鉑合金及其製造方法
2023-05-01 07:37:26
專利名稱：鉑合金及其製造方法
技術領域：
本發明涉及鉑合金及其製造方法。具體而言，本發明涉及適合於製造飾品的鉑合金，如戒指、項鍊、手鐲、耳環、錶帶、表體及其他珠寶。此外，本發明還涉及由該鉑合金製成的飾品及其製造方法。
背景技術：
鉑是貴金屬且相對較昂貴。近年來，鉑越來越突出地成為用於製造珠寶的金屬。用於精細珠寶的鉑通常以超過85重量％的高純度銷售。
純鉑(Pt1000)軟並且不具有大多數珠寶應用的機械強度。因此，在大多數珠寶應用中使用多種鉑合金。若與寶石相結合，鉑合金由於其天然的顏色所以是理想的，其是低變應原性的(hypoallergenic)，其具有高抗拉強度，並且由於其密度高而具有舒適的重量。
珠寶業使用三種主要類型的鉑合金。這些類型是Pt950、Pt900及Pt850。這些合金的鉑含量分別為95、90和85重量％。通常用於製造珠寶的可商購合金包括Pt/Ir 900/100(90重量％鉑及10重量％銥)、PtCu950(95重量％鉑及5重量％銅)及PtCo950(95重量％鉑及5重量％鈷)。
各種鉑含量高的珠寶材料是現有技術中已知的。此處所用的術語「鉑含量高」是指鉑含量大於或等於85重量％的鉑合金。
例如，第4,165,983號美國專利描述了一種用於製造珠寶的合金，其含有至少95重量％的鉑、1.5至3.5重量％的鎵，其餘是銦、金、鈀、銀、銅、鈷、鎳、釕、銥和銠中的至少一種。第5,846,352號美國專利描述了一種用於製造珠寶的經熱處理的鉑鎵合金，其含有1至9重量％的鎵及少量的鈀。特開昭61-133340描述了一種用於製造珠寶的合金，其由84至96重量％的鉑、1至10重量％的鎵、0.5至10重量％的銅及0.01至5重量％的鈷組成。特開昭61-034133描述了一種用於製造珠寶的合金，其含有84至96重量％的鉑、0.5至10重量％的鈷、0.5至10重量％的銅及0.01至0.5的Y、B、CaB混合稀土金屬。
雖然這些合金具有適合於製造珠寶的令人滿意的機械性能及光學特性，但這些合金由於其鉑含量高因而製造成本昂貴。
本領域中還已知一些鉑含量低的珠寶材料。此處所用的術語「鉑含量低」是指鉑含量低於85重量％的鉑合金。
第6,048,492號美國專利描述了一種用於珠寶製品的鉑合金組合物，其含有約58.5重量％的鉑、26.5至36.5重量％的鈀及5至15重量％的銥、銅或釕。第2,279,763號美國專利描述了一種可延展的鉑合金，其含有10至80重量％的鉑、12至90重量％的鈀及1至15重量％的釕。
已知的鉑含量低的珠寶材料的缺點在於，其機械性能和物理性能通常比鉑含量高的珠寶材料差。具體而言，已知的鉑含量低的珠寶材料的可鑄性不如鉑含量高的合金好。此外，已知的鉑含量低的珠寶材料的顏色不同於精細珠寶的大多數顧客所期望的Pt950合金的典型「鉑色」。因此，鉑含量低的珠寶材料通常由於美觀的原因而被顧客拒絕。事實上，製造結合了鉑含量高的材料的機械強度及可加工性以及光學特性的鉑含量低的珠寶材料是非常困難的。
由於這些合金在性能及特性上具有潛在的改進，所以存在對適用於珠寶及藝術品應用的其他合金的需求。
已知的鉑含量低的珠寶材料的另一個缺點在於，其通常包含鉑及至少一種諸如鈀和/或釕的其他貴金屬的合金，它們本身是相對較昂貴的材料，因此由已知的鉑含量低的材料製成的珠寶仍然比較昂貴。
