（材料物理与化学专业论文）铜钴铬硅电极合金的显微组织和性能.pdf

中南大学颈士学位论文摘要 摘要 采用铸锭冶金法制各了电阻焊电极c u c o c r s i 合金，通过硬度 测试、室温拉伸、电导率测定、金相分析、x r d 、s e m 、t e m 等方法研 究了不同热处理工艺对热锻后合金力学性能、导电性能及其组织结构 的影响和变化规律，并从理论上进行了分析和解释。研究结果表明： 1 锻态样品经固溶处理后，加工硬化消失，硬度和强度明显下降， 基体软化，塑性提高。固溶后合金组织为q c u 基体和x 相，该 相为铸态平衡相，固溶过程中不会溶入基体。固溶温度对合金性 能的影响要大于固溶时间。最佳固溶处理工艺为9 8 0 ，6 0 m i n 。 2 c u c o 吒r - s i 合金是典型的时效强化型合金，时效处理可以进一 步改善合金性能。时效过程中过饱和固溶体分解析出第二相 c o j s “引起沉淀强化及固溶元素在基体中的贫化，使合金的硬度、 强度和电导率大大提高。最佳时效处理工艺为4 8 0 ，4 h 。 3 形变热处理( 固溶一冷变形一时效) 工艺可大大提高合金时效后 的最终强度，并且对电阻率影响很小。冷变形后的合金在时效过 程中受到析出和再结晶过程交互作用的影响，析出的第二相粒子 不仅强化了基体而且一定程度上抑制了再结晶的进行，从而使合 金的硬度进一步提高。研究合金的强化机制包括固溶强化、加工 硬化及析出强化。 4 合金经9 8 0 l h 固溶一冰盐水淬一4 8 0 4 h 时效、9 8 0 1 h 固溶 一冰盐水淬一4 0 冷变形一4 8 0 4 h 时效及9 8 0 1 h 固溶冰 盐水淬一6 0 冷变形一4 8 0 4 h 时效三种工艺处理后的软化温度 分别为：6 6 7 、6 3 2 和5 6 4 。 5 在本论文实验条件下，合金综合性能较好的热处理工艺为9 8 0 l h 固溶一冰盐水淬一4 0 冷变形一4 8 0 4 h 时效，合金的力学 和电学性能可达：o 。= 6 3 4 m p a ，o 。= 5 7 5 m p a 6 ；= 8 9 ，o 。= 4 3 2 i a c s ：若电极工作温度较低，则可采用9 8 0 l h 固溶一冰 盐水淬一6 0 冷变形一4 8 0 4 h 时效的处理工艺，合金的力学和 电学性能可达：dn = 6 9 5 m p a ，ou 。= 6 5 5 f p a 6 ；= 8 2 ，o ，= 4 8 i a c s 。 关键词c u c o c r s i 合金，热处理，组织，性能 申南大学硕士学位论文 a b s n t a c t a b s t r a c t c u c o - c r - s ie l e c t r o d em l o yu s e df o re l e c t r l cr e s 垮t a n c e 、楷l d m gw e r e p r e p a r e db yi n 9 9 tm e t a l l u 礓* u s i n & h a d e s sm e a s u r e m e n t ，t e n s i l et e s ta t r o o mt e m p e r a t l l r e ，e l e c t r i c a lr e s i s t a l l c et e s ta tr o o mt e m p e r a t u r e ，o p t i c a l m i c r o s c o p y ，x r d ，s e m ，a 1 1 d 陋m ，t 1 1 em e c h a n i c a la 1 1 de l e c 仃i cp r o p e n i e s a n dt h em i c r o s t m c t u r eo fm ef b r g e da l l o ya r e rd i f 凳r e n th e a tt r e a t m e mw e r e s t u d i e d ，a 1 1 dw e r ea l s oa n a