CN107164682A - 一种高强抗氧化合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种高强抗氧化合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种高强抗氧化合金材料及其制备方法，其由芯部和镀铜层组成，其中，芯部由以下重量百分比含量的组分组成：锡42％～45％、铜13％～16％、铝0.5％～1.2％、镁1.2％～1.8％、钪0.2％～0.5％、不可避免杂质含量≤2wt％，其余为铁。从而提高熔体合金材料的强度和抗氧化性，有效避免合金熔体因强度不高而变形，以及因氧化而影响熔体电阻的问题。

Description

一种高强抗氧化合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及熔体合金领域，具体地说，是一种适用于熔断器的高强抗氧化熔体合金材料及其制备方法。
背景技术
随着社会经济的不断发展，电子设备得到广泛应用，熔断器的需求也随之增加。熔断器是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开；运用这种原理制成的一种电流保护器。熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一。
熔断器一般由绝缘底座或支持件、触头、熔体等组成，熔体是熔断器的主要工作部分，熔体相当于串联在电路中的一段特殊的导线，当电路发生短路或过载时，电流过大，熔体因过热而熔化，从而切断电路。熔体材料具有相对熔点低、特性稳定、易于熔断的特点。其中，熔体材料大多采用铅锡合金、镀银铜片、锌、银等金属。
由于熔断器是一次性用品，而白银是天然的货币，用纯银作为熔体材料，成本较高，同时，铅对人体和环境有较大的危害。申请号为200380100152.9的发明专利公开了Sn-Bi-In合金熔体，该熔体强度较低，容易发生变形，熔体的变形会导致熔体电阻发生变化，从而影响熔体的使用性能。另一方面，熔体要长期暴露在空气中，为了防止合金熔体因氧化而影响熔体的电阻，亟需对合金熔体的抗氧化性能进行提升。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高强抗氧化合金材料及其制备方法，以解决现有技术的不足，提高熔体合金材料的强度和抗氧化性，从而有效避免合金熔体因强度不高而变形，以及因氧化而影响熔体电阻的问题。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种高强抗氧化合金材料由芯部和镀铜层组成，其中，所述芯部由以下重量百分比含量的组分组成：锡42％～45％、铜13％～16％、铝0.5％～1.2％、镁1.2％～1.8％、钪0.2％～0.5％、不可避免杂质含量≤2wt％，其余为铁。
根据本发明的一实施例，镀铜层的厚度为0.10～0.15mm。
一种高强抗氧化合金材料的制备方法，其包括步骤：
(A)芯部成型，将相应质量百分比的铁、铜、铝、镁混合均匀，形成混合料；将锡加热到520～550℃，加入钪搅拌均匀后再加入混合料，再次搅拌均匀后加入到成型模具中，温度降到150℃以下，得以把合金材料从模具中取出，完成成型，得到芯部毛坯；
(B)芯部致密，将芯部毛坯放入加压模具中，连加压模具一起加热到210～220℃，然后对加压模具内的芯部毛坯进行加压，压强为5MPa～8MPa，保压10～15min，冷却到室温，取出芯部毛坯；
(C)去应力，将步骤(B)中得到的芯部毛坯，加热到90℃～110℃，保温60～80min，然后冷却到室温；以及
(D)铜层电镀，对步骤(C)中得到的芯部毛坯的表面进行电镀铜，镀铜层的厚度为0.10～0.15mm。
根据本发明的一实施例，所述步骤(A)的芯部成型和所述步骤(B)的芯部致密在氢气环境下完成，氢气压强不大于6000Pa。
根据本发明的一实施例，所述步骤(A)中的铁、铜、铝、镁、钪为粉体，粒度不大于350目。
本发明同现有技术相比，主要具有以下优点和有益效果：
(1)在芯部材料中，锡为低熔点金属，熔点约231℃，容易熔化和熔断，铜的导电性能良好，加入铜使得合金熔体在未熔断时有良好的导电性能，此外，铜的加入还可以提高合金熔体的强度；铁的加入，使得合金熔体在受到较大电流时，熔体内部局部温度较高，这时铁可以和锡形成合金，铜可以和铝形成合金，镁可以和锡形成合金，电阻变大，从而加速合金熔体的熔断，另外，铁的加入，还可以降低合金熔体的成本；
