CN115418545B - 一种贵金属高熵合金电接触材料及其制备方法 - Google Patents

一种贵金属高熵合金电接触材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种贵金属高熵合金电接触材料及其制备方法，按质量百分数计：Au 18～28％；Cu 18～28％；Ni 18～28％；余量为其它金属元素，所述其它金属元素为Pt、Pd其中的一种或两种的金属元素；本发明提高了合金硬度与强度，也降低了合金成本，同时也降低了合金的电阻率。在航空航天、精密电器元件等领域有着极大的潜在应用价值；本发明制备的贵金属高熵合金电接触材料显微硬度为449～468HV，抗拉强度为1389～1674MPa，电阻率为29.2～57.33μΩ·cm。

Description

一种贵金属高熵合金电接触材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及功能材料技术领域，尤其涉及一种贵金属高熵合金电接触材料及其制备方法。
背景技术
电接触材料是作为开关电器和电子元器件中重要的功能性元件，主要用于导电刷、电触点等。电接触元件的性能指标关乎着所应用的电子产品以及整个电力系统的稳定性与使用寿命。如果电触头系统不能正常工作，将引起不可估量的损失。随着现代工业与科学技术的飞速发展，以及电子仪器产品的更新换代速度加快，且电接触材料又广泛应用于航空航天、精密电器元件等高尖端技术领域。因此，对电接触材料的性能指标日益增强。
由于贵金属有着优良的力学与电学性能，并且在所有导电材料中其化学稳定性最佳。因此，贵金属电接触材料成为高尖端技术领域的主流材料。现有贵金属电接触材料主要是以银基、金基、铂基、钯基为主，添加其它元素制备得到。而银基电接触材料虽然拥有优异的导电性，但其硬度、强度及耐磨性有所欠缺，已经不能够满足于现代科学技术领域对电接触材料需具有高强高耐磨性的要求。因此，目前集中于研究金基、铂基、钯基电接触材料，在满足导电性要求的同时，显著提高其硬度、强度及耐磨性。近年来，随着高熵合金的快速发展，独特的成分设计使其拥有优于传统合金的强韧性。因此，需要设计一种与传统贵金属电接触材料的成分设计不同，不以贵金属元素为基体的一种高强度的贵金属电接触材料来解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种贵金属高熵合金电接触材料及其制备方法。
本发明的技术方案是：
一种贵金属高熵合金电接触材料，按质量百分数计：
Au 18～28％；
Cu 18～28％；
Ni 18～28％；
余量为其它金属元素，所述其它金属元素为Pt、Pd其中的一种或两种。
作为优选的技术方案，所述Au的原料形态为金粒；所述Ni的原料形态为镍粒；所述Pt的原料形态为铂片；所述Cu的原料形态为铜粒；所述Pd的原料形态为钯片。
本发明还公开了一种制备贵金属高熵合金电接触材料的方法，包括下列步骤：
1)配料，以质量百分数计，按照质量百分比配比以下组分，18～28％的Au、18～28％的Cu、18～28％的Ni与余量其它金属元素，以上组分质量百分比总量为100％，分别称取金粒、铜粒、镍粒与其它金属元素的原料形态；制备合金混料；
2)熔炼，将步骤1)所得合金混料放入熔炼炉中，对熔炼炉进行抽真空，熔炼电流为200～300A对金属进行熔化，重复熔炼3～4次；金属全部熔化后，降低电流，可减少低熔点Au、Cu元素的挥发；合金在熔融状态下浇铸成型制备出Φ＝16mm合金铸棒；
