深冷處理對CuCoBeZr合金電極點焊性能的影響

張木

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 材料工程學院,陜西 咸陽 712000)*

0 引言

鑒于電阻點焊的電極在工作時需要同時承受高導(dǎo)電、重壓力的情況，作為點焊重要部件的電極除要求具有高的導(dǎo)電/導(dǎo)熱性能及高溫下的強度外,電極的抗變形和抗磨損能力以及硬度也是非常重要的，如果電極的耐磨性能較差,就會使得電極端面極易磨損變形,從而使得點焊電極的尺寸發(fā)生變化,導(dǎo)致產(chǎn)品的焊接質(zhì)量降低、影響焊接效率,同時也會使得點焊接頭容易受到電極材料的污染而影響接頭性能.某公司針對其生產(chǎn)的鍍鋁鋅板研制出新型CuCoBeZr合金電極，CuCoBeZr合金是一種綜合力學性能優(yōu)良的時效強化合金，傳統(tǒng)提高金屬耐磨性的、硬度的方法很多,如淬火,堆焊耐磨合金等,但相對于點焊電極這一特殊工件來說這些傳統(tǒng)工藝都有一定的缺點.考慮到深冷處理作為一種無污染、對工件無傷害、成本低廉、操作簡單的強化手段，具有優(yōu)良的社會經(jīng)濟效益[1-2]，該技術(shù)為提高點焊電極服役壽命提供一種新的手段，但是對于深冷處理改善CuCoBeZr合金電極點焊功能的相關(guān)研究報道相對較少，下面就深冷前后CuCoBeZr電極的電導(dǎo)率、硬度、熱導(dǎo)率進行對比和分析，為進一步提高點焊電極的綜合力學性能提供理論依據(jù)，為CuCoBeZr合金的深冷處理推廣應(yīng)用奠定一定理論基礎(chǔ).

1 實驗材料與試驗方法

1.1 實驗材料

試驗用CuCoBeZr合金電極見圖1，其成分見表1.

圖1 CuCoBeZr電極示意圖

表1 CuCoBeZr電極化學成分%

該CuCoBeZr合金的軟化溫度為530℃，電橋法測得導(dǎo)電率為45%IACS.

1.2 試驗方法

本試驗采用的是液體法深冷處理，即直接將材料浸沒于液氮中保溫，其保溫時間分別選擇4、6、8 h，得到深冷前后不同狀態(tài)下的電極，然后借助光學顯微鏡、掃描電鏡然對深冷前后的CuCoBeZr合金微觀組織進行觀察， 再分別對深冷前后的電極采用凱爾文(湯姆遜)雙臂電橋法[3]測量每個電極材料的電阻值，然后逐一測量其硬度值，最后結(jié)合材料的顯微組織、導(dǎo)電性能及硬度的變化情況，總結(jié)出深冷處理工藝對該合金電極性能影響規(guī)律.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 微觀組織觀察及討論

圖2是未深冷與深冷4、6、8 h后深冷電極材料放大500倍的金相照片對比圖，觀察發(fā)現(xiàn)深冷后電極中有大量的孿晶產(chǎn)生.而通過1 000倍下深冷前后電極試樣的金相照片(圖3)，可以發(fā)現(xiàn)存在彌散分布的黑色點狀物質(zhì)和沿晶界分布的灰色長條物質(zhì).圖4是采用掃描電鏡對深冷前后電極背散射照片，從照片可以看出：原合金電極的基體組織中含有較多的顯微孔洞；而經(jīng)過深冷處理后，顯微孔洞明顯減少.金相照片和掃描電鏡觀察結(jié)果表明，深冷6 h與深冷8 h的電極材料在組織形貌、析出相的多少和顯微孔洞的分布方面都十分近似，而這些表現(xiàn)都優(yōu)于深冷4 h電極材料.

(a) 未深冷電極 (b) 深冷4 h電極

(c) 深冷6 h電極 (d) 深冷8 h電極

(a) 未深冷電極 (b) 深冷4 h電極

(c) 深冷6 h電極 (d) 深冷8 h電極

深冷處理一方面使合金元素溶解度降低，產(chǎn)生它們析出的驅(qū)動力[3]，另一方面由于在超冷狀態(tài)下會使原子運動變得緩慢，這就要求合金元素的析出需要充分的時間，而深冷4 h顯然不能滿足這一時間要求，深冷6 h對于該電極材料則較為充分.深冷時間超過6h后，電極的組織變化不大,表明深冷處理時間對合金性能的影響存在遞減效應(yīng).

