（材料加工工程专业论文）cu10cr02zr003fe合金显微组织与性能的研究.pdf

中南大学硕十学位论文 摘要 摘要 c u c r - z r 电极合金是电阻焊机配套关键部件，主要用于点焊、 缝焊和凸焊等，是传输焊接电流和焊接力的工具。目前c u 。c r - z r 类 电极合金要求其室温抗拉强度大于4 9 0 m p a ，伸长率大于1 0 ，电导 率大于8 0 i a c s ，软化温度大于5 0 0 。随着先进制造工业的发展， 对电极合金的性能提出了更高的要求。 本文以c u 1 0 c r - 0 2 z r - 0 0 3 f e ( w t ) 新型电极合金为研究对象， 通过硬度测试、室温和高温拉伸、电导率测试以及o m 、s e m 及t e m 等观察方法研究了不同热处理工艺对热轧后合金的力学性能、电学 性能、软化温度以及其显微组织的影响和变化规律，并从理论上进 行了分析与讨论。研究结果如下： 1 ) 合金经9 6 0 2 h 圃溶+ 6 0 冷变形+ 4 5 0 4 h 时效，其室温抗 拉强度、屈服强度和伸长率分别为5 2 7 4 m p a 、4 8 7 0 m p a 和1 2 3 ， 电导率为8 2 1 i a c s ，软化温度为5 2 0 。 2 ) 4 5 0 4 h 时效时，观察到立方状亚稳相以及亚稳相脱溶分解 形成的平衡稳定c r c u 2 z r 相。具有f c c 结构的亚稳相与基体成 c u b e o n c u b e 关系，而具有b c c 结构的h e u s l e r 相c r c u 2 z r 与基体之 间满足n w 关系。合金过饱和固溶体脱溶序列如下：偏聚区一g p 区 一立方状亚稳相一c r c u 2 z r 。c r 元素大部分以c r 相脱溶析出，少部 分与z r 形成c r c u 2 z r 金属化合物。析出的c r 相存在六边形和球状2 种形态。 3 ) 合金中添加微量f e 元素，能够细化铜的晶粒，延缓再结晶过 程；经固溶和时效处理后脱溶析出仅f e 相提高了合金的强度及硬度。 热力学稳定的q f e 相在5 0 0 6 0 0 高温下粗化速率较低，使合金具 有较高的高温强度。 4 ) 在分析合金时效过程中电导率变化规律的基础上，利用合金 时效过程中析出相体积分数与电导率的线性关系，推导出了4 5 0 温 度下合金的a v r a m i 相变动力方程和电导率方程。 5 ) 在9 6 0 2 h 固溶+ 6 0 冷变形+ 4 5 0 。c 4 h 时效+ 6 0 冷变形 + 4 5 0 5 h 时效二级时效下，合金室温的抗拉强度、屈服强度和电 导率分别为5 6 5 4 m p a ，5 2 4 i m p a 和8 0 1 i a c s ，软化温度为5 6 0 。 关键词：c u 1 0 c r - 0 2 z r - 0 0 3 f e 合金，热处理，电导率，力学性能 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t c u c r - z ra l l o y1 su s e di nt h ee l e c t r o d ef o rr e s i s t a n c ew e l d i n g b e c a u s eo fi t s h i g h e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y a n d h i g hs t r e n g t h t h e r e q u i r e dp r o p e r t i e sa r et h et e n s i l es t r e n g t ha b o v e4 9 0 m p a ，e l o n g a t i o n a b o v e10 ，e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya b o v e8 0 i a c sa n dt h es o f t e n i n g t e m p e r t a r ea b o v e5 0 0 。