因此，期望提供一種比現有的鉑便宜的適合於珠寶的鉑合金組合物，但仍能提供具有期望的技術特性和光學特性的鉑珠寶產品。
還期望提供主要含有鉑及非貴金屬的鉑含量低的合金，其中鉑含量包括58.5重量％或75重量％，對應於24K標度中的14K或18K，從而使(熟悉與金合金有關的K標度的)顧客更容易理解合金中所含鉑的重量百分比。
發明內容
本發明提供一種改進的鉑含量低的合金組合物，其含有55至63重量％的鉑、2至10重量％的鈷及27至43重量％的銅。此外，本發明還提供一種合金，其含有70至79.5重量％的鉑、2至10重量％的鈷及10.5至28重量％的銅。
根據本發明的合金特別適合於製造飾品，如戒指、項鍊、耳環、錶帶、表體及其他珠寶。
令人驚奇地發現，雖然本發明合金的鉑含量相對較低，其仍具有優異的機械性能和光學性能，因而極適合於製造飾品，例如任何種類的珠寶。與鉑含量高的合金(如Pt850、Pt900、Pt950)相比，由於本發明合金的密度更低，可以明顯更低的成本製造更薄更輕的結構和鑄件。
與例如第6,048,492號美國專利所述的已知的鉑含量低的合金相比，本發明的鉑合金具有更低的熔化範圍。由於熔化溫度相對更低，它們比以前已知的鉑合金更容易澆鑄，並且能效更高。更低溫的合金還允許更低的澆鑄溫度，以降低由於在提高的溫度下更容易產生的收縮孔隙率、熔模鑄造裂紋、雜質以及汙染物導致的缺陷率。
由於改進的硬度、可加工性、可鑄性、可變形性、磨損及磨蝕特性以及耐腐蝕性，根據本發明的合金特別適合於製造珠寶。本發明的鉑合金組合物與95％鉑的外觀無差異，但明顯更輕、密度更小，因而製造成本低。事實上，本發明的鉑合金組合物具有與PtCu950合金基本相同的顏色和外觀。
本發明還涉及製備本發明合金的方法，該方法是通過以特定的量配製及混合合金成分，並使它們在一起熔化而實施的。
可使該合金形成期望的形狀。有許多操作，包括澆鑄或製作。一些製作的實例可通過將該合金軋製成薄片、拉伸成線、塑模、澆鑄、鍛造、衝壓或形成用作珠寶部件的物品或形狀。
因此，本發明還涉及製造飾品的方法，該方法包括配製一種上述的鉑合金，然後將該合金用作珠寶的部件。
此外，本發明還涉及這些合金在製造諸如珠寶的飾品中的用途。本發明還涉及包含這些合金的飾品。
因此，本發明的目的是提供一種改進的鉑含量低的鉑合金組合物。
本發明的另一個目的是提供一種改進的鉑合金組合物，其適用於大規模商業市場的珠寶。
本發明的另一個目的是提供一種改進的鉑合金組合物，與傳統鉑合金組合物相比，其明顯更輕且密度更小。
本發明的另一個目的是提供比已知的鉑合金更容易澆鑄的鉑合金。
本發明的另一個目的是提供一種改進的鉑含量低的合金，其不含除鉑以外的任何明顯含量的貴重材料。
本發明的另一個目的是提供一種改進的鉑含量低的合金，其不含任何明顯含量的除鉑以外的貴金屬，其中鉑的重量百分比等於14，以及24K標度中的18K。本發明的其他目的和優點在某種程度上是明顯的，並且在某種程度上由以下描述而變得清楚。
具體實施例方式
本發明的鉑合金組合物包括55至63重量％或70至79.5重量％的鉑。本發明合金組合物的鉑含量明顯低於珠寶業中常用的Pt850、Pt900及Pt950鉑合金。
根據本發明的一個具體實施方案，該鉑合金包含55至63重量％的鉑；2至10重量％的鈷；及27至43重量％的銅。
