王洪凱 ,王春新 ,孫宏志 ,韓 慶 ,李斌川

(1.遼寧新都黃金有限責(zé)任公司,遼寧 朝陽 122000;2.東北大學(xué) 冶金學(xué)院,遼寧 沈陽 110819;3.沈陽市有色金屬資源循環(huán)利用重點實驗室,遼寧 沈陽 110819)

0 引言

銀(Ag)具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性、較低的接觸電阻、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、較高的塑性變形能力、良好的耐電弧侵蝕和抗熔焊性等優(yōu)勢,廣泛用于電觸點材料的制備[1-3],AgCuNi 常用作導(dǎo)電環(huán)、開關(guān)定觸片和釬料[3]。隨著電力電子設(shè)備微型化、高性能、長壽命發(fā)展,現(xiàn)有電接觸材料的品質(zhì)也需要不斷改善,以滿足需求。周章橋采用新型自動化連續(xù)鈍化技術(shù)對銀合金鍵合絲進行處理,獲得了一種高致密、包覆均勻的防硫化銀合金鍵合絲,結(jié)果表明,防硫化薄膜(3nm)的形成可提供良好的防硫化性能[4]。吳春鶯等研究了釔元素的摻雜對銀合金硫化腐蝕及其對力學(xué)性能的影響,研究發(fā)現(xiàn),釔元素的添加使銀合金在硫化溶液中形成兩層腐蝕層:(i)外層為Cu2O,(ii)內(nèi)層為Cu2S;同時,相較于未腐蝕的銀合金,室溫拉伸性能的抗拉強度提高至275 MPa,延伸率未出現(xiàn)明顯的變化[5]。沈丁杰等研究了熱處理工藝對Ag-Cu-Zn(-Sn)系925 合金力學(xué)性能與顯微組織的影響,研究提出,含適量Zn、或Zn 和Sn 的925 銀合金經(jīng)熱處理之后,硬度顯著提升,且顯微組織中出現(xiàn)大量退火孿晶[6]。

彌散分布的稀土顆?？梢愿纳沏y合金的硬度、電導(dǎo)率、耐電蝕性和使用壽命[7-9]?，F(xiàn)有文獻研究表明,Zn 元素的加入可降低銀合金的熔點,也可用作脫氧劑及改善熔體的流動性[10-11];此外,還可有效改善合金的抗硫化性能。B 元素的加入可減少銀熔體的表面張力,使熔體混合更為均勻[10];同時,B元素作為高熔點非金屬相,可以形成異質(zhì)形核核心,起到細化晶粒的作用?；诂F(xiàn)有研究結(jié)果,本文通過向Ag-4Cu-0.5Ni 合金中添加Sc、Zn、B 元素,制備了(S1) Ag-4Cu-0.5Ni;(S2) Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc;(S3)Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc-1Zn;(S4)Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc-1Zn-0.03B 四種合金?？疾炝怂姆N合金的力學(xué)與電學(xué)性能,并結(jié)合X 射線衍射(XRD)和光學(xué)顯微鏡(OM)檢測分析其作用機理。

1 實驗材料與實驗方法

1.1 實驗材料及合金成分

實驗用原材料Ag 和Cu 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于99.99%(遼寧新都黃金有限責(zé)任公司生產(chǎn))。Ni、Sc、B 三種元素的添加方式均以含銅中間合金的形式加入,其中Ni、B 中間合金的成分分別為CuNi50和CuB4,采購于錦州市金屬材料研究所,Sc 中間合金為東北大學(xué)自制的CuSc8.5。實驗所用Zn 粒為化學(xué)純鋅粒,采購于天津市申泰化學(xué)試劑有限公司。實驗合金設(shè)計成分為Ag-4Cu-0.5Ni、Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc、Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc-1Zn 和 Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc-1Zn-0.03B,分別將其命名為S1、S2、S3 和S4。其化學(xué)成分如表1 所示。

表1 實驗用材料化學(xué)成分表(wt%)

1.2 合金制備過程

按設(shè)計成分進行配料,在30 kW 真空中頻感應(yīng)爐(錦州遠騰電爐廠)內(nèi)進行熔煉,熔煉前將感應(yīng)爐抽真空至真空度10-2Pa 以下,再通入氬氣,往復(fù)2次,在甘醇氬氣氣氛下進行熔煉,熔煉溫度為1 200 ℃;合金熔化后,繼續(xù)熔煉0.5 h,澆鑄得到厚度為9 mm 的合金鑄錠。合金鑄錠表面各銑去1 mm的表面氧化層,720 ℃均勻化退火4 h。經(jīng)熱軋,依次軋至3 mm(每次形變量不超過20%),隨之進行600 ℃中間退火0.5 h,終冷軋至1 mm。700 ℃固溶0.5 h,250 ℃時效處理4 h,采用沖片器得到直徑10 mm樣品若干。