l y z e da n de x p l a i n e di nt l l e o 彤t h er e s u l t ss h o w t h a t ： t h ef i r s t ，a 缸rs o l i ds o l u t i o nt r e a t m e m ，m ep r o c e s sl l a r d e no ff 0 珞e d s p e c i m e n sd i s a p p e a r e d a n da t 廿1 es 锄et i m e ，h a r 血e s sa n ds 仃e n g t l l d e c r e a s e do b v i o u s l y t h em a t r 诙s o r e n sw i mp l a s t i c i 妙i n c r e a s i i 培t h e s 咖c t l l r eo f 血ea 1 1 0 ya f t e rs o 】i ds o l u t i o n c o n s i s t so fo 【c ua n dx p h a s e ， w h i c hi sa na s c a s te q u i l i b r i u mp h a s ea n dw i l ln o tb ed i s s 0 1 v e dd u r i n gt l l e s o l i ds o l u t i o n t h es o l u t i o nt e m p e r a _ c u r ep l a y sam o r ei n l p o m m tr o l eo n 位 p r o p e n i e sm a l lt h et i m ed o e s 。t h eb e s ts o l u t i o nt f e 咖l e n ti s9 8 0 ，6 0 m 虹 1 1 1 es e c o n d ，c u - c o - c r s ia l l o yi sat y p i c a la g i n g 咖e n g m 主n ga 1 1 0 y a i l d t h ea g e i n gh e a t 仃e 锄e n tc o u l di m p r o v et h ep m p e n i e so fm ea 】l o y 如他e r t h ep r e c i p i t a t i o ns t r e n g m e n i n ga n dt h ed e p l e t i o no f 廿l ea l l o ye l e m e n 乜i n 恤 m a t r i xc a u s e db ym ep r e c i p i t a t i o no fs u p e r s 咖r a t i o ns o l i ds o l u t i o nw i l 王 i m p r o v e t l l eh a r d r l e s s ， s t r e n 口h a n dm ec o n d u c t i b i l i t yo ft b e a l l o y s i m u l t a n e o u s ly t h eb e s ta g e i n g 恤a n n e n ti s4 8 0 ，4 h t h e 也i r d ，t h e n n o m e c h a n i c a lt r e a ：t i i l e n t ( s o l u t i o n c o l d - d r a w i n g a g i n g ) c a ni n c r e a s ea l l o y ss t r e n g mg r e a t l ya n dh 2 l r d l yd e c r e a s et 1 1 ec o n d u c t i b i l 时o f t h ea u o y t h ea l l o yi na g i n ga f t e rc o l d - d