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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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430068）

0 前言

點(diǎn)焊電極是點(diǎn)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(diǎn)焊電極一次只能焊約500點(diǎn)，而焊接一輛車外殼就需3 500～6 000個(gè)焊點(diǎn)。因此，如果能夠提高點(diǎn)焊電極壽命，成本將大大減少，縮短更換電極所耗時(shí)間，從而提高生產(chǎn)效率。

相關(guān)研究表明，點(diǎn)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(diǎn)焊電極壽命最直接有效的方式。直接通過基體強(qiáng)化，如固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、形變強(qiáng)化或者深冷處理可以提高點(diǎn)焊材料的性能，從而提高點(diǎn)焊電極的壽命。

1 點(diǎn)焊電極用銅合金的強(qiáng)化

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

1.1 固溶強(qiáng)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(cuò)運(yùn)動造成的強(qiáng)化稱為固溶強(qiáng)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(diǎn)焊電極用銅合金通常固溶Cr、Zr、W、Be等合金元素以提高點(diǎn)焊電極的綜合性能，特別是點(diǎn)焊電極材料的強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)焊電極銅合金材料，例如能承受機(jī)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(shí)效過程中析出更加細(xì)小的Cr相和富Zr相，提高合金強(qiáng)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(qiáng)度。潘振亞在Cu-Cr-Zr合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的稀土元素La，合金強(qiáng)度提高的同時(shí)電導(dǎo)率仍然高達(dá)60.6I%ACS。毛向陽[5]等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)稀土元素Ce、La、Y添加量為0.1%～0.2%時(shí)，銅合金強(qiáng)度明顯提高，當(dāng)添加量超過0.2%時(shí)，強(qiáng)度提高較小。這是稀土的固溶強(qiáng)化、細(xì)化晶粒、凈化作用的共同結(jié)果，當(dāng)添加量進(jìn)一步增加，銅合金的強(qiáng)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(dāng)稀土含量小于1%時(shí)，銅合金的電阻率隨著稀土含量的增加而降低，超過1%時(shí)電阻率隨著稀土含量的增加而增加。

1.2 時(shí)效強(qiáng)化

時(shí)效強(qiáng)化又名析出強(qiáng)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(diǎn)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動，從而增加材料強(qiáng)度。由于時(shí)效強(qiáng)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(qiáng)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(shí)效強(qiáng)化方法增加銅合金強(qiáng)度。滿足該條件的元素有Cr、Zr、Fe、Mg、Be[6]、Nb 等，其中 Cr、Zr的時(shí)效強(qiáng)化效果最明顯。

朱勝利[7]通過實(shí)驗(yàn)得出，高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Cr-Zr合金的最佳固溶溫度為980℃、固溶時(shí)間為1 h，最佳時(shí)效工藝為500℃時(shí)效4 h，合金硬度136.5HV，導(dǎo)電率75.2%IACS。硬度隨時(shí)效時(shí)間先迅速增加，達(dá)到硬度峰值后逐漸降低，溫度越高，硬度上升到峰值的時(shí)間就越短，導(dǎo)電率在時(shí)效初期迅速提升，隨著時(shí)效時(shí)間的延長而趨向穩(wěn)定。丁宗業(yè)[8]對Cu-0.36Cr-0.03Zr合金進(jìn)行時(shí)效處理，經(jīng)500℃時(shí)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(shí)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(xì)晶強(qiáng)化

晶粒尺寸越細(xì)小，合金強(qiáng)度越高。晶粒細(xì)化能提高合金強(qiáng)度的原因是晶界對位錯(cuò)的阻滯效應(yīng)。根據(jù)Hall-Petch公式，合金強(qiáng)度與晶粒直徑d成反比關(guān)系。細(xì)晶強(qiáng)化[9-12]的方法主要有微合金化細(xì)化晶粒、形變誘導(dǎo)相變細(xì)化晶粒、大塑性變形細(xì)化晶粒、熱處理細(xì)化晶粒、機(jī)械控制軋制技術(shù)細(xì)化晶粒、磁場或電場處理細(xì)化晶粒。細(xì)晶強(qiáng)化能提高銅合金的強(qiáng)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(xì)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(shí)效3 h，合金的硬度、抗拉強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到249.15 HV、623.1 MPa和12.3%，電導(dǎo)率達(dá)到85.34%IACS，相較常規(guī)Cu-Cr-Zr合金具有優(yōu)良的機(jī)械性能。

