CN1644742A - 一种银－铜－碳－稀土合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种银—铜—碳—稀土合金材料，由Ag、Cu、C、稀土元素构成，本合金材料在不降低材料电学性能的前提下，在Ag－C系列中加入了铜和微量稀土元素，并通过机械合金化材料制备新技术，提供了一种银—铜—碳—稀土合金材料。这种合金材料性能优异，并节约了贵金属银，使材料的整体成本下降。材料具有明显的技术优势和更强的市场竞争力。符合国家节银代银的发展战略和合理利用资源的基本国策。该材料是一种具有良好经济效益和明显社会效益的新型材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种银-铜-碳-稀土合金材料及其制备方法，属于材料化学领域。
背景技术
Ag-C(银碳合金)材料具有良好的导电性，优良的耐磨性和自润滑性，接触电阻低且稳定，特别是抗熔焊性是其他接触材料无法相比的，也是目前低压电器中等电流负载的断路器、保护开关的首选材料，因此用量大，应用范围广。在长期的使用中，人们发现单纯的Ag-C合金材料抗电腐蚀性能较差，在某种场合下金属迁移严重。
Cu-C(铜碳合金)是一种和Ag-C有着类似性能的合金，在某种特性方面如：抗电腐蚀、电磨损优于Ag-C。Ag-C、Cu-C合金都是由两种不易融合在一起的元素组成，只能用粉末冶金的方法来制备，它们的延展性和加工性能都远远低于其它电接触材料，更主要的是这类材料焊接性能差，为了与触桥有良好的焊接性能，必须在触头的一个平面铺银或采用脱炭的工艺来解决焊接问题，而Cu-C则无法焊接，只有采用镶嵌、夹紧的方法来固定，而其它用于电接触的材料在导电性、耐磨性和自润滑性等方面又有很大的不足。因此长期以来在提高Ag-C材料电学性能的同时，怎样解决提高材料的机械性能和焊接性能等问题，成了当务之急。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种银-铜-碳-稀土合金材料。
本发明的另一个目的是提供一种银-铜-碳-稀土合金材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明的一个技术方案提供了一种银-铜-碳-稀土合金材料，该银-铜-碳-稀土合金材料主要由Ag(银)、Cu(铜)、C(碳)、稀土元素构成，各物质质量百分含量如下：Cu 5-40％，C 0.5-10％，稀土0.03-2.0％，其余为Ag。
本发明银-铜-碳-稀土合金材料的优选配方为：各物质质量百分含量如下：Cu 10-30％，C 2-5％，稀土0.1-1.5％，其余为Ag。
本发明银-铜-碳-稀土合金材料的更优选配方为：各物质质量百分含量如下：Cu 25％，C3％，稀土0.5％，其余为Ag。
本发明银-铜-碳-稀土合金材料中所用稀土元素为La，Ge，Y或混合稀土中的任意一种。
混合稀土是指以一种稀土为主，加入一定比例的其它稀土元素熔炼而成的稀土金属，在名称上也有以含量最多的一种稀土命名为“富×稀土金属”的称谓。例如“富Ce稀土金属”“富La稀土金属”等。该类产品是稀土生产厂家的定型产品，本发明中应用的是湖南长沙稀土研究所生产的产品。
在上述技术方案中稀土可采用Ag-稀土中间合金粉碎后加入。
本发明银-铜-碳-稀土合金材料的制备方法：
1.混合。
2.机械合金化反应。
3.低温退火。
4.热压。
5.烧结。
6.挤压。
7.拉拔。
8.整形处理。
9.检验。
进一步说明本发明银-铜-碳-稀土合金材料的制备方法：
1.混合：按配方称取各组分原料，经粉碎后过80-400目筛，装入混料桶中，混合1-3小时。
2.机械合金化反应：将混合好的粉料装入高能球磨机的料罐内，装入粉料重量3-5倍的钢球和磨块，密封罐口，抽真空至-0.1Mpa，然后充入0.03Mpa的氮气作为保护气，打开高能球磨机的冷却系统和控制系统，机械合金化5-10小时；待高能球磨机中粉料冷却后取出粉料，过200目筛。
