CN102304640A

CN102304640A - 一种银基稀土合金材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN102304640A
Application number: CN2010102493541A
Authority: CN
Inventors: 王新建; 王耀东; 于磊; 阮文魁
Original assignee: Shanghai Jiqiang Metal Industry Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Shenzhen Shantou Special Cooperation Zone Zhongjin Lingnan New Material Co.,Ltd.
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2030-08-10
Also published as: CN102304640B

Abstract

本发明提供了一种银基稀土合金材料，其特征在于：其包含下述成分：Cu 0.1～8％；Ni 0.01％～0.5％；Sm 0.01％～0.3％；以及Ag，Ag补足至100％，所述百分比皆为相对于银基稀土合金材料的质量百分比。本发明克服了现有的银基复合材料不适用于微电机的高温环境致使寿命大大降低，或适用于微电机的银基复合材料由于添加稀土元素而导致材料延伸率大幅下降，不利于材料加工等缺陷，提供了一种新的银基稀土合金材料及其制备方法和应用。本发明的银基稀土合金材料具有良好的延伸率，再结晶温度高，高温下硬度高，耐磨性好等特点，适用于作为滑动电接触材料，尤其能够用于制作微电机换向器等零件，在70℃的高温环境下仍具有质量好、寿命长的优点。

Description

一种银基稀土合金材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种银基稀土合金材料及其制备方法和应用。

背景技术

长期以来，在电接触材料中形成了以Ag-Cu为主的固溶强化型系列合金以及以Ag-Ni为主的弥散强化型系列合金。其中以Ag-Cu合金应用最为广泛。但Ag-Cu合金在工业气氛下，尤其在高温、高湿和含硫化氢气氛中，表面容易生成不导电的硫化物膜和氧化物膜，导致接触电阻不稳定，接触可靠性降低。同时，由于铜含量较低，合金的再结晶温度低(约260℃)，电机工作环境下的高温易使换向器片局部软化甚至熔化，极大地加速磨损过程。并且电机在工作时产生的电弧一方面会造成换向器沟槽附近极片边缘材料的快速损耗，另一方面使聚集在沟槽中的磨屑颗粒表面熔化而相互焊接，与极片边缘形成冶金连接，造成极片早期短路。

Ni是Ag合金的晶粒细化剂，能够稳定产品尺寸，显著提高基体材料的耐磨性和耐腐蚀性，并进一步提高材料的抗电弧侵蚀性能；另外由于Ag-Cu合金有偏析倾向，添加适量的Ni能够显著减少合金偏析。但由于即使在高温(约1000℃)下，Ni与Ag基体也几乎不互溶，Ni在银合金基体中极易偏聚，对熔铸银基体的组织均匀性有很大影响。因此高Ni含量(0.5％)的Ag-Cu合金在熔炼方面还存在一定的困难。目前，日本田中公司的AgCu₄Ni_0.5合金材料的水平处于世界领先地位。

稀土元素在贵金属电接触材料中已得到良好的应用。将稀土加入合金中，主要起内部氧化作用。稀土氧化物在晶界上呈弥散分布，在这些弥散的质点附近形成位错环，可以进一步强化基体。因此，稀土元素是一种强烈的脱氧剂，能有效夺取合金中的氧，在保持基体材料优良导电性和导热性的前提下，对合金基体具有明显的强化作用。同时能够细化基体晶粒，在一定程度上缓解合金组织和结构的不稳定性问题，这正是当前Ag-Cu-Ni合金材料所需要解决的问题之一。

Zn由于具有较高的蒸汽压，在较低的温度下能够挥发形成锌蒸汽。在换向器的工作环境中，锌蒸汽的挥发吸热，能够消耗大量的电弧能量，同时产生的锌蒸汽能够起到有效的灭弧和表面自洁作用。

