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)西安諾博爾稀貴金屬材料有限公司,西安 710065)

【化學化工與資源環境研究】

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)西安諾博爾稀貴金屬材料有限公司,西安 710065)

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

稀土元素;Ag-Mg-Ni;內氧化;組織;性能

銀合金以其良好的導電、導熱性能成為常用的電接觸材料.為了提高電接觸材料的穩定性和使用壽命,需要提高銀合金的強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結合,形成熱穩定性高的氧化鎂粒子,分布于基體中,可以起到彌散強化的作用,合金力學性能得到顯著提高.通過微量鎳的加入使晶粒得以細化,增強材料塑性.內氧化后的Ag-Mg-Ni合金力學性能明顯改善,且保持良好的導電、導熱及電接觸性能,其蠕變速度僅是純銀的1/10[1].銀鎂鎳合金把電接點和彈簧片的性能組合為一體,主要用于繼電器、開關等彈性電接觸元件.

稀土元素是良好的改性劑,在合金中多以固溶溶質、氧化物和金屬間化合物形態存在[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良導電性和導熱性的同時能明顯強化基體、細化晶粒,使材料穩定性得到提高[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合金的力學性能和電性能進行了檢測.

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%.

根據合金成分設計,選擇相應的原材料,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上適當增加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

采用真空中頻感應爐進行熔煉,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,一部分進行切條經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進行冷軋,軋至δ0.4mm,進行力學性能試驗.

1.3 合金的內氧化

在內氧化前用酒精在超聲波清洗機中清洗加工好的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,空氣氣氛下同時進行650℃加熱,保溫2 h,得到內氧化的試樣.

2 性能試驗及檢測結果

2.1 性能試驗

對內氧化處理后的試樣進行金相分析、電阻率及力學性能實驗.采用奧林巴斯BX51M型金相顯微鏡對試樣進行金相分析,采用稀硫酸+鉻酐作為腐蝕劑.在鋼研納克檢測技術有限公司生產的GNT300型微機控制電子萬能試驗機上進行室溫拉伸實驗.硬度測量使用北京同德創業科技有限公司生產的HV1000型顯微維氏硬度儀進行測試,載荷為100 g.在日本日置3541型電阻計上進行電阻率實驗測試.

2.2 檢測結果

銀鎂鎳合金及添加稀土后合金的各項性能見表2.從檢測數據可以看出,添加微量的稀土元素后,材料強度、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性能的提高作用更明顯.

表2 Ag-Mg-Ni+合金內氧化后的性能檢測結果

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,同時內氧化溫度較低,形成的稀土內氧化粒子非常細小,因此添加稀土元素后合金金相組織沒有明顯變化.

圖1 內氧化Ag-0.24Mg-0.29Ni+合金組織

雖然未看到氧化稀土粒子,但據相關研究[8],稀土在銀中發生氧化反應形成氧化稀土粒子是完全可行的.因此,本文未進行試樣的XRD分析.

4 稀土元素對銀鎂鎳合金力學性能影響機制分析

稀土元素對銀鎂鎳合金起到強化作用.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大于Ag的原子半徑(超過25%),有限固溶的稀土原子導致晶格畸變,從而使合金的強度升高.另外,銀與稀土之間的電負性相差較大(銀、鈰電負性相差0.81,銀、釔電負性相差0.71),添加稀土后的合金中,稀土與銀形成熱力學穩定的金屬間化合物及少量的稀土氧化物,這些質點存在于晶界,并呈彌散分布,能夠抑制各種缺陷運動而推遲再結晶.

表2的性能檢測數據表明,Ag-Mg-Ni-Re合金進行內氧化處理后稀土元素能夠起到強化作用.內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小彌散的,且會表現出獨特的熱穩定性.氧化粒子不但阻礙位錯運動,位錯在通過氧化粒子時會產生位錯環,進而形成位錯塞積,使合金得到強化.Ag-Mg-Ni-Re合金在內氧化過程中同時形成了稀土氧化物和氧化鎂顆粒,二者協同作用,強化效果大于氧化鎂的單獨強化效果.另外在內氧化過程中隨溫度升高,稀土元素在銀基體中固溶度增大,隨著內氧化結束,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,高溫內氧化過程中,氧元素的擴散在晶界發生得最為劇烈,從而導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致了Ce元素和Y元素強化效果不同.O在AgMgNiCe中的擴散所需的能壘更小,更利于O的擴散.同時由于氧化鈰密度比氧化釔大,內氧化過程中形成的氧化鈰顆粒更細小,具有更好的強化效果.

為了改善銀鎂鎳合金性能,進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,并在對新合金進行內氧化處理后對Ag-Mg-Ni-Re合金的力學性能和電性能進行了檢測.實驗數據和力學性能分析表明,稀土元素在內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.通過檢測數據對比發現,添加Ce元素的銀鎂鎳合金綜合性能更好.

[1]楊應魁,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]寧遠濤.貴金屬—稀土合金的結構、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展[J].有色礦冶,1995,(5)：35-39.

[4]堵永國,張為軍,鮑小恒,等.AgMeO觸點材料成分與組織的優化設計理論[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.稀土銀合金鑄態及再結晶組織的觀察與分析[J].鑄造,2001,(5)：266-269.

【責任編輯 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)西安諾博爾稀貴金屬材料有限公司工程師,工學碩士,主要從事貴金屬材料相關研究.