稀土元素對銀鎂鎳合金的改性研究

陳 昊,邢 健

(西北有色金屬研究院(集團(tuán))西安諾博爾稀貴金屬材料有限公司,西安 710065)

【化學(xué)化工與資源環(huán)境研究】

稀土元素對銀鎂鎳合金的改性研究

陳 昊,邢 健

(西北有色金屬研究院(集團(tuán))西安諾博爾稀貴金屬材料有限公司,西安 710065)

為得到高穩(wěn)定性的電接觸材料,向Ag-Mg-Ni合金中添加稀土元素Ce、Y,研究稀土元素對內(nèi)氧化型銀鎂鎳合金組織、力學(xué)性能及電阻率的影響.實(shí)驗(yàn)表明,加入Ce、Y后的內(nèi)氧化銀鎂鎳合金的力學(xué)性能明顯提高,電阻率略有升高.相對于Y元素,Ce元素的添加使合金強(qiáng)化程度更高,更有利于合金力學(xué)性能的提高.

稀土元素;Ag-Mg-Ni;內(nèi)氧化;組織;性能

銀合金以其良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能成為常用的電接觸材料.為了提高電接觸材料的穩(wěn)定性和使用壽命,需要提高銀合金的強(qiáng)度和硬度以及抗電弧腐蝕性能.向銀中加入含微量Mg元素和Ni元素的Ag-Mg-Ni合金,由于在空氣或氧氣中加熱時Mg與O結(jié)合,形成熱穩(wěn)定性高的氧化鎂粒子,分布于基體中,可以起到彌散強(qiáng)化的作用,合金力學(xué)性能得到顯著提高.通過微量鎳的加入使晶粒得以細(xì)化,增強(qiáng)材料塑性.內(nèi)氧化后的Ag-Mg-Ni合金力學(xué)性能明顯改善,且保持良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及電接觸性能,其蠕變速度僅是純銀的1/10[1].銀鎂鎳合金把電接點(diǎn)和彈簧片的性能組合為一體,主要用于繼電器、開關(guān)等彈性電接觸元件.

稀土元素是良好的改性劑,在合金中多以固溶溶質(zhì)、氧化物和金屬間化合物形態(tài)存在[2].向電接觸材料中加入稀土元素后稀土元素在保持基體材料優(yōu)良導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的同時能明顯強(qiáng)化基體、細(xì)化晶粒,使材料穩(wěn)定性得到提高[3-4].稀土元素還能夠提高材料的抗電蝕能力[5-6],并能起到滅弧作用[7].

本文通過向Ag-Mg-Ni合金中添加微量稀土元素Y和Ce,目的是改善性能,進(jìn)一步提升Ag-Mg-Ni合金的可靠性.同時,并對Ag-Mg-Ni-Re合金的力學(xué)性能和電性能進(jìn)行了檢測.

1 試樣制備

1.1 合金配制

采用的原材料為Ag、Mg、Ni、Y、Ce,其純度均高于99.99%.

根據(jù)合金成分設(shè)計(jì),選擇相應(yīng)的原材料,分別配制Ag-0.24Mg-0.29Ni合金及Ag-0.24Mg-0.29Ni-0.02Y合金、Ag-0.24Mg-0.29Ni-0.02Ce合金.

配制合金時在名義成分的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加Mg、Ce和Y元素的比例,以抵消3種元素在熔煉過程中的燒損.

1.2 合金熔煉及加工

表1 Ag-Mg-Ni+合金鑄錠的成分

采用真空中頻感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉,將事先按比例配重好的鎂和稀土用銀箔包好放于加料斗中,銀放入坩堝中.抽真空,加熱,將純銀熔化后,將包有鎂和稀土的銀箔包加入到熔融的純銀中,經(jīng)過電磁攪拌精煉后,澆鑄于方形鋼模中.采用相同的熔煉工藝分別得到成分滿足要求的3種鑄錠,鑄錠的化學(xué)成分見表1.

鑄錠切去頭部縮孔及疏松,刨去表面氧化皮后,分成兩部分,一部分進(jìn)行切條經(jīng)孔型軋制及固定模冷拉拔得到直徑為Φ0.2mm的絲材,作為電阻率檢測試樣;另一部分料采用板材軋機(jī)進(jìn)行冷軋,軋至δ0.4mm,進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn).

