點焊電極用銅合金材料強化技術(shù)的研究現(xiàn)狀

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（1.湖北工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢430068；2.綠色輕工材料湖北省重點實驗室，湖北武漢430068）

0 前言

點焊電極是點焊過程中容易發(fā)生消耗磨損的零件，其主要作用是導(dǎo)通電流形成回路，承受并且遞交所受的壓力以及在冷卻水的協(xié)助下迅速散熱?，F(xiàn)有的點焊電極一次只能焊約500點，而焊接一輛車外殼就需3 500～6 000個焊點。因此，如果能夠提高點焊電極壽命，成本將大大減少，縮短更換電極所耗時間，從而提高生產(chǎn)效率。

相關(guān)研究表明，點焊電極使用壽命與電極材料、形狀、表面狀況、焊接規(guī)范有關(guān)[1]。提高電極材料的性能是提高點焊電極壽命最直接有效的方式。直接通過基體強化，如固溶強化、彌散強化、形變強化或者深冷處理可以提高點焊材料的性能，從而提高點焊電極的壽命。

1 點焊電極用銅合金的強化

提高點焊電極用銅合金材料的性能可從根本上解決點焊電極的壽命問題，但在實際應(yīng)用中往往受成本、工藝等因素影響。目前對點焊電極基體進行強化的主要手段有固溶強化、時效強化、形變強化、彌散強化和深冷處理。

1.1 固溶強化

溶質(zhì)原子以置換或者間隙的形式溶入到基體中形成固溶體，引起晶格畸變從而阻礙位錯運動造成的強化稱為固溶強化。除了Ag、Cd外，在銅基體中固溶的元素對銅合金的電導(dǎo)率影響較大[2-3]。Ti、Si、Mn、Fe、Al導(dǎo)致銅的電導(dǎo)率下降尤其明顯。點焊電極用銅合金通常固溶Cr、Zr、W、Be等合金元素以提高點焊電極的綜合性能，特別是點焊電極材料的強度，以固溶Cr、Zr最為常見。目前應(yīng)用最廣泛的銅合金是 Cu-0.8wt%Cr、Cu-0.15wt%Zr、Cu-Cr-Zr，通過冷加工、熱處理可提高材料性能，雖然電導(dǎo)率有所降低，但強度和再結(jié)晶溫度明顯提升。其次，在某些場所需要具備特有性能的點焊電極銅合金材料，例如能承受機械工作、更高的硬度、更高的電導(dǎo)率，典型代表材料有Cu-Be、Cu-W、Cu-Ag等。

彭麗軍[4]研究發(fā)現(xiàn)，在Cu-Cr合金中添加微量的Zr后，Cr與Zr之間的交互作用會使合金在時效過程中析出更加細小的Cr相和富Zr相，提高合金強度。近年來，一些學(xué)者在銅合金中添加少量稀土元素，可顯著提高銅合金強度。潘振亞在Cu-Cr-Zr合金中添加質(zhì)量分數(shù)為0.05%的稀土元素La，合金強度提高的同時電導(dǎo)率仍然高達60.6I%ACS。毛向陽[5]等人發(fā)現(xiàn)當稀土元素Ce、La、Y添加量為0.1%～0.2%時，銅合金強度明顯提高，當添加量超過0.2%時，強度提高較小。這是稀土的固溶強化、細化晶粒、凈化作用的共同結(jié)果，當添加量進一步增加，銅合金的強度反而降低。另一方面，稀土元素的凈化作用減少了銅合金中的雜質(zhì)，減少了晶格畸變，提高銅合金導(dǎo)電性能。當稀土含量小于1%時，銅合金的電阻率隨著稀土含量的增加而降低，超過1%時電阻率隨著稀土含量的增加而增加。

1.2 時效強化

時效強化又名析出強化，由于高溫下固溶的合金元素在常溫下從過飽和固溶體中析出，形成彌散分布的第二相質(zhì)點，阻礙位錯運動，從而增加材料強度。由于時效強化使一部分固溶的合金元素析出，減少了晶格畸變和電子散射幾率，降低了固溶強化帶來的銅合金電導(dǎo)率的損失，可以提高銅合金的電導(dǎo)率。室溫和高溫在銅基體中固溶度相差較大，且室溫下固溶度很低的元素才能利用時效強化方法增加銅合金強度。滿足該條件的元素有Cr、Zr、Fe、Mg、Be[6]、Nb 等，其中 Cr、Zr的時效強化效果最明顯。

