AuCuAg电接触材料硬度研究

姜　婷，李银娥，郑　晶，王　轶

(西北有色金属研究院，陕西　西安　710016)



AuCuAg电接触材料硬度研究

姜婷，李银娥，郑晶，王轶

(西北有色金属研究院，陕西西安710016)

采用氩气保护高频感应熔炼制备电接触材料AuCuAg合金，对不同加工率、热处理工艺下的合金硬度和XRD图谱进行了研究。研究结果表明：随着加工率的增加，AuCuAg合金的硬度提高；700 ℃处理合金硬度降低，300 ℃处理使合金由无序的Au基固溶相转化为有序的AuCu和Au3Cu相，有序转变达到短程有序，硬度明显增加；加工硬化、有序化强化、调幅分解强化是AuCuAg合金主要的强化方式。

AuCuAg；硬度；强化机理

贵金属材料具有高可靠、高精度、耐腐蚀、良好的延展性和可塑性，成为航空、航海、航天领域必不可少的电子器件材料，广泛应用于火箭的点火引爆装置，卫星、导弹等仪器仪表中进行参数的检测、传导，信息指令的传输。贵金属元素的原子结构中具有很强的原子键和最大的堆积密度，决定了它们具有特殊的物理、化学和力学性能。贵金属接触材料的研究进展对我国武器装备的更新换代显得尤为重要。贵金属电接触材料主要用于高精度、高可靠性的电刷，绕组，导电环、换向片或整流片，接插件。

贵金属电接触材料主要分为银基电接触材料，金基电接触材料，铂基电接触材料，钯基电接触材料等。金基电接触材料以化学稳定性极好，低而稳定的接触电阻，良好的导电性、导热性和抗有机气氛污染能力，主要应用于低接触压力和小负载下的精密电接点材料或滑动电接触材料。其中最具代表性的为AuAgCu、AuCuPt、AuCuNi等系列合金，包括AuAgCu30-20、AuAgCu30-5、AuCuPtAg、AuCuPtAgZn、AuCuNiZn等[1～4]。提高金基电接触材料的合金硬度能够提高耐磨性能，增加使用寿命。

本文主要对不同加工率和热处理工艺对AuCuAg合金的硬度进行研究，并分析探讨其强化机理。

1　实　验

本文选取AuCuAg合金为研究对象。所用原料均为纯度大于99.5%的Au、Ag、Cu。通过氩气保护高频感应熔炼工艺完成合金熔炼，对铸态合金均匀化处理后分别进行加工率50%和75%的冷加工；随后对加工率75%的合金分别进行700 ℃/30 min、300 ℃/1 h和300 ℃/2 h热处理。

在HV-120型显微维氏硬度机上进行硬度测试。本实验采用加载负荷为200 gf，加载时间为30 s。为确保实验的准确性对每个试样取三个点进行测试，取其平均值作为合金的硬度。

本实验采用D8 ADVANCE X射线衍射仪对不同热处理合金进行物相分析。采用步进扫描方式进行X射线衍射，实验条件：Cu-Kα射线，管电压40 kV，管电流200 mA，步长0.02°，PDF卡片数据库为：PDF2-2010。

2　结　果

2.1不同加工率下AuCuAg合金的硬度

AuCuAg合金不同加工率下的硬度见表1。从表1中可知，加工率达到50%时硬度平均值为234 HV0.2/30；加工率达到 75%时硬度平均值为254 HV0.2/30。

表1　不同加工率AuCuAg合金的硬度

2.2不同热处理AuCuAg合金的硬度

不同热处理的AuCuAg合金的硬度见表2。从表2中可知，700 ℃/30 min热处理后，合金硬度明显下降；300 ℃/1 h热处理后合金硬度变化不明显；300 ℃/2 h热处理后合金硬度得到提高。

表2　不同热处理的AuCuAg合金的硬度

2.3不同热处理AuCuAg合金的XRD

不同热处理AuCuAg合金的XRD图谱见图1。从图1中可知，700 ℃/30 min热处理后合金的为单相的面心立方固溶体α0相； 300 ℃/1 h热处理后，合金为固溶体α0相、少量Au3Cu和AuCu有序相；300 ℃/1 h热处理后，单相固溶体α0相基本消失，合金相组成为Au3Cu和AuCu有序相。