3.低温退火：将步骤2中制得的粉料用现有技术在500-550℃的温度下以氢气为保护气进行低温去应力退火，退火时间为2小时。
4.热压：将步骤3中制得的粉料过200目筛，装入压模内，在600℃的温度下以氮气为保护气，以5吨/cm2的压力压制5分钟。
5.烧结：将步骤4中制得的合金材料在烧结炉中以氢气做保护气，在930-970℃的温度下烧结6小时，在烧结时将合金材料埋在炭粉中，以防止脱炭。
6.挤压：将步骤5中烧结的合金材料在690-750℃下，以0.3米/秒的挤压速度，挤压比为100-180∶1的条件进行挤压6-10秒。
7.拉拔：将步骤6中挤压好的合金材料在拉拔机上，用变形量为3％或5％的模具拉拔一次。
8.整形处理：将步骤7中制得的合金材料按用户所需尺寸进行切片，然后对切好的合金材料在900℃温度下进行脱炭处理，脱炭厚度10-20μm，该材料根据焊接要求可单面或多面脱炭，可脱炭1-5个面；然后以现有技术进行除油、去毛刺、抛光，即为本发明银-铜-碳-稀土合金材料的产品。
9.检验：抽样检验合金的晶界分布，脱炭厚度，表面光洁度。
本发明在不降低材料电学性能的前提下，在Ag-C系列中加入了铜和微量稀土元素，并通过机械合金化材料制备新技术，提供了银-铜-碳-稀土合金材料。这种合金材料性能优异，并节约了贵金属银，使材料的整体成本下降。材料具有明显的技术优势和更强的市场竞争力。符合国家节银代银的发展战略和合理利用资源的基本国策。该材料是一种具有良好经济效益和明显社会效益的新型材料。
下面结合各成分、含量及工艺更进一步说明本发明银-铜-碳-稀土合金材料的有益效果。
本发明将Ag-C和Cu-C两种系列材料，通过成分的筛选优化，形成新的合金体系，充分发挥两种材料的优势，在Ag-C系列中由于Cu的加入，提高了合金整体的机械物理性能，特别是抗电腐蚀能力的提高更为显著，解决了长期以来Ag-C系列材料抗电腐蚀性能差的难题，降低了在电弧作用下材料的电损耗，提高了触头的使用寿命和可靠性。
微量稀土加入后，在机械合金化、烧结、压力加工等作用下，与机体中的银形成金属间化合物弥散分布，特别在晶界上分布量较多，使触头的灭弧能力及机械加工性能都得到提高。
该材料根据用户的焊接要求可单面或多面脱炭，脱炭后的金属层面与触桥有着十分良好的焊接性能，较好的解决了触点的焊接问题。
利用机械合金化材料制备新技术，在高能球磨机生产的机械高能作用下，Ag-Cu-C等各元素在破碎-焊合-破碎-焊合的循环作用下，材料内部组织结构发生了很大变化，特别是C颗粒得到进一步的细化，在基体内部形成更为均匀的弥散状，在随后的挤压过程中形成的纤维状组织也就更为均匀，部分在熔融状态下不互溶的金属组元产生了互溶，使材料的整体综合性能从微观组织上得到提高和保证。
附图说明
图1为放大100倍的本发明银-铜-碳-稀土合金材料中石墨颗粒的横向晶界分布图
图2为放大100倍的本发明银-铜-碳-稀上合金材料中石墨颗粒的纵向晶界分布图
图3为放大250倍的本发明银-铜-碳-稀土合金材料中石墨颗粒的横向晶界分布图
图4为放大250倍的本发明银-铜-碳-稀土合金材料中石墨颗粒的纵向晶界分布图
图2，图4为由于挤压而引起的石墨颗粒平行于挤压方向的晶界分布图(纵向)；图1图3为由于挤压而引起的石墨颗粒垂直于触点的工作面的晶界分布图(横向)。通过图可以看出：各组分得到充分的细化，分布均匀。
具体实施方式：
下面列举制备本发明银-铜-碳-稀土合金材料的实施例，对本发明加以进一步说明，但本发明不只限于这些实施例。
实施例1
1.混合：按配方称取各组分原料Cu 10kg，C 2kg，稀土0.1kg，Ag87.9kg，经粉碎后过80目筛，装入混料桶中，混合1小时。
2.机械合金化反应：将混合好的粉料装入高能球磨机的料罐内，装入体积为粉料体积3倍的钢球和磨块，密封罐口，抽真空至-0.1Mpa，然后充入0.03Mpa的氮气作为保护气，打开高能球磨机的冷却系统和控制系统，机械合金化5小时；待高能球磨机中粉料冷却后取出粉料，过200目筛，取用粒径小于200目的粉末，不能通过200目筛的粉料放回高能球磨机内粉碎。