r a w i n gw a si n n u e n c e db yt h e m t e r a c t i o no ip r e c i p i t a t i o na 1 1 dr e c r y s t a l l i z a t i o n t h ep r e c i p i 协t e sn o to n l y c a ns t r e n g t h e nt h em a t r i xb u ta l s oc a l lr e s 打a i n r e c 叮s t a l l i 删o n t h e s t r e n 昏h e n i n gm e c h a n i s m so ft l ea l l o ym a i n l yi n c l u d es o l u t i o ns t r e n g t l l e i l i n g ， s n a i n s n e n g t h e n i n ga 芏1 da g i n gs t r e n 分h e n j n g t h ef o u n h ，t h es o 矗e n i n gt e m p e r a m r e so ft h ea l l o yt r e a t e db y9 8 0 1 h s o l u t i o n i c es a l i n eq u e n c h 一4 8 0 4 ha g e i n g 、9 8 0 l hs 0 1 u t i o n i c es a l i l l e q u e n c h - 4 0 c o l dd e f 0 姗a t i o n 一4 8 q 4 ha g e i n ga n d9 8 0 1 hs 0 1 砸o n - i c e s a l i n eq u e n c h - 6 0 c o i dd e f o r m a t i o n - 4 8 0 ，4 ha g e i n ga r e6 6 7 、6 3 2 a n d 5 6 4 r e s p e c t i v e l y ， 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i n a l l y ，m eo p t i m a l t r e a t m e n to ft h e e l e c t r o d e a 1 1 0 y i s9 8 0 l h s o l u t i o n i c es a l i n eq u e n c h - 4 0 c o l dd e f o r m a t i o n ， “sm e c h 舡l i c a l舡1 d e l e c t r i c a lp e r f o r m a n c ec a nr e a c h 。b = 6 3 4 中a ，oo2 = 5 7 5 口a 65 2 - 8 9 ， o ，= 4 3 2 i a c s ：i f t h es e n ，i c et e 唧e r a t u r ep e n n i t s ，m et r e a 衄e mo f 9 8 0 lhs 0 1 u t i o n i c es a l i n eq u e n c h - 6 0 c o l dd e f o r n l a t i o n 4 8 0 4 ha g e i n gc a n a l s ob ec h o s e n ，i t sm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp e r f b n n a n c ec a nr e a c ho b = 3 4 2 m p a ，oo2 = 2 1 6 m p a 65 = 2 7 8 ，or - 7 4 3 i a c s 。 