点焊电极用铜合金材料强化技术的研究现状

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（1.湖北工业大学材料与化学工程学院，湖北武汉430068；2.绿色轻工材料湖北省重点实验室，湖北武汉430068）

0 前言

点焊电极是点焊过程中容易发生消耗磨损的零件，其主要作用是导通电流形成回路，承受并且递交所受的压力以及在冷却水的协助下迅速散热。现有的点焊电极一次只能焊约500点，而焊接一辆车外壳就需3 500～6 000个焊点。因此，如果能够提高点焊电极寿命，成本将大大减少，缩短更换电极所耗时间，从而提高生产效率。

相关研究表明，点焊电极使用寿命与电极材料、形状、表面状况、焊接规范有关[1]。提高电极材料的性能是提高点焊电极寿命最直接有效的方式。直接通过基体强化，如固溶强化、弥散强化、形变强化或者深冷处理可以提高点焊材料的性能，从而提高点焊电极的寿命。

1 点焊电极用铜合金的强化

提高点焊电极用铜合金材料的性能可从根本上解决点焊电极的寿命问题，但在实际应用中往往受成本、工艺等因素影响。目前对点焊电极基体进行强化的主要手段有固溶强化、时效强化、形变强化、弥散强化和深冷处理。

1.1 固溶强化

溶质原子以置换或者间隙的形式溶入到基体中形成固溶体，引起晶格畸变从而阻碍位错运动造成的强化称为固溶强化。除了Ag、Cd外，在铜基体中固溶的元素对铜合金的电导率影响较大[2-3]。Ti、Si、Mn、Fe、Al导致铜的电导率下降尤其明显。点焊电极用铜合金通常固溶Cr、Zr、W、Be等合金元素以提高点焊电极的综合性能，特别是点焊电极材料的强度，以固溶Cr、Zr最为常见。目前应用最广泛的铜合金是 Cu-0.8wt%Cr、Cu-0.15wt%Zr、Cu-Cr-Zr，通过冷加工、热处理可提高材料性能，虽然电导率有所降低，但强度和再结晶温度明显提升。其次，在某些场所需要具备特有性能的点焊电极铜合金材料，例如能承受机械工作、更高的硬度、更高的电导率，典型代表材料有Cu-Be、Cu-W、Cu-Ag等。

彭丽军[4]研究发现，在Cu-Cr合金中添加微量的Zr后，Cr与Zr之间的交互作用会使合金在时效过程中析出更加细小的Cr相和富Zr相，提高合金强度。近年来，一些学者在铜合金中添加少量稀土元素，可显著提高铜合金强度。潘振亚在Cu-Cr-Zr合金中添加质量分数为0.05%的稀土元素La，合金强度提高的同时电导率仍然高达60.6I%ACS。毛向阳[5]等人发现当稀土元素Ce、La、Y添加量为0.1%～0.2%时，铜合金强度明显提高，当添加量超过0.2%时，强度提高较小。这是稀土的固溶强化、细化晶粒、净化作用的共同结果，当添加量进一步增加，铜合金的强度反而降低。另一方面，稀土元素的净化作用减少了铜合金中的杂质，减少了晶格畸变，提高铜合金导电性能。当稀土含量小于1%时，铜合金的电阻率随着稀土含量的增加而降低，超过1%时电阻率随着稀土含量的增加而增加。

1.2 时效强化

时效强化又名析出强化，由于高温下固溶的合金元素在常温下从过饱和固溶体中析出，形成弥散分布的第二相质点，阻碍位错运动，从而增加材料强度。由于时效强化使一部分固溶的合金元素析出，减少了晶格畸变和电子散射几率，降低了固溶强化带来的铜合金电导率的损失，可以提高铜合金的电导率。室温和高温在铜基体中固溶度相差较大，且室温下固溶度很低的元素才能利用时效强化方法增加铜合金强度。满足该条件的元素有Cr、Zr、Fe、Mg、Be[6]、Nb 等，其中 Cr、Zr的时效强化效果最明显。