基於總的合金組合物，該合金的鉑含量優選為57.5至59.9重量％，特別優選為58.5至59.0重量％。若該合金的鉑含量小於55重量％，則該合金的可加工性和可衝壓性顯著下降，而且該合金喪失類似於鉑的顏色。若該合金的鉑含量大於63重量％，則該合金的製造成本顯著增加，然而同時該合金的機械性能和化學性能並未顯著提高。
基於總的合金組合物，本發明合金的鈷含量優選為2.0至8.0重量％，特別優選為3.5至5.5重量％。若該合金的鈷含量小於2重量％，則該合金的機械性能和可加工性顯著下降，而且該合金喪失類似於鉑的顏色。若該合金的鈷含量大於10重量％，則該合金變得硬度過高。
本發明合金中的其餘成分優選為銅。
本發明的鉑合金還可包含0.001至2重量％的至少一種選自以下組中的第一金屬鈀、銥及釕。還可添加這些元素的組合，使總量不超過合金組合物的2重量％。添加鈀用於改變合金的顏色。可添加銥和/或釕作為金屬硬化劑，以提高該合金的硬度，因為銥可在寬的濃度範圍內逐步提高硬度而不會使合金的性能變差，所以銥是優選的硬化劑。
本發明的鉑合金還可包含0.001至2重量％的至少一種選自以下組中的第二金屬銦和鎵。還可添加這些元素的組合，使總量不超過合金組合物的2重量％。可添加銦和鎵以提高該合金的沉澱硬化。
該合金可有利地包含一些性能改進劑中的任一種，這些性能改進劑包括脫氧劑、晶粒細化劑(grain reducing agent)、減粘劑或變色劑。這些其他添加劑的數量及用量可根據該合金期望的機械性能而加以改變，並且可由本領域技術人員通過常規實驗加以確定。
根據本發明的另一個具體實施方案，除雜質以外，鉑合金主要由57.5至59.9重量％的鉑，3.5至4.5重量％的鈷，及35.6至39重量％的銅組成，
其中，0.001至2重量％的銅可被至少一種第一金屬取代，並且0.001至2重量％的銅可被至少一種第二金屬取代。
本發明的合金具有優異的機械性能和物理性能，如抗拉強度、維氏硬度及斷裂伸長率。本發明鉑合金的抗拉強度在450至800N/mm2的範圍內。本發明鉑合金的維氏硬度是在軟化態下測得的，且在130至210HV10的範圍內。本發明鉑合金的斷裂伸長率至少為約20％。
本發明的另一個優點在於，鉑合金的色調基本上對應於非常美觀的PtCu950合金的鉑白色調。
根據本發明的另一個具體實施方案，鉑合金包含70至79.5重量％的鉑，2至10重量％的鈷，及10.5至28重量％的銅。
該鉑合金優選含有72至78重量％，特別優選74至76重量％的鉑。若該合金的鉑含量小於70重量％，則該合金的可加工性降低。若該合金的鉑含量大於79.5重量％，則該合金的製造成本顯著增加，然而同時該合金的機械性能和化學性能並未顯著提高。
本發明的鉑含量為70至79.5重量％的合金還可包含上述鉑含量為55至63重量％的本發明合金的成分。此外，物理及化學性能，如抗拉強度、維氏硬度、斷裂伸長率及顏色與上述鉑含量為55至63重量％的本發明合金相同。
根據本發明的另一個具體實施方案，該合金主要由55至63重量％或70至79.5重量％的鉑及一種或更多種非貴金屬組成。
此處所用的術語「非貴金屬」是指任何不屬於貴金屬族(金、銀、汞、錸、釕、銠、鈀、鋨、銥和鉑)的金屬。可包含於本發明合金中的非貴金屬例如是銅、鐵、鈷、鎳、銦和/或鎵。
此處所用的術語「主要由……組成」是指除雜質及性能改進添加劑，如硬化劑(如銥和/或釕)、脫氧劑、晶粒細化劑、減粘劑或變色劑(如鈀)以外的所有合金成分，其中性能改進添加劑的總量小於5重量％，優選小於3重量％，更優選小於2重量％，特別優選小於1重量％，最優選小於0.5重量％。