k e yw o l l sc u c o c r - s ia 1 1 0 y ，h e a tt r e a 衄e m ，s 廿1 l c m r e ，p m p e r t i e s 中南大擘硕士学住论文 第一章 第一章文献综述 1 1 电阻焊电极铜合金的概述 电阻焊，又称为接触焊，是通过工件流过电流使金属加热，同时旄加压力使被 焊工件接头区变形而焊合的一种焊接方法。电阻焊的主要特点是：焊缝整齐，接头可 靠，且具有不需要任何辅助焊剂，操作简便，效率高，易于自动化，不污染环境等一 系列优点，是航空、机械制造、电子和现代国防各部门生产中不可缺少的工序，广泛 用于飞机、汽车、拖拉机、船舶、自行车、电器元件的焊接中【l 圳。国外电阻焊结构 钢材重量在焊接结构总量中约占3 0 ，并认为在今后相当长的时期内，它的重要地 位不会由于其它焊接技术的发展而下降。 电极是电阻焊的关键材料【4 j ，焊接按连接方式不同可分为点焊、缝焊和对焊，现 以点焊为例，简单介绍一下电极的工作条件。 图1 一l 管板点焊示意图 点焊时( 图1 1 ) ，将相互搭接的待焊材料压在两个电极之间通电。使焊件接触 处加热熔化，形成焊点。零件的电阻热只有一部分用于形成焊点其他部分加热了焊 点附近的金属、散于空中和加热了电极。同焊件接触的电极工作表面的温度可达到被 焊件熔点的7 0 以上。同时，为了保证焊点核心的形成要采用足够的压力压紧待焊 部位。例如，在焊接铝合金和高温焊接时，为了消除焊点核心中的裂纹和缩孔，要在 中南大学硕士学位论丈 第一章 焊核凝固过程中施以1 9 6 0 0 一3 9 2 0 0 n 的顶锻压力吼由于加热和重复冲击载葡的作 用，在电极工作表面产生着接近合金屈服极限的应力，引起工作表面的滑移和变形， 改变电极工作表面的形状和尺寸。 由于电极在焊接过程中反复受热受压，工作端面容易增丈，跤致移成蘑赡状， 或电极过热而与焊件互相合金化，发生粘住现象，导致电极损耗快，修换频繁。很多 研究报告均提出，随着电极变形量的增加，焊点强度降低，变形量增加到一定程度就 焊不出合格焊点。西方工业发达国家对一些重要产品的焊接规定了对电极工作端的控 制要求，而且不准焊工任意修锉电极，一般采用下述方法控制：一是依据实测结果限 定焊到多少点或多少件之后更换电极；一是规定电极工作端的极限尺寸和形状并制备 样板随时检查，电极不合格便及时更换。在我国仍普遍采用焊工锉修的方法修整电极， 这样势必引起焊接质量的波动。性能较好的电极材料的定点生产和按照标准正常供 应，必将推动焊接技术质量管理工作的加强和产品焊接质量的稳定提高。 1 1 1 电极合金的性能要求及检测 1 1 1 1 电极合金的性能要求 在焊接过程中。电极既是焊件的夹持具，也是工件焊合时传递压紧力或顶锻力 的传力件，又是向焊件传输电流的导电件。由于电极所处的工作状态和特点，对制造 电极的合金材料提出的主要要求是： 1 良好的导电导热能力 无论如何要大于工件的导电能力，导电能力愈大，电极中消耗的电能就愈小。 在焊接时由于强大的电流( 4 0 0 5 0 0 安m m 2 ) 通过工件瞬时间( o 0 8 0 2 秒) 产生 大量的热量。大部分热用于加热焊件形成焊核，还有1 0 3 0 的热量传给电极，部分 通过冷却水带走，部分使电极温度升高。由于电极具有良好的导热能力，使电极接触 点温度降低而保持必要的硬度，使之能正常使用。若导热不好，热量散得慢，电极头 温度会显著升高，不仅使电阻上升造成危害，而且使材料强度硬度降低，造成软化粘 着电极，使工作无法进行。所以要求电极导热性好。由w i e d e m a l l f r 觚z 定律，结合 铜合金的实验事实，可导出热传导系数k 与电导率g 的关系：k = 3 8 8 2 8 g ( 弘n - s ) 峥j 。由此可知铜合金电极导热与导电成比例关系，导热性好，导电性也好。对电极电 导率的要求根据被焊材料不同要求有所不同，焊铝镁轻合金要求电极到电导率 8 5 ( i a c s ) ，焊碳钢要求电导率 7 0 ( i a c s ) ，焊耐热合金要求电导率 4 5 ( i a c s ) 。 2 有高的硬度和高的软化温度 在焊接时电极受热又受压1 7 j ，为了使电极的损耗保持在最小，不仅要有高的室温 申南大学硕士学位论文 第一章 硬度而且要有高的高温硬度。