CN109988935A - 一种高强度高硬度的金银铜合金及其时效强化工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度高硬度的金银铜合金，按照质量百分比由以下组分组成：Au50％～80％，Ag 20％～40％，Cu 5％～30％，以上各组分质量百分比之和为100％。本发明还公开了上述金银铜合金的时效强化工艺，先制备上述Au‑Ag‑Cu合金，依据金银铜合金相图，从时效析出第二相入手，着重考虑时效温度、时效时间对金银铜合金力学性能及电性能的影响，确定一种获得高强、高硬同时又不影响其电性能的金银铜合金的最佳时效退火工艺。

Description

一种高强度高硬度的金银铜合金及其时效强化工艺
技术领域
本发明属于合金制备及性能改进领域，具体涉及一种高强度高硬度的金银铜合金及其时效强化工艺。
背景技术
电接触材料一般不是单质材料，主要是贵金属合金或者复合材料。当前使用较为广泛的电接触材料主要有银基、铜基、金基和铂基电接触材料等。金具有化学性能稳定、导热性、导电性好的特点，采用金制作成的导电滑环，其接触电阻往往很低且极为稳定。金基电接触材料的缺陷也十分明显：弹性不够、易屈服，在运行过程中容易发生熔融现象。据此，通常的处理办法是在其中加入其他元素制成合金金属来弥补上述缺陷。
加入银、铜两种元素制备的金银铜合金，一方面能提高纯金属金的弹性、同时又能降低成本。金银铜合金的性能中起支配作用的是金的含量、以及银铜的比例。金的含量影响合金的化学稳定性，而银和铜的比例则影响合金的硬度、强度、时效硬化程度及熔化温度等。Au-Cu 合金在液相和固相均可形成连续固溶体，从高温到低温缓慢冷却时，原子排列发生有序转变，形成中间化合物AuCu、Au3Cu或AuCu3等。实际生产中，往往冷却速率较快，导致有序相析出不完全或者基本未析出，实际生产中往往进行退火时效处理。此外，时效过程中，鉴于金铜组分不同，该合金所析出第二相的种类、数量、形态等各不相同，时效强化工艺理应不同，而实际生产中往往针对性不明确，退火时效工艺路线没有针对性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度高硬度的金银铜合金，可以提高现有金银铜合金作为触头材料的使用寿命。
本发明的另一个目的在于提供上述金银铜合金的时效强化工艺。
本发明所采用的技术方案为：一种高强度高硬度的金银铜合金，按照质量百分比由以下组分组成：Au 50％～80％，Ag 20％～40％，Cu 5％～30％，以上各组分质量百分比之和为100％。
本发明的特点还在于，
Au的纯度为99.99％。
Cu为无氧铜。
一种高强度高硬度金银铜合金的时效强化工艺，由以下步骤具体实施：
步骤1，制备金银铜合金：
按照质量百分比分别称取Au 50％～80％，Ag 20％～40％，Cu 5％～30％，以上各组分质量百分比之和为100％，将上述物料混合均匀，抽真空，当真空度高于0.05MPa时开始加热，缓慢升温，待Au、Ag、 Cu全部熔化后，充氩气至0.05MPa～0.06MPa，并升温至1400±50℃，精炼一段时间，缓慢浇入耐热钢模内，制备出金银铜合金铸锭；
步骤2，初步制定时效退火工艺：
按照质量百分比分别称取5mg～50mg步骤1制备的金银铜合金，另外称取5mg～50mg氧化铝作为参比样品，将上述物料置于差热扫描量热仪中，升温加热至一定温度后，经分析差热扫描量热仪绘制的DSC 曲线得到该合金的退火温度。
步骤3，时效退火处理：
根据步骤2得到的金银铜合金的退火温度，按照质量百分比称取 10mg～20mg步骤1制备的金银铜合金试样置于真空气氛炉中，抽真空，加热，缓慢升温至步骤2中退火温度，保温一段时间后，试样随真空气氛炉自然冷却至室温，取出待用。
