CN112143931B - 一种低导热银材料及其制备方法、银器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低导热银材料及其制备方法、银器。该低导热银材料包括单质Ag、M和单质As，其中M包括单质Si和/或单质Sn，且单质Ag的重量含量≥99.99％。上述低导热银材料中单质Ag的重量含量≥99.99％，促使材料银纯度较高。同时，银材料中M和单质As作为银材料的合金微组分，在更微小的量添加下促使材料具有更好的低导热性能，材料的机械性能比如硬度更佳，使用效果更好。

Description

一种低导热银材料及其制备方法、银器

技术领域

本发明涉及贵金属加工领域，具体而言，涉及一种低导热银材料及其制备方法、银器。

背景技术

贵金属银制品因其具有防腐保鲜的特性而被用作餐具和茶具等生活化器具。随着国人生活水平的提高，消费理念的转变促使贵金属银制品生活化应用的市场逐步拓展，进入新的需求阶段。然而纯金属银的导热性非常优异，其制品在盛放一些热食热饮后导热过快，导致器具外壁温度过高，难以手持或端握，使用效果差。为了解决这一问题，现有技术通过合金化方式降低银材料的导热性，但因为多量其他金属的掺杂导致材料的银纯度也显著降低，无法满足含银纯度高的使用要求。

基于以上原因，有必要提供一种低导热银材料，同时满足含银纯度高和热导率较低的使用需求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种低导热银材料及其制备方法、银器，以解决现有技术中高纯度银材料热导率高的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种低导热银材料，包括单质Ag、M和单质As，其中M包括单质Si和/或单质Sn，且单质Ag的重量含量≥99.99％。

进一步地，按重量含量计，低导热银材料包括99.99％的单质Ag，10～50ppm的M和余量的单质As。

进一步地，M和单质As的重量比为(0.8:9.2)～(4.5:5.5)。

进一步地，M包括单质Si和单质Sn，且单质Si和单质Sn的重量比为(1:1.5)～1，M和单质As的重量比为(0.8:9.2)～(2:8)；或者，M包括单质Si，M和单质As的重量比为(0.8:9.2)～(1.3:8.7)；或者，M包括单质Sn，M和单质As的重量比为(0.8:9.2)～(1.5:8.5)。

进一步地，低导热银材料包括99.99％的单质Ag、8ppm的单质Si及92ppm的单质As；或者，低导热银材料包括99.99％的单质Ag、8ppm的单质Sn及92ppm的单质As；或者，低导热银材料包括99.99％的单质Ag、80ppm的单质As、12ppm的单质Si及8ppm的单质Sn。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种低导热银材料的制备方法，将单质Ag、M和单质As进行混合，然后进行熔炼，得到低导热银材料。

优选地，熔炼中得到了熔炼银材料，制备方法还包括：将熔炼银材料进行机械碾压处理，得到低导热银材料。

优选地，将熔炼银材料在铣床上进行机械碾压处理，且铣床的碾压头转速为ω＝2200～4000r/min，碾压头横向移动速度为v＝10～50mm/min，碾压钢球的直径为3～8mm；优选地，机械碾压处理过程中，碾压深度为0.05～0.25mm。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种银器，银器的材料为上述低导热银材料。

应用本发明的技术方案，提供的上述低导热银材料包括单质Ag、M和单质As，其中M包括单质Si和/或单质Sn，且单质Ag的重量含量≥99.99％。一方面，银材料中单质Ag的重量含量≥99.99％，促使材料银纯度较高。另一方面，银材料中还包括M和单质As，其中M包括单质Si和/或单质Sn，单独掺杂或者混合掺杂作为银材料的合金微组分，促使银材料的导热性能大幅度地下降，机械性能更佳，使用性能更好。其中单质As作为银材料的另一合金微组分，促使本发明在更微小的元素添加量下，更大幅度地降低了银材料的导热性，即热导率，促使材料具有更好的低导热性能，硬度更佳。解决了现有技术中高纯度银材料热导率高的问题。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。

