CN112981165A - 用作轻负荷电接触材料的金铜钆合金、丝材及其制备方法 - Google Patents

用作轻负荷电接触材料的金铜钆合金、丝材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用作轻负荷电接触材料的金铜钆合金、丝材及其制备方法，该合金成分(wt％)包括：10～25Cu，0.1～2.0Gd，0.01～2.0的稀土元素，余量为Au。制备方法如下：按上述成份比例配料，原料采用高纯金、无氧铜、高纯钆等稀土元素，采用感应加热制备成合金铸锭，经过锻造、轧制、拉拔、校直、分剪等工序制备合金及成品丝材。本发明的金铜钆合金可用作微型输电装置的电接触材料，实验证明，作为电刷丝时其耐磨性比Au‑20Cu有了明显提高，与AuAgCu、AuNiCu等导电环合金匹配使用，具有耐磨、接触电阻小等优点。

Description

用作轻负荷电接触材料的金铜钆合金、丝材及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用作轻负荷电接触材料的金铜钆合金、丝材及其制备方法，该合金可用作轻负荷电接触材料，特别是微型输电装置的电刷材料。
背景技术
微型输电装置包括电刷和导电环两种材料，广泛应用于陀螺仪表、惯性导航系统中，一般要求材料具有高的化学稳定性、抗电蚀性好、较低的摩擦系数、高的导电性、小而稳定的接触电阻、良好的加工性能和稳定的材料组织状态，同时要求电刷和导电环在硬度、耐磨性、金相组织等方面匹配良好，才能保证输电装置性能稳定、可靠，从而最终保证电器控制仪表的精度、可靠性及寿命。
微型输电装置中电刷材料常用合金包括AuAgCu、AuNi9、AuNiCu、AuCuPtAg、AuCu、PdIr合金等，主要性能如下表：
Figure BDA0002939680500000011
对于微型、弱电输电装置的而言，要求电刷丝、导电环的电阻率低，接触电阻低而稳定的，可以减少噪音电平。从上表可见金基合金如AuCu10、AuCu20、AuAgCu35-5虽然电阻率较低(一般小于15μΩ·cm)，但其强度和耐磨性普遍较差。
在某型号中电刷采用AuCu20合金丝，导电环采用AuNiCu、AuAgCu合金，长期存在寿命短、接触可靠性差、材料不耐磨等问题，造成金属屑堆积，从而导致微型输电装置短路失效，最终导致惯导系统无法正常工作等问题。因此，需要寻求一种电学性能与AuCu20合金相似、耐磨性更好的电刷材料。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电学性能与AuCu合金相似、但是耐磨性更好的AuCu系列用作轻负荷电接触材料的金铜钆合金。
本发明的技术方案为：
一种用作轻负荷电接触材料的金铜钆合金，该合金成分(wt％)包括：10～25Cu，0.1～2.0Gd，0.01～2.0的稀土元素，余量为Au。添加稀土元素的目的是细化晶粒，提高电刷的耐磨性和抗拉强度。
优选的，所述稀土元素为Sm、Y、Yb、Nd中的一种或几种元素。
优选的，该合金成分(wt％)为：20.0％Cu，0.50％Gd，余量为Au。
优选的，该合金成分(wt％)为：10.0％Cu，1.0％Gd，0.5％Sm，余量为Au。
优选的，该合金成分(wt％)为：25.0％Cu，0.5.0％Y，余量为Au。
本发明的金铜钆合金的制备方法包括熔炼、浇铸成型、铸锭开坯、轧制、热处理等步骤，制备出AuCuGd合金，具体工艺如下：
(1)合金各组元按名义成分配料，原料纯度大于99.95％；
(2)采用感应炉熔炼、石墨或氧化铝坩埚、抽真空(大于10-2Pa)再充氩气等惰性气体保护，所有元素熔化后再过热150～200℃后浇铸结晶模具内；
(3)均匀化处理，温度800～1000℃，时间2～5小时，加热过程中采用真空或木炭保护。
根据本发明的金铜钆合金制备得到的丝材，采用锻造开坯、轧制、中间退火、拉拔成丝、校直处理的方法制备，其丝材的直径Φ0.05～0.20mm；校直处理的温度400～650℃、速度2～10m/min。校直处理采用氢气:氩气＝1:1进行气氛保护下进行。
本发明的特点及有益效果：
与现有电刷合金相比，本发明提出的金铜钆合金电刷材料具有下优点：
1.本发明通过添加少量的Gd、Sm或其它稀土元素，显著细化了晶粒尺寸，提高了电刷丝的耐磨性，满足某输电装置对电刷丝丝接触电阻小而稳定、接触可靠性好、噪音低、耐磨损特点，提高相关仪表的性能稳定性。用Au-20Cu-0.5Gd作电刷丝，与AuAgCu导电环匹配，工作500小时后，电刷丝的耐磨性比Au-20Cu明显提高，满足了使用要求。
2.本发明的金铜钆合金制备方法，采用氢气、氩气混合气氛保护、中温校直、分剪成小段包装等工艺，保证丝材平直、表面光洁、长期储存后丝材不变形，确保装配成的微型输电装置中电刷丝不会偏离导电环，提高仪表的可靠性和使用寿命。
附图说明
图1：AuAgCu导电环与Au-Cu20电刷匹配情况的扫描电镜图；
图1中：用Au-Cu20作电刷、AuAgCu作导电环，装配成输电装置，工作500小时后用扫描电镜环、刷的形貌，环内有很多磨屑，刷丝磨损严重。
图2：AuAgCu导电环与Au-Cu20-Gd0.5匹配情况的扫描电镜图；
图2中：用Au-Cu20-Gd0.5作电刷、AuAgCu作导电环，工作500小时后环、刷的磨损明显减少。
具体实施方式
本发明所使用的原料纯度为：Au、Cu、Gd和其它元素的纯度≥99.95％(质量分数，wt％)。
实施例1
各组元按20.0％Cu、余量Au的成份配料，用石墨坩埚、高频感应炉熔炼，在熔炼时先将熔炼室抽真空至3×10-2Pa，充入氩气，所有元素熔化后再过热200℃后，浇铸结晶模具内；铸锭在真空下950℃均匀化出了时间2小时，经过锻造开坯、轧制、中间退火、拉拔成直径尺寸Φ0.20mm的丝材；丝材在氢气、氩气混合气氛下600℃校直处理，电阻率13.2μΩ.cm，抗拉强度790～820MPa。用作电刷与AuAgCu导电环匹配，工作500小时后，电刷丝磨损严重，导电环内磨屑较多，输电装置因接触电阻波动大而失效，如图1所示。
实施例2
各组元按10.0％Cu、1.0％Gd、0.5％Sm，余量Au的成份配料，用石墨坩埚、高频感应炉熔炼，在熔炼时先将熔炼室抽真空至3×10-2Pa，充入氩气，所有元素熔化后再过热200℃后，浇铸结晶模具内；铸锭在真空下950℃均匀化出了时间2小时，经过锻造开坯、轧制、中间退火、拉拔成直径尺寸Φ0.20mm的丝材；丝材在氢气、氩气混合气氛下600℃校直处理，电阻率12.5μΩ.cm，抗拉强度680～750MPa。
实施例3
各组元按20.0％Cu、0.50％Gd、余量Au的成份配料，用石墨坩埚、高频感应炉熔炼，在熔炼时先将熔炼室抽真空至5×10-2Pa，充入氩气，所有元素熔化后再过热200℃后，浇铸结晶模具内；铸锭在木炭保护下900℃均匀化出了时间4小时，经过锻造开坯、轧制、中间退火、拉拔成直径尺寸Φ0.15mm的丝材；丝材在氢气、氩气混合气氛下550℃校直处理，电阻率14.5μΩ.cm，抗拉强度920～1020MPa。用作电刷与AuAgCu导电环匹配，工作500小时后，电刷丝的耐磨性比Au-20Cu明显提高，如图2所示。
实施例4
各组元按25.0％Cu、0.5.0％Y、余量Au的成份配料，用氧化铝坩埚、高频感应炉熔炼，在熔炼时先将熔炼室抽真空至5×10-2Pa，充入氩气，所有元素熔化后再过热200℃后，浇铸结晶模具内；铸锭在木炭保护下850℃均匀化出了时间5小时，经过锻造开坯、轧制、中间退火、拉拔成直径尺寸Φ0.15mm的丝材；丝材在氢气、氩气混合气氛下550℃校直处理，电阻率15μΩ.cm，抗拉强度880～940MPa。

