CN107760907A - 一种具有高导热和阻尼银锂电接触合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高导热和阻尼Ag‑Li‑Sn银锂电接触合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金化学成分为：Li:0.5‑3.0wt.%,Sn:1.0‑1.5wt.%,Zn:2.0‑4.0wt.%,Ba:0.5‑1.5wt.%,Sr:0.5‑1.2wt.%,Pd:0.2‑0.4wt.%,Zr:0.2‑0.3wt.%,Th:0.1‑0.2wt.%,Ce:0.5‑0.8wt.%，B:0.5‑1.0wt.%，余量为银。相对于传统电接触材料用银合金，该材料具有优异力学性能,高导电性以及高的阻尼系数。
Description
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种银锂合金。
背景技术
银具有良好的导电性和导热性，在银中添加其它合金元素可改善银的性能。银合金种类很多，其中最重要的是：银铜合金、银镁合金、银镍合金、银钨合金、银铁合金和银铈合金。银合金制成的产品用量最大，适用范围广。这些银合金具有一系列的特性：(1)优异的物理、化学性能。银合金的导电、导热性很好。 (2)良好的加工性能。塑性很好，容易冷、热成形。铸造银合金有很好的铸造性能。(3)具有某些特殊机械性能。例如优良的减摩性和耐磨性，高的弹性极限和疲劳极限。
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)的心脏元件电触头的关键材料，其质量的好坏关系到电路设备、仪表的可靠性、稳定性、精密程度及其寿命。银合金接触材料适用于在各种功率条件下工作，而且大量用于大、中负荷电器中，如各种开关、继电器、接触器等。大、中功率接点的工作条件较恶劣，常处于电弧的强烈作用下，电侵蚀严重，特别要求导热性、导电性要好，抗电侵蚀能力要强。但银合金在大电流作用下易熔焊，容易氧化且有硫化倾向。
开发高强高导耐氧化银合金有两种方法，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银基复合材料。国外己经开发的新型耐氧化银合金的强度和导电率太低，屈服强度低于400MPa，且导电率没能超过80%IACS，不能满足现代元器件对导电率的要求。锂作为合金化元素加入银合金中可以大大提高银合金的弹性性能和耐高温软化性能。开发新型高强、高导、高耐磨、高软化温度的银锂合金已成为必然。
银锂合金最大的特点是在冶炼过程中因为银锂合金熔体容易氧化烧，生成疏松的氧化膜和氮化膜。这种不致密的熔体表面化合物膜不能阻止氧气和氮气向熔体表面的扩散，导致了银锂合金熔体在熔炼过程中的不断氧化和消耗。因此，目前在银锂合金的冶炼中一般采用氩气保护的方法来进行合金制备。而且冶炼温度在1100度左右。在如此高的温度下，锂由于蒸气压过大导致在冶炼过程中挥发过度，最后合金中剩余的锂含量过低。一般而言，采用氩气保护的方法熔炼的银锂合金，最终锂的收得率只有10-30wt.%左右。而且该方法不同程度地存在着铸件易产生熔剂夹杂、设备复杂及生产成本高等缺点。因此使银锂合金的研制、开发与应用受到了限制。因而在急需大规模使用银锂合金的工业和国防领域，一直存在着现有产量少，工艺繁琐，成本高等急需克服的现状。
寻求更好的冶炼方法成为银锂合金应用研究和产业化中的关键问题之一。通过合金化的方法达到防止在冶炼过程中银锂合金熔体的氧化，是解决银锂合金冶炼问题的发展方向之一。合金化阻燃和防止锂在熔炼过程中挥发的机理是在合金中添加合金元素来影响合金氧化的热力学与动力学过程，在合金表面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的目的。与氩气保护相比，合金化阻燃可以消除熔剂夹杂，提高合金的力学性能与抗腐蚀性能，降低对大气的污染。但是，作为一种结构材料，只具有熔炼时的阻燃和防止锂在熔炼过程中挥发性能是远远不能满足要求的，更重要的是最终银锂合金产品还要同时拥有令人满意的力学性能和导电性能，至少要能达到常用银合金的力学性能水平。因而如何在银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和防止锂在熔炼过程中挥发的银锂合金，且具备优异的力学性能，是当前银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1050-1150度大气条件下进行熔炼的具有高导热和阻尼Ag-Li-Sn银锂电接触合金及其加工工艺。且在此温度区间熔炼的合金最终产品具有现有银锂合金的力学性能，和良好的室温塑性和抗氧化性能。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1050-1150度之间熔炼具有高导热和阻尼Ag-Li-Sn银锂电接触合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li: 0.5-3.0wt.%,Sn:1.0-1.5wt.%,Zn:2.0-4.0wt.%,Ba:0.5-1.5wt.%,Sr:0.5-1.2wt.%,Pd:0.2-0.4wt.%,Zr:0.2-0.3wt.%,Th:0.1-0.2wt.%,Ce: 0.5-0.8wt.%，B: 0.5-1.0wt.%，余量为银。该银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。
上述银锂合金的制备方法，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1050-1150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1050-1150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8-12m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为5-10%。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：240度，3.5个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理620度，3.8小时；真空时效处理160度，2.5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银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银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） 合金熔炼时，熔体具有静态(熔体的保温和静置)和动态（熔体的搅拌）两种形式。本专利提出的Ag-Li-Sn银锂合金在静态下具有极其优异的阻燃性能，可以达到在1050-1150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。且该银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Ag-Li-Sn银锂合金在加入锂后，由于锂具有优异的脱氧除气作用，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。在保证具备阻燃性的同时，也使得合金使用寿命和高温下力学性能有了进一步提高，便于工业化大规模应用。