朱胜利[7]通过实验得出，高强高导Cu-Cr-Zr合金的最佳固溶温度为980℃、固溶时间为1 h，最佳时效工艺为500℃时效4 h，合金硬度136.5HV，导电率75.2%IACS。硬度随时效时间先迅速增加，达到硬度峰值后逐渐降低，温度越高，硬度上升到峰值的时间就越短，导电率在时效初期迅速提升，随着时效时间的延长而趋向稳定。丁宗业[8]对Cu-0.36Cr-0.03Zr合金进行时效处理，经500℃时效2 h后，显微硬度为153.9 HV，导电率为84.54%IACS，通过微观分析确定在550℃时效2 h后合金中存在Cr和Cu4Zr两种析出相，提高了合金的显微硬度和导电率。

1.3 细晶强化

晶粒尺寸越细小，合金强度越高。晶粒细化能提高合金强度的原因是晶界对位错的阻滞效应。根据Hall-Petch公式，合金强度与晶粒直径d成反比关系。细晶强化[9-12]的方法主要有微合金化细化晶粒、形变诱导相变细化晶粒、大塑性变形细化晶粒、热处理细化晶粒、机械控制轧制技术细化晶粒、磁场或电场处理细化晶粒。细晶强化能提高铜合金的强度和韧性，但会降低铜合金的导电性。

刘锋[13]采用等通道转角挤压（Equal-channel Angular Pressing，ECAP）制备的超细晶 Cu-Cr-Zr合金平均晶粒尺寸约为200 nm，合金经ECAP工艺连续挤压8道次后420℃时效3 h，合金的硬度、抗拉强度和伸长率分别达到249.15 HV、623.1 MPa和12.3%，电导率达到85.34%IACS，相较常规Cu-Cr-Zr合金具有优良的机械性能。

1.4 形变强化

形变强化也称为加工硬化或冷作硬化，工艺有喷砂、冷扎、冷镦等，可大幅度提高铜的强度、硬度和耐磨性；同时该方法引起的晶格畸变较少，对铜的导电性能影响较小，是20世纪70年代前广泛应用在点焊电极用铜合金强化的方法。只通过形变强化得到的非热处理硬化铜合金通常电导率较高，但强度和再结晶温度不高。现在一般固溶+时效+形变强化联合使用，当以提高强度为主时采用先固溶，时效到冷变形工艺；当以保证导电性能为主时采用先固溶，冷变形到时效工艺。形变强化的机理是金属材料在变形过程中位错密度提高从而起到强化作用[14]。

周倩[15]采用真空熔炼法制备Cu-0.85wt%Cr-0.1 wt%Zr、Cu-0.85wt%Cr-0.1wt%Zr-0.1wt%Ag 两种合金，发现冷塑性变形引起的形变强化是提高合金力学性能的主要方法，其强化相是富Cr相。Krishna等人[16]发现，Cu-3wt%Ag-0.5wt%Zr合金在400～500℃、时效时间1 h后进行冷变形处理，变形量可达80%，抗拉强度和硬度均大幅提高，但延伸率降低。朱胜利[7]对Cu-Cr-Zr合金固溶时效前进行冷变形，可以促进时效初期第二相的析出，导电率可快速恢复，同时合金经冷变形后产生了高密度的位错，而且第二相成弥散分布，时效后可以获得较高的显微硬度。Cu-Cr-Zr合金在固溶时效后进行冷变形，合金的硬度提高较为显著，而导电率有所下降。

1.5 弥散强化

弥散强化是通过机械或化学方法从体系外引入第二相物质，在基体金属中细小弥散分布，阻碍位错运动形成，起到强化效果。弥散强化的效果与第二相颗粒大小、分布位置有关，第二相既能极大提高铜基体的强度，又能保持高导电性，是制备高强高导铜合金的主要方法。