1.3 合金的內(nèi)氧化

在內(nèi)氧化前用酒精在超聲波清洗機(jī)中清洗加工好的Ag-0.24Mg-0.29Ni、Ag-0.24Mg-0.29Ni-0.02Y 和Ag-0.24Mg-0.29Ni-0.02Ce片材試樣,采用非真空箱式電阻爐,空氣氣氛下同時進(jìn)行650℃加熱,保溫2 h,得到內(nèi)氧化的試樣.

2 性能試驗(yàn)及檢測結(jié)果

2.1 性能試驗(yàn)

對內(nèi)氧化處理后的試樣進(jìn)行金相分析、電阻率及力學(xué)性能實(shí)驗(yàn).采用奧林巴斯BX51M型金相顯微鏡對試樣進(jìn)行金相分析,采用稀硫酸+鉻酐作為腐蝕劑.在鋼研納克檢測技術(shù)有限公司生產(chǎn)的GNT300型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn).硬度測量使用北京同德創(chuàng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的HV1000型顯微維氏硬度儀進(jìn)行測試,載荷為100 g.在日本日置3541型電阻計(jì)上進(jìn)行電阻率實(shí)驗(yàn)測試.

2.2 檢測結(jié)果

銀鎂鎳合金及添加稀土后合金的各項(xiàng)性能見表2.從檢測數(shù)據(jù)可以看出,添加微量的稀土元素后,材料強(qiáng)度、硬度得到提高,塑性稍有下降,電阻率略微降低.添加Ce元素的Ag-0.24Mg-0.29Ni-0.02Ce合金,強(qiáng)度更高,塑性下降程度低.與Y元素相比,Ce元素的添加對合金力學(xué)性能的提高作用更明顯.

表2 Ag-Mg-Ni+合金內(nèi)氧化后的性能檢測結(jié)果

3 合金的組織

圖1為3種合金的金相組織,由于Y和Ce元素含量少,同時內(nèi)氧化溫度較低,形成的稀土內(nèi)氧化粒子非常細(xì)小,因此添加稀土元素后合金金相組織沒有明顯變化.

圖1 內(nèi)氧化Ag-0.24Mg-0.29Ni+合金組織

雖然未看到氧化稀土粒子,但據(jù)相關(guān)研究[8],稀土在銀中發(fā)生氧化反應(yīng)形成氧化稀土粒子是完全可行的.因此,本文未進(jìn)行試樣的XRD分析.

4 稀土元素對銀鎂鎳合金力學(xué)性能影響機(jī)制分析

稀土元素對銀鎂鎳合金起到強(qiáng)化作用.稀土在銀中的固溶度較小,少量的稀土原子固溶在銀基體中,形成置換固溶體[9].由于稀土原子半徑遠(yuǎn)大于Ag的原子半徑(超過25%),有限固溶的稀土原子導(dǎo)致晶格畸變,從而使合金的強(qiáng)度升高.另外,銀與稀土之間的電負(fù)性相差較大(銀、鈰電負(fù)性相差0.81,銀、釔電負(fù)性相差0.71),添加稀土后的合金中,稀土與銀形成熱力學(xué)穩(wěn)定的金屬間化合物及少量的稀土氧化物,這些質(zhì)點(diǎn)存在于晶界,并呈彌散分布,能夠抑制各種缺陷運(yùn)動而推遲再結(jié)晶.

表2的性能檢測數(shù)據(jù)表明,Ag-Mg-Ni-Re合金進(jìn)行內(nèi)氧化處理后稀土元素能夠起到強(qiáng)化作用.內(nèi)氧化過程中會同時形成氧化鎂和稀土氧化物粒子,氧化物粒子在基體中的分布是細(xì)小彌散的,且會表現(xiàn)出獨(dú)特的熱穩(wěn)定性.氧化粒子不但阻礙位錯運(yùn)動,位錯在通過氧化粒子時會產(chǎn)生位錯環(huán),進(jìn)而形成位錯塞積,使合金得到強(qiáng)化.Ag-Mg-Ni-Re合金在內(nèi)氧化過程中同時形成了稀土氧化物和氧化鎂顆粒,二者協(xié)同作用,強(qiáng)化效果大于氧化鎂的單獨(dú)強(qiáng)化效果.另外在內(nèi)氧化過程中隨溫度升高,稀土元素在銀基體中固溶度增大,隨著內(nèi)氧化結(jié)束,合金溫度降低,稀土元素沉淀析出,均勻彌散分布,釘扎層錯和晶界起到強(qiáng)化的作用.