c a st h ei n d u s t r yd e v e l o p m e n t ，t h ep r o p e r t i e so f t h ee l e c t r o d ef o rr e s i s t a n c ew e l d i n ga l l o ya r ee x p e c t e dt ob e h i g h e r t h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f c u 1 o c r - o 2 z r - o 0 3 f e ( w t ) a l l o yh a v e b e e ni n v e s t i g a t e d o p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) w e r eu s e di nt h i se x p e r i m e n t t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r el i s t e da s f o l l o w ： 1 ) t h eo p t i m u ma g i n gt r e a t m e n ti sp r o v e dt ob es o l u t i o nt r e a t m e n t a t9 6 0 。cf o r2 hf o l l o w e db y6 0 c o l dr o l l i n ga n da g e da t4 5 0 。cf o r4 h ， u n d e rw h i c ht h et e n s i l es t r e n g t h5 2 7 4m p a ，y i e l ds t r e n g t h4 8 7 0m p a ， e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y8 2 i i a c sa n ds o f t e n i n gt e m p e r a t u r e5 2 0 c a nb eo b t a i n e d 2 ) a g i n ga t4 5 0 f o r4 h ，t h ei n i t i a lp r e c i p i t a t e sh a v ea no r d e r e d f c cs t r u c t u r e ，w h i c hp o s s e s sac u b e o n c u b eo r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i pw i t h t h em a t r i x ，a n dt h e ne v e n t u a l l yt r a n s f o r m e di n t oo r d e r e db c cc r c u z z r p h a s e t h eh e s u l e rc r c u 2 z rp h a s ep o s s e s s e s a nn wo r i e n t a t i o n r e l a t i o n s h i pw i t ht h em a t r i x t h ec rp h a s ee x h i b i th e x a g o n a la n ds p h e r e s h a p e s 3 ) t h ef ee l e m e n tc a nr e f i n e t h eg r a i nb o u n d a r y t h es t a b l e d t h e r m o d y n a m yo ft h e0 【一f ep h a s eh a st h es t r e n g t he f f e c td u r i n gt h e 5 0 0 6 0 0 t e m p e r a t u r e 4 ) b a s e do nt h el i n e a rb e t w e e ne le c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya n dv o l u m n f r a c t i o no fp r e p i t a t e s ，a v r a m ip h a s et r a n s f o r m a t i o nk i n e t i ce q u a t i o na n d e l e c t r i c a lc o n d u c i t i v i t ye q u a t i o na t4 5 0 。ca r ed e d u c e do ft h ea l l o y 5 ) t h ea l l o ya f t e rt w o s t e pt h e r m o m e c h a n i c a la g i n gt r e a t m e n tw i t h s o l u t i o nt r e a t m e n ta t9 6 0 f o r2 h + 6 0 c o l dr o l l i n g + a g i n ga t4 5 0 。