1.3 性能測試及顯微表征

本實驗采用顯微維氏硬度計(HV-1000BZ)進行硬度測試,試樣應(yīng)經(jīng)600#、1 000#和2 000#砂紙上下打磨平整,對待測面進行拋光,然后用維氏硬度計測試。把待測樣品放在樣品托盤上,調(diào)整鏡頭到合適的視野,每個樣品選取不同的7 個合適位置(位置不要過于集中)進行打點。施加10 kgf 載荷持續(xù)10 s 后卸載力,記錄下測試后的硬度值,每個試樣測試7 次。數(shù)據(jù)處理時,為了提高實驗準(zhǔn)確度去掉最小值和最大值,取剩余5 個數(shù)據(jù)的平均值,作為測試后的硬度值。采用渦流電導(dǎo)率儀(SIGMASCOPE SMP350)測試合金的電導(dǎo)率;合金的物相組成利用XRD 表征。XRD 測試時需要將樣品待測面用砂紙磨平,并將樣品打磨到2 000#。為了防止樣品沾染雜質(zhì),造成測試誤差,測試前用酒精棉將試樣的待測面擦拭后吹干。由于待測樣是金屬樣品,利用特制的橡皮泥把試樣固定在金屬樣品支架上,使待測樣品表面與試樣支架的表面保持平行,使用橡皮泥固定樣品時,應(yīng)注意橡皮泥不能超過待測表面,否則測試圖譜上會增加橡皮泥的衍射峰,給實驗結(jié)果帶來誤差。實驗參數(shù)為:采用Cu 靶材Kα 射線,掃描范圍為20°～100°、電壓為45 kV、步長0.08°、掃描速度2°/min。選用奧特光學(xué)MDS400 倒置金相顯微鏡對樣品進行組織形貌觀察。將待測樣品用砂紙打磨,依照180#、600#、1 000#、1 500#、2 000#和3 000#的次序進行。當(dāng)樣品表面磨平整均勻,用顆粒度為1.5 的金剛石研磨膏在尼布上拋光,待拋至表面沒有劃痕用酒精噴洗并使用吹風(fēng)機將其吹干。將吹干后的樣品浸在NH3·H2O 和H2O2溶液中腐蝕約1 min,把腐蝕后的樣品用酒精噴洗干凈,待吹風(fēng)機吹干后放在顯微鏡下觀察,觀察面為軋材長度的側(cè)面。

2 結(jié)果與討論

2.1 合金的顯微結(jié)構(gòu)

Ag-4Cu-0.5Ni、Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc、Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc-1Zn 和Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc-1Zn-0.03B合金金相顯微照片如圖1 所示。Ag-4Cu-0.5Ni 合金由粗大的組織構(gòu)成,加入少量的Sc、Zn 和B 元素后,晶粒得到明顯的細化。原因在于Sc 元素的加入可以在熔體凝固過程中優(yōu)先生成Ag4Sc 高溫相,起到異質(zhì)形核的作用,進而促使晶粒細化。Zn 元素的加入使Ag-4Cu-0.5Ni 熔體的流動性增加,易于獲得晶粒細小且致密的組織。B 元素的加入在合金中產(chǎn)生高溫異質(zhì)質(zhì)點,有益于細化晶粒。

圖1 合金金相顯微照片

2.2 合金的XRD 物相組成分析

由圖2 合金的XRD 譜圖可以發(fā)現(xiàn),無論Ag-4Cu-0.5Ni 還是加入Sc、Zn、B 元素后所制備的合金,均未發(fā)現(xiàn)第二相析出,其圖譜均與Ag 標(biāo)準(zhǔn)圖譜(PDF COD 96-901-1609)幾乎一致,但相較于Ag 圖譜,其衍射峰較寬。這是合金元素固溶到銀基體,形成固溶體的原因,而Sc、Zn、B 元素的加入量較少,因此未檢出相關(guān)的衍射峰。從圖2 中還可看出,加入Sc、Zn、B 元素后,合金的衍射峰出現(xiàn)了明顯的右移,此時晶格常數(shù)有所降低。

圖2 合金XRD 譜圖

為定量確定晶粒細化的效果,在此計算了試樣合金的晶格參數(shù)。由于Ag 為立方晶系,故可采用公式(1)計算其晶格參數(shù)。

式中 d—晶面間距,?

h、k、l—晶面指數(shù);

A—晶格常數(shù),?。

其計算結(jié)果如表2 所示。

表2 S1-S4 樣品的晶格常數(shù)計算表

由表1 可得,Ag-4Cu-0.5Ni 合金的平均晶格常數(shù)為4.064 26;加入Sc、Zn、B 元素后,晶格常數(shù)為4.062 49?、4.057 36?、4.056 67?,晶格常數(shù)依次呈現(xiàn)降低的趨勢;進一步表明,Sc、Zn、B 元素的加入有利于晶粒細化。

2.3 合金的電學(xué)與力學(xué)性能

從圖3 S1-S4 的電導(dǎo)率和硬度關(guān)系圖中可以看出,雖然加入合金化元素,使Ag-4Cu-0.5Ni 的硬度得到提高,但是Sc、Zn、B 等元素的加入均可導(dǎo)致合金的電導(dǎo)率有所下降。原因在于,加入合金化元素使電子波在傳輸過程中的散射增強,進而導(dǎo)致電導(dǎo)率的降低[12]。需要注意的是,Zn 元素對合金的電導(dǎo)率下降幅度較大,而B 元素的加入只小幅降低合金的電導(dǎo)率,但具有相對較高的硬度。綜上所述,Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc-1Zn-0.03B 具有較好的綜合性能,電導(dǎo)率為71.33%IACS、硬度為96.27 HV。

圖3 S1-S4 的電導(dǎo)率和硬度關(guān)系圖

3 結(jié)論

本文利用高真空感應(yīng)爐制備了Ag-4Cu-0.5Ni電接觸合金,并研究了Sc、Zn、B 元素的加入對所制備合金力學(xué)性能和電學(xué)性能的影響,主要結(jié)論如下:

(1)Ag-4Cu-0.5Ni 中添加Sc、Zn、B 等元素可以細化合金的晶粒,且晶格常數(shù)降低;

(2)Ag-4Cu-0.5Ni 中添加Sc、Zn、B 元素,細晶強化和第二相強化共同作用使合金的硬度增加;

(3)由于電子波在傳輸過程中散射增強,Ag-4Cu-0.5Ni 中添加Sc、Zn、B 元素可導(dǎo)致合金電導(dǎo)率降低。

(4)Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc-1Zn-0.03B 具有良好的綜合性能,電導(dǎo)率為71.33%IACS、硬度為96.27 HV。