Sc、Zn、B 等元素對Ag-4Cu-0.5Ni 合金力學與電學性能的影響

王洪凱 ,王春新 ,孫宏志 ,韓 慶 ,李斌川

(1.遼寧新都黃金有限責任公司,遼寧 朝陽 122000;2.東北大學 冶金學院,遼寧 沈陽 110819;3.沈陽市有色金屬資源循環利用重點實驗室,遼寧 沈陽 110819)

0 引言

銀(Ag)具有優良的導熱性、較低的接觸電阻、優異的化學穩定性、較高的塑性變形能力、良好的耐電弧侵蝕和抗熔焊性等優勢,廣泛用于電觸點材料的制備[1-3],AgCuNi 常用作導電環、開關定觸片和釬料[3]。隨著電力電子設備微型化、高性能、長壽命發展,現有電接觸材料的品質也需要不斷改善,以滿足需求。周章橋采用新型自動化連續鈍化技術對銀合金鍵合絲進行處理,獲得了一種高致密、包覆均勻的防硫化銀合金鍵合絲,結果表明,防硫化薄膜(3nm)的形成可提供良好的防硫化性能[4]。吳春鶯等研究了釔元素的摻雜對銀合金硫化腐蝕及其對力學性能的影響,研究發現,釔元素的添加使銀合金在硫化溶液中形成兩層腐蝕層:(i)外層為Cu2O,(ii)內層為Cu2S;同時,相較于未腐蝕的銀合金,室溫拉伸性能的抗拉強度提高至275 MPa,延伸率未出現明顯的變化[5]。沈丁杰等研究了熱處理工藝對Ag-Cu-Zn(-Sn)系925 合金力學性能與顯微組織的影響,研究提出,含適量Zn、或Zn 和Sn 的925 銀合金經熱處理之后,硬度顯著提升,且顯微組織中出現大量退火孿晶[6]。

彌散分布的稀土顆粒可以改善銀合金的硬度、電導率、耐電蝕性和使用壽命[7-9]。現有文獻研究表明,Zn 元素的加入可降低銀合金的熔點,也可用作脫氧劑及改善熔體的流動性[10-11];此外,還可有效改善合金的抗硫化性能。B 元素的加入可減少銀熔體的表面張力,使熔體混合更為均勻[10];同時,B元素作為高熔點非金屬相,可以形成異質形核核心,起到細化晶粒的作用。基于現有研究結果,本文通過向Ag-4Cu-0.5Ni 合金中添加Sc、Zn、B 元素,制備了(S1) Ag-4Cu-0.5Ni;(S2) Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc;(S3)Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc-1Zn;(S4)Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc-1Zn-0.03B 四種合金。考察了四種合金的力學與電學性能,并結合X 射線衍射(XRD)和光學顯微鏡(OM)檢測分析其作用機理。

1 實驗材料與實驗方法

1.1 實驗材料及合金成分

實驗用原材料Ag 和Cu 質量分數均高于99.99%(遼寧新都黃金有限責任公司生產)。Ni、Sc、B 三種元素的添加方式均以含銅中間合金的形式加入,其中Ni、B 中間合金的成分分別為CuNi50和CuB4,采購于錦州市金屬材料研究所,Sc 中間合金為東北大學自制的CuSc8.5。實驗所用Zn 粒為化學純鋅粒,采購于天津市申泰化學試劑有限公司。實驗合金設計成分為Ag-4Cu-0.5Ni、Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc、Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc-1Zn 和 Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc-1Zn-0.03B,分別將其命名為S1、S2、S3 和S4。其化學成分如表1 所示。

表1 實驗用材料化學成分表(wt%)

1.2 合金制備過程

按設計成分進行配料,在30 kW 真空中頻感應爐(錦州遠騰電爐廠)內進行熔煉,熔煉前將感應爐抽真空至真空度10-2Pa 以下,再通入氬氣,往復2次,在甘醇氬氣氣氛下進行熔煉,熔煉溫度為1 200 ℃;合金熔化后,繼續熔煉0.5 h,澆鑄得到厚度為9 mm 的合金鑄錠。合金鑄錠表面各銑去1 mm的表面氧化層,720 ℃均勻化退火4 h。經熱軋,依次軋至3 mm(每次形變量不超過20%),隨之進行600 ℃中間退火0.5 h,終冷軋至1 mm。700 ℃固溶0.5 h,250 ℃時效處理4 h,采用沖片器得到直徑10 mm樣品若干。