近年来随着家用电器等的小型化，往往将微电机安装在发热元件的附近。高温环境对微电机的耐磨性造成严重影响，使得换向器的寿命大大降低。为了进一步提高换向器材料的耐磨性能及耐电蚀性能，一些学者提出了向Ag-Cu合金中添加微量稀土元素等的方法，其中一些也起到了较好的效果。CN 101029362A(公开日2007.09.05)公开了一种新型银铜稀土材料，其各成分的质量百分比含量为Sn 0.3-0.8％，Ce 0.3-0.8％，余量为AgCu₆合金。该材料提高了AgCu₆合金电接触材料的耐磨性，耐电弧烧蚀性能和抗熔焊性能。CN 101029361(公开日2007.09.05)公开了一种新型银稀土合金电接触材料，其各成分的质量百分比含量为Cu 4-8％，Ni 0.5-1.5％，余量为AgCe_0.5合金，该材料提高了Ag-Ce合金电接触材料的耐磨损能力并细化了晶粒，从而改善Ag-Ce合金的力学性能。CN 101246758(公开日2008.08.20)公开了一种适用于弱电流的滑动电接触材料。其中所述基体材料为Ag-Cu-Ni或Ag-Cu-Zn-Ni，稀土元素为La和/或Ce。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服了现有的银基复合材料不适用于微电机的高温环境致使寿命大大降低，或适用于微电机的银基复合材料由于添加稀土元素而导致材料延伸率大幅下降，不利于材料加工等缺陷，提供了一种新的银基稀土合金材料及其制备方法和应用。本发明的银基稀土合金材料具有良好的延伸率，利于冷加工变形，再结晶温度高，组织结构稳定，高温下硬度高，耐磨性好等特点，适用于作为滑动电接触材料，尤其是轻、中等负荷微电机用滑动电接触材料。其能与铜或铜合金复合后制成微电机换向器等零件，用于家用电器等的小型直流电动机，尤其制作的换向器高温接触电阻小而稳定，耐电侵蚀及耐机械磨损性能高，在约70℃的高温环境下仍具有质量好、寿命长的优点。

本发明提供了一种银基稀土合金材料，其包含下述成分：Cu 0.1～8％，较佳的为4～6.5％；Ni 0.01％～0.5％，较佳的为0.2～0.4％；Sm 0.01％～0.3％，较佳的为0.1～0.25％；以及Ag，Ag补足至100％，所述百分比皆为相对于银基稀土合金材料的质量百分比。其中，Cu、Ni和Sm弥散于Ag中。

在本发明一较佳的实施方式中，所述的银基稀土合金材料中还包括Zn0.01～0.6％，更佳的为0.15～0.45％；百分比为相对于银基稀土合金材料的质量百分比。其中，Zn固溶于银基稀土合金材料中的其他金属成分中。

其中，本发明的银基稀土合金材料较佳的由包括下述步骤的方法制得：

①将金属原料在氩气保护下熔炼并浇铸得铸锭；

②将该铸锭于760～800℃进行均匀化热处理；

③表面处理；

④冷轧使铸锭发生预变形，该铸锭在厚度方向上的预变形量为40％～50％；

⑤在真空条件或氨分解气的气氛下，于650℃～700℃进行退火；

⑥中轧；

⑦于680℃～700℃，在氮气和氢气气氛下进行保护退火，即可；

其中，所述的金属原料包括下述质量百分比的金属元素：Cu 0.1～8％，较佳的为4～6.5％；Ni 0.01％～0.5％，较佳的为0.2～0.4％；Sm 0.01％～0.3％，较佳的为0.1～0.25％；以及Ag，Ag补足至100％。较佳的，所述的金属原料中还包括0.01～0.6％，更佳的为0.15～0.45％的Zn元素，百分比为相对于金属原料总质量的百分比。所述的金属元素可以纯金属的形式和/或合金的形式作为金属原料。所述合金可任意选择，只要使金属原料中各金属元素的总量满足上述质量百分比即可。

步骤①中，所述金属原料的纯度可根据本领域此类材料的常规纯度进行选择，较佳的为Ag≥99.99％，Cu≥99.99％，Zn≥99.99％，Ni≥99.99％，Sm≥99.96％，百分比皆为质量百分比。