本发明的主要目的在于提供一种低导热银材料及其制备方法、银器，以解决现有技术中高纯度银材料热导率高的问题。

为了解决这一问题，本发明提供了一种低导热银材料，包括单质Ag、M和单质As，其中M包括单质Si和/或单质Sn，且单质Ag的重量含量≥99.99％。一方面，银材料中单质Ag的重量含量≥99.99％，促使材料银纯度较高。除此以外，单质Ag的存在形式促使银材料在常温的使用条件下化学性质更稳定，不与氧发生反应，使用寿命更长。另一方面，银材料中还包括M和单质As，其中M包括单质Si和/或单质Sn。Si、Sn、As作为银材料的微掺杂元素，在相对更微小的添加量协同增效作用下更大幅度地降低了银材料的导热性，即热导率，促使材料具有更好的低导热性能，材料的机械性能比如硬度更佳，使用效果更好。

总之，本发明提供的低导热银材料，可以同时满足材料银纯度较高和热导率低的性能，在不降低银纯度、满足贵金属高纯度的要求的同时显著降低银的热导率。与此同时，材料的硬度亦有较大的提高。

优选地，按重量含量计，低导热银材料包括99.99％的单质Ag，10～50ppm的M和余量的单质As。将单质Ag、M和单质As的重量控制在上述范围内，能够在更高的银纯度下进一步降低其热导率。

优选地，M和单质As的重量比为(0.8:9.2)～(4.5:5.5)。在此范围内，低导热银材料表层形成的纳米结构晶粒间界面显著增加，促使材料的热导率进一步大幅度下降，同时，材料的机械性能比如硬度大幅度地提高，除此以外，强度也有提高。

为了进一步发挥各组分优势，增强其协同增效作用，在一种优选的实施方式中，M包括单质Si和单质Sn，且单质Si和单质Sn的重量比为(1:1.5)～1，M和单质As的重量比为(0.8:9.2)～(2:8)；或者，M包括单质Si，M和单质As的重量比为(0.8:9.2)～(1.3:8.7)；或者，M包括单质Sn，M和单质As的重量比为(0.8:9.2)～(1.5:8.5)。在此范围内，低导热银材料表层形成的纳米结构尺寸更适宜，平均晶粒大小更适宜，促使材料的低热导性能更好，强度和硬度显著地提高。

进一步优选地，按重量含量计，低导热银材料包括99.99％的单质Ag、8ppm的单质Si及92ppm的单质As；或者，低导热银材料包括99.99％的单质Ag、8ppm的单质Sn及92ppm的单质As；或者，低导热银材料包括99.99％的单质Ag、80ppm的单质As、12ppm的单质Si及8ppm的单质Sn。

根据本发明的另一方面，还提供了一种低导热银材料的制备方法，将单质Ag、M和单质As进行混合，熔炼得到低导热银材料。

将熔炼银材料进行机械碾压处理，得到低导热银材料。

除了各成分协同增效作用带来的上述有益效果以外，上述制备方法中先是将单质Ag、M和单质As混合进行熔炼，M和单质As作为微掺杂组分，和主要组分Ag的相容性更好，分散性更好，得到的低导热银材料均匀性更好。

优选地，熔炼中得到了熔炼银材料，制备方法还包括：将熔炼银材料进行机械碾压处理，得到低导热银材料。能够进一步使材料表层发生晶粒细化，形成极细的纳米结构，晶粒间界面大幅度增加，促使银材料的导热性更显著地降低，具有更好的低导热性能，同时材料的硬度和强度能够成倍增加，其力学性能更优。在实际操作过程中，可以在得碾压处理得到低导热银材料之后，再利用常规的制作工艺将该低导热银材料制成不同造型的制品。当然，也可以在将熔炼银材料制成银制品后，再对制品表面施加碾压力进行碾压。这是本领域技术人员能够自行选择的，在此不再赘述。

在一种更优选的实施方式中，将熔炼银材料在铣床上进行机械碾压处理，且铣床的碾压头转速为ω＝2200～4000r/min，碾压头横向移动速度为v＝10～50mm/min，碾压钢球的直径为3～8mm；优选地，机械碾压处理过程中，碾压深度为0.05～0.25mm。实际操作过程中通常使用碾压深度作为指标，通过调整碾压力，即可调整碾压深度，比如碾压深度0.05mm近似对应200kgf碾压力，0.25mm近似对应1500kgf碾压力。机械碾压处理样品时，与碾压头接触的样品表层会形成一定厚度的剪切变形区，碾压头压入被处理材料表层一定深度进行碾磨或滚压一定时间，促使材料表层发生晶粒细化，形成极细的纳米结构。将碾压头转速控制在2200～4000r/min的范围内，碾压头横向移动速度控制在10～50mm/min的范围内，碾压钢球的直径控制在3～8mm范围内，材料的表层形成的剪切变形区厚度更适宜，晶粒细化地更均匀，晶粒平均大小更佳，形成的纳米结构尺寸更适宜，材料表面的纳米结构组织距表面深度更适宜，促使材料具有更佳的低导热性能，更高的机械硬度。