步骤4，优化时效退火工艺：
经步骤3时效退火处理后取出试样，分别对其相组成、显微组织和力学性能进行测试，得到相组成、显微组织和力学性能最佳的金银铜合金。
步骤1中将称取的物料混合后放入真空中频感应熔炼炉中的氧化铝坩埚内，精炼时间为3～10分钟，真空中频感应熔炼炉的加热功率为 100KW～1000KW，加热频率为0.5Hz～30KHz。
步骤2中升温的温度区间为25℃～900℃，升温速率为5～20℃/分钟。
步骤2时效退火温度应依据DSC曲线中放热峰、吸热峰的位置确定。
金银铜合金的时效处理过程中，步骤2中差热分析样品重量取 10mg～20mg。
步骤3中金银铜合金的时效退火工艺，保温时间为0h～16h，缓慢升温速率为3～10℃/min。
本发明的有益效果为，通过对时效处理温度和保温时间的控制，采用感应炉熔炼－差热分析－时效退火三步法制备高强高硬的金银铜合金，进一步提高金银铜合金作为触头材料的使用寿命。
附图说明
图1是本发明一种高强度高硬度的金银铜合金的DSC曲线；
图2是本发明一种高强度高硬度金银铜合金不同工艺处理下的维氏硬度曲线；
图3是本发明一种高强度高硬度金银铜合金不同工艺时效退火处理后的显微组织图片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明。
本发明一种高强度高硬度的金银铜合金，按质量百分比由以下组分组成：Au 50％～80％，Ag 20％～40％，Cu 5％～30％，以上各组分质量百分比之和为100％。
其中，Au的纯度为99.99％。
其中，Cu为无氧铜。
本发明上述金银铜合金的时效强化工艺，具体过程采用以下步骤实施：
步骤1，制备金银铜合金
按照质量百分比分别称取Au50％～80％，Ag 20％～40％，Cu 5％～30％，以上各组分质量百分比之和为100％，将上述物料混合均匀，放入真空中频感应熔炼炉中的氧化铝坩埚内，抽真空，当真空度高于 0.05MPa时开始加热，加热功率为100KW～1000KW，加热频率为 0.5Hz～30KHz，待Au、Ag、Cu全部熔化后，充氩气至0.05MPa～0.06 MPa，并升温至1400±50℃，精炼3～10分钟，缓慢浇入耐热钢模内，制备出金银铜合金铸锭。
步骤2，初步制定时效退火工艺
按照质量百分比分别称取5mg～50mg步骤1制备的金银铜合金，另外称取5mg～50mg氧化铝作为参比样品，将上述物料置于差热扫描量热仪中，升温加热，温度区间为25℃～900℃，升温速率为5～20℃/ 分钟，升温完毕，经分析差热扫描量热仪绘制的DSC曲线得到该合金的退火温度。
退火温度是依据DSC曲线中的放热峰与吸热峰的位置来确定。
步骤3，时效退火处理
根据步骤2得到的金银铜合金的退火温度，按照质量百分比称取 10～20mg步骤1制备的金银铜合金，将其置于真空气氛炉中抽真空，然后进行升温加热至步骤2中退火温度，升温速度为3～10℃/min，保温0～16h后，随真空气氛炉自然冷却至室温，取出试样待用。
步骤4，优化时效退火工艺
经步骤3时效退火处理后取出试样，分别对其相组成、显微组织和力学性能进行测试，得到相组成、显微组织和力学性能最佳的金银铜合金。
本发明一种高强度高硬度的金银铜合金及其时效强化工艺，采用感应炉熔炼－差热分析－时效退火三步法制备高强高硬的金银铜合金，通过合理的控制时效退火温度和保温时间来调节金银铜合金的力学性能。本发明方法所获得的金银铜合金可具备高强度、高硬度，同时又不影响其电性能，是一种理想的触头材料。
实施例1