步骤②中，所述的均匀化热处理的时间可根据本领域常识进行选择，较佳的为2.5～3小时。

步骤③中，所述的表面处理指主要采用钢丝刷或砂纸等去除材料表面氧化点、黑点或杂物等缺陷。

步骤④中，所述的预变形能够赋予最终得到的银基稀土合金材料良好的冷加工性能。

步骤⑤中，所述的退火时间可根据本领域常识进行选择，较佳的为1.5～2小时。

步骤⑦中，所述的保护退火的时间可根据本领域常识进行选择，较佳的为10～15分钟；所述的保护退火较佳的在连热炉中进行。

本发明中，所述的熔炼、浇铸、冷轧和中轧均可根据本领域常规方法进行。

本发明还提供了所述的银基稀土合金材料的制备方法，其包括下述步骤：①将金属原料在氩气保护下熔炼并浇铸得铸锭；

②将该铸锭于760～800℃进行均匀化热处理；

③表面处理；

⑥中轧；

⑦于680℃～700℃，在氮气和氢气气氛下进行保护退火，即可；其中，步骤①～⑦皆同前述。

在本发明一较佳的实施方式中，将所述银基稀土合金材料在制备的同时加工成各种型材。为此，只要在步骤⑦后再增加一个精轧步骤即可。所述的精轧根据本领域常规方法进行即可。

本发明还提供了所述银基稀土合金材料作为滑动电接触材料的应用。所述的滑动电接触材料较佳的为轻或中等负荷的微电机用滑动电接触材料。

除特殊说明外，本发明的原料、试剂和设备均市售可得。

本发明中，上述优选条件在符合本领域常识的基础上可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

1)采用本发明的银基稀土合金材料能够解决Ag-Cu合金在高温下的接触电阻不稳定，接触可靠性降低等问题，制作的微电机换向器具有更好的高温耐磨性和抗电弧能力，适用于在高温(约70℃)条件下，使用于轻或中等负荷工作的微电机中。

2)本发明的银基稀土合金材料是低Ni含量的高强度银铜合金，可以采用普通真空熔炼工艺制造，设备和工艺技术不需要特殊的改造，在生产中易于实施。

3)将本发明提供的银基稀土合金配方与制备方法相结合不仅显著改善合金的原始显微组织，细化晶粒，提高合金基体的硬度、强度、再结晶温度；而且保证了合金材料仍具有良好的延伸率，利于材料的冷加工变形；

附图说明

图1为银基稀土合金材料的SEM图，其中(a)为实施例7步骤②处理后得到的材料剖面的SEM图；(b)为实施例7步骤⑤处理后得到的材料剖面的SEM图。

具体实施方式

下面用实施例来进一步说明本发明，但本发明并不受其限制。

实施例1～7中使用的金属原料的纯度(质量百分比)为：Ag≥99.99％，Cu≥99.99％，Zn≥99.99％，Ni≥99.99％，Sm≥99.96％。

实施例1～7中制得的银基稀土合金材料中允许的杂质含量为(质量百分比)：Fe≤0.002％，Pd≤0.002％，Sb≤0.002％，Bi≤0.002％。

表1用于滑动电接触银基稀土合金材料的原料配比(共50kg)

表2本发明的用于滑动电接触银基稀土合金材料的性能数据

实施例1～7银基稀土合金材料的制备方法

按质量百分比(％)：以纯Ag、无氧铜(Cu)、纯Zn、CuNi₃₅和AgSm₁₀合金为原料，按照表1中各实施例中的配方进行如下工序(以铸锭为50Kg计算)：①将金属原料在无氧条件和氩气保护下进行熔炼并浇铸得铸锭；②将该铸锭于760℃均匀化热处理3小时；③用砂轮机打磨铸锭表面实现表面处理；④冷轧使该铸锭在厚度方向上的预变形量为45％；⑤于650℃，在氨分解气氛保护下退火2小时；⑥中轧；⑦在氮气和氢气气氛下，在连热炉中于700℃保护退火15分钟；精轧，得银基稀土合金材料，其中各成分的含量见表2。由图1可见，实施例7中，经过步骤⑤处理后的合金与处理前相比，晶粒尺寸明显变小。实施例1～6的SEM图同图1。

效果实施例1

将专利(CN 101029362A)中银基合金材料的延伸率与本发明中的进行比较。该专利中公开了一种银铜稀土材料，其中各成分的质量百分比含量为Sn 0.3-0.8％，Ce 0.3-0.8％，余量为AgCu₆合金。未掺入其他元素的银铜合金AgCu₆的延伸率为29％，掺入Sn和Ce后延伸率明显下降至20-23％。然而本发明实施例1～7中的银基稀土合金的延伸率最低也有26.5％，最高可达36.3％，甚至比银铜合金AgCu₆的延伸率更高。由此证明由本发明的制备方法能显著提高银基稀土合金材料的延伸率，保证了合金材料的冷加工性能，能够明显降低材料的加工成本，具有较高的经济效益。