cf o r 4 h + 6 0 c o l dr o l l i n g + a g i n ga t4 5 0 f o r5 hp r o c e s s ，t h et e n s i l es t r e n g t h 5 6 5 4 m p a ，y i e l ds t r e n g t h 5 2 4 1m p a ，e l o n g a t i o n 9 8 ，e l e c t r i c a l 中南大学硕十学位论文a b s t r a c t c o n d u c t i v i t y8 0 0 i a c sa n ds o f t e n i n gt e m p e r a t u r eo f5 6 0 。cc a nb e o b t a i n e d k e yw o r d s ：c u - 1 o c r - o 2 z r - 0 0 3 f ea l l o y , a g i n gt r e a t m e n t ，e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y , s t r e n g t h 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：埠年丑月笪日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 名：咎新签名隘吼珥年生月丛日 中南人学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 电阻焊电极铜合金的概述 随着科技的发展，材料加工自动化程度的不断提高，电阻焊被广泛应用于 汽车车身、飞机机翼、航空发动机扰流器、及电风扇等。电极是电阻焊的关键 材料，在焊接过程中向焊件传导焊接电流和热量及传递焊接压力。电极本身具 有一定的电阻，在焊接过程中产生自身的热量，而且电极端部还与温度较高的 工件相接触，所以焊接时电极头部的使用温度很高，且连续焊接时电极端部在 高温承受大的压力【l 巧】。在点、缝焊时，电极损坏的主要形式是变形和粘附。变 形是由于电极金属在高温下的压溃，粘附则是电极工作面和焊件金属问出现了 扩散与合金化。目前，对于电极损坏及提高电极使用寿命的研究主要集中在电 极材料、电极头部的形状、工件表面质量及焊接规范以及冷却条件等方面。 1 、电极材料 电极在电阻焊中要传导电流、压力和逸散焊接区的热量；在不少焊接场合， 电极还是焊模、夹具或定位装置。电阻焊电极的工作条件比较恶劣，因此制造 电极的材料除了应有较好的导电和导热性能外，还应能承受高温和高压的作用。 高电导率可以减少电极在点焊时的自身产热，降低电极在点焊过程中的工作温 度；高的高温强度能抵抗在高热和高压联合作用下的塑性变形和降低电极头部 的磨损。目前最常用的电极材料主要是c u e t p 、c u z r - n b 、c u c r 、c u c r - z r 和c u n i 2 s i 等铜合金，在特殊的焊接场合，也采用钨、钼、氧化铝等耐高温的 粉末烧结材料。在电阻焊中，电极材料和电极形状的选择直接影响焊接件的质 量、生产成本和劳动生产率。 2 、电极结构 点焊电极的头部形状有圆锥形、尖头形和圆弧形等。电极头部形状不仅直 接影响焊件的焊接质量一焊点的强度、缺陷和外观，还影响电极本身的强度、 散热条件和使用寿命。在常用的各种形状的电焊电极中，平面电极和圆弧面电 极( 圆弧半径大于电极直径) 最不易变形，圆锥角小的截头电极则最容易变形。 此外，圆弧形电极头部的温升比尖头电极低。 3 、工件表面处理 长期以来，国内外的许多学者及生产厂家都从工件的表面处理角度来研究 如何改善工件的焊接性以及提高电极的使用寿命。其中最常见的就是在工件表 面电镀某种合会成分，以减少工件与电极之间的合金化作用。董仕节等【6 】对表 面改性( 在c u c r - z r 电极表面震动涂敷t i c ) 电极点焊镀镍钢板进行了研究，采 l 中南大学硕十学位论文第一章文献综述 用该方法进行表面改性处理能提高c u c r - z r 电极微型点焊镀镍钢板的寿命。研 究表明电极寿命提高的主要原因是表明涂敷具有高熔点和高硬度的t i c 能阻碍 电极和镍板之间的局部粘连( 包括固相粘连和合金化粘连) 以及减小电极表面的 塑性变形。