(2)在制备步骤(A)中，将Sn加热到520～550℃，远远高于Sn的熔点，得以提高Sn的活性，从而提高Sn与Cu、Fe的结合，由于Sn在550℃以上会与Fe形成金属化合物，因此加热温度应不大于550℃；所述步骤(A)和步骤(B)需在氢气环境下完成，氢气压强不大于6000Pa，是由于Sn、Fe在温度较高时，会生成氧化物，生成的氧化物会影响合金熔体的性能；加入的Sc能够和氧及杂质反应，净化基体，另外少量的氢气可以与Fe、Cu等表面附着的氧进行反应，除去表面上的氧；
(3)在制备步骤(B)中，将芯部毛坯放入加压模具中，加热到一定温度再加压，得以提高合金熔体的致密度，达到进一步提高强度的目的；
(4)在制备步骤(C)中，去应力得以去除合金熔体内部的应力，从而延长合金熔体的使用寿命；
(5)由于在Sn的表面很难直接镀铜，在芯部中加入的Cu、Fe，都和电镀铜有良好的亲和性，可以改善合金熔体的电镀性能，加入Cu、Fe后得以直接在合金熔体的芯部上进行电镀；其中，镀铜层得以有效防止合金熔体氧化，避免长期暴露在空气中而氧化，从而影响熔体电阻；镀铜层不能太厚，太厚会导致合金熔体很难断；也不能太薄，镀层太薄，在运输或使用的时候，铜层容易磨光；此外，由于铜的强度大于锡的强度，镀铜层也得以增加合金熔体的强度。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
实施例1
一种高强抗氧化合金材料由芯部和镀铜层组成，其中，所述芯部由以下重量百分比含量的组分组成：锡42％、铜15％、铝1.0％、镁1.2％、钪0.2％、不可避免杂质含量2wt％，其余为铁。
所述高强抗氧化合金材料的制备方法包括步骤：
(A)芯部成型，按照配比把Fe、Cu、Al、Mg混合均匀，形成混合料；把Sn加热到520℃，加入Sc搅拌均匀后再加入混合料，再次搅拌均匀后加入到成型模具中，温度降到150℃以下时，可以把合金材料从模具中取出，完成成型，得到芯部毛坯，本步骤在氢气环境下完成，氢气压强不大于6000Pa；本步骤加入的Fe、Cu为粉体，粒度不大于350目；
(B)芯部致密，把芯部毛坯放入加压模具中，连加压模具一起加热到210℃，然后对加压模具内的芯部毛坯进行加压，压强为5MPa，保压10，然后冷却到室温，取出芯部毛坯，本步骤在氢气环境下完成，氢气压强不大于6000Pa；
(C)去应力，把(B)中得到的芯部毛坯，加热到90℃，保温60min，然后冷却到室温；
(D)铜层电镀，把步骤(C)中得到的芯部毛坯，在表面进行电镀铜，镀铜层厚度为0.10mm。
实施例2
一种高强抗氧化合金材料由芯部和镀铜层组成，其中，所述芯部由以下重量百分比含量的组分组成：锡43％、铜14％、铝0.8％、镁1.6％、钪0.5％、不可避免杂质含量1.8wt％，其余为铁。
所述高强抗氧化合金材料的制备方法包括步骤：
(A)芯部成型，按照配比把Fe、Cu、Al、Mg混合均匀，形成混合料；把Sn加热到530℃，加入Sc搅拌均匀后再加入混合料，再次搅拌均匀后加入到成型模具中，温度降到150℃以下时，可以把合金材料从模具中取出，完成成型，得到芯部毛坯，本步骤在氢气环境下完成，氢气压强不大于6000Pa；本步骤加入的Fe、Cu为粉体，粒度不大于350目；
(B)芯部致密，把芯部毛坯放入加压模具中，连加压模具一起加热到215℃，然后对加压模具内的芯部毛坯进行加压，压强为6MPa，保压12min，然后冷却到室温，取出芯部毛坯，本步骤在氢气环境下完成，氢气压强不大于6000Pa；
(C)去应力，把(B)中得到的芯部毛坯，加热到95℃，保温65min，然后冷却到室温；
(D)铜层电镀，把步骤(C)中得到的芯部毛坯，在表面进行电镀铜，镀铜层厚度为0.12mm。
实施例3
一种高强抗氧化合金材料由芯部和镀铜层组成，其中，所述芯部由以下重量百分比含量的组分组成：锡44％、铜13％、铝0.5％、镁1.8％、钪0.4％、不可避免杂质含量1.6wt％，其余为铁。
所述高强抗氧化合金材料的制备方法包括步骤：
(A)芯部成型，按照配比把Fe、Cu、Al、Mg混合均匀，形成混合料；把Sn加热到540℃，加入Sc搅拌均匀后再加入混合料，再次搅拌均匀后加入到成型模具中，温度降到150℃以下时，可以把合金材料从模具中取出，完成成型，得到芯部毛坯，本步骤在氢气环境下完成，氢气压强不大于6000Pa；本步骤加入的Fe、Cu为粉体，粒度不大于350目；
(B)芯部致密，把芯部毛坯放入加压模具中，连加压模具一起加热到220℃，然后对加压模具内的芯部毛坯进行加压，压强为7MPa，保压14min，然后冷却到室温，取出芯部毛坯，本步骤在氢气环境下完成，氢气压强不大于6000Pa；
(C)去应力，把(B)中得到的芯部毛坯，加热到100℃，保温70min，然后冷却到室温；
(D)铜层电镀，把步骤(C)中得到的芯部毛坯，在表面进行电镀铜，镀铜层厚度为0.14mm。
实施例4
一种高强抗氧化合金材料由芯部和镀铜层组成，其中，所述芯部由以下重量百分比含量的组分组成：锡45％、铜16％、铝1.2％、镁1.7％、钪0.3％、不可避免杂质含量1.9wt％，其余为铁。