3)轧制，将步骤2)所得合金铸棒在轧机上进行轧制，室温环境，在总变形量达到80％～90％时，用马沸炉进行850℃的1h淬火处理，以消除加工硬化缺陷及应力，便于后续加工以及防止继续轧制引起合金开裂；继续轧制，直至轧制到Φ＝1.3mm合金棒材，再次用马沸炉进行850℃的1h淬火处理，得到合金棒材；
4)拉拔，将步骤3)所得合金棒材利用拉丝机制备出Φ＝0.4mm合金丝材，变形量为90.5％；
5)时效处理，将步骤4)所得合金丝材在真空退火炉内进行热处理，温度为300～550℃，保温时间1h，得到贵金属高熵合金电接触材料。
作为优选的技术方案，所述步骤2)中对熔炼炉进行抽真空，使熔炼炉腔内真空度达到5×10-3Pa以下。
作为优选的技术方案，所述步骤5)中温度为350～500℃。
作为优选的技术方案，所述步骤5)中真空退火炉内真空度＜5×10-3Pa真空度。
作为优选的技术方案，所述步骤1)中其它金属元素包括Pt、Pd其中的一种或两种,其中Pt的原料形态为铂片，Pd的原料形态为钯片。
由于采用了上述技术方案一种贵金属高熵合金电接触材料及其制备方法，包括以下步骤：1)配料，以质量百分数计，按照质量百分比配比以下组分，18～28％的Au、18～28％的Cu、18～28％的Ni与余量其它金属元素，以上组分质量百分比总量为100％，分别称取金粒、铜粒、镍粒与其它金属元素的原料形态；制备合金混料；2)熔炼，将步骤1)所得合金混料放入熔炼炉中，对熔炼炉进行抽真空，熔炼电流为200～300A对金属进行熔化，重复熔炼3～4次；金属全部熔化后，降低电流，合金在熔融状态下浇铸成型制备出Φ＝16mm合金铸棒；3)轧制，将步骤2)所得合金铸棒在轧机上进行轧制，室温环境，在总变形量达到80％～90％时，用马沸炉进行850℃的1h淬火处理，继续轧制，直至轧制到Φ＝1.3mm合金棒材，再次用马沸炉进行850℃的1h淬火处理，得到合金棒材；4)拉拔，将步骤3)所得合金棒材利用拉丝机制备出Φ＝0.4mm合金丝材，变形量为90.5％；5)时效处理，将步骤4)所得合金丝材在真空退火炉内进行热处理，温度为300～550℃，保温时间1h，得到贵金属高熵合金电接触材料。
本发明的优点：
(1)通过加入Cu、Ni合金化元素，设计制备等质量比贵金属高熵合金，既提高了合金硬度与强度，也降低了合金成本。本发明合金中的贵金属元素占比只有45％～65％(wt.％)。
(2)通过对合金丝材时效处理，利用析出纳米有序相使合金获得显著的时效强化效果。既提高合金硬度、强度及耐磨性能，同时也降低了合金的电阻率。在航空航天、精密电器元件等领域有着极大的潜在应用价值。
(3)本发明设计制备了等质量比的PtAuCuNi、PdAuCuNi、PtAuPdCuNi合金。与传统贵金属电接触材料的成分设计不同，不以贵金属元素为基体，添加其它元素，而是通过等质量的成分配比，从而得到高强度的贵金属电接触材料，本发明所述的制备方法制备出的贵金属高熵合金电接触材料显微硬度为449～468HV，抗拉强度为1389～1674MPa，电阻率为29.2～57.33μΩ·cm。
具体实施方式
为了弥补以上不足，本发明提供了一种贵金属高熵合金电接触材料及其制备方法以解决上述背景技术中的问题。
一种贵金属高熵合金电接触材料，按质量百分数计：
Au 18～28％；
Cu 18～28％；
Ni 18～28％；
余量为其它金属元素，所述其它金属元素为Pt、Pd其中的一种或两种。
所述Au的原料形态为金粒；所述Ni的原料形态为镍粒；所述Pt的原料形态为铂片；所述Cu的原料形态为铜粒；所述Pd的原料形态为钯片。
本发明还公开了一种制备贵金属高熵合金电接触材料的方法，包括下列步骤：