步骤1，按照质量百分比称取Au 65％，Ag 35％，Cu5％，以上各组分质量百分比之和为100％，其制备的合金记为AuAg35Cu5，将上述物料混合均匀，放入真空中频感应熔炼炉中的氧化铝坩埚内，抽真空，当真空度高于0.05MPa时开始加热，加热功率为300KW，加热频率为 5KHz，待Au、Ag、Cu全部熔化后，充氩气至0.05MPa，并升温至 1400±50℃，精炼3分钟，缓慢浇入耐热钢模内，制备出AuAg35Cu5合金铸锭。
步骤2，按照质量百分比分别称取10mg步骤1制备的AuAg35Cu5合金，另外称取10mg氧化铝作为参比样品，将上述物料置于差热扫描量热仪中，升温加热，温度区间为25℃～900℃，升温速率为10℃/分钟，升温完毕，经分析差热扫描量热仪绘制的DSC曲线得到该合金的退火温度。如图1所示，依据此曲线，时效退火温度确定为170℃。
退火温度是依据DSC曲线中的放热峰与吸热峰的位置来确定。
步骤3，根据步骤2得到的金银铜合金的退火温度，按照质量百分比称取10mg步骤1制备的金银铜合金，将其置于真空气氛炉中抽真空，然后进行升温加热至步骤2中退火温度，升温速度为5℃/min，保温0.5h 后，随真空气氛炉自然冷却至室温，取出试样待用。
步骤4，经步骤3制得的AuAg35Cu5合金，测试其维氏硬度为 222Hv，电导率为6.50S/M。
实施例2
步骤1，按照质量百分比称取Au 65％，Ag 35％，Cu5％，以上各组分质量百分比之和为100％，其制备的合金记为AuAg35Cu5，将上述物料混合均匀，放入真空中频感应熔炼炉中的氧化铝坩埚内，抽真空，当真空度高于0.05MPa时开始加热，加热功率为300KW，加热频率为 5KHz，待Au、Ag、Cu全部熔化后，充氩气至0.06MPa，并升温至 1400±50℃，精炼4分钟，缓慢浇入耐热钢模内，制备出AuAg35Cu5合金铸锭。
步骤2，按照质量百分比分别称取10mg步骤1制备的AuAg35Cu5合金，另外称取10mg氧化铝作为参比样品，将上述物料置于差热扫描量热仪中，升温加热，温度区间为25℃～900℃，升温速率为10℃/分钟，升温完毕，经分析差热扫描量热仪绘制的DSC曲线得到该合金的退火温度。如图1所示，依据此曲线，时效退火温度确定为170℃。
退火温度是依据DSC曲线中的放热峰与吸热峰的位置来确定。
步骤3，根据步骤2得到的金银铜合金的退火温度，按照质量百分比称取10,mg步骤1制备的金银铜合金，将其置于真空气氛炉中抽真空，然后进行升温加热至步骤2中退火温度，升温速度为5℃/min，保温2h后，随真空气氛炉自然冷却至室温，取出试样待用。
步骤4，经步骤3制得的AuAg35Cu5合金，测试其显微硬度为228Hv, 电性能为6.49S/M。
实施例3
步骤1，按质量百分比称取Au 65％，Ag 35％，Cu5％，以上各组分质量百分比之和为100％，其制备的合金记为AuAg35Cu5，将上述物料混合均匀，放入真空中频感应熔炼炉中的氧化铝坩埚内，抽真空，当真空度高于0.05MPa时开始加热，加热功率为300KW，加热频率为 5KHz，待Au、Ag、Cu全部熔化后，充氩气至0.05MPa，并升温至 1400±50℃，精炼5分钟，缓慢浇入耐热钢模内，制备出AuAg35Cu5合金铸锭。
步骤2，按照质量百分比分别称取10mg步骤1制备的AuAg35Cu5合金，另外称取10mg氧化铝作为参比样品，将上述物料置于差热扫描量热仪中，升温加热，温度区间为25℃～900℃，升温速率为10℃/分钟，升温完毕，经分析差热扫描量热仪绘制的DSC曲线得到该合金的退火温度。如图1所示，依据此曲线，时效退火温度确定为170℃。
