CC BY
95
УДК 621.74.04
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСТВОРИМОСТИ НИКЕЛЯ В СЕРЕБРЕ С ЦЕЛЬЮ МОДИФИЦИРОВАНИЯ СЕРЕБРЯНЫХ СПЛАВОВ
© 2012 А.А. Гущинский1, Э.В. Мальцев1, Е.А. Павлов1, В.Н. Ефимов1, П.А. Хориков1, А.П. Скуратов2
1 ОАО «Красцветмет», г. Красноярск 2 Сибирский федеральный университет, г. Красноярск
Поступила в редакцию 03.12.2012
Рассматривается применение сплавов серебра в электротехнической промышленности. Рассмотрено влияние модифицирующей добавки никеля на свойства серебряного сплава. Описываются исследования, связанные с растворимостью никеля в расплаве серебра при различных температурах. Описана технология получения лигатуры для промышленного производства технического сплава серебра, содержащего никель.
Ключевые слова: сплав серебро-никель, электрические контакты, модифицирование, лигатура
Серебро является прекрасным материалом для различных областей промышленности, но важнейшие отрасли его применения - это электротехника и электроника. Высокая электропроводность, теплопроводность и стойкость к окислению кислородом при обычных условиях делают серебро незаменимым материалом для изготовления различных контактов электротехнических изделий, в том числе, контактов выключателей, реле, многослойных керамических конденсаторов, проводников в высокочастотных цепях и др. По международной классификации принято относить электропроводность проводников к электропроводности меди. Это отношение составляет для серебра 108,4%. Единственным препятствием использования серебра в чистом виде являются его низкие механические характеристики. Пластическая деформация полуфабрикатов из серебра не дает значительного увеличения прочностных характеристик.
С целью улучшения механических свойств, повышения жаропрочности и сопротивления истиранию в сплавы серебра вводят
Гущинский Андрей Анатольевич, инженер-исследователь. E-mail: [email protected] Мальцев Эдуард Владимирович, заместитель генерального директора - главный инженер. E-mail: emalcsev@krastsvetmet. ru
Павлов Евгений Александрович, кандидат технических наук, начальник отделения. E-mail: pea@krastchvetmet. ru
Ефимов Валерий Николаевич, кандидат химических наук, начальник участка опытно-производственного цеха
Хориков Павел Александрович, начальник отделения Скуратов Александр Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры «Теплотехника и гидрогазодинамика»
различные добавки. Так, многие сплавы серебра, предназначенные для изготовления электрических контактов, содержат никель [1]. Известно промышленное использование так называемого «мелкозернистого серебра» - двойного сплава, содержащего 0,15% никеля, предложенного Фроглихом. Модифицирующее действие добавки никеля основано, по-видимому, на образовании в затвердевающем расплаве множества мельчайших кристалликов никеля, являющихся зародышами формирующейся твердой фазы, и ограничивающих рост линейных размеров зерен серебра. Добавка никеля увеличивает твердость и прочность сплава по сравнению с чистым серебром, и не снижает существенно его пластичности. Эффективность добавки никеля особенно проявляется при повышенной температуре (рис.1). [1]. Вместе с тем, широкое применение сплавов серебра с никелем существенно сдерживается рядом проблем, связанных с трудностями их промышленного изготовления.
0,1_I_I [..I'll_[_|.......I _j_j_u__lI_I_ i » I I и
o,i o,?. 0,3 a/, ift : j s ю я я m mmm m
Рис. 1. Изотермы длительной прочности от для серебра 99,99% (1) и сплава СрН-0,15 (2)
Следует отметить ограниченную растворимость никеля в серебре и низкую скорость процесса растворения тугоплавкого (по отношению к серебру) никеля. Кроме того, использование никеля в форме порошка может вызвать его частичное окисление кислородом, растворенным в расплаве серебра и, как следствие, получение слитка, не соответствующего заявленному составу.
