聽(tīng)多了鋁合金，銅合金，你是否聽(tīng)說(shuō)過(guò)金合金？

1. 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(dá)到1/50000 mm，它既能隔熱，又能透光，可以用作太空服和消防隊(duì)員面罩的隔熱物質(zhì)。在冬季利用黃金薄膜把太陽(yáng)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(yáng)的絕大部分熱射線反射出去，室內(nèi)不會(huì)悶熱。

現(xiàn)在“金合金”已廣泛應(yīng)用于火箭、超音速飛機(jī)、核反應(yīng)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(ài)。平時(shí)常見(jiàn)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(yīng)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。

2. 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。

2.1 完美的相圖

金與銀是可以無(wú)限互溶的。就是說(shuō)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(diǎn)是從金的熔點(diǎn)（1064 ℃）平穩(wěn)地降低到銀的熔點(diǎn)（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(méi)差距，接近完美重合。材料學(xué)者看到這種沒(méi)有析出相的合金相圖，估計(jì)會(huì)感動(dòng)到哭！

2.2 獨(dú)特的性能

金銀合金的抗拉強(qiáng)度從金端開(kāi)始，隨銀含量增加而平緩地增大，在含銀原子數(shù)分?jǐn)?shù)為50%～60%時(shí)達(dá)到最大值；全部金銀合金的韌性都很好，有相當(dāng)高的伸長(zhǎng)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?jǐn)?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(dǎo)熱導(dǎo)電性和耐蝕性，接觸電阻低且穩(wěn)定。

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

2.3 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(xué)穩(wěn)定性，而銀與銅的比例影響合金的力學(xué)性能、時(shí)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(xué)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(jì)繞組、電刷和輕負(fù)荷的接點(diǎn)材料，也用作電真空釬料。在金銀銅三元合金基礎(chǔ)上進(jìn)一步添加錳、鎳、釓形成多元金基合金，適于用作電位計(jì)繞組材料。合金中添加釓，使合金的強(qiáng)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AuAgCu12.5-12.5。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(diǎn)材料。強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中工作的輕負(fù)荷接點(diǎn)材料。金因具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)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(diǎn)材料。電觸點(diǎn)材料已有逾百年的歷史，最初人們選用純金作接點(diǎn)材料，因其成本較高，20世紀(jì)40年代起人們相繼又開(kāi)發(fā)了Au-Ag等金基合金，用作此類材料。合金具有高強(qiáng)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(diǎn)材料。

圖2 金銀接點(diǎn)材料

（2）電極印刷電路板。金銀粉末與有機(jī)樹(shù)脂等混合后制成電子漿料中的導(dǎo)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(qiáng)、蒸氣壓低并有很好的流動(dòng)性及潤(rùn)濕性等優(yōu)點(diǎn)。金基釬料與母材的作用程度小，潤(rùn)濕性能好。接頭的高溫強(qiáng)度、延伸性、抗氧化、耐蝕性好，廣泛用于高真空系列制件時(shí)的釬焊。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛使用金基釬料。例如JT-3D發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)渦輪葉片

（4）牙科用鑄造金銀合金。用于承受極高應(yīng)力的附有薄型部件的牙齒修復(fù)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。

3. 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(wú)序有序轉(zhuǎn)變（見(jiàn)圖5）。雖然金和銅在液態(tài)和高溫固態(tài)下也是無(wú)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(diǎn)不是從金的熔點(diǎn)到銅的熔點(diǎn)單調(diào)地變化，而是在含有43%Cu（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）時(shí)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(diǎn)是，這種情況是在冷卻速度極慢的情況下才會(huì)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(yīng)爐在炭粉保護(hù)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(dá)99.99%，故又有“九九金”、“十足金”、“赤金”之稱。

黃金的特點(diǎn)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(shí)容易丟失。也就是說(shuō)，各類純金首飾制品都有一個(gè)共同的弱項(xiàng)，那就是因?yàn)榧兌雀叩慕鹩捕忍投鴮?dǎo)致純金制成的首飾制品容易變形、劃傷或損壞，說(shuō)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(xì)巧的缺點(diǎn)，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(diǎn)，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(guó)際流行的黃金計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，K金的完整表示法為“Karat Gold”，并賦予K金以準(zhǔn)確的含金量標(biāo)準(zhǔn)，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(lái)鑲嵌珠寶首飾，這樣鑲嵌飾品的牢度比較高。中國(guó)金首飾的常見(jiàn)品種為24K、18K和14K，歐美等西方國(guó)家常見(jiàn)的金首飾品種為18K和9K。圖6為黃金首飾。

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(yīng)用最廣的金銅合金，對(duì)銅、鐵、鎳、鉻、鎢、鉬、鉭和鈮等均有良好的潤(rùn)濕性。此外，金銅合金也用作貨幣、裝飾品和牙科材料。