1)配料，以质量百分数计，按照质量百分比配比以下组分，18～28％的Au、18～28％的Cu、18～28％的Ni与余量其它金属元素，以上组分质量百分比总量为100％，分别称取金粒、铜粒、镍粒与其它金属元素的原料形态；制备合金混料；
2)熔炼，将步骤1)所得合金混料放入熔炼炉中，对熔炼炉进行抽真空，熔炼电流为200～300A对金属进行熔化，重复熔炼3～4次；金属全部熔化后，降低电流，合金在熔融状态下浇铸成型制备出Φ＝16mm合金铸棒；
3)轧制，将步骤2)所得合金铸棒在轧机上进行轧制，室温环境，在总变形量达到80％～90％时，用马沸炉进行850℃的1h淬火处理，继续轧制，直至轧制到Φ＝1.3mm合金棒材，再次用马沸炉进行850℃的1h淬火处理，得到合金棒材；
4)拉拔，将步骤3)所得合金棒材利用拉丝机制备出Φ＝0.4mm合金丝材，变形量为90.5％；
5)时效处理，将步骤4)所得合金丝材在真空退火炉内进行热处理，温度为300～550℃，保温时间1h，得到贵金属高熵合金电接触材料。
所述步骤2)中对熔炼炉进行抽真空，使熔炼炉腔内真空度达到5×10-3Pa以下。
所述步骤5)中温度为350～500℃。
所述步骤5)中真空退火炉内真空度＜5×10-3Pa真空度。
所述步骤1)中其它金属元素包括Pt、Pd其中的一种或两种,其中Pt的原料形态为铂片，Pd的原料形态为钯片。
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
按照下述步骤制备电接触材料：
(1)配料
选择纯度99.99％的合金元素，按照等质量配比，即25％Pt、25％Au、25％Cu、25％Ni称取铂片、金粒、铜粒、镍粒。将合金元素均匀混合放置。
(2)熔炼
将步骤(1)所得合金混料放置于熔炼炉中，将熔炼室抽至5×10-3Pa以下真空度，所用电流200～300A，将熔融状态的合金浇铸成型制备出Φ＝16mm合金铸棒。
(3)轧制
将步骤(2)所得合金铸棒在冷轧机上进行冷轧，轧制过程中在总变形量达到80％～90％时需进行850℃-1h淬火处理。直至制备出Φ＝1.3mm的合金棒材，然后再进行850℃-1h淬火处理。
(4)拉拔
将步骤(3)所得的Φ＝1.3mm的合金棒材使用拉丝机进行丝材拉制，经过90.5％的形变量时，制备出Φ＝0.4mm的合金丝材。
(5)时效处理
将步骤(4)所得的合金丝材使用真空退火炉进行400℃-1h真空退火处理，得到PtAuCuNi合金丝材。
利用上述方法得到的PtAuCuNi合金丝材的显微硬度为454HV，抗拉强度为1497MPa，电阻率为57.3μΩ·cm。
实施例2
按照下述步骤制备电接触材料：
(1)配料
选择纯度99.99％的合金元素，按照等质量配比，即25％Pd、25％Au、25％Cu、25％Ni称取钯片、金粒、铜粒、镍粒。将合金元素均匀混合放置。
(2)熔炼
将步骤(1)所得合金混料放置于熔炼炉中，将熔炼室抽至5×10-3Pa以下真空度，所用电流200～300A，将熔融状态的合金浇铸成型制备出Φ＝16mm合金铸棒。
(3)轧制
将步骤(2)所得合金铸棒在冷轧机上进行冷轧，轧制过程中在总变形量达到80％～90％时需进行850℃-1h淬火处理。直至制备出Φ＝1.3mm的合金棒材，然后再进行850℃-1h淬火处理。
(4)拉拔
将步骤(3)所得的Φ＝1.3mm的合金棒材使用拉丝机进行丝材拉制，经过90.5％的形变量时，制备出Φ＝0.4mm的合金丝材。
(5)时效处理
将步骤(4)所得的合金丝材使用真空退火炉进行450℃-1h真空退火处理，得到PdAuCuNi合金丝材。
