CN107653390A - 电接触材料用高导热Au‑Li‑Se金锂合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电接触材料用高导热Au‑Li‑Se金锂合金。按重量百分比计，合金化学成分为：Li:0.2‑0.4wt.%,Se:0.2‑0.5wt.%,Bi:1.0‑2.5wt.%,Nb:0.2‑0.5wt.%,Mg:1.5‑3.5wt.%,Fe:0.2‑0.8wt.%,Be:0.1‑0.2wt.%,Al:0.2‑0.6wt.%,Si:0.2‑0.6wt.%，B:0.2‑0.5wt.%，余量为金。相对于传统电接触金合金，该材料具有优异力学性能，高导电性和高导热性能。

Description

电接触材料用高导热Au-Li-Se金锂合金

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种金锂合金。

背景技术

电接触材料是电流传输与转换过程中重要材料之一。电接触材料是制备电力、电器电路中通、断控制及负载电流电器(如开关、继电器、起动器及仪器仪表等)的关键材料。在电气、电子领域，电接触材料主要用作电触点、导电刷、集电环、换向片、整流片和接插件等，是电通断环节中重要的功能性元件。采用电接触元件的电机、电气开关、继电器、接插件等作为基础件在信息工程、家用电子电器、汽车工程等领域大量使用。这些电接触元件的性能直接影响所应用产品及整个系统的可靠性、稳定性、精度及使用寿命。

电子仪器仪表向高精度和微型化发展，就对电接触元件的性能提出了更高的要求：具有优良的导电性、小而稳定的接触电阻、高的化学稳定性、耐磨性和抗电弧烧损能力。贵金属电接触材料常能兼颐上述优点，特别是在轻负荷和小接触压力下更能显示其优越性。目前广泛应用的贵金属电接触材料主要是银、金、铂、钯合金，以及这些合金的复合材料和贵金属镀层材料。银合金大量用于中等负荷或重负荷电器，小负荷电接触元件使用较多的是铂合金、钯合金、金合金。金基电接触材料金具有极好的化学稳定性，接触电阻低而稳定，导电性和导热性均好。

国外己经开发的新型电接触材料用金合金的电导率还不能令人满意，没能超过72%IACS，不能满足现代工业和元器件对金基电接触材料导电率和其它性能的要求。开发具备特殊性能金合金有两种方法，一种是加入合金元素通过固溶强化来强化基体，另一种是通过加入第二相强化相形成金基复合材料。锂作为合金化元素加入金合金中可以大大提高金合金的弹性性能，导电性能和其它性能。开发新型金基电接触合金已成为必然。

金锂合金在熔炼过程中锂很容易同周围气氛中的氧和氮发生氧化还原反应，而且生成的氧化物和氮化物非常疏松，不能阻止合金液体与外界介质的进一步反应，造成金锂合金中活泼元素的持续氧化、烧损，极大地限制了该类合金的工业应用。金锂合金熔化工艺的关键就是阻燃，这是由锂熔化时的化学活性决定的。金锂合金熔炼过程中一般采用氩气保护来进行熔炼，但是工序多，费用昂贵和生产效率低。金锂合金的熔炼也可以采用熔剂覆盖来保护，例如低熔点的氯盐。但是锂和大部分合金元素都是活泼性非常强的元素，不可避免地与熔剂中氯盐发生反应而导致损失，这就势必要加大合金元素的加入量，使得金合金的生产成本提高。而且，熔剂盐由于其密度大，随时间的延长会不断沉降，因此覆盖作用不能持久，而且部分熔剂作为熔渣残留在金锂合金熔体中形成夹杂物，降低了金锂合金的力学性能。此外，气体保护的防燃方法常用的气体为SF6，但SF6是一种很强的产生温室效应的气体，在人类对环境质量重新审视和全球正为减少温室效应而不懈努力的今天，SF6保护熔炼技术受到了巨大的挑战。

