Ag-Sn合金氧化機(jī)理與Ag-SnO-,2-材料的高溫塑性變形行為研究.pdf

1、電觸頭是電器設(shè)備的關(guān)鍵元件之一，其功能是接通和切斷電流。Ag-CdO觸頭材料由于具有優(yōu)良的抗電弧侵蝕性、抗熔焊性和較低的接觸電阻，廣泛用于幾伏到上千伏的多種低壓電器中，曾被稱為萬能觸點(diǎn)。但是Cd金屬蒸氣有毒，污染環(huán)境，對人體有害。因此，各國都在開展代鎘材料的研究。Ag-SnO2觸頭材料具有優(yōu)良的抗電弧侵蝕性和抗熔焊性，是眾多無鎘觸頭材料中最有希望替代Ag-CdO的一種。國內(nèi)外對Ag-SnO2材料的加工工藝、微量添加劑的應(yīng)用、電弧作用下材

2、料的組織演變等進(jìn)行了較廣泛的研究。但是，關(guān)于Ag-Sn合金的內(nèi)氧化機(jī)理以及如何解決Ag-SnO2材料加工性能差的研究卻比較少。因此，研究Ag-Sn合金內(nèi)氧化機(jī)理以及Ag-SnO2材料高溫塑性變形行為具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 本文通過對Ag-Sn、Ag-Sn-Cu-Bi-Ni合金和Ag-Sn-M(M=Sb，La，In)合金粉末氧化動力學(xué)和氧化組織的研究，掌握了氧化溫度、氧分壓以及合金成分對合金氧化行為的影響。通過熱壓縮實(shí)驗(yàn)，

3、研究了Ag-SnO2-Sb2O3材料的高溫塑性變形行為并繪制了其熱加工圖。首次采用內(nèi)氧化+粉末熱擠壓工藝制備Ag-SnO2-Sb2O3觸頭材料，并與內(nèi)氧化+熱鍛工藝制備的Ag-SnO2-Sb2O3觸頭材料進(jìn)行比較，分析了熱加工工藝對材料組織與性能的影響。得到了以下一些結(jié)論： (1)通過對Ag-2.99at.％Sn合金內(nèi)氧化動力學(xué)的研究，首次推導(dǎo)出了Wagner氧化理論方程中，氧在Ag中溶解度(NOS)與氧分壓(PO2)及溫度(T

4、)間的關(guān)系式：此外，不同氧分壓下，Ag-2.99at.％Sn合金的氧化速率(k)與溫度的關(guān)系為：不同溫度下，Ag-2.99at.％Sn合金的氧化速率與氧分壓的關(guān)系為： (2)Ag-2.99at.％Sn合金內(nèi)氧化后，氧化前沿(氧化區(qū)和未氧化區(qū)間的界面)平直，生成的氧化物顆粒彌散分布在Ag基體上；低溫氧化(600-700℃)時，氧化物主要在晶界析出，高溫氧化(800-850℃)時，氧化物主要在晶粒內(nèi)部析出；氧分壓越高，氧化物粒子尺寸

5、越細(xì)。Ag-4.76at.％Sn合金氧化后，氧化前沿呈波浪形；在空氣中氧化時，氧化物主要在晶界析出，在0.3MPa和0.9MPa氧壓下氧化時，氧化層內(nèi)形成了很多氧化帶。隨著氧化層往合金內(nèi)部推進(jìn)，氧化層內(nèi)分布的氧化物顆粒尺寸和顆粒間距變大。 (3)Ag-6.46Sn-1.3Cu-0.27Bi-0.17Ni(wt.％)合金內(nèi)氧化是一個反應(yīng)擴(kuò)散控制過程。主要包括：氧在合金表面的吸附和分解；氧化物顆粒的形核和氧化帶的形成；Cu的擴(kuò)散和C

6、uO顆粒的形核。合金冷軋后直接進(jìn)行內(nèi)氧化與合金冷軋經(jīng)再結(jié)晶退火后再內(nèi)氧化不同，前者氧化前沿比較平直；氧化層內(nèi)形成了很多內(nèi)氧化帶；氧化層中氧化物顆粒尺寸和硬度隨氧化層厚度的增加而增大。而后者氧化前沿呈不規(guī)則鋸齒狀，氧化層中氧化物顆粒尺寸、硬度和氧化物顆粒斷裂應(yīng)力均大于前者。由于冷軋?zhí)岣吡撕辖鹬械奈诲e密度，增加了氧在合金中的擴(kuò)散通道，所以前者的氧化速率(5.69×10-9cm2/sec)要大于后者的氧化速率(2.39×10-9cm2/sec

7、)。 (4)元素La、In比Sb更能改善Ag-Sn合金粉末的氧化特性。Ag-Sn-Sb合金粉末的氧化過程是氧原子向合金粉末內(nèi)部擴(kuò)散，同時有部分溶質(zhì)元素(Sn和Sb)向外擴(kuò)散的擴(kuò)散反應(yīng)過程。Ag-Sn-In合金粉末的氧化過程是氧原子向合金粉末內(nèi)部擴(kuò)散，而溶質(zhì)元素(Sn和In)原位生成氧化物的擴(kuò)散反應(yīng)過程。元素La在Ag-Sn合金中都是原位形核生成氧化物。當(dāng)La為0.44wt.％時，Sn在濃度梯度的驅(qū)動下向外擴(kuò)散并與向內(nèi)擴(kuò)散的氧發(fā)生

8、反應(yīng)形成氧化物；當(dāng)La含量為1.28wt.％和3.4wt.％時，Sn則原位氧化生成氧化物。 (5)Ag-SnO2-Sb2O3材料熱壓縮時，隨著應(yīng)變速率的增加，流變應(yīng)力不斷增加；低應(yīng)變速率的流變曲線比較光滑，而高應(yīng)變速率的流變曲線為小鋸齒狀。根據(jù)Ag-SnO2-Sb2O3材料高溫壓縮實(shí)驗(yàn)求出的相關(guān)材料常數(shù)，建立了峰值屈服應(yīng)力與應(yīng)變速率以及溫度之間的本構(gòu)方程： (6)基于熱加工圖的基本原理，采用高溫壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別繪制了Ag

9、-6.92SnO2-3.69Sb2O3和Ag-9.12SnO2-1.46Sb2O3材料在應(yīng)變?yōu)?.03、0.2、0.4、0.6和0.9時的熱加工圖，并在部分失穩(wěn)條件下的樣品中觀察到了絕熱剪切帶、局部流變失穩(wěn)帶、楔形裂紋、顆粒斷裂以及顆粒與基體界面形成空隙等失穩(wěn)現(xiàn)象。通過加工圖和相應(yīng)顯微組織的分析，確定了Ag-6.92SnO2-3.69Sb2O3材料可加工的溫度范圍為：720℃-840℃，應(yīng)變速率范圍為0.01s-1-0.1s-1；Ag-

10、9.12SnO2-1.46Sb2O3材料可加工的溫度范圍為：790℃-845℃，應(yīng)變速率范圍為0.01s-1-0.18s-1。 (7)用內(nèi)氧化+粉末熱擠壓工藝制備的Ag-6.32SnO2-3.69Sb2O3和Ag-9.12SnO2-1.46Sb2O3材料的相對密度分別是99.55％和99.89％，硬度分別是93HB和85HB，電導(dǎo)率分別是71IACS％和69IACS％。而用內(nèi)氧化+熱鍛工藝制備的Ag-6.32SnO2-3.69S