在晶界生成的氧化稀土顆粒是合金塑性降低的主要原因.由于晶界處能量高,高溫內(nèi)氧化過程中,氧元素的擴(kuò)散在晶界發(fā)生得最為劇烈,從而導(dǎo)致氧化稀土主要分布在晶界,降低了合金的延伸率.

由于氧化鈰和氧化釔物理特性不同導(dǎo)致了Ce元素和Y元素強(qiáng)化效果不同.O在AgMgNiCe中的擴(kuò)散所需的能壘更小,更利于O的擴(kuò)散.同時由于氧化鈰密度比氧化釔大,內(nèi)氧化過程中形成的氧化鈰顆粒更細(xì)小,具有更好的強(qiáng)化效果.

為了改善銀鎂鎳合金性能,進(jìn)一步提升合金的可靠性,本文向銀鎂鎳合金中添加微量稀土元素,并在對新合金進(jìn)行內(nèi)氧化處理后對Ag-Mg-Ni-Re合金的力學(xué)性能和電性能進(jìn)行了檢測.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和力學(xué)性能分析表明,稀土元素在內(nèi)氧化過程中形成稀土氧化物粒子,添加稀土后的Ag-0.24Mg-0.29Ni-Re合金強(qiáng)度有一定的提高,塑性略有降低,電阻率變化不明顯.通過檢測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),添加Ce元素的銀鎂鎳合金綜合性能更好.

[1]楊應(yīng)魁,張明江,萬岱,等.銀—鎂—鎳合金在50A大功率接觸器中的試用[J].電工材料,2007,(2)：3-6.

[2]寧遠(yuǎn)濤.貴金屬—稀土合金的結(jié)構(gòu)、性能和新材料研究[J].貴金屬,1994,(2)：61-71.

[3]王繼周,徐永昌,石路.稀土貴金屬電接觸材料的進(jìn)展[J].有色礦冶,1995,(5)：35-39.

[4]堵永國,張為軍,鮑小恒,等.AgMeO觸點(diǎn)材料成分與組織的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論[J].電工材料,2006,(4)：8-15.

[5]曹曙光,謝明,陳力,等.稀土元素在銀氧化錫觸頭材料中作用的研究[J].貴金屬,2005,(1)：17-20.

[6]林德仲.電接點(diǎn)材料Ag-Sn-Ce合金研究[J].貴金屬,1989,(4)：26-33.

[7]張為軍,堵永國,胡軍遂.AgReO觸頭材料耐電弧侵蝕行為研究[J].電工合金,2000,(3)：11-14.

[8]吳春萍,陳敬超,鮮春橋,等.銀稀土合金的氧化研究[J].貴金屬,2005,(3)：34-38.

[9]高彩茹,李晉霞,邰振中,等.稀土銀合金鑄態(tài)及再結(jié)晶組織的觀察與分析[J].鑄造,2001,(5)：266-269.

【責(zé)任編輯 曹 靜】

The Effect of Rare Earth Elements on the Property Alternant of Ag-Mg-Ni Alloy

CHEN Hao,XING Jian
(LTD.,Xi'an Noble Metal Materials CO.,Xi'an 710065,China)

In this paper,the microstructure,mechanical property and resistivity of Ag-Mg-Ni alloy via adding rare earth elements Y and Ce were investigated.The experiment results show that the addition of rare earth elements Y and Ce can improve the mechanical property and resistivity of the Ag-Mg-Ni alloy,and decrease the elongation.Compared with the rare earth element Y,the Ce element can improve the mechanical property of Ag-Mg-Ni alloy more evidently.

rare earth elements;Ag-Mg-Ni alloy;internal oxidation;microstructure;property

TG146

A

1009-5128(2014)15-0023-03

2014-05-16

陳昊(1979—),男,遼寧撫順人,西北有色金屬研究院(集團(tuán))西安諾博爾稀貴金屬材料有限公司工程師,工學(xué)碩士,主要從事貴金屬材料相關(guān)研究.