退火温度是依据DSC曲线中的放热峰与吸热峰的位置来确定。
步骤3，根据步骤2得到的金银铜合金的退火温度，按照质量百分比称取10mg步骤1制备的金银铜合金，将其置于真空气氛炉中抽真空，然后进行升温加热至步骤2中退火温度，升温速度为5℃/min，保温4h 后，随真空气氛炉自然冷却至室温，取出试样待用。
步骤4，经步骤3制得的AuAg35Cu5合金，测试其显微硬度为237Hv, 电性能为6.36S/M。
实施例4
步骤1，按照质量百分比称取Au 65％，Ag 35％，Cu5％，以上各组分质量百分比之和为100％，其制备的合金记为AuAg35Cu5，将上述物料混合均匀，放入真空中频感应熔炼炉中的氧化铝坩埚内，抽真空，当真空度高于0.05MPa时开始加热，加热功率为300KW，加热频率为 5KHz，待Au、Ag、Cu全部熔化后，充氩气至0.05MPa，并升温至 1400±50℃，精炼6分钟，缓慢浇入耐热耐热钢模内，制备出AuAg35Cu5合金铸锭。
步骤2，按照质量百分比分别称取10mg步骤1制备的AuAg35Cu5合金，另外称取10mg氧化铝作为参比样品，将上述物料置于差热扫描量热仪中，升温加热，温度区间为25℃～900℃，升温速率为10℃/分钟，升温完毕，经分析差热扫描量热仪绘制的DSC曲线得到该合金的退火温度。如图1所示，依据此曲线，时效退火温度确定为170℃。
退火温度是依据DSC曲线中的放热峰与吸热峰的位置来确定。
步骤3，根据步骤2得到的金银铜合金的退火温度，按照质量百分比称取10～20mg步骤1制备的金银铜合金，将其置于真空气氛炉中抽真空，然后进行升温加热至步骤2中退火温度，升温速度为5℃/min，保温8h后，随真空气氛炉自然冷却至室温，取出试样待用。
步骤4，经步骤3制得的AuAg35Cu5合金，测试其显微硬度为251Hv,电性能为6.39S/M。
实施例5
步骤1，按照质量百分比称取Au 65％，Ag 35％，Cu5％，以上各组分质量百分比之和为100％，其制备的合金记为AuAg35Cu5，将上述物料混合均匀，放入真空中频感应熔炼炉中的氧化铝坩埚内，封炉抽真空，当真空度高于0.05MPa时开始加热，加热功率为300KW，加热频率为5KHz，待Au、Ag、Cu全部熔化后，充氩气至0.06MPa，并升温至1400±50℃，精炼7分钟，缓慢浇入耐热钢模内，制备出 AuAg35Cu5合金铸锭。
步骤2，按照质量百分比分别称取10mg步骤1制备的AuAg35Cu5合金，另外称取10mg氧化铝作为参比样品，将上述物料置于差热扫描量热仪中，升温加热，温度区间为25℃～900℃，升温速率为10℃/分钟，升温完毕，经分析差热扫描量热仪绘制的DSC曲线得到该合金的退火温度。如图1所示，依据此曲线，时效退火温度确定为170℃。
退火温度是依据DSC曲线中的放热峰与吸热峰的位置来确定。
步骤3，根据步骤2得到的金银铜合金的退火温度，按照质量百分比称取10～20mg步骤1制备的金银铜合金，将其置于真空气氛炉中抽真空，然后进行升温加热至步骤2中退火温度，升温速度为5℃/min，保温16h后，随真空气氛炉自然冷却至室温，取出试样待用。
步骤4，经步骤3制得的AuAg35Cu5合金，测试其显微硬度为 226Hv，电性能为6.36S/M。
实施例6
步骤1，按照质量百分比称取Au 65％，Ag 35％，Cu5％，以上各组分质量百分比之和为100％，其制备的合金记为AuAg35Cu5，将上述物料混合均匀，放入真空中频感应熔炼炉中的氧化铝坩埚内，抽真空，当真空度高于0.05MPa时开始加热，加热功率为300KW，加热频率为 5KHz，待Au、Ag、Cu全部熔化后，充氩气至0.06MPa，并升温至 1400±50℃，精炼8分钟，缓慢浇入耐热钢模内，制备出AuAg35Cu5合金铸锭。