图1　不同热处理AuCuAg合金的XRD图谱

3　分析讨论

从Au-Cu、Au-Ag、Ag-Cu合金的相图中可知[5]：Au-Cu合金中存在有序-无序转变和多相共存的现象。Au和Ag在液、固态下均能够无限互溶，固-液相线温度区间很窄。Ag和Cu固溶区成分分布很窄，但固溶体范围较宽，Ag-Cu合金属于典型的共晶型合金。研究表明[6]：金基合金主要的强化机理有固溶强化、弥散强化、加工硬化、有序强化、调幅分解强化等。

3.1加工硬化强化

从表1可知，随着加工率的增加，AuCuAg合金的硬度值在提高，这是因为在塑性变形过程中发生了位错运动，晶粒滑移，位错不断增殖，出现缠结，并阻碍位错运动，形成位错塞积，滑移面和其附近的晶格发生扭曲，使晶粒变形拉长、破碎和纤维化，合金内部产生大量的残余应力，从而导致硬度增加。合金的加工率越大，位错密度、位错缠结、残余应力随之增强，硬度值提高。

3.2有序化强化

结合表2和图1可知，700 ℃/30 min热处理后合金的硬度值没有增加反而降低，是因为700 ℃热处理温度超过了合金的再结晶温度，消除了AuCuAg合金塑性变形过程中所产生的应力，合金组织发生了回复再结晶甚至晶粒长大，形成金基固溶相α0，合金硬度降低。北京有研亿金[7]利用X射线衍射仪(XRD)发现AuCu合金再结晶组织为金基固溶相。由此可知AuCuAg合金的再结晶组织表现为富银和富铜的无序相α0，在300 ℃下随着时间延长合金硬度值明显增加，这是因为合金中开始出现了Au3Cu亚稳定相、AuCu稳定相等有序相多相共存现象[8]，在300 ℃热处理时合金中Au基固溶体相向亚稳定相Au3Cu和稳定相AuCu有序相的转变加速，伴随Au3Cu和AuCu有序相含量的不断增加，等轴晶尺寸不断减小，同时Au3Cu有序相向稳定相AuCu相转变，在1 h处理后有序转变不完全硬度增加不明显，有序相增多，表现为有序化强化。在2 h处理后合金相最终形成有序相AuCu和Au3Cu，有序转变进行完全，合金硬度值明显增加。

3.3调幅分解强化

700 ℃/30 min热处理后合金中的溶质原子Cu、Ag在Au基体中重新分布或固溶，在它们这两相的晶体结构相同，都属于面心立方结构，它们的形成过程中溶质原子扩散并重新分配，这个过程也称调幅分解过程，是按扩散偏聚机构调整，分解产物只有溶质的富区和贫区，但二者之间却没有清晰界面，在调幅分解的过程中，新相与母相总是保持着完全共格的关系[9]。在300 ℃处理过程中不仅存在相转变，同时存在原子的快速扩散和重新分配，因此，在AuCuAg合金强化中调幅分解强化作用明显。

结合相关资料分析有序强化和调幅分解强化显示出其重要作用。这与前辈的研究[10-11]“AuCuAg合金中因Ag元素的加入其有序强化过程中同时存在相转变和固溶原子的调幅分解强化相”基本一致。

4　结　论

(1) 随着加工率的增加，AuCuAg合金的硬度提高。

(2) AuCuAg合金的硬度700 ℃处理合金硬度降低，300 ℃处理使合金由无序的Au基固溶相转化为有序的AuCu和Au3Cu相，使合金达到短程有序，硬度明显增加。

(3) 加工硬化、有序强化、调幅分解强化是AuCuAg合金主要的强化方式。

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[5]余方新．Au-Cu合金系的系统研究[D]．长沙：中南大学，2005．

[6]孔令娇，李强，李翔,等．添加元素对Au-Cu合金强化影响的研究进展[J]．贵金属，2014，35(4)：70-74．

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Study on Hardness of AuCuAg Electrical Contact Material

JIANG Ting, LI Yin-e, ZHENG Jing, WANG Yi

(Northwest Institute for Non-ferrous Metal Research, Shaanxi Xi’an 710016, China)

AuCuAg alloies of electrical contact material were prepared by induction melting under Ar gas. Harnesses and XRD patterns were researched at different conditions. The results showed that with the increasing of the processing rate, the hardness of AuCuAg alloy was increased. Hardness was reduced after treated at 700 ℃, but it was markedly increased after treated at 300 ℃ because ordered AuCu and Au3Cu were changed by disordered gold-base solid solution. Processing hardening, order-hardening and amplitude modulated decomposition were the main strengthening methods of AuCuAg alloy.

AuCuAg; hardness; strengthening mechanism

姜婷(1982-)，女，高级工程师，主要从事金属材料研究。

TG146.3

B

1001-9677(2016)016-0101-03