié)：

霸氣名字領(lǐng)偏旁，稀珍保值人收藏。

薄過蟬翼紅變綠，細于發(fā)絲韌且強。

高貴身段放下來，平民元素融合忙。

性能優(yōu)異用途多，實至名歸金屬王。