步骤2，按照质量百分比分别称取10mg步骤1制备的AuAg35Cu5合金，另外称取10mg氧化铝作为参比样品，将上述物料置于差热扫描量热仪中，升温加热，温度区间为25℃～900℃，升温速率为10℃/分钟，升温完毕，经分析差热扫描量热仪绘制的DSC曲线得到该合金的退火温度。如图1所示，依据此曲线，时效退火温度确定为380℃。
退火温度是依据DSC曲线中的放热峰与吸热峰的位置来确定。
步骤3，根据步骤2得到的金银铜合金的退火温度，按照质量百分比称取10～20mg步骤1制备的金银铜合金，将其置于真空气氛炉中抽真空，然后进行升温加热至步骤2中退火温度，升温速度为5℃/min，保温0.5后，随真空气氛炉自然冷却至室温，取出试样待用。
步骤4，经步骤3制得的AuAg35Cu5合金，测试其显微硬度为 182Hv，电性能为6.50S/M。
实施例7
步骤1，按照质量百分比称取Au 65％，Ag 35％，Cu5％，以上各组分质量百分比之和为100％，其制备的合金记为AuAg35Cu5，将上述物料混合均匀，放入真空中频感应熔炼炉中的氧化铝坩埚内，抽真空，当真空度高于0.05MPa时开始加热，加热功率为300KW，加热频率为 5KHz，待Au、Ag、Cu全部熔化后，充氩气至0.05MPa，并升温至 1400±50℃，精炼9分钟，缓慢浇入耐热钢模内，制备出AuAg35Cu5合金铸锭。
步骤2，按照质量百分比分别称取10mg步骤1制备的AuAg35Cu5合金，另外称取10mg氧化铝作为参比样品，将上述物料置于差热扫描量热仪中，升温加热，温度区间为25℃～900℃，升温速率为10℃/分钟，升温完毕，经分析差热扫描量热仪绘制的DSC曲线得到该合金的退火温度。如图1所示，依据此曲线，时效退火温度确定为380℃。
退火温度是依据DSC曲线中的放热峰与吸热峰的位置来确定。
步骤3，根据步骤2得到的金银铜合金的退火温度，按照质量百分比称取10～20mg步骤1制备的金银铜合金，将其置于真空气氛炉中抽真空，然后进行升温加热至步骤2中退火温度，升温速度为5℃/min，保温2h后，随真空气氛炉自然冷却至室温，取出试样待用。
步骤4，经步骤3制得的AuAg35Cu5合金，测试其显微硬度为177Hv, 电性能为6.23S/M。
实施例8
步骤1，按质量百分比称取Au 65％，Ag 35％，Cu5％，以上各组分质量百分比之和为100％，其制备的合金记为AuAg35Cu5，将上述物料混合均匀，放入真空中频感应熔炼炉中的氧化铝坩埚内，封炉抽真空，当真空度高于0.05MPa时开始加热，加热功率为300KW，加热频率为5KHz，待Au、Ag、Cu全部熔化后，充氩气至0.06MPa，并升温至1400±50℃，精炼10分钟，缓慢浇入耐热钢模内，制备出AuAg35Cu5合金铸锭。
步骤2，按照质量百分比分别称取10mg步骤1制备的AuAg35Cu5合金，另外称取10mg氧化铝作为参比样品，将上述物料置于差热扫描量热仪中，升温加热，温度区间为25℃～900℃，升温速率为10℃/分钟，升温完毕，经分析差热扫描量热仪绘制的DSC曲线得到该合金的退火温度。如图1所示，依据此曲线，时效退火温度确定为380℃。
退火温度是依据DSC曲线中的放热峰与吸热峰的位置来确定。
步骤3，根据步骤2得到的金银铜合金的退火温度，称取10～20mg 步骤1制备的金银铜合金，将其置于真空气氛炉中抽真空，然后进行升温加热至步骤2中退火温度，升温速度为5℃/min，保温4h后，随真空气氛炉自然冷却至室温，取出试样待用。
