放下高贵身段，融合平民元素——黄金趣话(3)

供稿|贾成厂 / JIA Cheng-chang

内容导读

黄金是一种广受欢迎的贵金属，非常珍贵。基于人们的认知程度、黄金的稳定性和保值性等因素决定了金的“高贵”身价。然而，金并不是一种高高在上脱离“群众”的贵族元素，相反，金可以与许多“平民”元素融合形成“金合金”，在众多领域里得到广泛应用。贾成厂教授“黄金趣话”系列文章之(三)高屋建瓴，带您了解金银合金、金铜合金、金镍合金、金铬合金等“金合金”所具有的独特优异性能以及广泛用途。

金合金概述

黄金质地软，可以加工成比纸还薄很多的金箔——厚度可以达到1/50000 mm，它既能隔热，又能透光，可以用作太空服和消防队员面罩的隔热物质。在冬季利用黄金薄膜把太阳辐射中的热射线透射到室中，室内就温暖如春；夏季，在房屋的玻璃外贴上一层黄金镀膜，可将太阳的绝大部分热射线反射出去，室内不会闷热。

现在“金合金”已广泛应用于火箭、超音速飞机、核反应堆和宇宙航行等工业设施中。此外，用黄金合金制成的金币、金首饰也深受人们的喜爱。平时常见的22K、18K金首饰，都是含有不同分量黄金的合金。

“金合金”品种很多，其中应用较多的是金银合金、金铜合金、金镍合金等，其他重要的“金合金”还有：金铬合金、金铂合金、金钯合金、金锆合金、金钛合金、金硅合金、金锗合金、金锡合金和金锑合金等。

金银合金

金银合金是指金与银组成的合金和以金银合金为基础添加其他组分构成的合金。主要有金银合金、金银铜合金和金银钯合金等。

完美的相图

金与银是可以无限互溶的。就是说任意比例的金与银都可以形成金银的连续固溶体，合金的熔点是从金的熔点(1064 ℃)平稳地降低到银的熔点(962 ℃)，如图1所示。

图1 Au-Ag二元相图

从相图上看，Au、Ag在液相、固相，以任意比例都完美互溶。金和银的晶体结构都是面心立方结构，而且原子半径几乎没差距，接近完美重合。材料学者看到这种没有析出相的合金相图，估计会感动到哭！

独特的性能

金银合金的抗拉强度从金端开始，随银含量增加而平缓地增大，在含银原子数分数为50%～60%时达到最大值；全部金银合金的韧性都很好，有相当高的伸长率，而且其退火温度较低。这就使得金银合金具有特别良好的热加工和冷加工性能，易冷加工成线材和片材。在50% Ag(原子数分数)处合金的电阻率出现最大值，其膨胀系数也近乎线性地从金端(100% Au)变化到银端(100% Ag)；金银合金有良好的抗蚀性和抗氧化性能，良好的导热导电性和耐蚀性，接触电阻低且稳定。

金中添加银会逐渐改变合金的颜色，在含38%Ag(原子数分数)时合金显示微弱的绿色，含银量更高时合金会变白。合金还具有良好的抗氧化性、流动性和铸造性。

广泛的用途

常用的金银合金是AuAg10、AuAg25、AuAg40和AuAg41.7等，还有金银铜合金和金银钯合金等。

在金银铜合金中起支配作用的是金的含量及银与铜的比例，金含量决定合金的化学稳定性，而银与铜的比例影响合金的力学性能、时效能力和加工性能。不同成分的金银铜合金可以获得色调和力学性能在很大范围内变化的合金，因此金银铜合金是最重要的首饰合金和牙科合金。工业上，金银铜合金主要用作电位计绕组、电刷和轻负荷的接点材料，也用作电真空钎料。在金银铜三元合金基础上进一步添加锰、镍、钆形成多元金基合金，适于用作电位计绕组材料。合金中添加钆，使合金的强度、再结晶温度和耐磨性提高。较常用的合金是AuAgCu35-5、AuAgCuMnGd33.5-3-2.5-0.4和AuAgCu 12.5-12.5。金银钯合金是单相固溶体结构，抗腐蚀性良好，可用作钎料合金、钎焊牙用钯合金。

(1)接点材料。强腐蚀介质中工作的轻负荷接点材料。金因具有良好的导电性、导热性和加工性能，电阻稳定，在大气下不易氧化，因此广泛地用于电气电子、通讯等工业并用作电触点材料。电触点材料已有逾百年的历史，最初人们选用纯金作接点材料，因其成本较高，20世纪40年代起人们相继又开发了Au-Ag等金基合金，用作此类材料。合金具有高强度高耐磨性能，以及能满足电阻率的要求，综合性能优于常用的材料。图2为金银合金接点材料。

图2 金银接点材料

(2)电极印刷电路板。金银粉末与有机树脂等混合后制成电子浆料中的导体浆料。此类浆料在700～900 ℃下烧结，其性能很稳定，且具有优良的可焊性，因而被用作陶瓷电容器的电极印刷电路板等(图3)。

图3 电极印刷电路板

(3)钎料。金基钎料已有悠久的使用历史，与银基钎料相比，具有抗蚀性强、蒸气压低并有很好的流动性及润湿性等优点。金基钎料与母材的作用程度小，润湿性能好。接头的高温强度、延伸性、抗氧化、耐蚀性好，广泛用于高真空系列制件时的钎焊。在航空发动机中广泛使用金基钎料。例如JT-3D发动机涡轮静子环叶片就是用金基钎料真空钎焊而成的(图4)。

