陈 昊,邢 健

(西北有色金属研究院(集团)西安诺博尔稀贵金属材料有限公司,西安 710065)

【化学化工与资源环境研究】

稀土元素对银镁镍合金的改性研究

陈 昊,邢 健

(西北有色金属研究院(集团)西安诺博尔稀贵金属材料有限公司,西安 710065)

为得到高稳定性的电接触材料,向Ag-Mg-Ni合金中添加稀土元素Ce、Y,研究稀土元素对内氧化型银镁镍合金组织、力学性能及电阻率的影响.实验表明,加入Ce、Y后的内氧化银镁镍合金的力学性能明显提高,电阻率略有升高.相对于Y元素,Ce元素的添加使合金强化程度更高,更有利于合金力学性能的提高.

稀土元素;Ag-Mg-Ni;内氧化;组织;性能

银合金以其良好的导电、导热性能成为常用的电接触材料.为了提高电接触材料的稳定性和使用寿命,需要提高银合金的强度和硬度以及抗电弧腐蚀性能.向银中加入含微量Mg元素和Ni元素的Ag-Mg-Ni合金,由于在空气或氧气中加热时Mg与O结合,形成热稳定性高的氧化镁粒子,分布于基体中,可以起到弥散强化的作用,合金力学性能得到显著提高.通过微量镍的加入使晶粒得以细化,增强材料塑性.内氧化后的Ag-Mg-Ni合金力学性能明显改善,且保持良好的导电、导热及电接触性能,其蠕变速度仅是纯银的1/10[1].银镁镍合金把电接点和弹簧片的性能组合为一体,主要用于继电器、开关等弹性电接触元件.

稀土元素是良好的改性剂,在合金中多以固溶溶质、氧化物和金属间化合物形态存在[2].向电接触材料中加入稀土元素后稀土元素在保持基体材料优良导电性和导热性的同时能明显强化基体、细化晶粒,使材料稳定性得到提高[3-4].稀土元素还能够提高材料的抗电蚀能力[5-6],并能起到灭弧作用[7].

本文通过向Ag-Mg-Ni合金中添加微量稀土元素Y和Ce,目的是改善性能,进一步提升Ag-Mg-Ni合金的可靠性.同时,并对Ag-Mg-Ni-Re合金的力学性能和电性能进行了检测.

1 试样制备

1.1 合金配制

采用的原材料为Ag、Mg、Ni、Y、Ce,其纯度均高于99.99%.

根据合金成分设计,选择相应的原材料,分别配制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.

配制合金时在名义成分的基础上适当增加Mg、Ce和Y元素的比例,以抵消3种元素在熔炼过程中的烧损.

1.2 合金熔炼及加工

表1 Ag-Mg-Ni+合金铸锭的成分

采用真空中频感应炉进行熔炼,将事先按比例配重好的镁和稀土用银箔包好放于加料斗中,银放入坩埚中.抽真空,加热,将纯银熔化后,将包有镁和稀土的银箔包加入到熔融的纯银中,经过电磁搅拌精炼后,浇铸于方形钢模中.采用相同的熔炼工艺分别得到成分满足要求的3种铸锭,铸锭的化学成分见表1.

铸锭切去头部缩孔及疏松,刨去表面氧化皮后,分成两部分,一部分进行切条经孔型轧制及固定模冷拉拔得到直径为Φ0.2mm的丝材,作为电阻率检测试样;另一部分料采用板材轧机进行冷轧,轧至δ0.4mm,进行力学性能试验.

1.3 合金的内氧化

在内氧化前用酒精在超声波清洗机中清洗加工好的Ag-0.24Mg-0.29Ni、Ag-0.24Mg-0.29Ni-0.02Y 和Ag-0.24Mg-0.29Ni-0.02Ce片材试样,采用非真空箱式电阻炉,空气气氛下同时进行650℃加热,保温2 h,得到内氧化的试样.

2 性能试验及检测结果

2.1 性能试验

对内氧化处理后的试样进行金相分析、电阻率及力学性能实验.采用奥林巴斯BX51M型金相显微镜对试样进行金相分析,采用稀硫酸+铬酐作为腐蚀剂.在钢研纳克检测技术有限公司生产的GNT300型微机控制电子万能试验机上进行室温拉伸实验.硬度测量使用北京同德创业科技有限公司生产的HV1000型显微维氏硬度仪进行测试,载荷为100 g.在日本日置3541型电阻计上进行电阻率实验测试.

2.2 检测结果

银镁镍合金及添加稀土后合金的各项性能见表2.从检测数据可以看出,添加微量的稀土元素后,材料强度、硬度得到提高,塑性稍有下降,电阻率略微降低.添加Ce元素的Ag-0.24Mg-0.29Ni-0.02Ce合金,强度更高,塑性下降程度低.与Y元素相比,Ce元素的添加对合金力学性能的提高作用更明显.