步骤4，经步骤3制得的AuAg35Cu5合金，测试其显微硬度为 174Hv，电性能为6.20S/M。
如图2所示，是上述实施例中金银铜合金在170℃、380℃、不同的保温时间测量的显微硬度，从图2中可以得出：当保温时间为8小时得到的金银铜合金的显微硬度最高，为251Hv，且导电性跟其它条件相比差别不大。由图3所示，图(a)是本发明金银铜合金时效退火温度为170℃、保温时间为8h的显微组织图，图(b)是本发明金银铜合金时效退火温度为380℃、保温时间为4h的显微组织图，结合图2 可知：本申请制备的AuAg35Cu5合金，在170℃时效退火时，显微组织并未发生再结晶转变；而380℃时效退火时，金银铜合金已发生再结晶转变，晶粒已经等轴化。所以，针对AuAg35Cu5合金，其最佳时效退火工艺为170℃，保温8小时。

Claims (9)

1.一种高强度高硬度的金银铜合金，其特征在于，按照质量百分比由以下组分组成：Au50％～80％，Ag 20％～40％，Cu 5％～30％，以上各组分质量百分比之和为100％。
2.如权利要求1所述的一种高强度高硬度的金银铜合金，其特征在于，所述Au的纯度为99.99％。
3.如权利要求1所述的一种高强度高硬度的金银铜合金，其特征在于，所述Cu为无氧铜。
4.一种权利要求1所述的高强度高硬度金银铜合金的时效强化工艺，其特征在于，由以下步骤具体实施：
步骤1，制备金银铜合金
按照质量百分比分别称取Au 50％～80％，Ag 20％～40％，Cu 5％～30％，以上各组分质量百分比之和为100％，将上述物料混合均匀，抽真空，当真空度高于0.05MPa时开始加热，缓慢升温，待Au、Ag、Cu全部熔化后，充氩气至0.05MPa～0.06MPa，并升温至1400±50℃，精炼一段时间，缓慢浇入耐热钢模内，制备出金银铜合金铸锭；
步骤2，初步制定时效退火工艺
按照质量百分比分别称取5mg～50mg步骤1制备的金银铜合金，另外称取5mg～50mg氧化铝作为参比样品，将上述物料置于差热扫描量热仪中，升温加热至一定温度后，经分析差热扫描量热仪绘制的DSC曲线得到该合金的退火温度；
步骤3，时效退火处理
根据步骤2得到的金银铜合金的退火温度，按照质量百分比称取10mg～20mg步骤1制备的金银铜合金试样置于真空气氛炉中，抽真空，加热，缓慢升温至步骤2中退火温度，保温一段时间后，试样随真空气氛炉自然冷却至室温，取出待用；
步骤4，优化时效退火工艺
经步骤3时效退火处理后取出试样，分别对其相组成、显微组织和力学性能进行测试，得到相组成、显微组织和力学性能最佳的金银铜合金。
5.如权利要求4所述的金银铜合金的时效强化工艺，其特征在于，所述步骤1中将称取的物料混合后放入真空中频感应熔炼炉中的氧化铝坩埚内，然后抽真空，精炼时间为3～10分钟，真空中频感应熔炼炉的加热功率为100KW～1000KW，加热频率为0.5Hz～30KHz。
6.如权利要求4所述的金银铜合金的时效强化工艺，其特征在于，所述步骤2中升温的温度区间为25℃～900℃，升温速率为5～20℃/分钟。
7.如权利要求4所述的金银铜合金的时效强化工艺，其特征在于，所述步骤2时效退火温度应依据DSC曲线中放热峰、吸热峰的位置确定。
8.如权利要求4所述的金银铜合金的时效强化工艺，其特征在于，金银铜合金的时效处理过程中，所述步骤2中差热分析样品重量取10mg～20mg。
9.如权利要求4所述的金银铜合金的时效强化工艺，其特征在于，所述步骤3中金银铜合金的时效退火工艺，保温时间为0h～16h，缓慢升温速率为3～10℃/min。
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