根據一個優選的具體實施方案，本發明合金主要由55至63重量％的鉑、2至10重量％的鈷及27至43重量％的銅組成。根據另一個優選的具體實施方案，本發明合金主要由70至79.5重量％的鉑、2至10重量％的鈷及10.5至28重量％的銅組成。
本發明合金可通過本領域中公知的傳統合金化方法製得。該合金的製造方法主要包括以特定的量熔化鉑、鈷、銅及其他成分的步驟。該方法還可包括通過冷加工或熱處理使該合金硬化的步驟。
該方法可包括在使該合金硬化之前對該合金實施退火然後淬火的步驟。
該合金通常在保護氣體中由熔體進行澆鑄，然後成型。成型之後，可能在保護氣體中，可對其實施熱處理，以提高其機械性能。
為製備本發明的鉑合金組合物，實施高溫熔化法。這可通過使用本領域中公知的感應熔化裝置加以實現。在任何時刻都必須非常小心，以限制金屬汙染物，因為鉑容易被許多通常存在於環境中的元素汙染。這些擔心可通過在真空或惰性氣氛中熔化金屬，通過避免與其他金屬接觸，以及通過避免與基於二氧化矽的產品混合而得以解決。
鉑合金優選通過在適合於鉑合金的坩堝中感應加熱而被熔化並混合。熔化之後，可將該合金倒入水中以形成丸狀顆粒(grain-shot)，然後乾燥、稱重並用於澆鑄。
對於本發明合金的製備，本發明組合物的成分優選在感應爐中的二氧化矽坩堝(體積小，熔化快)或氧化鋯坩堝(體積大，熔化慢)內熔化。優選在熔化過程中採用真空或惰性的氣體，並且同時將該合金組合物的所有成分置於該坩堝中。在該合金的熔化過程中，熔融的金屬優選應被「轉動(turned)」(利用中至低頻感應場)以實現金屬的適當混合。
熔化步驟之後，可對所得合金塊金元素實施冷軋和/或退火，以提高混合的機械質量。然後，混合的金屬組合物可任選如前所述地再熔化，並製成丸狀顆粒或板材。
本發明鉑合金的製備還可包括退火步驟。可以本領域中公知的方式在爐中或用噴燈實施退火。退火溫度取決於合金的鉑含量及熔化點，本領域技術人員可通過常規實驗容易地確定。優選在由保護氣體控制氣氛的爐中實施退火。
保護氣體可為任何非氧化性的惰性氣體，如氬、氮或其混合物；抗氧性氣體，如氫、一氧化碳或「合成氣體」或「裂化氨」(氮及百分之幾的氫)。還可通過使用可商購的熱處理外套加以包裹以防止物件被氧化。
該合金可廣泛地用於各種不同的珠寶部件，如戒指、扣子、彈性部件、甚至寶石的壓縮彈性設置等。
此外，若希望，該合金可反覆實施退火及熱處理/時效硬化。
此處所用的術語「時效硬化」基本上是術語「沉澱硬化」的同義詞，這是由於在固溶體中形成了新組分(相)的細小顆粒。這些顆粒的存在使該合金中產生應力，並提高了其屈服強度及硬度。參見B.A.Rogers，「The Nature of Metals」，p.320(Iowa State University Press，1964)；H.W.Polock，「Materials Science and Metallurgy」，p.266(Reston Pub.Inc.1981)及「The Metals Handbook」，pp.1-2(Am.Soc』y Metals，1986)。
該合金在其退火/軟化態可通過標準珠寶製造技術進行加工軋制、拉伸、焊接、成型、彎曲、衝壓等。該合金可應用於彈簧、戒指中的寶石鑲樣、垂飾、手鐲、鏈、貴金屬藝術品等的各種不同的設計。