焊接时电极头由于受热温度升高，一般焊碳钢时3 0 0 6 0 0 ，焊不锈钢时达到5 0 0 7 0 0 j 受压力几公斤至4 上千公斤，在这样的条件下电 极必须有足够的硬度和软化温度才能保持电极的形状和焊核的质量。 3 抗氧化好和合金化倾向小 电极在焊接时将产生高热，这种高热有可能使焊核附近焊件及电极本身氧化， 这样使电极头粘污，导电导热能力恶化，在焊接过程中增加了电极头的修磨次数【8 】， 因此必须使电极材料具有良好的抗氧化性能。此外电极与被焊工件在焊接时形成合金 化倾向应小，这样避免由于在电极的工作表面形成合金而减小导电能力，不与焊件发 生粘着和焊合，保证焊件表面质量。 另外，电极还应具有可传递较大压力的足够强度，良好的加工性能，以及在材 料的生产和使用工程中对环境不造成污染。 1 1 1 2 电极材料性能的检测 只对电极材料提出性能要求而在实际生产中没有切实可行的检测方法也是多年 来阻碍电极材料发展的重要原因。按照使用要求，应该检测的项目很多，但在正常生 产条件下不宜甚至不可能对某些项目进行检测。所以，直到七十年代还只能靠控制合 金配料成分并辅之以室温硬度检验来控制材料质量。日本标准j i s z 3 2 3 4 7 7 只规定室 温硬度为必测项目。国际标准i s 0 5 1 8 2 7 7 电阻焊电极与辅助装置用材料的颁布 为验收电极材料确定了比较全面的技术要求，该标准规定了三个检验项目：室温硬度、 电导率和软化温度。 室温硬度是反映材料的坚硬性、强度、韧性的综合指标，是必须检测的，目前 有三种试验方法同时采用。国际标准采用维氏( h v 3 0 k g ) 硬度试验法，同时给出了 换算成布氏( h b ) 和洛氏( h i 国) 硬度的换算图表。我国通常采用洛氏硬度试验法， 读数比较直观。 电导率的检测既可以反映材料的电阻率又可以反映材料的导热性。材料电导率 如何测量目前尚缺乏统一认识，国际标准i s 0 5 1 8 2 及各国有关标准规定采用测量导线 电阻率再算出电导率的方法，同时加注了一句：“当不便采用这种方法测量时，可按 供需双方商定的其它方法测量”。实践表明，采用检测导线的方法是不可行的，而涡 流对比法不但简便易行，而且达到了电极材料检测的足够精度。我国制定的航空航天 部标准h b 5 4 2 0 8 9 明确规定采用涡流对比法检测电导率。铜合金的电导率可以采用 同退火铜对比的方法表示，以退火铜的电导率为1 0 0 i a c sc 国际退火铜标准) 。也 可以，按照国家法定计量单位，采用国际单位制，电导率的单位为m s m o d 为1 0 6 兆，s 一为电导单位一西门子，m 为米) 。两者的换算为：1 0 0 n c s = 5 8 m s m 中南大学硕士学住论文 第一章 1 m s m = 1 7 2 4 1 i a c s “软化温度”【9 】就是材料还能基本上保持其固有硬度的温度，软化温度值的检测 可以反映测量高温硬度、再结晶温度的效果，而且方法较简便，国际标准为“软化温 度”下的定义是：软化温度是这样一个温度，在该温度下保持两个小时，材料硬度的 降低值不大于1 5 。 电极使用寿命是指电极能够保持其工作表面规定形状、尺寸的能力，使用寿命 试验是对电极材料性能的综合评价。常用的方法有以下几种： 1 按电极工作表面直径增加到2 0 之前所焊的焊点数来评定： 2 按电极工作表面直径不变时所焊的焊点数来评定： 3 按电极重车或修整前所焊的合格焊点数来评定； 4 。按焊接若干焊点后，电极的质量、长度及体积的变化来评定； 5 按焊点抗剪强度的变化来评定。 还有一些其它方法，在上述各种方法中，测定工作表面直径增加2 0 前焊点数 的方法比较常用。且能保证焊接质量要求。但是焊接铝合金，镁合金以及镀层钢时采 用这种方法则不适宜。因为这时电极同焊件的粘结更影响焊接质量，在这种情况下一 般按电极工作表面修整前所能焊得的点数来评定电极寿命【1 0 1 。 1 1 2 电极合金的强化方法 长期以来，在导电铜合金的研究和制各中存在着强度和导电性之间的矛盾这 一矛盾贯穿于整个导电材料研究的始终。