表2 Ag-Mg-Ni+合金内氧化后的性能检测结果

3 合金的组织

图1为3种合金的金相组织,由于Y和Ce元素含量少,同时内氧化温度较低,形成的稀土内氧化粒子非常细小,因此添加稀土元素后合金金相组织没有明显变化.

图1 内氧化Ag-0.24Mg-0.29Ni+合金组织

虽然未看到氧化稀土粒子,但据相关研究[8],稀土在银中发生氧化反应形成氧化稀土粒子是完全可行的.因此,本文未进行试样的XRD分析.

4 稀土元素对银镁镍合金力学性能影响机制分析

稀土元素对银镁镍合金起到强化作用.稀土在银中的固溶度较小,少量的稀土原子固溶在银基体中,形成置换固溶体[9].由于稀土原子半径远大于Ag的原子半径(超过25%),有限固溶的稀土原子导致晶格畸变,从而使合金的强度升高.另外,银与稀土之间的电负性相差较大(银、铈电负性相差0.81,银、钇电负性相差0.71),添加稀土后的合金中,稀土与银形成热力学稳定的金属间化合物及少量的稀土氧化物,这些质点存在于晶界,并呈弥散分布,能够抑制各种缺陷运动而推迟再结晶.

表2的性能检测数据表明,Ag-Mg-Ni-Re合金进行内氧化处理后稀土元素能够起到强化作用.内氧化过程中会同时形成氧化镁和稀土氧化物粒子,氧化物粒子在基体中的分布是细小弥散的,且会表现出独特的热稳定性.氧化粒子不但阻碍位错运动,位错在通过氧化粒子时会产生位错环,进而形成位错塞积,使合金得到强化.Ag-Mg-Ni-Re合金在内氧化过程中同时形成了稀土氧化物和氧化镁颗粒,二者协同作用,强化效果大于氧化镁的单独强化效果.另外在内氧化过程中随温度升高,稀土元素在银基体中固溶度增大,随着内氧化结束,合金温度降低,稀土元素沉淀析出,均匀弥散分布,钉扎层错和晶界起到强化的作用.

在晶界生成的氧化稀土颗粒是合金塑性降低的主要原因.由于晶界处能量高,高温内氧化过程中,氧元素的扩散在晶界发生得最为剧烈,从而导致氧化稀土主要分布在晶界,降低了合金的延伸率.

由于氧化铈和氧化钇物理特性不同导致了Ce元素和Y元素强化效果不同.O在AgMgNiCe中的扩散所需的能垒更小,更利于O的扩散.同时由于氧化铈密度比氧化钇大,内氧化过程中形成的氧化铈颗粒更细小,具有更好的强化效果.

为了改善银镁镍合金性能,进一步提升合金的可靠性,本文向银镁镍合金中添加微量稀土元素,并在对新合金进行内氧化处理后对Ag-Mg-Ni-Re合金的力学性能和电性能进行了检测.实验数据和力学性能分析表明,稀土元素在内氧化过程中形成稀土氧化物粒子,添加稀土后的Ag-0.24Mg-0.29Ni-Re合金强度有一定的提高,塑性略有降低,电阻率变化不明显.通过检测数据对比发现,添加Ce元素的银镁镍合金综合性能更好.

[1]杨应魁,张明江,万岱,等.银—镁—镍合金在50A大功率接触器中的试用[J].电工材料,2007,(2)：3-6.

[2]宁远涛.贵金属—稀土合金的结构、性能和新材料研究[J].贵金属,1994,(2)：61-71.

[3]王继周,徐永昌,石路.稀土贵金属电接触材料的进展[J].有色矿冶,1995,(5)：35-39.

[4]堵永国,张为军,鲍小恒,等.AgMeO触点材料成分与组织的优化设计理论[J].电工材料,2006,(4)：8-15.

[5]曹曙光,谢明,陈力,等.稀土元素在银氧化锡触头材料中作用的研究[J].贵金属,2005,(1)：17-20.

[6]林德仲.电接点材料Ag-Sn-Ce合金研究[J].贵金属,1989,(4)：26-33.

[7]张为军,堵永国,胡军遂.AgReO触头材料耐电弧侵蚀行为研究[J].电工合金,2000,(3)：11-14.

[8]吴春萍,陈敬超,鲜春桥,等.银稀土合金的氧化研究[J].贵金属,2005,(3)：34-38.

[9]高彩茹,李晋霞,邰振中,等.稀土银合金铸态及再结晶组织的观察与分析[J].铸造,2001,(5)：266-269.

【责任编辑 曹 静】

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

陈昊(1979—),男,辽宁抚顺人,西北有色金属研究院(集团)西安诺博尔稀贵金属材料有限公司工程师,工学硕士,主要从事贵金属材料相关研究.