目前，获得弥散强化铜的主要途径有：内氧化法、共沉积法、溶胶凝胶法、内部原位生成法和机械合金化（MA）法。陈峰等人[16]先用内氧化制备粉末，再用高速压制法和烧结两个工序制备出Al2O3散强化铜合金，合金的电导率比压坯试样的提高153%，达到81%IACS，其压缩强度最高可达454 MPa。黄劲松等人[17]用一种低成本方法制备了含铝0.24%的氧化物弥散强化（ODS）铜合金，相对导电率82%IACS以上，热挤压态室温抗拉强度可达530 MPa。郭明星[18]用双束熔体原位复合法+快速凝固法以Cu-Ti和Cu-B为原料制备了Cu-TiB2弥散强化铜合金，其中原位反应产物TiB2是主要强化相，Cu-0.45wt%TiB2合金的相对电导率最高，可达92%IACS，维氏硬度142。随着TiB2含量的增加，强度和硬度不断升高，但电导率降低，Cu-2.5wt%TiB2合金的相对电导率下降为70%IACS，维氏硬度上升到169，抗拉强度提高到 542 MPa。崔照雯[19]用纳米管（CNTs）、耐磨氧化铝颗粒（Al2O3）作为增强相制备铜基复合材料，同时加入CNTs和A12O3后，铜基复合材料在力学性能、摩擦性能、导电性和导热性方面均体现了协同作用。铜基复合材料的维氏硬度和抗拉强度大大提高，导电率保持在76.3%。

1.6 深冷处理

深冷处理是将材料置于-130～-190℃下进行处理的一种超低温处理工艺。经过深冷处理的材料，其强度、耐磨性、尺寸稳定性和使用寿命均可得到显著提高，而且操作简便、不破坏工件、无污染、成本低廉。通过在较低温度下浸泡点焊电极铜合金材料，达到改善材料内合金元素的分布、细化等目的，提高材料性能。

蒋俊亮[20]发现深冷6 h后Cr-Zr-Cu合金点焊电极的电阻率降幅最大，为3.89%；同时深冷处理使Cr-Zr-Cu点焊电极使用寿命提高了200多点；经过拉伸试验发现软硬态纯铜导线的各项力学性能均略有提高。深冷处理提高了Cr-Zr-Cu合金的导电性和强度。侯东健[21]对Cu-Cr-Zr合金深冷+时效处理，10次深冷处理+390℃时效8h，合金的强度为585MPa，导电率为78.9%IACS。这是因为深冷处理使得合金内部出现更多的位错等晶格缺陷，为随后的时效提供了更多的形核位置，得到更弥散分布的析出相。

2 点焊电极用铜合金强化的展望

目前点焊电极用铜合金强化的机理已经很完善，且常常采用复合工艺，如固溶时效+形变强化。但是固溶强化会在晶体内引入大量微观缺陷，降低铜合金的电导率，需要适当地选取元素，少量多元合金化和时效处理以减少铜合金的电导率的降低。国外学者[3]用高温固溶过饱和的Mg元素制作出的Cu-Mg合金的导电率至少高出Cu-Sn合金导电率3倍以上，同时保持很高的强度。形变强化所引起的晶格畸变较少，控制在某些变形量下对铜的导电性能影响较小甚至无影响，可以配合其他方法一起使用。深冷处理能够同时提高铜合金的电导率和强度，并且操作简便、不破坏工件、无污染、成本低廉，可以开发大规模使用。

弥散强化制备铜合金，尤其是原位生成法制备的铜合金，能同时发挥基体和强化相的协同作用。弥散强化能在保持铜合金高的导电、导热性的同时具有高的硬度和强度，尤其是高温强度，是铜合金强化的发展方向。弥散强化的强化相的选择多样，可以运用人工改进算法，比如遗传算法，高效快速地识别和选择新的强化相。Le[22]等人综述了大部分已经报道的改进算法，并总结其在识别有价值的新材料和优化已有材料性能方面的应用。尽管弥散强化制备铜合金有许多优势，但目前加工工艺大多较为复杂，生产成本较高。我国在这方面起步较晚，还处在实验室小规模研究阶段，需要大量从国外进口，因此应当尽快开展这方面的研究，早日实现大规模、产业化、低能耗和低污染的目标。

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