吴志生等【7 】对离子注入钨电极点焊镀锌钢板试验结果表明，电极端 面进行离子注入钨的c u c r - z r 点焊电极寿命有比较明显的提高，焊点增加了近 2 0 0 点。 4 、焊接规范 电焊规范中，以焊接时间和电极力对电极的变形影响最大。帽式电极电焊 时，焊接时间在一定范围内变化时，电极帽有最长的使用寿命或焊接点数。焊 接时间过长会使电极头部因焊点的热传导而变得灼热，焊接时间过短时，则因 焊接电流加大，使电极与焊件接触处发热增加而温度升高，因此均会缩短电极 使用寿命。随着电极力增加，电极与焊件间接触电阻降低，电极工作面发热减 少，电极寿命增长。 5 、冷却条件 点焊电极时增加电极的水冷孔直径，加大冷却水流量，降低冷却水的温度， 以及使导水管深入至接近电极水冷孔的顶端，都能减少电极头部的变形，延长 使用寿命。即保持较高的表面强度，增加焊接点数。电极采用直接冷却方式， 使帽式电极的焊接点数比问接冷却的焊接点数多。 1 1 1 电极铜合金的性能要求 电极是电阻焊机的易耗零件，其主要功能为传输电流、加压和散热。焊接 时，流过电极的电流值随被焊工件类型和厚度的不同而不同，例如点焊低碳钢 板的电流密度范围是2 0 0 6 0 0 a m m 2 ，点焊不锈钢的电流密度范围是3 0 0 4 0 0 a m m 2 。为了使焊点连接牢固，不产生飞溅、裂纹或疏松等缺陷以及保持焊点 质量稳定，点焊时必须通过电极向焊件施加一定的焊接压力或锻压力【乳9 1 。因此， 对电极材料的基本要求是： 1 、高的电导率和热导率 在焊接时强大的电流密度通过工件瞬i n ( 0 0 8 - - 一0 2 s ) 产生大量的热量，大部 分产热用于加热焊件形成焊核。其产热中还有10 - - - 3 0 的热量传递给电极，部 分能量通过冷却水带走，部分能量使电极温度升高。由于具有高的电导率和热 导率，电极自身电阻发热小，能迅速逸散焊接区传来的热量，以延长电极寿命， 改善焊件表面受热状态。对于电极电导率的要求根据被焊材料不同要求有所不 同，焊接铝镁合金要求电极的电导率大于8 0 i a c s ，焊接碳钢要求电导率大于 7 0 i a c s ，焊接耐热合会要求电导率大于4 5 i a c s 。 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 2 、高温下具有高的强度和高的软化温度 在焊接过程中，电极承受热及焊接压力，为了使电极的磨损小，不仅要求 电极具有高的室温强度而且还需具有高的高温强度、高温施加压力时有很好的 抗变形和抗磨损能力。材料的软化温度也是表示电极材料的高温特性的一种方 法，电极用铬锆铜合金在i s o 标准中，规定了软化温度为5 0 0 ，保证材料在 高温时的性能和使用寿命。 3 、有高的抗氧化能力与焊接材料形成合金化倾向小 电极在焊接过程中产生高热量。高的产热使得焊核附近的焊件及电极容易 氧化。被氧化的电极导电导热性能下降，在焊接过程中增加了电极头的修磨次 数，因此电极材料必须具备高的抗氧化性能【l o 】。此外，电极与被焊工件在焊接 时形成合金化倾向小，避免在电极的工作表面形成合金化而减小材料的导电性 能。 此外，电极材料应生产成本低，加工方便，变形或损坏后便于更换。通常 这些要求在选用电极材料时未必都能满足。例如，焊接高温合金要求采用高温 下强度和硬度高的电极材料，但其电导率和热导率往往较差，焊接时必须注意 加强冷却。而焊接铝和铝合金类高电导率金属时，需选用电导率高的电极材料， 但高温强度不高。因此，在焊接不同的材料时，应对电极材料综合考虑，除了 对材料的主要性能提出要求外，其它方面只可有所兼顾，或以一定的电极形状 和结构弥补电极材料性能的不足【l 。 1 1 2 电极材料的选用 国际上将电极材料分为铜及铜合金与粉末烧结材料两大组( 见表1 1 中a 、 b 两组) ，每组又分为若干类。我国行业标准j b t 4 2 8 1 1 9 9 9 电阻焊电极和附 件用材料对常用电极材料的分类和性能参数做了规定，具体见表1 1 i i 2 。 不同的电阻焊工艺或焊接方法对电极材料性能的要求是完全不同的。例如： 在缝焊焊接过程中，焊接电极与被焊接工件连续接触，电极工作温度较高，要 求电极材料具有良好的综合性能。即强度、电导率和高温性能的合理配置。如 果只是常温下强度较高，而电导率和高温强度偏低，在连续的焊接过程中，由 于工件焊接区热量的传递以及电阻热、摩擦热的产生会使电极的工作温度升高， 一般可达5 0 0 以上，从而使电极的强度下降，影响焊接质量、降低电极的使 用寿命。而在点式焊接过程中，电极( 电焊头) 的工作是间断的，电极所吸收的 热量在焊接问断时可通过冷却水得到大部分扩散，电极的工作温度不高，只要 求电极材料具有较高的常温强度、而对电导率和对高温强度的要求可适当降低。 