图4 发动机涡轮叶片

(4)牙科用铸造金银合金。用于承受极高应力的附有薄型部件的牙齿修复体，如可摘局部义齿、卡环、薄贴面冠、跨度大或横截面小的桥体、杆、附着体以及种植体的上部结构等。

金铜合金

金和铜的二元合金，在高温下为连续固溶体，在约400 ℃发生无序有序转变(见图5)。虽然金和铜在液态和高温固态下也是无限互溶，但是与金-银体系相比，显然不够“完美”。首先，金铜体系合金的熔点不是从金的熔点到铜的熔点单调地变化，而是在含有43%Cu(原子数分数)时出现了最小值，仅有912 ℃。其次，在低于410 ℃的情况下，固溶体(Au,Cu)发生了两相分离。值得注意的一点是，这种情况是在冷却速度极慢的情况下才会发生，一般可以忽略。

图5 Au-Cu合金相图

金铜合金一般采用感应炉在炭粉保护下熔炼，铸锭经均匀化和水淬后，塑性好，可冷加工成线材、片材和板材。

金铜合金的主要用途之一是制备黄金首饰。黄金首饰是指以黄金为主要原料制作的首饰。从其含金量上可分为纯金和K金两类。纯金首饰的含金量在99%以上，最高可达99.99%，故又有“九九金”、“十足金”、“赤金”之称。

黄金的特点之一是柔软。正是由于用纯金制作首饰太柔软，难以镶制出各种精美的款式，尤其是在镶嵌珍珠、宝石和翡翠等珍品时容易丢失。也就是说，各类纯金首饰制品都有一个共同的弱项，那就是因为纯度高的金硬度太低而导致纯金制成的首饰制品容易变形、划伤或损坏，说明用高纯度的黄金制作首饰或其他物件反而不适用，不耐用。

为了克服纯金硬度低、颜色单一、易磨损、花纹不细巧的缺点，通常在纯金中加入一些其他的金属元素(如银或铜等，考虑到成本等因素，以铜为主)以增加首饰金的硬度、变换其色调和降低其熔点，因而就出现成色高低有别、含金量明显不同的金合金首饰。

首饰金中纯金含量被称为“金位”，英文名称Karat，故称为K金。K金制是国际流行的黄金计量标准，K金的完整表示法为“Karat Gold”，并赋予K金以准确的含金量标准，因而形成了一系列K金饰品。一般称纯金为24K，即理论上含金量为100%，因此，1K即代表金饰含纯金量占1/24，约4.16%。一般比较多的是使用18K来镶嵌珠宝首饰，这样镶嵌饰品的牢度比较高。中国金首饰的常见品种为24K、18K和14K，欧美等西方国家常见的金首饰品种为18K和9K。图6为黄金首饰。

图6 黄金首饰

金铜合金还可以作为真空钎料，钎接铜与铜、铜与不锈钢。

AuCu20是应用最广的金铜合金，对铜、铁、镍、铬、钨、钼、钽和铌等均有良好的润湿性。此外，金铜合金也用作货币、装饰品和牙科材料。

金镍合金

金镍合金是在金基中添加镍的二元合金，在850 ℃以上为连续固溶体，低温下分解为富金和富镍的两相固溶体。Au-Ni相图与Au-Cu相图类似，金和镍在液态和高温固态下也是无限互溶，见图7。

图7 Au-Ni合金相图

金镍合金有AuNi5、AuNi9、AuNi10和AuNi18等合金。采用真空感应炉熔炼，合金凝固后水淬。Ni原子数分数＜10%的合金可以冷加工成材；＞18%的合金经软化处理后，再热加工和冷加工成材。

金中添加镍使合金熔点下降，至含Ni42.5%(原子数分数)时降到最低点950 ℃，镍含量再继续增加，合金熔点又平稳地升高，直至纯镍的熔点。金镍合金凝固生成连续固溶体，温度降低时固溶体发生分解，在室温下两相区可扩展到2%～95%Ni的范围。固溶体分解会引起合金电性能、磁性能、力学性能和耐蚀性能改变。金中添加镍使合金强度、硬度提高，镍的强化作用远大于银和铜。金镍合金特别是含镍量较高时需软化处理后在500 ℃热加工，然后进行冷加工。

含镍10%左右的金镍合金被用作轻、中负荷的电接触材料，如AuNi9、AuNi10合金。含镍17.5%的合金用作电真空钎料，也被广泛用来钎焊航空发动机的叶片。与AuCu20钎料相比，AuNi7.5钎料强度高，熔点也高40 ℃，可采取分级钎焊工艺。

金镍系合金是金与镍组成的合金和以金镍合金为基添加其他组元构成的合金，也称为金镍多元合金。在金镍合金中添加铬、铁、钇、钆和锆等元素以构成金镍多元合金。

金镍系合金具有电阻温度系数低、耐磨损、长寿命的特点，适用于作低、中电阻率的绕组和电刷材料，性能优于二元金镍合金。例如在AuNi9基础上添加少量稀土元素钆、钇构成AuNiGd9-0.5、Au-NiY9-0.5合金，添加铬构成AuNiCr5-1、AuNiCr5-2合金，它们都是用量较大的金镍系合金。

金铬合金

金铬合金是在金基中添加铬的二元合金，在400 ℃时，铬在金中的溶解度近25%(原子数分数)。常见的金铬合金有AuCr0.99、AuCr1.8、AuCr2.3、AuCr5等。它们都具有良好的化学稳定性，稳定的电阻系数和低的电阻温度系数，适宜于作精密电阻材料，特别是标准电阻。

低铬合金采用感应炉以硼砂覆盖熔炼，铸锭在热锻开坯后，冷加工成材。

结束语

以一首七律，作为对“黄金趣话”系列的总结：

霸气名字领偏旁，稀珍保值人收藏。

薄过蝉翼红变绿，细于发丝韧且强。

高贵身段放下来，平民元素融合忙。

性能优异用途多，实至名归金属王。