1.4 形變強(qiáng)化

形變強(qiáng)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(qiáng)度、硬度和耐磨性；同時(shí)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(jì)70年代前廣泛應(yīng)用在點(diǎn)焊電極用銅合金強(qiáng)化的方法。只通過形變強(qiáng)化得到的非熱處理硬化銅合金通常電導(dǎo)率較高，但強(qiáng)度和再結(jié)晶溫度不高?，F(xiàn)在一般固溶+時(shí)效+形變強(qiáng)化聯(lián)合使用，當(dāng)以提高強(qiáng)度為主時(shí)采用先固溶，時(shí)效到冷變形工藝；當(dāng)以保證導(dǎo)電性能為主時(shí)采用先固溶，冷變形到時(shí)效工藝。形變強(qiáng)化的機(jī)理是金屬材料在變形過程中位錯(cuò)密度提高從而起到強(qiáng)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(qiáng)化是提高合金力學(xué)性能的主要方法，其強(qiáng)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(shí)效時(shí)間1 h后進(jìn)行冷變形處理，變形量可達(dá)80%，抗拉強(qiáng)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(shí)效前進(jìn)行冷變形，可以促進(jìn)時(shí)效初期第二相的析出，導(dǎo)電率可快速恢復(fù)，同時(shí)合金經(jīng)冷變形后產(chǎn)生了高密度的位錯(cuò)，而且第二相成彌散分布，時(shí)效后可以獲得較高的顯微硬度。Cu-Cr-Zr合金在固溶時(shí)效后進(jìn)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(qiáng)化

彌散強(qiáng)化是通過機(jī)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(xì)小彌散分布，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動形成，起到強(qiáng)化效果。彌散強(qiáng)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(qiáng)度，又能保持高導(dǎo)電性，是制備高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的主要方法。

目前，獲得彌散強(qiáng)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(jī)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(gè)工序制備出Al2O3散強(qiáng)化銅合金，合金的電導(dǎo)率比壓坯試樣的提高153%，達(dá)到81%IACS，其壓縮強(qiáng)度最高可達(dá)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(qiáng)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(qiáng)度可達(dá)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(qiáng)化銅合金，其中原位反應(yīng)產(chǎn)物TiB2是主要強(qiáng)化相，Cu-0.45wt%TiB2合金的相對電導(dǎo)率最高，可達(dá)92%IACS，維氏硬度142。隨著TiB2含量的增加，強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)相制備銅基復(fù)合材料，同時(shí)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(diǎn)焊電極銅合金材料，達(dá)到改善材料內(nèi)合金元素的分布、細(xì)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(diǎn)焊電極的電阻率降幅最大，為3.89%；同時(shí)深冷處理使Cr-Zr-Cu點(diǎn)焊電極使用壽命提高了200多點(diǎn)；經(jīng)過拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)軟硬態(tài)純銅導(dǎo)線的各項(xiàng)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(qiáng)度。侯東健[21]對Cu-Cr-Zr合金深冷+時(shí)效處理，10次深冷處理+390℃時(shí)效8h，合金的強(qiáng)度為585MPa，導(dǎo)電率為78.9%IACS。這是因?yàn)樯罾涮幚硎沟煤辖饍?nèi)部出現(xiàn)更多的位錯(cuò)等晶格缺陷，為隨后的時(shí)效提供了更多的形核位置，得到更彌散分布的析出相。

2 點(diǎn)焊電極用銅合金強(qiáng)化的展望

目前點(diǎn)焊電極用銅合金強(qiáng)化的機(jī)理已經(jīng)很完善，且常常采用復(fù)合工藝，如固溶時(shí)效+形變強(qiáng)化。但是固溶強(qiáng)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(dāng)?shù)剡x取元素，少量多元合金化和時(shí)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(shí)保持很高的強(qiáng)度。形變強(qiáng)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(shí)提高銅合金的電導(dǎo)率和強(qiáng)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(qiáng)化制備銅合金，尤其是原位生成法制備的銅合金，能同時(shí)發(fā)揮基體和強(qiáng)化相的協(xié)同作用。彌散強(qiáng)化能在保持銅合金高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性的同時(shí)具有高的硬度和強(qiáng)度，尤其是高溫強(qiáng)度，是銅合金強(qiáng)化的發(fā)展方向。彌散強(qiáng)化的強(qiáng)化相的選擇多樣，可以運(yùn)用人工改進(jìn)算法，比如遺傳算法，高效快速地識別和選擇新的強(qiáng)化相。Le[22]等人綜述了大部分已經(jīng)報(bào)道的改進(jìn)算法，并總結(jié)其在識別有價(jià)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)室小規(guī)模研究階段，需要大量從國外進(jìn)口，因此應(yīng)當(dāng)盡快開展這方面的研究，早日實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化、低能耗和低污染的目標(biāo)。

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