解决金锂合金在大气中熔炼时产生燃烧的另一个途径是向金锂合金中添加合金元素，通过合金化的方法达到阻燃目的。合金化阻燃法其机理是在金锂合金熔炼过程中添加特定的合金元素来影响合金氧化的热力学与动力学过程，形成具有保护作用的致密氧化膜和氮化膜，达到阻止合金剧烈氧化和氮化的目的。并且金锂合金在后续加工过程中的氧化燃烧的倾向大大降低，从而提高金合金的加工安全性。但是，作为一种结构材料，只具有熔炼时的抗燃烧性能是远远不能满足要求的，更重要的是最终的金锂合金产品还要同时拥有令人满意的力学强度，至少要能达到常用金锂合金的力学性能水平。因而如何在金锂合金中平衡各种合金元素的含量，制备出在大气环境下阻燃，且具备优异的导电性能，力学性能和高导热性能，是当前金锂合金的一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以在1100-1200度大气条件下进行熔炼的电接触材料用高导热Au-Li-Se金锂合金及其加工工艺。且在此温度区间熔炼的合金最终产品具有金基电接触材料所需要具备的高导电性，高强度和优异的导热性能。该方法还具有生产成本低，便于大规模生产的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有在1100-1200度之间熔炼电接触材料用高导热Au-Li-Se金锂合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li: 0.2-0.4wt.%,Se:0.2-0.5wt.%,Bi:1.0-2.5wt.%,Nb:0.2-0.5wt.%,Mg:1.5-3.5wt.%,Fe:0.2-0.8wt.%,Be:0.1-0.2wt.%,Al:0.2-0.6wt.%,Si: 0.2-0.6wt.%，B: 0.2-0.5wt.%，余量为金。该金锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在2.0-5.0wt.%左右。

上述金锂合金的制备方法，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到1100-1200度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在1100-1200度保温10分钟浇到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为10-15m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为10-20%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：250度，2.6个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理780度，3.2小时；真空时效处理190度，2.4小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1） 本发明专利针对目前高温下金锂合金在熔炼时需要进行保护熔炼的现状提供了一种新颖的大气保护解决方案。通过优选合金中的主要和次要添加元素，从而有效地防止在熔炼状态下金锂合金发生燃烧和过量蒸发现象进。通过优选的合金化办法，不仅可以大大降低合金元素使用量的缺点，还可以获得非常好的阻燃效果和提高锂收得率，最终产品中锂的含量占初始锂加入量的80-90wt.%左右。

（2） 本专利提出的Au-Li-Se金锂合金在静态下具有极其优异的阻燃性能，可以达到在1100-1200温度范围内在大气环境下静置5个小时而没有明显的燃烧。在动态过程中，例如对液态合金进行搅拌、吹气等熔体处理过程中，当其表面膜因剧烈搅拌被破坏后，仍能快速再生，成功阻碍合金的燃烧。所得合金表面氧化膜和氮化膜都有非常好的塑性和粘度，能够完整地铺展和覆盖住合金表面，有效阻挡大气侵入合金液内。且该金锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于5.0wt.%左右。

（3） 该Au-Li-Se金锂合金在加入锂后，从而使晶粒得到细化。此外，该合金具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。冶炼加工方法简单，生产成本比较低，降低了对设备要求。使得合金使用寿命有了进一步提高，便于工业化大规模应用。

（4） 该材料具有高于传统金基合金的力学性能：抗拉强度为650-790MPa；传统材料抗拉强度为500-600MPa。且导电率(%IACS)可以维持在76-80(传统材料小于72)。该材料具有优异的热导率（290-340W/m﹒K），而一般金合金的热导率维持在200-250 W/m﹒K左右。此外，该材料可以在半小时内抵抗强电弧放电而不发生明显的材料失效。该材料比传统金基合金的密度降低2-3%左右。