因此，如何在尽可能少降低铜合金的导电性 的前提下，大幅度提高其强度以达到导电性与强度的良好匹配，是当前研究和制备铜 合金的中心任务之一【1 。b 】。对于电阻焊电极材料，主要的强化方法有：加工硬化，固 溶强化，时效析出强化和人工弥散强化【1 4 。7 1 。 1 加工硬化 金属材料在冷态下承受塑性变形过程中，随着变形程度的增加，强度硬度不断 升高，塑性下降，这种现象称为加工硬化。 铜的原始强度是比较低的，为oo2 = 6 0 m p a ，硬度h b 5 0 ，但经冷变形可大大提 高。在实践中直径为中1 2 一巾1 6 m m 的铜电极经过冷变形ob 可提高到3 0 0 4 0 0 m p a ， h b l 0 0 一1 1 5 ，电导率降低1 2 。 产生加工硬化的原因，从位错的角度看，随着冷变形程度的不断增加，位错不 断增殖，位错密度不断增加，位错相互干扰，位错移动阻力增大，滑移更加困难，因 而引起硬化。 加工硬化虽可提高强度，但降低电导率，并且变形程度越大，晶体缺陷越多， 中南大学硕士学位论文 第一章 内能越蒜处于越不稳定状态，再结晶温度越低。冷变形5 0 的紫锅在1 5 0 就会出 现再结晶，这一温度大大低于点焊时电极头的温度( 电极头的温度通常为3 0 0 6 0 0 ) 。由于材料的提前软化，引起工作面积扩大，使纯铜电极寿命很短。 2 固溶强化 百多年来，人们一直在努力通过添加合金元素改进纯铜的性能，在铜基电极材料 的发展中首先期望通过固溶强化取得成果。固溶强化的特点是根据合金元素的原予大 小及电子结构与铜形成固溶体提高其强度。固溶强化的位错理论基本点是位错与处于 不同分布状态的溶质原子的交互作用，从而使得位错运动受阻，溶质原子钉住位错使 之不易移动而显示出强化的效应。强化效应与溶质原子的类型，溶质原子的浓度，原 子半径和电子价等有关。 为数众多的舍金元素都可以使锅的强度性能锝到改善，但重要的是导电不应下 降太多，在这一点上，镉、锌、银是最好的，实践证明加锌对铜的强化很小，只有镉 和银得到采用，它们在铜中的固溶量在室温时分别为0 5 和o 1 。含镉o 5 一1 3 的铜镉合金和含银o 1 的铜银合金目前仍是电阻焊电极用的标准材料。它们的电导 率很好，软化温度比铜高l o o 一2 0 0 。这类合金往往通过冷变形引起硬化进一步提 高强度。这种强化方法的优点是加工工艺简单。但强化效果有限。 3 时效强化 金属材料通过时效硬化引起的强化比固溶强化要大得多。这种类型的铜合金是 靠过饱和固溶体在时效过程中的分解而强化的。时效强化的必要条件是合金至少有两 个相，而且一个相在另一个相中的溶解度随温度的变化而有较大的变化。实现时效强 化包括二个步骤。一是第二相的溶解( 固溶) ，即将合金加热到高温使第二相充分溶 解后迅速地以超过某一临界速度进行冷却，则在冷却过程中第二相来不及析出，固溶 体在低温时将保持过饱和状态，这种操作在工艺上称之为淬火。第二步是过饱和固溶 体地分解( 脱溶) 。由淬火形成的过饱和固溶体是不稳定的，若将这种状态的合金重 新加热到不同的温度，则将发生向稳定状态的转变过程，即过饱和固溶体的分解过程， 这个过程称之为时效过程。 时效过程将弓l 起性能的剧烈变化，时效温度低时，强度硬度不出现极大值，达 到一定数值后保持不变，在温度较高时出现极大值，强度超过最大值后开始下降( 过 时效) 【j 引。时效过程由于溶质脱溶、固溶体贫化、共格性丧失和脱溶物的聚集等导致 电阻下降，导电能力提高。 时效析出强化主要是因为第二相质点的成分和结构不同于基体，在质点周围引 起了点阵畸变形成应力场，阻碍位错移动和攀移，从而增加了变形阻力。 时效强化合金当前的发展趋势是多元少量合金化来提高其性能。如由c u - c r 到 中南大学硕士学位论文 第一章 c u c r 盈，又发展到c u c r - z f - m g 。合金。 为使材料能获得更好的强化效果，时效前都施以一定的冷加工率。冷加工率通 常为3 0 7 0 ，这就是所谓形变热处理。 一些时效强化铜电极合金【9 j 熟处理制度列于裳+ 1 一l 供参考。 