利用上述方法得到的PdAuCuNi合金丝材的显微硬度为449HV，抗拉强度为1389MPa，电阻率为29.2μΩ·cm。
实施例3
按照下述步骤制备电接触材料：
(1)配料
选择纯度99.99％的合金元素，按照等质量配比，即20％Pt、20％Au、20％Pd、20％Cu、20％Ni称取铂片、金粒、钯片、铜粒、镍粒。将合金元素均匀混合放置。
(2)熔炼
将步骤(1)所得合金混料放置于熔炼炉中，将熔炼室抽至5×10-3Pa以下真空度，所用电流200～300A，将熔融状态的合金浇铸成型制备出Φ＝16mm合金铸棒。
(3)轧制
将步骤(2)所得合金铸棒在冷轧机上进行冷轧，轧制过程中在总变形量达到80％～90％时需进行850℃-1h淬火处理。直至制备出Φ＝1.3mm的合金棒材，然后再进行850℃-1h淬火处理。
(4)拉拔
将步骤(3)所得的Φ＝1.3mm的合金棒材使用拉丝机进行丝材拉制，经过90.5％的形变量时，制备出Φ＝0.4mm的合金丝材。
(5)时效处理
将步骤(4)所得的合金丝材使用真空退火炉进行500℃-1h真空退火处理，得到PtAuPdCuNi合金丝材。
利用上述方法得到的PtAuPdCuNi合金丝材的显微硬度为468HV，抗拉强度为1674MPa，电阻率为44.6μΩ·cm。
实验例：
将本发明实施例1、实施例2、实施例3中的电接触材料，分别与对比例1、对比例2和对比例3进行对比，
对比例1为根据常规制备的铂基合金电接触材料；
常规制备的铂基合金电接触材料方法如下：1)1800～2000℃温度下1×10-3Pa真空熔炼；
2)机械冷处理1)步得到的合金锭制成片材、棒材或丝材，机械冷处理过程中变形量达到50-60％时，600-1300℃热处理所得片材、棒材或丝材0.5～1.0h，经后续冷加工技术处理即可获得对比例1。铂基合金电接触材料其成分(重量％)为：Ir5.0～30.0，Ru1.0～10.0，0.1～2.0的La、Sm、Y之任一种，余量为Pt.。
对比例2为根据常规制备的金基合金电接触材料；
常规制备的金基合金电接触材料方法如下：金基合金的组成和含量(重量％)为：Pt10-18,Pd8-15,Cu10-15,Rh5-8,Ni3-6，余量为Au；采用纯度为99.95％的Au、Pt、Pd、Rh，纯度为99.9％的Cu、Ni，配制合金，用优质坩埚在保护气氛下熔铸，均一化退火，用传统的合金加工方法进行热处理和冷加工，制备成丝材：Ф0.3mm，带材0.7mm×0.07mm,0.10mm×0.8mm，经350℃时效处理后获得对比例2。
对比例3为根据常规制备的钯基合金电接触材料；
常规制备的钯基合金电接触材料方法如下：(1)选择纯度>99.99％的合金原材料，根据合金化学成份设计配方要求，其化学成份的重量百分比为：1.0～30.0Ru，0.1～5.0Nb，0.1～5.0Zr，0.1～5.0Mo，0.1～5.0Ta，0.1～5.0Yb，0.1～5.0Sm，0.1～5.0Tb，余量为Pd，配料，随后在真空中频或高频熔炼炉内合金化，真空度：>1×10-3Pa；(2)待熔体过热温度达到100℃～200℃后，进行真空浇注为板材或圆锭，板材尺寸厚度分别为8～15mm×30～50mm，圆锭尺寸直径Ф为60mm～100mm，熔体的冷却速率为>1×104K/s，(3)最终制备得PdRuNbZrMoTaYbSmTb多元系稀贵金属钯合金材料；(4)合金通过挤压、轧制、拉拔、热处理工艺制备出带材、丝材或异型材形状的成品；获得对比例3。
将实施例1、实施例2、实施例3中的电接触材料，分别与对比例1、对比例2和对比例3进行对比，获得下表1：