圖6 黃金首飾

4. 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(wú)限互溶，見(jiàn)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(yīng)爐熔煉，合金凝固后水淬。Ni原子數(shù)分?jǐn)?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(diǎn)下降，至含Ni42.5%(原子數(shù)分?jǐn)?shù))時(shí)降到最低點(diǎn)950 ℃，鎳含量再繼續(xù)增加，合金熔點(diǎn)又平穩(wěn)地升高，直至純鎳的熔點(diǎn)。金鎳合金凝固生成連續(xù)固溶體，溫度降低時(shí)固溶體發(fā)生分解，在室溫下兩相區(qū)可擴(kuò)展到2%~95%Ni的范圍。固溶體分解會(huì)引起合金電性能、磁性能、力學(xué)性能和耐蝕性能改變。金中添加鎳使合金強(qiáng)度、硬度提高，鎳的強(qiáng)化作用遠(yuǎn)大于銀和銅。金鎳合金特別是含鎳量較高時(shí)需軟化處理后在500 ℃熱加工，然后進(jìn)行冷加工。

含鎳10%左右的金鎳合金被用作輕、中負(fù)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(lái)釬焊航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片。與AuCu20釬料相比，AuNi7.5釬料強(qiáng)度高，熔點(diǎn)也高40 ℃，可采取分級(jí)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(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，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。

5. 金鉻合金

金鉻合金是在金基中添加鉻的二元合金，在400 ℃時(shí)，鉻在金中的溶解度近25%（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）。常見(jiàn)的金鉻合金有AuCr0.99、AuCr1.8、AuCr2.3、AuCr5等。它們都具有良好的化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)電阻。

低鉻合金采用感應(yīng)爐以硼砂覆蓋熔煉，鑄錠在熱鍛開(kāi)坯后，冷加工成材。

6. 結(jié)束語(yǔ)

以一首七律，作為對(duì)“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(guò)蟬翼紅變綠，細(xì)于發(fā)絲韌且強(qiáng)。

高貴身段放下來(lái)，平民元素融合忙。

性能優(yōu)異用途多，實(shí)至名歸金屬王。

作者簡(jiǎn)介：賈成廠，北京科技大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。1982年畢業(yè)于北京鋼鐵學(xué)院金屬材料系，獲學(xué)士學(xué)位。1987年獲日本東北（TOHOKU）大學(xué)碩士學(xué)位。1990年獲得日本東北（TOHOKU）大學(xué)博士學(xué)位。1990—1994年日本神奈川科學(xué)城博士后、總工程師。獲國(guó)家發(fā)明專利20余項(xiàng)。在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文200余篇，其中SCI檢索76篇，EI檢索127篇，單篇文章他引超過(guò)100次。編著學(xué)術(shù)專著15本：《復(fù)合材料教程》《陶瓷基復(fù)合材料導(dǎo)論》《燒結(jié)金屬含油軸承》《金屬基復(fù)合材料導(dǎo)論》《超硬材料與工具》《金屬粉末凝膠注模成形》《燒結(jié)理論與實(shí)踐》《韓鳳麟教授論文集》等。獲教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、中國(guó)冶金教育協(xié)會(huì)優(yōu)秀教材一等獎(jiǎng)、高等教育國(guó)家級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)、北京市教育教學(xué)成果一等獎(jiǎng)、中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)優(yōu)秀期刊二等獎(jiǎng)、中國(guó)金屬學(xué)會(huì)優(yōu)秀工作者、“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生科技競(jìng)賽優(yōu)秀指導(dǎo)教師、復(fù)合材料學(xué)會(huì)《復(fù)合材料學(xué)報(bào)》杰出編委、北京科技大學(xué)“我愛(ài)我?guī)煛倚哪恐凶顑?yōu)秀的教師”、師德先進(jìn)個(gè)人、優(yōu)秀黨員、先進(jìn)工作者、教學(xué)成果一等獎(jiǎng)、科技論文SCI收錄獎(jiǎng)等榮譽(yù)。主要社會(huì)兼職：中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)理事、中國(guó)金屬學(xué)會(huì)粉末冶金分會(huì)副理事長(zhǎng)兼秘書(shū)長(zhǎng)、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)粉末冶金分會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)粉末冶金與陶瓷分會(huì)理事、中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)粉末冶金分會(huì)名譽(yù)理事、中國(guó)有色加工協(xié)會(huì)特聘專家、中國(guó)建材工業(yè)協(xié)會(huì)粉體分會(huì)理事、中國(guó)機(jī)協(xié)粉末冶金分會(huì)特聘專家，擔(dān)任《復(fù)合材料學(xué)報(bào)》編委、《粉末冶金技術(shù)》編委、《粉末冶金工業(yè)》編委、《中國(guó)鉬業(yè)》編委、《粉末冶金材料科學(xué)與工程》編委、《中國(guó)材料科技與設(shè)備》編委、《金屬世界》特邀撰稿人