3.低温退火：用现有技术，将步骤2中制得的粉料在500-550℃的温度下以氢气为保护气进行低温去应力退火，退火时间为2小时。
4.热压：将步骤3中制得的粉料过200目筛，装入压模内，在600℃的温度下以氮气为保护气，以5吨/cm2的压力压制5分钟。
5.烧结：将步骤4中制得的合金材料在烧结炉中以氢气做保护气，在930-970℃的温度下烧结6小时，在烧结时将合金材料埋在炭粉中，以防止脱炭。
6.挤压：将步骤5中烧结的合金材料在690-750℃下，以0.3米/秒的挤压速度，挤压比为100∶1的条件进行挤压6秒。
7.拉拔：将步骤6中挤压好的合金材料在拉拔机上，过一次变形量为3-5％拉拔模。
8.整形处理：将步骤7中制得的合金材料按用户所需尺寸进行切片，然后对切好的触点在900℃温度下进行脱炭处理，单面脱炭，脱炭厚度10μm，然后以现有技术进行除油、去毛刺、抛光，即为本发明银-铜-碳-稀土合金材料的产品。
9.检验：抽样检验合金的晶界分布，脱炭厚度，表面光洁度。
实施例2
1.混合：按配方称取各组分原料Cu 40kg，C 10kg，稀土2.0kg，Ag48kg，经粉碎后过400目筛，装入混料桶中，混合3小时。
2.机械合金化反应：将混合好的粉料装入高能球磨机的料罐内，装入体积为粉料体积5倍的钢球和磨块，密封罐口，抽真空至-0.1Mpa，然后充入0.03Mpa的氮气作为保护气，打开高能球磨机的冷却系统和控制系统，机械合金化10小时；待高能球磨机中粉料冷却后取出粉料，过200目筛。
3.低温退火：用现有技术，将步骤2中制得的粉料在500-550℃的温度下以氢气为保护气进行低温去应力退火，退火时间为2小时。
4.热压：将步骤3中制得的粉料过200目筛，装入压模内，在600℃的温度下以氮气为保护气，以5吨/cm2的压力压制5分钟。
5.烧结：将步骤4中制得的合金材料在烧结炉中以氢气做保护气，在930-970℃的温度下烧结6小时，在烧结时将合金材料埋在炭粉中，以防止脱炭。
6.挤压：将步骤5中烧结的合金材料在690-750℃下，以0.3米/秒的挤压速度，挤压比为180∶1的条件进行挤压，挤压8秒。
7.拉拔：将步骤6中挤压好的合金材料在拉拔机上，过一次变形量为3-5％拉拔模。
8.整形处理：将步骤7中制得的合金材料按用户所需尺寸进行切片，然后对切好的触点在900℃温度下进行脱炭处理，三面脱炭，脱炭厚度20μm，然后以现有技术进行除油、去毛刺、抛光，即为本发明银-铜-碳-稀土合金材料的产品。
9.检验：抽样检验合金的晶界分布，脱炭厚度，表面光洁度。
实施例3
1.混合：按配方称取各组分原料Cu 25Kg，C3 Kg，稀土0.5 Kg，Ag 71.5Kg，经粉碎后过200目筛，装入混料桶中，混合2.5小时。
2.机械合金化反应：将混合好的粉料装入高能球磨机的料罐内，装入体积为粉料体积4倍的钢球和磨块，密封罐口，抽真空至-0.1Mpa，然后充入0.03Mpa的氮气作为保护气，打开高能球磨机的冷却系统和控制系统，机械合金化7.5小时；待高能球磨机中粉料冷却后取出粉料，过200目筛。
3.低温退火：将步骤2中制得的粉料用现有技术在500-550℃的温度下以氢气为保护气进行低温去应力退火，退火时间为2小时。
4.热压：将步骤3中制得的粉料过200目筛，装入压模内，在600℃的温度下以氮气为保护气，以5吨/cm2的压力压制5分钟。
5.烧结：将步骤4中制得的合金材料在烧结炉中以氢气做保护气，在930-970℃的温度下烧结6小时，在烧结时将合金材料埋在炭粉中，以防止脱炭。
6.挤压：将步骤5中烧结的合金材料在690-750℃下，以0.3米/秒的挤压速度，挤压比为150∶1的条件进行挤压10秒。
7.拉拔：将步骤6中挤压好的合金材料在拉拔机上，过一次变形量为3-5％拉拔模。
8.整形处理：将步骤7中制得的合金材料按用户所需尺寸进行切片，然后对切好的触点在900℃温度下进行脱炭处理，双面脱炭，脱炭厚度15μm，然后以现有技术进行除油、去毛刺、抛光，即为本发明银-铜-碳-稀土合金材料的产品。