В настоящей работе представлена попытка усовершенствования технологии модифицирования серебра никелем за счет использования промежуточных бинарных лигатур. Последние, в свою очередь, были разработаны и изготовлены на основе известных данных о растворимости никеля в расплавах серебра при различных температурах [2]. Диаграмма фазового равновесия системы «серебро-никель» является простой мо-нотектической системой с обширным куполом расслаивания в жидкой фазе [2]. Сплав может образоваться только тогда, когда исходные компоненты растворяются в жидком состоянии и без остатка. Однако при кристаллизации однородного расплава могут образоваться различные типы структур. Так, максимальная растворимость никеля в твердом серебре составляет не более 0,15%мас. Очевидно, что для получения повышенного содержания никеля в лигатуре необходимо значительно перегреть серебряный расплав, содержащий никель, и затем охладить его с возможно высокой скоростью.
Экспериментальная часть работы по введению никеля в расплав серебра была проведена с помощью индукционной плавильной установки. Плавка проводилась в графитовом тигле. Для защиты шихты в камеру печи подавался инертный газ - аргон. В разогретый до 750оС тигель загружали никелевую пластину в форме крупных кусков. Затем загружали серебро в виде гранул, и продолжали разогрев. После полного плавления серебра температуру расплава поднимали до заданной, и проводили изотермическую выдержку. Слив расплава проводили через донное отверстие тигля в грануляционный бак с водой (!=30°С). Была проведена серия экспериментов. После каждого опыта пластину никеля взвешивали и по убыли массы рассчитывали количество никеля, перешедшего в расплав. Расчетные данные хорошо согласуются с результатами химического анализа проб гранулированных сплавов, полученными химической лабораторией (рис. 2).
Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют, что концентрация никеля в гранулированных серебряных сплавах в значительной степени зависит от температуры
изотермической выдержки расплава. Так, заметное увеличение концентрации никеля отмечено при температурах 1250оС и выше. В температурном интервале 1300-1400оС концентрация никеля также возрастает с температурой (достигая 1,0-1,1%), но с меньшим коэффициентом температурной зависимости. Дальнейшее увеличение температуры приводит к незначительному повышению содержания никеля в серебре (на 0,040,07%).
1 1Ш 1 1Я 1 ТТЛ 13£П 1ТП 1ЭЯЗ 1 ш
твмпвраттра, с
Рис. 2. Содержание никеля в лигатурных сплавах
Сопоставив полученные результаты и данные исследований по растворимости углерода в никеле [3], был сделан вывод, что поднимать температуру выше 1300оС в данном случае нецелесообразно. Это связано с тем, что растворимость углерода в никеле возрастает с температурой и при 1319оС уже достигает 0,5%. Дальнейшее повышение температуры повышает вероятность образования карбида никеля, который, как потенциальный компонент лигатуры может негативно сказаться на пластичности конечного сплава «серебро-никель». Таким образом, было установлено, что концентрация никеля в промежуточной бинарной лигатуре, равная 1%, является оптимальной для последующего использования в производстве сплава СрН-0,15.
Дальнейшие исследования имели целью изучение влияния размера и формы формирующихся гранул лигатуры на их структуру, а также на наличие в них внутренних дефектов и пор. Для этого после слива и грануляции расплава осуществляли фракционный рассев полученных гранул и производили металлографический анализ их микроструктуры. Фракционный рассев показал, что основная масса расплава (95%) кристаллизуется в виде шаровидных частиц в диапазоне от 2 до 4 мм. Очевидно, что малая динамическая вязкость и высокое поверхностное натяжение расплава «серебро-никель» позволяют ему образовывать гранулы сферической формы за короткое время (рис. 3).
щ Я
«
б)
Рис. 3. Гранулы лигатуры «серебро-1% никеля»: а) фракция 3,15+2 мм, б) фракция 4+3,15 мм
Металлографический анализ указал на наличие в объеме каждой гранулы сформировавшейся зеренной структуры, что косвенно свидетельствует о сильном модифицирующем влиянии никеля и равномерности его распределения по объему (рис. 4).