效果实施例2微电机三极换向器耐久寿命实验

一、带材的制备

取实施例1～7中制得的银基稀土合金材料和现有的AgCu₄Ni_0.3合金材料分别与纯铜复合成厚度为0.8mm的层状复合材料，并轧制成带材1～7和对比带材。其中，合金材料与铜的复合厚度比约为1∶10。

二、测试用换向器的制备

将上述带材分别制作成微电机三极换向器，将该换向器装配在微电机中，其对应的电刷片材料为AgPd30/C7701。其中一半的换向器表面经过研磨带研磨处理。

三、测试方法和条件

测试条件：

测试温度：70℃，测试载荷：15g·cm，测试电压：4V，测试时间：810h，运转方向：断续双向运行

测试方法：经过规定测试时间后对电机进行拆机观察，观察电机工作状态、表面磨损情况和沟槽洁净度，从而进行分析。测试结果见表3。

表3

由表3可见，用本发明的银基稀土合金材料制成的微电机与由AgCuNi材料得到的微电机相比，其耐久寿命得到明显提高。

Claims

1.一种银基稀土合金材料，其特征在于：其包含下述成分：Cu 0.1～8％；Ni 0.01％～0.5％；Sm 0.01％～0.3％；以及Ag，Ag补足至100％，所述百分比皆为相对于银基稀土合金材料的质量百分比。

2.如权利要求1所述的银基稀土合金材料，其特征在于：所述的银基稀土合金材料中Cu为4～6.5％；Ni为0.2～0.4％；Sm为0.1～0.25％；所述百分比皆为相对于银基稀土合金材料的质量百分比。

3.如权利要求1或2所述的银基稀土合金材料，其特征在于：所述的银基稀土合金材料中还包括Zn，其含量为0.01～0.6％，较佳的为0.15～0.45％；百分比为相对于银基稀土合金材料的质量百分比。

4.如权利要求1或2所述的银基稀土合金材料，其特征在于：所述的银基稀土合金材料由包括下述步骤的方法制得：

①将金属原料在氩气保护下熔炼并浇铸得铸锭；

②将该铸锭于760～800℃进行均匀化热处理；

③表面处理；

④冷轧使该铸锭预变形，该铸锭在厚度方向上的预变形量为40％～50％；

⑤在真空条件或氨分解气气氛下，于650℃～680℃进行退火；

⑥中轧；

⑦于700℃～720℃，在氮气和氢气气氛下进行保护退火，即可；

其中，步骤①中所述的金属原料包括下述质量百分比的金属元素：Cu0.1～8％；Ni 0.01％～0.5％；Sm 0.01％～0.3％；以及Ag，Ag补足至100％；较佳的，所述的Cu为4～6.5％；Ni为0.2～0.4％；Sm为0.1～0.25％。

5.如权利要求4所述的银基稀土合金材料，其特征在于：步骤①中，所述的金属原料中还包括0.01～0.6％，较佳的为0.15～0.45％的Zn元素，百分比为相对于金属原料总质量的百分比。

6.如权利要求4或5所述的银基稀土合金材料，其特征在于：步骤②中所述的均匀化热处理的时间为2.5～3小时；步骤⑤中所述的退火时间为1.5～2小时；步骤⑦中所述的保护退火的时间为10～15分钟；所述的保护退火在连热炉中进行。

7.一种如权利要求1或2所述的银基稀土合金材料的制备方法，其特征在于：其包括下述步骤：

①将金属原料在氩气保护下熔炼并浇铸得铸锭；

②将该铸锭于760～800℃进行均匀化热处理；

③表面处理；

⑤在真空条件或氨分解气的气氛下，于650℃～680℃进行退火；

⑥中轧；

8.如权利要求7所述的银基稀土合金材料的制备方法，其特征在于：所述的金属原料中还包括0.01～0.6％，较佳的为0.15～0.45％的Zn元素，百分比为相对于金属原料总质量的百分比。

9.如权利要求7或8所述的银基稀土合金材料的制备方法，其特征在于：步骤②中所述的均匀化热处理的时间为2.5～3小时；步骤⑤中所述的退火时间为1.5～2小时；步骤⑦中所述的保护退火的时间为10～15分钟；所述的保护退火在连热炉中进行。

10.如权利要求1～6中任一项所述的银基稀土合金材料作为滑动电接触材料的应用，所述的滑动电接触材料较佳的为轻或中等负荷的微电机用滑动电接触材料。