Claims (9)

1.一种用作轻负荷电接触材料的金铜钆合金，其特征在于：
该合金成分(wt％)包括：10～25Cu，0.1～2.0Gd，0.01～2.0的稀土元素，余量为Au。
2.根据权利要求1的金铜钆合金，其特征在于：
所述稀土元素为Sm、Y、Yb、Nd中的一种或几种元素。
3.根据权利要求1或2所述的金铜钆合金，其特征在于：
该合金成分(wt％)为：20.0％Cu，0.50％Gd，余量为Au。
4.根据权利要求1或2所述的金铜钆合金，其特征在于：
该合金成分(wt％)为：10.0％Cu，1.0％Gd，0.5％Sm，余量为Au。
5.根据权利要求1或2所述的金铜钆合金，其特征在于：
该合金成分(wt％)为：25.0％Cu，0.5.0％Y，余量为Au。
6.一种根据权利要求1～4任一项所述的金铜钆合金的制备方法，其特征在于，依序包括下列制备工艺步骤：
步骤(1)，合金各组元按名义成分配料，原料纯度大于99.95％；
步骤(2)，采用感应炉熔炼、石墨或氧化铝坩埚、抽真空再充惰性气体保护，各组元完全后再过热150～200℃，浇铸结晶模具内；
步骤(3)，均匀化处理，温度800～1000℃，时间2～5小时，加热过程中采用真空或木炭保护。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中：
抽真空大于10-2Pa；惰性气体为氩气。
8.一种根据权利要求1～4任一项所述的金铜钆合金的丝材，其特征在于：
所述丝材的直径Φ0.05～0.20mm；
采用锻造开坯、轧制、中间退火、拉拔成丝、校直处理的方法制备；
所述校直处理的温度400～650℃、速度2～10m/min。
9.根据权利要求8所述的丝材，其特征在于，所述校直处理还包括：
采用氢气:氩气＝1:1进行气氛保护下进行。
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