Полученная гранулированная лигатура была использована в опытном промышленном производстве слитков сплава «серебро-0,15% никель». Образцы полученного сплава были подвергнуты исследованию микроструктуры методами металлографии и электронной микроскопии (рис. 5).
а)
б)
Рис. 4. Структура гранул лигатуры «серебро-1% никель»: а) х 220; б) х 1100
На снимке (рис. 5а) видны узкие, вытянутые зерна к центру литого образца, что свидетельствует о высокой скорости теплоотвода при его кристаллизации. Увеличение этого изображения (рис. 5б, 5в) позволило выявить наличие в сплаве субструктуры с четкой степенью окри-сталлизованности субзерен, соответствующих по своей геометрии кубической гранецентрирован-ной решетке серебра и никеля. Боковой срез (рис. 5г) показывает субструктуру в виде пилообразного рельефа, что подтверждает присутствие в сплаве структурной периодичности. Присутствие второй фазы в сплаве не наблюдается.
Механические характеристики сплава определяли по величине его микротвердости. У полученного сплава микротвердость составила 560 МПа, что свидетельствует о его достаточной пластичности после литья и указывает на возможность его дальнейшей холодной механической обработки. На основании полученных результатов данный сплав можно отнести к однофазному твердому раствору, химический состав которого подтвержден результатами анализа ЦЗЛ.
Выводы: выполненные исследования позволили предложить и успешно апробировать в опытно-промышленном масштабе усовершенствованную технологию модифицирования серебра никелем, для чего была разработана и изготовлена бинарная лигатура с повышенным содержанием никеля. Полученная гранулированная лигатура была использована в опытно-промышленном производстве слитков сплава «серебро-0,15% никель». Данный сплав был успешно использован для изготовления опытных партий технических изделий, согласно требованиям заказчика.
Рис. 5. Микроструктура сплава «серебро-0,15% никель»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 2.
1. Мастеров, В.А. Серебро, сплавы и биметаллы на
его основе / ВА. Мастеров, Ю.В. Саксонов. Спра- 3. вочник. - М.: Металлургия, 1979. 296 с.
Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник: В 3 т.: Т.т1. Под общ. ред. Ля-кишева Н.П. - М.: Машиностроение, 1996. 992 с. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник: В 3 т.: Т. 2. Под общ. ред. Н.П.Лякишева. - М.: Машиностроение, 1996. 992 с.
RESEARCH THE SOLUBILITY OF NICKEL IN SILVER FOR THE PURPOSE OF SILVER ALLOYS MODIFYING
© 2012 A.A. Gushchinskiy1, E.V. Maltsev1, E.A. Pavlov1, V.N. Efimov1, PA. Khorikov1, A.P. Skuratov2
1 JSC "Krastsvetmet", Krasnoyarsk 2 Siberian Federal University, Krasnoyarsk
Application of silver alloys in electrotechnical industry is considered. Influence of nickel modifying additive on properties of a silver alloy is considered. The researches connected with solubility of nickel in fusion of silver at various temperatures are described. The technology of receiving a ligature for industrial production of silver technical alloy containing nickel is described.
Key words: alloy silver-nickel, electric contacts, modifying, ligature
Andrey Gushchinskiy, Engineer-Researcher. E-mail: [email protected]: Edward Maltsev, Deputy General Director - Chief Engineer. E-mail: [email protected]; Evgeniy Pavlov, Candidate of Technical Sciences, Chief of the Department. E-mail: [email protected]; Valeriy Efimov, Candidate of Chemistry, Chief of the Section of Experimental-Production Shop; Pavel Khorikov, Chief of the Section; Alexander Skuratov, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department "Heat Engineering and Hydro Gas Dynamics "