表1.实施例与对比例合金性能比较
本发明中的实施例组跟对比例相比较，性能具有显著的进步。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种贵金属高熵合金电接触材料，其特征在于，按质量百分数计：
Au 18～28％；
Cu 18～28％；
Ni 18～28％；
余量为其它金属元素，所述其它金属元素为Pt、Pd其中的一种或两种；
所述贵金属高熵合金电接触材料的方法，包括下列步骤：
1)配料，以质量百分数计，按照质量百分比配比以下组分，18～28％的Au、18～28％的Cu、18～28％的Ni与余量其它金属元素，以上组分质量百分比总量为100％，分别称取金粒、铜粒、镍粒与其它金属元素的原料形态；制备合金混料；
2)熔炼，将步骤1)所得合金混料放入熔炼炉中，对熔炼炉进行抽真空，熔炼电流为200～300A对金属进行熔化，重复熔炼3～4次；金属全部熔化后，降低电流，合金在熔融状态下浇铸成型制备出Φ＝16mm合金铸棒；
3)轧制，将步骤2)所得合金铸棒在轧机上进行轧制，室温环境，在总变形量达到80％～90％时，用马沸炉进行850℃的1h淬火处理，继续轧制，直至轧制到Φ＝1.3mm合金棒材，再次用马沸炉进行850℃的1h淬火处理，得到合金棒材；
4)拉拔，将步骤3)所得合金棒材利用拉丝机制备出Φ＝0 .4mm合金丝材，变形量为90.5％；
5)时效处理，将步骤4)所得合金丝材在真空退火炉内进行热处理，温度为300～550℃，保温时间1h，得到贵金属高熵合金电接触材料。
2.如权利要求1所述一种贵金属高熵合金电接触材料，其特征在于：所述Au的原料形态为金粒；所述Ni的原料形态为镍粒；所述Pt的原料形态为铂片；所述Cu的原料形态为铜粒；所述Pd的原料形态为钯片。
3.一种制备如权利要求1或2所述的贵金属高熵合金电接触材料的方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)配料，以质量百分数计，按照质量百分比配比以下组分，18～28％的Au、18～28％的Cu、18～28％的Ni与余量其它金属元素，以上组分质量百分比总量为100％，分别称取金粒、铜粒、镍粒与其它金属元素的原料形态；制备合金混料；
2)熔炼，将步骤1)所得合金混料放入熔炼炉中，对熔炼炉进行抽真空，熔炼电流为200～300A对金属进行熔化，重复熔炼3～4次；金属全部熔化后，降低电流，合金在熔融状态下浇铸成型制备出Φ＝16mm合金铸棒；
3)轧制，将步骤2)所得合金铸棒在轧机上进行轧制，室温环境，在总变形量达到80％～90％时，用马沸炉进行850℃的1h淬火处理，继续轧制，直至轧制到Φ＝1.3mm合金棒材，再次用马沸炉进行850℃的1h淬火处理，得到合金棒材；
4)拉拔，将步骤3)所得合金棒材利用拉丝机制备出Φ＝0 .4mm合金丝材，变形量为90.5％；
5)时效处理，将步骤4)所得合金丝材在真空退火炉内进行热处理，温度为300～550℃，保温时间1h，得到贵金属高熵合金电接触材料。
4.如权利要求3所述的制备贵金属高熵合金电接触材料的方法，其特征在于：所述步骤2)中对熔炼炉进行抽真空，使熔炼炉腔内真空度达到5×10-3Pa以下。
5.如权利要求3所述的制备贵金属高熵合金电接触材料的方法，其特征在于：所述步骤5)中温度为350～500℃。
6.如权利要求3所述的制备贵金属高熵合金电接触材料的方法，其特征在于：所述步骤5)中真空退火炉内真空度＜5×10-3Pa真空度。
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