朱勝利[7]通過實驗得出，高強高導(dǎo)Cu-Cr-Zr合金的最佳固溶溫度為980℃、固溶時間為1 h，最佳時效工藝為500℃時效4 h，合金硬度136.5HV，導(dǎo)電率75.2%IACS。硬度隨時效時間先迅速增加，達到硬度峰值后逐漸降低，溫度越高，硬度上升到峰值的時間就越短，導(dǎo)電率在時效初期迅速提升，隨著時效時間的延長而趨向穩(wěn)定。丁宗業(yè)[8]對Cu-0.36Cr-0.03Zr合金進行時效處理，經(jīng)500℃時效2 h后，顯微硬度為153.9 HV，導(dǎo)電率為84.54%IACS，通過微觀分析確定在550℃時效2 h后合金中存在Cr和Cu4Zr兩種析出相，提高了合金的顯微硬度和導(dǎo)電率。

1.3 細晶強化

晶粒尺寸越細小，合金強度越高。晶粒細化能提高合金強度的原因是晶界對位錯的阻滯效應(yīng)。根據(jù)Hall-Petch公式，合金強度與晶粒直徑d成反比關(guān)系。細晶強化[9-12]的方法主要有微合金化細化晶粒、形變誘導(dǎo)相變細化晶粒、大塑性變形細化晶粒、熱處理細化晶粒、機械控制軋制技術(shù)細化晶粒、磁場或電場處理細化晶粒。細晶強化能提高銅合金的強度和韌性，但會降低銅合金的導(dǎo)電性。

劉鋒[13]采用等通道轉(zhuǎn)角擠壓（Equal-channel Angular Pressing，ECAP）制備的超細晶 Cu-Cr-Zr合金平均晶粒尺寸約為200 nm，合金經(jīng)ECAP工藝連續(xù)擠壓8道次后420℃時效3 h，合金的硬度、抗拉強度和伸長率分別達到249.15 HV、623.1 MPa和12.3%，電導(dǎo)率達到85.34%IACS，相較常規(guī)Cu-Cr-Zr合金具有優(yōu)良的機械性能。

1.4 形變強化

形變強化也稱為加工硬化或冷作硬化，工藝有噴砂、冷扎、冷鐓等，可大幅度提高銅的強度、硬度和耐磨性；同時該方法引起的晶格畸變較少，對銅的導(dǎo)電性能影響較小，是20世紀70年代前廣泛應(yīng)用在點焊電極用銅合金強化的方法。只通過形變強化得到的非熱處理硬化銅合金通常電導(dǎo)率較高，但強度和再結(jié)晶溫度不高?，F(xiàn)在一般固溶+時效+形變強化聯(lián)合使用，當以提高強度為主時采用先固溶，時效到冷變形工藝；當以保證導(dǎo)電性能為主時采用先固溶，冷變形到時效工藝。形變強化的機理是金屬材料在變形過程中位錯密度提高從而起到強化作用[14]。

周倩[15]采用真空熔煉法制備Cu-0.85wt%Cr-0.1 wt%Zr、Cu-0.85wt%Cr-0.1wt%Zr-0.1wt%Ag 兩種合金，發(fā)現(xiàn)冷塑性變形引起的形變強化是提高合金力學(xué)性能的主要方法，其強化相是富Cr相。Krishna等人[16]發(fā)現(xiàn)，Cu-3wt%Ag-0.5wt%Zr合金在400～500℃、時效時間1 h后進行冷變形處理，變形量可達80%，抗拉強度和硬度均大幅提高，但延伸率降低。朱勝利[7]對Cu-Cr-Zr合金固溶時效前進行冷變形，可以促進時效初期第二相的析出，導(dǎo)電率可快速恢復(fù)，同時合金經(jīng)冷變形后產(chǎn)生了高密度的位錯，而且第二相成彌散分布，時效后可以獲得較高的顯微硬度。Cu-Cr-Zr合金在固溶時效后進行冷變形，合金的硬度提高較為顯著，而導(dǎo)電率有所下降。

1.5 彌散強化

彌散強化是通過機械或化學(xué)方法從體系外引入第二相物質(zhì)，在基體金屬中細小彌散分布，阻礙位錯運動形成，起到強化效果。彌散強化的效果與第二相顆粒大小、分布位置有關(guān)，第二相既能極大提高銅基體的強度，又能保持高導(dǎo)電性，是制備高強高導(dǎo)銅合金的主要方法。