根据本发明的又一方面，还提供了一种银器，银器的材料为前述低导热银材料。

基于前文的各项原因，本发明提供的银器，一则银器的材料中单质Ag的重量含量≥99.99％，材料银纯度较高，满足贵金属制品高纯度要求。二则银材料中还包括M和单质As，其中M包括单质Si和/或单质Sn。M和单质As的导热性相较于银较差，促使M和单质As作为银材料的合金微组分，促使材料具有更好的低导热性能。同时，材料的机械性能比如硬度更佳，使用效果更好。优选地，银器为银餐具或银茶具，如：银碗、银勺、银筷，银杯等。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

性能表征：

(1)热导率测试：

采用激光闪射法，设备为德国耐驰LFA467激光热导率仪。

(2)表面硬度测试：

采用显微硬度，设备为德国Zwick/Roell公司的万能硬度试验机Zwick ZHU0.2。

(3)纳米结构组织深度测试：

采用奥林巴斯BX53M金相显微镜根据截面金相组织测量纳米结构深度。

(4)晶粒平均大小测试：

采用TECNAI F30透射电子显微镜，合适的放大倍数为1-2万倍。

对比例1

银材料配方：纯银。

热导率：418.6w/mk；硬度：HV40～45。

实施例1

低导热银材料配方：

Ag 99.99％

Si 8ppm

As 92ppm

其中，Si和单质As的重量比为0.8:9.2。

按上述配方混合在大气氛围下熔炼，熔炼设备采用高频感应熔炼炉，经过轧制后，形成厚度为1mm的银板；再将银材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝2200r/min，碾压头横向移动速度为v＝10mm/min，碾压钢球的直径为3mm，碾压深度为0.05mm。

在银表面深度约70μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：20nm；

热导率：266W/(m·K)，和对比例1相比，热导率降低36％；

力学性能：硬度(HV)：85。

实施例2

低导热银材料配方：

Ag 99.99％

Sn 8ppm

As 92ppm

其中，Sn和单质As的重量比为0.8:9.2。

按上述配方混合在大气氛围下熔炼，熔炼设备采用高频感应熔炼炉，经过轧制后，形成厚度为1mm的银板；再将熔炼银材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝2200r/min，碾压头横向移动速度为v＝10mm/min，碾压钢球的直径为3mm，碾压深度为0.25mm。

在银表面深度约100μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：25nm；

热导率：235W/(m·K)，和对比例1相比，热导率降低43％；

力学性能：硬度(HV)：90。

实施例3

低导热银材料配方：

Ag 99.99％

Si 12ppm

Sn 8ppm

As 80ppm

其中，M和单质As的重量比为2:8；单质Si和单质Sn的重量比为1.5:1。

按上述配方混合在大气氛围下熔炼，熔炼设备采用高频感应熔炼炉，经过轧制后，形成厚度为1mm的银板；再将熔炼银材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝2200r/min，碾压头横向移动速度为v＝10mm/min，碾压钢球的直径为8mm，碾压深度为0.25mm。

在银表面深度约110μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：30nm；

热导率：215W/(m·K)，和对比例1相比，热导率降低48％；

力学性能：硬度(HV)：95。

实施例4

低导热银材料配方：

Ag 99.99％

Si 50ppm

As 50ppm

其中，M和单质As的重量比为1:1。

按上述配方混合在大气氛围下熔炼，熔炼设备采用高频感应熔炼炉，经过轧制后，形成厚度为1mm的银板；再将熔炼银材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝4000r/min，碾压头横向移动速度为v＝10mm/min，碾压钢球的直径为6mm，碾压深度为0.25mm。

在银表面深度约60μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：25nm；

热导率：270W/(m·K)，和对比例1相比，热导率降低35％；

力学性能：硬度(HV)：83。

实施例5

低导热银材料配方：

Ag 99.99％

Si 25ppm

Sn 25ppm

As 50ppm

其中，M和单质As的重量比为1:1；单质Si和单质Sn的重量比为1:1。

按上述配方混合在大气氛围下熔炼，熔炼设备采用高频感应熔炼炉，经过轧制后，形成厚度为1mm的银板；再将熔炼银材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝4000r/min，碾压头横向移动速度为v＝40mm/min，碾压钢球的直径为3mm，碾压深度为0.05mm。