(a) 未深冷電極 (b) 深冷4 h電極

(c) 深冷6 h電極 (d) 深冷8 h電極

2.2 導(dǎo)電能力對比分析

使用凱爾文(湯姆遜)雙臂電橋法測量深冷前后電極材料的電阻值[3]，再結(jié)合式(1)～(3)[4]得出表2的數(shù)據(jù)：

導(dǎo)電率 (%IACS )= 0.017241/ρ×100%

(1)

或：

導(dǎo)電率 (%IACS)=σ/58.0×100%

(2)

電阻值為：

Rx=ρ+L/S

(3)

由表2可以看出，深冷后的電極導(dǎo)電性能要比深冷前電極導(dǎo)電性能好，而且深冷6、8 h的電極導(dǎo)電性要比深冷4 h的好.分析認為[5]：

電極電阻的產(chǎn)生是由于外載電場作用在電極材料后，材料中的自由電子發(fā)生定向移動產(chǎn)生電流，而這些自由電子在定向移動中會不斷的撞擊正離子致使電阻產(chǎn)生.而深冷處理后CuCoBeZr電極合金內(nèi)部含有雜質(zhì)的固溶體量降低，使得雜質(zhì)原子引起金屬產(chǎn)生的畸變消失，從而降低了電子的散射，提高了導(dǎo)電率.另一方面，深冷處理后的CuCoBeZr電極合金基體內(nèi)孔洞大量減少，固溶元素析出且分布更為彌散均勻，這進一步降低了對電子的散射作用，提高了合金的導(dǎo)電率.因此深冷材料的導(dǎo)電率高于未深冷電極，而深冷6和8 h所析出的含Co、Be、Zr顆粒要比深冷4 h的多，因此深冷4 h材料的導(dǎo)電率略低，與實際電阻測量結(jié)果一致.

表2 深冷前后電極導(dǎo)電率、電導(dǎo)率、電阻率測試結(jié)果

2.3 電極硬度對比分析

點焊過程中電極需要承受一定的載荷，這就要求電極自身具有一定的抵抗變形的能力，擁有一定的硬度.在此通過對深冷前后電極材料硬度的對比，分析深冷處理對電極硬度的影響.

本實驗通過在電極端面上任取三點測量其維氏硬度，再通過三點平均值進行對比，結(jié)果見表3.

表3 深冷前后電極材料硬度比較

隨著溫度的降低, Cu的晶體會向更低能量的晶格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,而孿晶晶界的界面能遠遠低于普通晶界的界面能.使得Cu合金發(fā)生孿晶變形[3],同時Co,Be,Zr在Cu中的溶解度急劇下降, Co,Be,Zr析出相在Cu基體中不斷形核,同時深冷溫度下降使得Co,Be,Zr顆粒的析出量增多,在化學力的作用下不斷的在Cu基體中傳質(zhì),并最終聚集在一起形成強化析出相,強化析出相相互貫通形成網(wǎng)格強化結(jié)構(gòu),增強合金的硬度.隨著深冷溫度的降低析出相增多,使得晶界增多.晶界的增多又阻礙了析出相原子的傳質(zhì)過程.使得析出相的析出速度減緩.同時由于深冷溫度的降低使得Co,Be,Zr原子在銅基體中的擴散傳質(zhì)速度下降,擴散系數(shù)呈指數(shù)速度急劇降低.由于上述兩種因素的作用結(jié)果,可以預(yù)見Co,Be,Zr原子在Cu基體中的擴散應(yīng)該存在一個極值.從而使合金電極的硬度存在一個極值.當達到極值以后,隨著深冷溫度的降低,盡管溫度使得金屬中Co,Be,Zr的濃度梯度加大,析出能力增強,但是由于深冷溫度使得原子的活性的急速下降,從而Co,Be,Zr原子擴散聚集能力減弱,導(dǎo)致Co,Be,Zr原子在合金中不能構(gòu)成較為完備的相互貫連[5-7]強化網(wǎng)格.從而強化效果下降,在宏觀上表現(xiàn)為合金耐磨性的降低趨勢.但由于深冷處理不僅影響合金電極的第二相強化作用.同時深冷作用使得合金中的空位缺陷明顯減少[8],增強了合金組織的致密度,從而表現(xiàn)為深冷處理后的合金電極硬度整體優(yōu)于處理前的合金電極試樣.

3 結(jié)論

本章對深冷電極在點焊中的作用進行了研究，研究表明通過深冷處理的電極由于合金元素的析出，孿晶的產(chǎn)生、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的貫通及基體孔洞的減少使材料的導(dǎo)電能力、電極硬度比起未深冷前都有很大的提高，并且隨著保溫時間的延長，其導(dǎo)電能力、電極硬度都有相應(yīng)提高，但在保溫6 h以后，再延長保溫時間各項性能提高不大，趨于穩(wěn)定，達到一極值.