目前，獲得彌散強化銅的主要途徑有：內(nèi)氧化法、共沉積法、溶膠凝膠法、內(nèi)部原位生成法和機械合金化（MA）法。陳峰等人[16]先用內(nèi)氧化制備粉末，再用高速壓制法和燒結(jié)兩個工序制備出Al2O3散強化銅合金，合金的電導(dǎo)率比壓坯試樣的提高153%，達到81%IACS，其壓縮強度最高可達454 MPa。黃勁松等人[17]用一種低成本方法制備了含鋁0.24%的氧化物彌散強化（ODS）銅合金，相對導(dǎo)電率82%IACS以上，熱擠壓態(tài)室溫抗拉強度可達530 MPa。郭明星[18]用雙束熔體原位復(fù)合法+快速凝固法以Cu-Ti和Cu-B為原料制備了Cu-TiB2彌散強化銅合金，其中原位反應(yīng)產(chǎn)物TiB2是主要強化相，Cu-0.45wt%TiB2合金的相對電導(dǎo)率最高，可達92%IACS，維氏硬度142。隨著TiB2含量的增加，強度和硬度不斷升高，但電導(dǎo)率降低，Cu-2.5wt%TiB2合金的相對電導(dǎo)率下降為70%IACS，維氏硬度上升到169，抗拉強度提高到 542 MPa。崔照雯[19]用納米管（CNTs）、耐磨氧化鋁顆粒（Al2O3）作為增強相制備銅基復(fù)合材料，同時加入CNTs和A12O3后，銅基復(fù)合材料在力學(xué)性能、摩擦性能、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性方面均體現(xiàn)了協(xié)同作用。銅基復(fù)合材料的維氏硬度和抗拉強度大大提高，導(dǎo)電率保持在76.3%。

1.6 深冷處理

深冷處理是將材料置于-130～-190℃下進行處理的一種超低溫處理工藝。經(jīng)過深冷處理的材料，其強度、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命均可得到顯著提高，而且操作簡便、不破壞工件、無污染、成本低廉。通過在較低溫度下浸泡點焊電極銅合金材料，達到改善材料內(nèi)合金元素的分布、細化等目的，提高材料性能。

蔣俊亮[20]發(fā)現(xiàn)深冷6 h后Cr-Zr-Cu合金點焊電極的電阻率降幅最大，為3.89%；同時深冷處理使Cr-Zr-Cu點焊電極使用壽命提高了200多點；經(jīng)過拉伸試驗發(fā)現(xiàn)軟硬態(tài)純銅導(dǎo)線的各項力學(xué)性能均略有提高。深冷處理提高了Cr-Zr-Cu合金的導(dǎo)電性和強度。侯東健[21]對Cu-Cr-Zr合金深冷+時效處理，10次深冷處理+390℃時效8h，合金的強度為585MPa，導(dǎo)電率為78.9%IACS。這是因為深冷處理使得合金內(nèi)部出現(xiàn)更多的位錯等晶格缺陷，為隨后的時效提供了更多的形核位置，得到更彌散分布的析出相。

2 點焊電極用銅合金強化的展望

目前點焊電極用銅合金強化的機理已經(jīng)很完善，且常常采用復(fù)合工藝，如固溶時效+形變強化。但是固溶強化會在晶體內(nèi)引入大量微觀缺陷，降低銅合金的電導(dǎo)率，需要適當?shù)剡x取元素，少量多元合金化和時效處理以減少銅合金的電導(dǎo)率的降低。國外學(xué)者[3]用高溫固溶過飽和的Mg元素制作出的Cu-Mg合金的導(dǎo)電率至少高出Cu-Sn合金導(dǎo)電率3倍以上，同時保持很高的強度。形變強化所引起的晶格畸變較少，控制在某些變形量下對銅的導(dǎo)電性能影響較小甚至無影響，可以配合其他方法一起使用。深冷處理能夠同時提高銅合金的電導(dǎo)率和強度，并且操作簡便、不破壞工件、無污染、成本低廉，可以開發(fā)大規(guī)模使用。

彌散強化制備銅合金，尤其是原位生成法制備的銅合金，能同時發(fā)揮基體和強化相的協(xié)同作用。彌散強化能在保持銅合金高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性的同時具有高的硬度和強度，尤其是高溫強度，是銅合金強化的發(fā)展方向。彌散強化的強化相的選擇多樣，可以運用人工改進算法，比如遺傳算法，高效快速地識別和選擇新的強化相。Le[22]等人綜述了大部分已經(jīng)報道的改進算法，并總結(jié)其在識別有價值的新材料和優(yōu)化已有材料性能方面的應(yīng)用。盡管彌散強化制備銅合金有許多優(yōu)勢，但目前加工工藝大多較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。我國在這方面起步較晚，還處在實驗室小規(guī)模研究階段，需要大量從國外進口，因此應(yīng)當盡快開展這方面的研究，早日實現(xiàn)大規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化、低能耗和低污染的目標。

[1]卓海鷗，唐建成，葉楠.高強高導(dǎo)銅合金制備方法的研究熱點及發(fā)展趨勢[J].熱加工工藝，2016（3）：5-10.