在银表面深度约60μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：45nm；

热导率：290W/(m·K)，和对比例1相比，热导率降低30％；

力学性能：硬度(HV)：80。

实施例6

低导热银材料配方：

Ag 99.99％

Si 13ppm

As 87ppm

其中，Si和单质As的重量比为1.3:8.7。

按上述配方混合在大气氛围下熔炼，熔炼设备采用高频感应熔炼炉，经过轧制后，形成厚度为1mm的银板；再将熔炼银材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝2200r/min，碾压头横向移动速度为v＝10mm/min，碾压钢球的直径为3mm，碾压深度为0.125mm。

在银表面深度约70μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：40nm；

热导率：280W/(m·K)，和对比例1相比，热导率降低32％；

力学性能：硬度(HV)：82。

实施例7

低导热银材料配方：

Ag 99.99％

Sn 15ppm

As 85ppm

其中，Sn和单质As的重量比为1.5:8.5。

按上述配方混合在大气氛围下熔炼，熔炼设备采用高频感应熔炼炉，经过轧制后，形成厚度为1mm的银板；再将熔炼银材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝2200r/min，碾压头横向移动速度为v＝10mm/min，碾压钢球的直径为3mm，碾压深度为0.1mm。

在银表面深度约70μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：38nm；

热导率：275W/(m·K)，和对比例1相比，热导率降低34％；

力学性能：硬度(HV)：84。

实施例8

低导热银材料配方：

Ag 99.99％

Si 20ppm

Sn 25ppm

As 55ppm

其中，M和单质As的重量比为4.5:5.5；单质Si和单质Sn的重量比为2:2.5。

按上述配方混合在大气氛围下熔炼，熔炼设备采用高频感应熔炼炉，经过轧制后，形成厚度为1mm的银板；再将熔炼银材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝2200r/min，碾压头横向移动速度为v＝10mm/min，碾压钢球的直径为3mm，碾压深度为0.1mm。

在银表面深度约70μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：40nm；

热导率：270W/(m·K)，和对比例1相比，热导率降低35％；

力学性能：硬度(HV)：80。

实施例9

低导热银材料配方：

Ag 99.99％

Si 40ppm

Sn 20ppm

As 40ppm

其中，M和单质As的重量比为1.5:1；单质Si和单质Sn的重量比为2:1。

按上述配方混合在大气氛围下熔炼，熔炼设备采用高频感应熔炼炉，经过轧制后，形成厚度为1mm的银板；再将熔炼银材料进行机械碾压处理，铣床的碾压头转速为ω＝2200r/min，碾压头横向移动速度为v＝10mm/min，碾压钢球的直径为3mm，碾压深度为0.25mm。

在银表面深度约65μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：35nm；

热导率：265W/(m·K)，和对比例1相比，热导率降低25％；

力学性能：硬度(HV)：88。

实施例10

和实施例3的区别仅在于机械碾压处理过程中，铣床的碾压头转速为ω＝4000r/min，碾压头横向移动速度为v＝50mm/min。

在银表面深度约110μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：25nm；

热导率：210W/(m·K)，和对比例1相比，热导率降低49％；

力学性能：硬度(HV)：88。

实施例11

和实施例3的区别仅在于机械碾压处理过程中，碾压深度为0.02mm。

在银表面深度约60μm获得纳米结构组织，晶粒平均大小：45nm；

热导率：310W/(m·K)，和对比例1相比，热导率降低26％；

力学性能：硬度(HV)：70。

实施例12

和实施例3的区别仅在于并未对材料进行机械碾压处理.