所述高强抗氧化合金材料的制备方法包括步骤：
(A)芯部成型，按照配比把Fe、Cu、Al、Mg混合均匀，形成混合料；把Sn加热到550℃，加入Sc搅拌均匀后再加入混合料，再次搅拌均匀后加入到成型模具中，温度降到150℃以下时，可以把合金材料从模具中取出，完成成型，得到芯部毛坯，本步骤在氢气环境下完成，氢气压强不大于6000Pa；本步骤加入的Fe、Cu为粉体，粒度不大于350目；
(B)芯部致密，把芯部毛坯放入加压模具中，连加压模具一起加热到220℃，然后对加压模具内的芯部毛坯进行加压，压强为8MPa，保压15min，然后冷却到室温，取出芯部毛坯，本步骤在氢气环境下完成，氢气压强不大于6000Pa；
(C)去应力，把(B)中得到的芯部毛坯，加热到110℃，保温80min，然后冷却到室温；
(D)铜层电镀，把步骤(C)中得到的芯部毛坯，在表面进行电镀铜，镀铜层厚度为0.15mm。
对各实施例制备的合金熔体进行性能测试。其中抗拉强度测试方法采用GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》；试验设备采用WDW-300A电子万能试验机；合金熔体的芯部材料的实际密度采用浮力法，仪器采用金属材料密度计AU-200ME。
实施例1至实施例4制备的所述高强抗氧化合金材料的芯部性能测试如表1所示。
表1实施例1-4的合金材料的芯部性能参数
实施例 抗拉强度MPa 致密度
例1 75 98.0％
例2 80 98.8％
例3 85 98.4％
例4 78 98.5％
由表1可知，通过实施例1至4制备的所述高强抗氧化合金材料，芯部材料抗拉强度可达75～85MPa，致密度为≥98％，合金熔体的整体强度会因合金熔体的大小而不同，但因为铜的强度一般大于220MPa，所以合金熔体的整体强度大于芯部材料强度，因此本发明使用芯部材料强度进行表述，本发明所述的致密度，其计算方法为，先根据芯部材料的各种成分比例、密度，计算出理论密度，然后使用芯部材料的实际密度除以理论密度。其中，使用申请号为200380100152.9专利文献制作的Sn-Bi-In合金熔体，抗拉强度为20～30MPa。
从而所述高强抗氧化合金材料不含有银等贵重金属，成本较低，同时不含有铅等污染元素，绿色环保。
实施例5至实施例8
实施例5-8中的所述高强抗氧化合金材料的制备方法同实施例3，不同之处在于所述芯部的组分含量。实施例5至实施例8中的芯部材料的各组分含量见表2，实施例5至8制备的所述高强抗氧化合金材料的芯部性能测试如表3所示。
表2实施例5-8的芯部材料的各组分含量
表3实施例5-8的合金材料的芯部性能参数
实施例 抗拉强度MPa 致密度
例5 38 85
例6 30 82
例7 28 84
例8 15 78
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种高强抗氧化合金材料，其特征在于，由芯部和镀铜层组成，其中，所述芯部由以下重量百分比含量的组分组成：锡42％～45％、铜13％～16％、铝0.5％～1.2％、镁1.2％～1.8％、钪0.2％～0.5％、不可避免杂质含量≤2wt％，其余为铁。
2.根据权利要求1所述的高强抗氧化合金材料，其特征在于，镀铜层的厚度为0.10～0.15mm。
3.一种如权利要求2所述的高强抗氧化合金材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(A)芯部成型，将相应质量百分比的铁、铜、铝、镁混合均匀，形成混合料；将锡加热到520～550℃，加入钪搅拌均匀后再加入混合料，再次搅拌均匀后加入到成型模具中，温度降到150℃以下，得以把合金材料从模具中取出，完成成型，得到芯部毛坯；
(B)芯部致密，将芯部毛坯放入加压模具中，连加压模具一起加热到210～220℃，然后对加压模具内的芯部毛坯进行加压，压强为5MPa～8MPa，保压10～15min，冷却到室温，取出芯部毛坯；
(C)去应力，将步骤(B)中得到的芯部毛坯，加热到90℃～110℃，保温60～80min，然后冷却到室温；以及
(D)铜层电镀，对步骤(C)中得到的芯部毛坯的表面进行电镀铜，镀铜层的厚度为0.10～0.15mm。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(A)的芯部成型和所述步骤(B)的芯部致密在氢气环境下完成，氢气压强不大于6000Pa。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(A)中的铁、铜、铝、镁、钪为粉体，粒度不大于350目。
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