3 表1 1 电阻焊电极材料的分类和 生能 1 2 】 善委：| e c o m 吲p o s i t i m a t e r i a lt y p e 髑h a 小r d n v - c 诎。州n d u c t i - 鼍s o f t e 咖n i n 耐g m 一 1 c u = 9 9 9 f b a r 2 5 m m 8 5 5 6 c u e 即 a 印a u c i ：；。a r 唱 2 5 m m 2 0 01 8 s i - - n 0 孑4 f o r g ep i e c e l6 819 5 0 0 2c l i n i 2 s i c a s tp i e c e 1 5 81 7 c u n i l p c a s tp i e c e 1 1 02 9 b e ：1 1 b a r 一 2 5 m m 3 5 01 2 2 c u 2 删i 誉e b a r 一 o 1 ，c 7i2 0 0k t e t r a g o n a l ( 14 m m m ) s i 2 m o - t y p e c u z r 2 ，t 、写u暑弓置ou一嚣名i-uo一嗣 中南大学硕+ 学位论文第三章形变热处理对合金组织和性能的影响 电导率大于8 0 。 经9 6 0 2 h 固溶+ 6 0 冷变形+ 4 5 0 。c 4 h 时效后，合金的高：f f t a ( 4 5 0 - - - - 6 0 0 ) 拉伸曲线和性能如图3 4 、表3 1 和图3 5 所示。 菖 堇 b 图3 4c u 1 o c r - o 2 z r - 0 0 3 f e 合金高温拉伸曲线 f i g 3 4t h eh i g ht e m p e r a t u r ec u r v e so f c u - 1 o c r - o 2 z r - 0 0 3 f e 表3 1c u 1 0 c r - 0 2 z r - 0 0 3 f e 合金在常温下和高温下保温1 0 m i n 的力学性能 t a b 3 1p r o p e r t i e so f c u 一1 o c r - o 2 z r - o 0 3 f ea l l o yi nr o o ma n dh i g ht e m p e r a t u r e s 5 2 7 4 4 8 7 0 1 2 3 3 4 0 1 2 8 5 0 7 4 3 2 4 3 2 6 1 2 6 8 2 4 6 4 1 9 6 5 5 4 2 0 5 2 1 5 2 4 4 6 图3 4 为c u 1 o c r - o 2 z r - o 0 3 f e 合金时效后的高温拉伸曲线。从图中可以 看出，在4 5 0 - 6 0 0 保温1 0 m i n 条件下，合金的抗拉强度随实验温度升高而降 低，这是由于根据g r i f f i t h 断裂理论【5 3 】，材料内部存在裂纹，为保持系统能量 平衡，弹性能的降低必然使得裂纹失稳扩展而增加表面能，在较高温度下热激 活使裂纹只需较低的能量就可扩展，从而使得材料断裂强度降低，且试样在高 温拉伸时较早的断裂几乎没有出现缩颈，为脆性断裂，从而导致伸长率随温度 升高而降低。 中南大学硕十学位论文第三章形变热处理对合金组织和性能的影响 岔 堇 b t e m p e r a t u r e o c 图3 - 5c u 1 o c r - o 2 z r - o 0 3 f e 合金高温拉伸力学 生能 f i g 3 5h i g ht e m p e r a t u r ep r o p e r t i e so fc u 一1 o c r - o 2 z r - 0 0 3 f ea l l o y 图3 5 为c u 1 o c r - o 2 z r - 0 0 3 f e 合金在不同温度下保温10 m i n 之后的力学 性能。室温下合金的抗拉强度为5 2 7 4 m p a ，屈服强度为4 8 7 0 m p a ，伸长率为 1 2 3 。随着高温拉伸温度的升高，强度逐渐下降，伸长率也逐渐下降。在6 0 0 时，抗拉强度、屈服强度分别为2 0 5 2 m p a 、1 5 2 4 m p a ，伸长率只有4 6 ，伸 长率的下降与高温下发生脆性断裂有关。温度对析出相大小和分布有影响，随 着温度升高，析出相尺寸增大及密度降低而减少对位错运动的阻碍，同时基体 内发生再结晶，从而降低了合金强度。对于c u c r - z r 类电极合金点焊时来说， 圆弧形电极的温度在2 2 0 - - 5 5 0 之间，尖头形电极材料的温度在3 0