[2]Pang Y，Xia C，Wang M，et al.Effects of Zr and（Ni，Si）additions on properties and microstructure of Cu-Cr alloy[J].Journal of Alloys and Compounds，2014（582）：786-792.

[3]Maki K，Ito Y，Matsunaga H，et al.Solid-solution copper alloys with high strength and high electrical conductivity[J].Scripta Materialia，2013，68（10）：777-780.

[4]彭麗軍.Cu-Cr-Zr系合金微觀組織演變規(guī)律及合金元素交互作用機理的研究[D].北京：北京有色金屬研究總院，2014.

[5]毛向陽，方峰，談榮生，等.稀土對銅及銅合金組織和性能影響的研究進展[J].稀土，2008（3）：75-80.

[6]Y Tang，Y Kang，L Yue，et al.The effect of aging process on the microstructure and mechanical properties of a Cu-Be-Co-Ni alloy[J].Materials&Design，2015（85）：332-341.

[7]朱勝利.Cu-Cr-Zr合金組織性能及時效動力學(xué)[D].遼寧：大連理工大學(xué)，2013.

[8]丁宗業(yè)，賈淑果，鄧猛，等.Cu-0.36Cr-0.03Zr合金的時效動力學(xué)[J].中國有色金屬學(xué)報，2013（7）：1879-1884.

[9]Lapovok R，Dalla T F H，Sandlin J，et al.Gradient plasticity constitutive model reflecting the ultrafine micro-structure scale：the case of severely deformed copper[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2005，53（4）：729-747.

[10]Dalla Torre F，Lapovok R，Sandlin J，et al.Microstructures and properties of copper processed by equal channelangular extrusion for 1-16 passes[J].Acta materialia，2004，52（16）：4819-4832.

[11]Shaarbaf M，Toroghinejad M R.Nano-grained copper strip produced by accumulative roll bonding process[J].Materials Science and Engineering：A，2008，473（1）：28-33.

[12]Tsuji N，Saito Y，Lee S H，et al.ARB(Accumulative Roll-Bonding)and other new Techniques to Produce Bulk Ultrafine Grained Materials[J].Advanced Engineering Materials，2003，5（5）：338-344.

[13]劉鋒.超細晶Cu-Cr-Zr合金的制備與高溫變形研究[D].陜西：西安建筑科技大學(xué)，2014.

[14]Krishna S C，Gangwar N K，Jha A K，et al.Enhanced Strength in Cu-Ag-Zr Alloy by Combination of Cold Working and Aging[J].Journal of materials engineering and performance，2014，23（4）：1458-1464.

[15]周倩.時效及塑性變形對Cu-Cr-Zr合金組織性能的影響[D].河南：河南理工大學(xué)，2009.

[16]陳峰，閆志巧，蔡一湘.內(nèi)氧化-高速壓制法制備Al2O3彌散強化銅合金的性能研究[J].功能材料，2015（8）：8133-8137.

[17]黃勁松，甘子旸，張仲靈.ODS彌散強化銅合金[J].礦冶工程，2014（3）：108-111.

[18]郭明星.納米彌散強化銅合金短流程制備方法及其相關(guān)基礎(chǔ)問題研究[D].長沙：中南大學(xué)，2008.

[19]崔照雯.碳納米管、氧化鋁顆粒協(xié)同增強銅基復(fù)合材料及表面涂層[D].北京：北京科技大學(xué)，2015.

[20]蔣俊亮.深冷處理對銅及其合金的影響機理探究[D].天津：天津大學(xué)，2014.

[21]侯東健.Cu-Cr-Zr系高強高導(dǎo)銅合金的時效行為研究[D].江蘇：南京理工大學(xué)，2017.

[22]Le T C，Winkler D A.Discovery and Optimization of Materials Using Evolutionary Approaches[J].Chemical Reviews，2016，116（10）：6107-6132.