應注意考慮珠寶或藝術品的結構設計、部件的最小橫截面積及形狀。可使合金的設計適應於幾乎所有的構造。這些設計的基本形式可以改變，從簡單的薄片至環狀及更複雜的螺旋狀、V形等。物件可為線、薄片、所有類型的彈簧、垂飾、鏈狀物、飾針等等。可採用標準的珠寶焊接技術，並可實施修理所需的加熱。該合金可加以成型、彎曲、造形、退火，若製成塊體，則彈力及硬度可通過熱處理而重新獲得。
飾品可通過澆鑄製得。該合金的硬度還可通過熱處理而進一步提高。熱處理可在300至950℃，優選600至950℃，通常在約800℃下實施。該合金可通過標準的退火過程加以軟化，通常在約850至950℃下。
該合金可以線材、薄片或其他製造件的形式加以使用，並且由於其硬度高並且展延性高而可以給出複雜的形狀或外形。
根據本發明的合金例如可用於製造結婚戒指。該結婚戒指通常是通過從管材鋸下毛坯，然後進一步通過合適的措施，如研磨、拉伸、鍛造及拋光，加工該毛坯而製成的。
可由根據本發明的合金製成的其他珠寶物品例如包括戒指、項鍊、手鐲、耳環、垂飾、領帶夾、錶帶、表體、腕錶、齒節(tooth picks)及其他飾品，如原子筆、開信刀、小折刀柄等。
以下實施例用於闡述本發明的某些方面，該實施例應理解為不對本實施例將如下表中所示組成的合金稱重，並在真空下於真空感應爐中的氧化鋯坩堝內在1480至1500℃的溫度下熔化，以獲得均勻的熔體。將該合金澆鑄至水冷的銅模具中，以形成尺寸為20×1430毫米的塊體。在通過冷軋過程壓縮75％之後，在氮氣氛下以950℃對該合金實施退火。
下表中列出了如此形成的合金試樣的物理性能。熔化範圍是通過利用裝配有Linseis發熱元件及溫度-時間繪圖儀L250的Degussa電阻爐HR1/Pt/PtRH10測定該合金的冷卻曲線而加以確定的。維氏硬度是根據EN ISO 14577利用Wolpert V-Testor 4521型裝置測定的。抗拉強度、斷裂伸長率及屈服強度是根據EN 10002利用Zwick Z010型裝置測定的。通過視覺直觀地測定顏色。
對比實施例將可商購的Pt/Cu950/50合金稱重，並在真空下於真空感應爐中的氧化鋯坩堝內熔化，以獲得均勻的熔體。將該合金澆鑄至水冷的銅模具中，以形成尺寸為40×1140毫米的塊體。在通過冷軋過程壓縮至20毫米之後，於氮氣氛下以950℃對該合金實施退火50分鐘。進一步的變形步驟為8毫米、2.5毫米、1.0毫米。這些步驟之間，於950℃對該材料實施退火。
如上所述地測定如此形成的合金試樣的物理性能，並列於下表中。
表
實驗結果表明，與傳統Pt/Cu 950/50合金相比，根據本發明的合金具有優越的澆鑄性能、磨損及磨蝕特性。此外，實驗結果還表明，與傳統Pt/Cu 950/50合金相比，根據本發明的合金具有可比較的成型性能及色調。發現根據本發明的合金是用於製造諸如戒指、手鐲或項鍊的珠寶物品的優異的材料。本發明合金的加工特性使得這些珠寶物品可利用例如擠壓、焊接等已知的傳統製造技術製得。
描述了本發明的原理及用於實施該原理的預期最優的具體實施方案。應理解為前述內容僅用於說明，並且可在不背離如下述權利要求書中定義的本發明真實範圍的情況下而採用其他的手段和技術。
權利要求
1.一種鉑合金，其包含55至63重量％的鉑，2至10重量％的鈷，及27至43重量％的銅。
2.一種鉑合金，其包含70至79.5重量％的鉑，2至10重量％的鈷，及10.5至28重量％的銅。
3.根據權利要求1所述的鉑合金，其中所述合金包含57.5至59.9重量％的鉑。
4.根據權利要求1所述的鉑合金，其中所述合金包含58.5至59.0重量％的鉑。