具体实施方式

实施例1

一种具有1120度熔炼电接触材料用高导热Au-Li-Se金锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 0.3wt.%,Se:0.4wt.%,Bi:1.8wt.%,Nb:0.3wt.%,Mg:2.4wt.%,Fe:0.6wt.%,Be:0.1wt.%,Al:0.4wt.%,Si:0.3wt.%，B:0.3wt.%，余量为金。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到1120度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在1120度保温10分钟浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为12m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为15%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：250度，2.6个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理780度，3.2小时；真空时效处理190度，2.4小时。该材料具有高于传统金基合金的力学性能：抗拉强度为684MPa；传统材料抗拉强度为500-600MPa。且导电率(%IACS)可以维持在79(传统材料小于72)。该材料具有优异的热导率（325W/m﹒K），而一般金合金的热导率维持在200-250W/m﹒K左右。此外，该材料可以在半小时内抵抗强电弧放电而不发生明显的材料失效。该材料比传统金基合金的密度降低2.6%左右。该合金在1120度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在2.4wt.%左右。

实施例2

一种具有1150度熔炼电接触材料用高导热Au-Li-Se金锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 0.4wt.%,Se:0.3wt.%,Bi:2.4wt.%,Nb:0.3wt.%,Mg:1.9wt.%,Fe:0.6wt.%,Be:0.1wt.%,Al:0.4wt.%,Si:0.5wt.%，B:0.3wt.%，余量为金。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到1150度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在1150度保温10分钟浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为14m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为16%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：250度，2.6个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理780度，3.2小时；真空时效处理190度，2.4小时。该材料具有高于传统金基合金的力学性能：抗拉强度为745MPa；传统材料抗拉强度为500-600MPa。且导电率(%IACS)可以维持在78(传统材料小于72)。该材料具有优异的热导率（312W/m﹒K），而一般金合金的热导率维持在200-250 W/m﹒K左右。此外，该材料可以在半小时内抵抗强电弧放电而不发生明显的材料失效。该材料比传统金基合金的密度降低2.4%左右。该合金在1150度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在3.5wt.%左右。

实施例3

一种具有1180度熔炼电接触材料用高导热Au-Li-Se金锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 0.3wt.%,Se:0.4wt.%,Bi:2.3wt.%,Nb:0.4wt.%,Mg:2.6wt.%,Fe:0.4wt.%,Be:0.1wt.%,Al:0.5wt.%,Si:0.3wt.%，B:0.4wt.%，余量为金。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到1180度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在1180度保温10分钟浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为12m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为18%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：250度，2.6个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理780度，3.2小时；真空时效处理190度，2.4小时。该材料具有高于传统金基合金的力学性能：抗拉强度为736MPa；传统材料抗拉强度为500-600MPa。且导电率(%IACS)可以维持在79(传统材料小于72)。该材料具有优异的热导率（319W/m﹒K），而一般金合金的热导率维持在200-250 W/m﹒K左右。此外，该材料可以在半小时内抵抗强电弧放电而不发生明显的材料失效。该材料比传统金基合金的密度降低2.6%左右。该合金在1180度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致原材料损耗率能控制在3.9wt.%左右。

Claims (3)

1.一种电接触材料用高导热Au-Li-Se金锂合金，其特征在于按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 0.2-0.4wt.%,Se:0.2-0.5wt.%,Bi:1.0-2.5wt.%,Nb:0.2-0.5wt.%,Mg:1.5-3.5wt.%,Fe:0.2-0.8wt.%,Be:0.1-0.2wt.%,Al:0.2-0.6wt.%,Si: 0.2-0.6wt.%，B:0.2-0.5wt.%，余量为金。

2.根据权利要求1所述电接触材料用高导热Au-Li-Se金锂合金，其特征在于合金的制备方法包含如下步骤：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到1100-1200度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在1100-1200度保温10分钟浇到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为10-15m/min。

3.根据权利要求1所述电接触材料用高导热Au-Li-Se金锂合金其特征在于包含如下加工步骤：将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为10-20%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：250度，2.6个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理780度，3.2小时；真空时效处理190度，2.4小时。