材料表面没有纳米结构组织。

热导率：360W/(m·K)，和对比例1相比，热导率降低13％；

力学性能：硬度(HV)：48。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本发明提供的低导热银材料及其制备方法、银器，更有效地解决以解决现有技术中高纯度银材料热导率高的问题。

特别的是，实施例1至12中，本发明提供的低导热银材料包括单质Ag、M和单质As，其中M包括单质Si和/或单质Sn，且单质Ag的重量含量≥99.99％。一方面，银材料中单质Ag的重量含量≥99.99％，促使材料银纯度较高。另一方面，银材料中M和单质As的导热性相较于银较差，促使M和单质As作为银材料的合金微组分，促使材料具有更好的低导热性能。同时，材料的机械性能比如强度和硬度更佳，使用效果更好。和对比例1相比，在保持了银材料中银高纯度的前提下，材料热导率显著地降低，机械性能更好。

更特别的是，由实施例1至7的数据可知，按重量份计，低导热银材料中单质Ag控制在99.99％，M控制在10～50ppm，尤其是低导热银材料包括99.99％的单质Ag、8ppm的单质Si及92ppm的单质As；或者，低导热银材料包括99.99％的单质Ag、8ppm的单质Sn及92ppm的单质As；或者，低导热银材料包括99.99％的单质Ag、80ppm的单质As、12ppm的单质Si及8ppm的单质Sn。银材料中银纯度高，同时，材料热导率更显著地降低，机械性能如强度和硬度更高。

尤其特别的是，由实施例1至7、实施例8、实施例9的数据可知，M和单质As的重量比在(0.8:9.2)～(4.5:5.5)的范围内，M包括单质Si和单质Sn，且单质Si和单质Sn的重量比为(1:1.5)～1，M和单质As的重量比为(0.8:9.2)～(2:8)；或者，M包括单质Si，M和单质As的重量比为(0.8:9.2)～(1.3:8.7)；或者，M包括单质Sn，M和单质As的重量比为(0.8:9.2)～(1.5:8.5)。银材料的低导热性能更佳，机械性能如强度和硬度更佳。

除此以外，由实施例1至6、实施例10至12中的数据可知，熔炼后再进行机械碾压处理，机械碾压处理过程中，铣床的碾压头转速为ω＝2200～4000r/min，碾压头横向移动速度为v＝10～50mm/min，碾压钢球的直径为3～8mm；碾压深度为0.05～0.25mm。在此范围，材料的表层形成的剪切变形区厚度更适宜，晶粒细化地更均匀，晶粒平均大小更佳，形成的纳米结构尺寸更适宜，材料表面的纳米结构组织距表面深度更适宜，促使材料具有更佳的低导热性能，更高的机械强度和硬度。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低导热银材料，其特征在于，按重量含量计，所述低导热银材料由99.99%的单质Ag，10~50ppm的M和余量的单质As组成；其中，所述M由单质Si和/或单质Sn组成；所述M和所述单质As的重量比为（0.8:9.2）~（4.5:5.5）。

2.根据权利要求1所述的低导热银材料，其特征在于，

所述M由所述单质Si和所述单质Sn组成，且所述单质Si和所述单质Sn的重量比为（1:1.5）~1，所述M和所述单质As的重量比为（0.8:9.2）~（2:8）；或者，

所述M由所述单质Si组成，所述M和所述单质As的重量比为（0.8:9.2）~（1.3:8.7）；或者，

所述M由所述单质Sn组成，所述M和所述单质As的重量比为（0.8:9.2）~（1.5:8.5）。

3.根据权利要求2所述的低导热银材料，其特征在于，按重量含量计，

所述低导热银材料由99.99%的所述单质Ag、8ppm的所述单质Si及92ppm的所述单质As组成；或者，

所述低导热银材料由99.99%的所述单质Ag、8ppm的所述单质Sn及92ppm的所述单质As组成；或者，

所述低导热银材料由99.99%的所述单质Ag、80ppm的所述单质As、12ppm的所述单质Si及8ppm的所述单质Sn组成。

4.一种权利要求1至3中任一项所述的低导热银材料的制备方法，其特征在于，将单质Ag、M和单质As进行混合熔炼，得到所述低导热银材料。

5.根据权利要求4所述的低导热银材料的制备方法，其特征在于，所述熔炼中得到了熔炼银材料，所述制备方法还包括：将所述熔炼银材料进行机械碾压处理，得到所述低导热银材料。

6.根据权利要求5所述的低导热银材料的制备方法，其特征在于，将所述熔炼银材料在铣床上进行所述机械碾压处理，且所述铣床的碾压头转速为ω=2200~4000r/min，碾压头横向移动速度为v=10~50mm/min，碾压钢球的直径为3~8mm；所述机械碾压处理过程中，碾压深度为0.05~0.25mm。

7.一种银器，其特征在于，所述银器的材料为权利要求1至3中任一项所述的低导热银材料。