9.检验：抽样检验合金的晶界分布，脱炭厚度，表面光洁度。
实施例4-7
用和实施例1同样的方法制备银-铜-碳-稀土合金材料，实施例4-7用到的具体原料名称和配比如表1所示。
表1：
| 原料名称 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 | 实施例7 |
| Cu(kg) | 5 | 30 | 15 | 25 |
| C(kg) | 0.5 | 5 | 4 | 8 |
| Ge(kg) | 0.03 | 0 | 0 | 0 |
| Y(kg) | 0 | 1.5 | 0 | 0 |
| 富La稀土金属(kg) | 0 | 0 | 0.8 | 0 |
| 富Ge稀土金属(kg) | 0 | 0 | 0 | 1.2 |
| Ag(kg) | 94.47 | 63.5 | 80.2 | 65.8 |
Claims (9)
1.一种银-铜-碳-稀土合金材料，该银-铜-碳-稀土合金材料由Ag、Cu、C、稀土元素构成，各物质质量百分含量如下：Cu 5-40％，C 0.5-10％，稀土0.03-2.0％，其余为Ag。
2.根据权利要求1所述的银-铜-碳-稀土合金材料，其特征在于，各物质质量百分含量如下：Cu 10-30％，C 2-5％，稀土0.1-1.5％，其余为Ag。
3.根据权利要求1所述的银-铜-碳-稀土合金材料，其特征在于，各物质质量百分含量如下：Cu 25％，C 3％，稀土0.5％，其余为Ag。
4.根据权利要求1或2或3所述的银-铜-碳-稀土合金材料，其特征在于，稀土元素为La、Ge、Y或混合稀土中的任意一种。
5.一种制备权利要求1所述的银-铜-碳-稀土合金材料的方法，该方法包括以下步骤：
①混合；
②机械合金化反应；
③低温退火；
④热压；
⑤烧结；
⑥挤压；
⑦拉拔；
⑧整形处理；
⑨检验。
6.根据权利要求5所述的银-铜-碳-稀土合金材料的制备方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
①混合：按配方称取各组分原料，经粉碎后过80-400目筛，装入混料桶中，混合1-3小时；
②机械合金化反应：将混合好的粉料装入高能球磨机的料罐内，机械合金化5-10小时；
③低温退火：用现有技术，将步骤2中制得的粉料在500-550℃的温度下以氢气为保护气，进行低温去应力退火，退火时间为2小时；
④热压：将步骤3中制得的粉料过200目筛，装入压模内，在600℃的温度下以氮气为保护气，以5吨/cm2的压力压制5分钟；
⑤烧结：将步骤4中制得的合金材料在烧结炉中以氢气为保护气，在930-970℃温度下烧结6小时，烧结时将合金材料埋在炭粉中，以防止脱炭；
⑥挤压：将步骤5中烧结的合金材料在690-750℃下，以0.3米/秒的挤压速度，挤压比为100-180∶1的条件挤压6-10秒；
⑦拉拔：将步骤6中挤压好的合金材料在拉拔机上，用变形量为3％或5％的模具拉拔一次；
⑧整形处理：将步骤7中制得的合金材料按用户所需尺寸进行切片，然后对切好的合金材料在900℃温度下进行脱炭处理，脱炭厚度10-20μm，然后以现有技术进行除油、去毛刺、抛光，即为本发明银-铜-碳-稀土合金材料的产品；
⑨检验。
7.根据权利要求5或6所述的银-铜-碳-稀土合金材料的制备方法，其特征在于，在机械合金化反应中，密封罐口后抽真空至-0.1Mpa，然后充入0.03Mpa的氮气作为保护气。
8.根据权利要求5或6或7所述的银-铜-碳-稀土合金材料的制备方法，其特征在于，在机械合金化反应中，钢球和磨块的量为装入的粉料重量的3-5倍。
9.根据权利要求5或6或7所述的银-铜-碳-稀土合金材料的制备方法，其特征在于整形处理步骤中进行脱炭处理可以是单面脱炭，也可以按需要双面或对3-5个面进行脱炭处理。
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