（4） 该材料具有优异的常温下力学性能：屈服强度为400-520MPa，抗拉强度为580-640MPa，延伸率为4-8%。具有高导电性能(%IACS）：90-94,传统银接触合金小于80。此外，还具有高的阻尼系数：SDC﹦35-38%,传统银合金小于25%。
具体实施方式
实施例1
一种具有720度熔炼高导热和阻尼Ag-Li-Sn银锂电接触合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 2.5wt.%,Sn:1.2wt.%,Zn:2.8wt.%,Ba:0.8wt.%,Sr:0.9wt.%,Pd:0.3wt.%,Zr:0.2wt.%,Th:0.1wt.%,Ce:0.6wt.%，B:0.9wt.%，余量为银。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720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720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8m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为8%。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：240度，3.5个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理620度，3.8小时；真空时效处理160度，2.5小时。该材料具有优异的常温下力学性能：屈服强度为498MPa，抗拉强度为624MPa，延伸率为6.3%。具有高导电性能(%IACS）：91,传统银接触合金小于80。此外，还具有高的阻尼系数：SDC﹦36%,传统银合金小于25%。该合金在720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3.1wt.%左右。
实施例2
一种具有750度熔炼高导热和阻尼Ag-Li-Sn银锂电接触合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 2.1wt.%,Sn:1.2wt.%,Zn:2.3wt.%,Ba:0.9wt.%,Sr:1.0wt.%,Pd:0.3wt.%,Zr:0.2wt.%,Th:0.1wt.%,Ce:0.6wt.%，B:0.9wt.%，余量为银。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750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750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9m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为6%。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：240度，3.5个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理620度，3.8小时；真空时效处理160度，2.5小时。该材料具有优异的常温下力学性能：屈服强度为502MPa，抗拉强度为603MPa，延伸率为5.2%。具有高导电性能(%IACS）：92,传统银接触合金小于80。此外，还具有高的阻尼系数：SDC﹦37%,传统银合金小于25%。该合金在750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3
一种具有760度熔炼高导热和阻尼Ag-Li-Sn银锂电接触合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 1.8wt.%,Sn:1.3wt.%,Zn3.2wt.%,Ba:0.7wt.%,Sr:0.9wt.%,Pd:0.2wt.%,Zr:0.2wt.%,Th:0.1wt.%,Ce:0.6wt.%，B:0.8wt.%，余量为银。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760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760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9m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为8%。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：240度，3.5个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理620度，3.8小时；真空时效处理160度，2.5小时。该材料具有优异的常温下力学性能：屈服强度为492MPa，抗拉强度为614MPa，延伸率为4.5%。具有高导电性能(%IACS）：91,传统银接触合金小于80。此外，还具有高的阻尼系数：SDC﹦36%,传统银合金小于25%。该合金在760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3.1wt.%左右。
Claims (3)
1.一种具有高导热和阻尼Ag-Li-Sn银锂电接触合金，其特征在于按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 0.5-3.0wt.%,Sn:1.0-1.5wt.%,Zn:2.0-4.0wt.%,Ba:0.5-1.5wt.%,Sr:0.5-1.2wt.%,Pd:0.2-0.4wt.%,Zr:0.2-0.3wt.%,Th:0.1-0.2wt.%,Ce: 0.5-0.8wt.%，B: 0.5-1.0wt.%，余量为银。
2.根据权利要求1所述具有高导热和阻尼Ag-Li-Sn银锂电接触合金，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1050-1150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1050-1150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8-12m/min。
3.根据权利要求1所述具有高导热和阻尼Ag-Li-Sn银锂电接触合金，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5-10%；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：240度，3.5个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理620度，3.8小时；真空时效处理160度，2.5小时。
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