5.根據權利要求2所述的鉑合金，其中所述合金包含72至78重量％的鉑。
6.根據權利要求2所述的鉑合金，其中所述合金包含74至76重量％的鉑。
7.根據權利要求1至6之一所述的鉑合金，其中所述合金包含2.0至8.0重量％的鈷。
8.根據權利要求1至7之一所述的鉑合金，其中所述合金包含3.5至5.5重量％的鈷。
9.根據權利要求1至8之一所述的鉑合金，其中所述合金還包含0.001至2重量％的至少一種選自以下組中的第一金屬鈀、銥及釕。
10.根據權利要求1至9之一所述的鉑合金，其中所述合金還包含0.001至2重量％的至少一種選自以下組中的第二金屬銦和鎵。
11.根據權利要求1、3、4及7至10之一所述的鉑合金，其主要由57.5至59.9重量％的鉑，3.5至4.5重量％的鈷，及35.6至39重量％的銅組成，其中，0.001至2重量％的銅可被至少一種所述第一金屬取代，且0.001至2重量％的銅可被至少一種所述第二金屬取代。
12.根據權利要求1至11之一所述的鉑合金，其中所述合金的抗拉強度在450至800N/mm2的範圍內。
13.根據權利要求1至12之一所述的鉑合金，其中所述合金在軟化態下測得的維氏硬度是在130至210HV10的範圍內。
14.根據權利要求1至13之一所述的鉑合金，其中所述合金的斷裂伸長率至少為20％。
15.根據權利要求1至14之一所述的鉑合金，其中所述合金的色調基本上對應於PtCu950合金的鉑白色調。
16.根據權利要求1至15之一所述的合金的製造方法，其包括(a)混合該合金的成分；及(b)熔化該合金。
17.一種用於裝飾目的的鉑色材料，其包含根據權利要求1至15之一所述的鉑合金。
18.一種飾品，其包含根據權利要求1至15之一所述的鉑合金。
19.根據權利要求18所述的飾品，其中所述飾品是戒指、項鍊、耳環、錶帶、表體或其他珠寶。
20.根據權利要求18或19所述的飾品的製造方法，其包括由根據權利要求1至15之一所述的合金形成所述飾品。
21.根據權利要求20所述的方法，其中將所述合金澆鑄成所述飾品的形狀。
22.根據權利要求1至15之一所述的鉑合金的用途，其是用於製造飾品，如戒指、項鍊、耳環、錶帶、表體或其他珠寶。
23.一種鉑合金，其主要由55至63重量％或70至79.5重量％的鉑及一種或更多種非貴元素組成。
24.一種鉑合金，其主要由約58.5重量％的鉑及一種或更多種非貴元素組成。
25.一種鉑合金，其主要由約75.0重量％的鉑及一種或更多種非貴元素組成。
26.一種珠寶製品，其含有主要由55至63重量％或70至79.5重量％的鉑及至少一種非貴元素組成的鉑合金。
全文摘要
本發明公開了一種鉑合金，其包含(a)55至63重量％的鉑，(b)2至10重量％的鈷，及(c)27至43重量％的銅。本發明還公開了一種鉑合金，其包含(a)70至79.5重量％的鉑，(b)2至10重量％的鈷，及(c)10.5至28重量％的銅。該鉑合金具有用於製造諸如戒指、項鍊、耳環、手錶帶、手錶體或其他珠寶的飾品的優異機械性能及光學特性。本發明還公開了一種製造該鉑合金的方法及其在製造飾品中的用途。本發明還公開了包含該鉑合金的飾品及其製造方法。
文檔編號C22C5/04GK1961088SQ200480041383
公開日2007年5月9日 申請日期2004年2月4日 優先權日2004年2月4日
發明者彼得·特夫斯 申請人:卡拉特鉑金有限公司