1.3 性能測試及顯微表征

本實驗采用顯微維氏硬度計(HV-1000BZ)進行硬度測試,試樣應經600#、1 000#和2 000#砂紙上下打磨平整,對待測面進行拋光,然后用維氏硬度計測試。把待測樣品放在樣品托盤上,調整鏡頭到合適的視野,每個樣品選取不同的7 個合適位置(位置不要過于集中)進行打點。施加10 kgf 載荷持續10 s 后卸載力,記錄下測試后的硬度值,每個試樣測試7 次。數據處理時,為了提高實驗準確度去掉最小值和最大值,取剩余5 個數據的平均值,作為測試后的硬度值。采用渦流電導率儀(SIGMASCOPE SMP350)測試合金的電導率;合金的物相組成利用XRD 表征。XRD 測試時需要將樣品待測面用砂紙磨平,并將樣品打磨到2 000#。為了防止樣品沾染雜質,造成測試誤差,測試前用酒精棉將試樣的待測面擦拭后吹干。由于待測樣是金屬樣品,利用特制的橡皮泥把試樣固定在金屬樣品支架上,使待測樣品表面與試樣支架的表面保持平行,使用橡皮泥固定樣品時,應注意橡皮泥不能超過待測表面,否則測試圖譜上會增加橡皮泥的衍射峰,給實驗結果帶來誤差。實驗參數為:采用Cu 靶材Kα 射線,掃描范圍為20°～100°、電壓為45 kV、步長0.08°、掃描速度2°/min。選用奧特光學MDS400 倒置金相顯微鏡對樣品進行組織形貌觀察。將待測樣品用砂紙打磨,依照180#、600#、1 000#、1 500#、2 000#和3 000#的次序進行。當樣品表面磨平整均勻,用顆粒度為1.5 的金剛石研磨膏在尼布上拋光,待拋至表面沒有劃痕用酒精噴洗并使用吹風機將其吹干。將吹干后的樣品浸在NH3·H2O 和H2O2溶液中腐蝕約1 min,把腐蝕后的樣品用酒精噴洗干凈,待吹風機吹干后放在顯微鏡下觀察,觀察面為軋材長度的側面。

2 結果與討論

2.1 合金的顯微結構

Ag-4Cu-0.5Ni、Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc、Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc-1Zn 和Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc-1Zn-0.03B合金金相顯微照片如圖1 所示。Ag-4Cu-0.5Ni 合金由粗大的組織構成,加入少量的Sc、Zn 和B 元素后,晶粒得到明顯的細化。原因在于Sc 元素的加入可以在熔體凝固過程中優先生成Ag4Sc 高溫相,起到異質形核的作用,進而促使晶粒細化。Zn 元素的加入使Ag-4Cu-0.5Ni 熔體的流動性增加,易于獲得晶粒細小且致密的組織。B 元素的加入在合金中產生高溫異質質點,有益于細化晶粒。

圖1 合金金相顯微照片

2.2 合金的XRD 物相組成分析

由圖2 合金的XRD 譜圖可以發現,無論Ag-4Cu-0.5Ni 還是加入Sc、Zn、B 元素后所制備的合金,均未發現第二相析出,其圖譜均與Ag 標準圖譜(PDF COD 96-901-1609)幾乎一致,但相較于Ag 圖譜,其衍射峰較寬。這是合金元素固溶到銀基體,形成固溶體的原因,而Sc、Zn、B 元素的加入量較少,因此未檢出相關的衍射峰。從圖2 中還可看出,加入Sc、Zn、B 元素后,合金的衍射峰出現了明顯的右移,此時晶格常數有所降低。

圖2 合金XRD 譜圖

為定量確定晶粒細化的效果,在此計算了試樣合金的晶格參數。由于Ag 為立方晶系,故可采用公式(1)計算其晶格參數。

式中 d—晶面間距,?

h、k、l—晶面指數;

A—晶格常數,?。

其計算結果如表2 所示。

表2 S1-S4 樣品的晶格常數計算表

由表1 可得,Ag-4Cu-0.5Ni 合金的平均晶格常數為4.064 26;加入Sc、Zn、B 元素后,晶格常數為4.062 49?、4.057 36?、4.056 67?,晶格常數依次呈現降低的趨勢;進一步表明,Sc、Zn、B 元素的加入有利于晶粒細化。

2.3 合金的電學與力學性能

從圖3 S1-S4 的電導率和硬度關系圖中可以看出,雖然加入合金化元素,使Ag-4Cu-0.5Ni 的硬度得到提高,但是Sc、Zn、B 等元素的加入均可導致合金的電導率有所下降。原因在于,加入合金化元素使電子波在傳輸過程中的散射增強,進而導致電導率的降低[12]。需要注意的是,Zn 元素對合金的電導率下降幅度較大,而B 元素的加入只小幅降低合金的電導率,但具有相對較高的硬度。綜上所述,Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc-1Zn-0.03B 具有較好的綜合性能,電導率為71.33%IACS、硬度為96.27 HV。

圖3 S1-S4 的電導率和硬度關系圖

3 結論

本文利用高真空感應爐制備了Ag-4Cu-0.5Ni電接觸合金,并研究了Sc、Zn、B 元素的加入對所制備合金力學性能和電學性能的影響,主要結論如下:

(1)Ag-4Cu-0.5Ni 中添加Sc、Zn、B 等元素可以細化合金的晶粒,且晶格常數降低;

(2)Ag-4Cu-0.5Ni 中添加Sc、Zn、B 元素,細晶強化和第二相強化共同作用使合金的硬度增加;

(3)由于電子波在傳輸過程中散射增強,Ag-4Cu-0.5Ni 中添加Sc、Zn、B 元素可導致合金電導率降低。

(4)Ag-4Cu-0.5Ni-0.3Sc-1Zn-0.03B 具有良好的綜合性能,電導率為71.33%IACS、硬度為96.27 HV。