表1 1一些电极合金热处理制度 4 人工弥散强化 人工弥散强化是在铜基体中加入高弥散的稳定的第二相质点而达到强化目的的 种方法【2 0 _ 2 2 1 。人工弥散强化铜中第二相大都是难溶的金属氧化物( z r 0 2 、t i 0 2 、 m g o 、a 1 2 0 3 等) 。由于氧化物在高温下很稳定、不会与基体形成固溶，所以这类合 金又很高的热稳定性。在接近铜的熔点时还保持相当高的强度，它的高温持久强度 ( 4 5 0 l o o 小时) 为纯铜的9 1 4 倍。由于氧化物对电导率的影响很小，这类合金 有高的电导率，一般在8 5 ( i a c s ) 以上，因此弥散铜是一种优良的耐热导电材料 2 3 】。 弥散强化与时效析出强化的机理极为相似，都是通过获得高度弥散的第二相质 点而强化。但获得第二相质点的方法两者截然不同。为了获得在高温下对基体仍然是 中南走学硕士学位论文第一章 十分稳定的第二相，那就不能采用固溶一脱溶( 析出) 的方法来实现，只有人为地g 入，主要是通过粉末冶金内氧化方法。 1 1 3 电极的分类和用途 电极合金分类【2 4 1 方法很多。按合金强化方法可分为冷作硬化，固溶强化，时效 强化和人工弥散强化型材料。 按电极成型方法可分为车削电极和冷挤压成型电极。前者是传统加工方法，适 应性强，但生产率低，造成金属材料浪费。后者目前仅适用于直电极，生产效率高、 成本低。 按焊接工艺方法可分为点焊电极，缝焊电极、凸焊电极、对焊电极。 按电极头形状可分为圆锥形电极、尖头形电极、球面形电极、扁头形电极、平 头形电极和特殊形电极。 国际标准i s 0 5 1 8 2 将电极材料分成两组：a 组为铜和铜合金，b 组为烧结材料， 航标h b 参照国际标准内容纳入了我国研制的电极材料并规定了验收电极焊接的全 面技术要求。时效析出铜合金，根据其时效后相组成大体可归纳为四类， 现按h b 5 4 2 0 种所列材料作一简单介绍，各种材料的性能及主要用途见表1 2 表1 2 电极材料的性能及用途。1 翥雩号篡供货腻h f 二意纂用途 焊铝及铝 冷拔棒9 05 35 6 1c u ，e t p 紫铜1 5 0合金用电 锻件5 05 6 极 l 冷拔棒9 55 44 3 2c u c d l 镉铜2 5 0 焊铝合金、 锻件 9 0 5 34 5 锆铌 冷拔棒、锻 镀层钢用 3 c “l r n b1 0 76 04 8 5 0 0电极、滚轮 铜件 1c u c r l铬铜 冷拔棒1 4 07 6 焊低碳钢、 4 34 7 5 _ 。 锻件1 0 05 6 镀层钢、合 2 铬锆冷拔棒、锻 金钢、不锈 2c u c r z 1 3 5 7 54 3 5 5 0 铜件 钢、钛合金 申南大学硕士学位论文第一章 2 锆铝 冷拔棒、锻 用电极、滚 3 c u c r a l m g 1 2 67 04 0 镁铜件 轮、电极座 铬锆 冷拔棒、锻 及机臂 4c u c r z r n b1 4 27 84 55 7 5 铌铜件 铍钴冷拔棒 1 9 09 l 焊不锈钢、 lc u c 0 2 b e2 34 7 5 铜锻件1 8 08 9 耐热钢、高 硅镍冷拔棒2 0 09 41 7+ 温合金用 32c u n i 2 s i 5 0 0 铜锻件1 6 88 61 9电极、滚 钴铬 冷拔棒、锻 轮、电极座 3c u c 0 2 c r s i1 8 39 02 66 0 0 硅铜件 机机臂 镍磷冷拔棒 1 4 07 6 焊机受力 1c u n i p2 94 7 5 铜锻件 1 3 0 7 2导电件 铍钴冷拔棒、锻 受很大机 2c u b e 2 c o n i3 5 01 23 0 0 械力的导 镍铜件 4 电件 f 高热应力 3 c u a 9 6 银铜锻件1 4 07 64 04 0 0 下滚轮 c u a l l o f e 5 n i铝铁 4 锻件 1 7 08 646 5 0 电极座 5 镍铜 标准将铜及铜合余按其性能和主要用途分成四类。 1 类为高导电率、中等硬度的铜和铜合金。主要用于铝及铝合金、镁合金点焊和 缝焊用电极和滚轮。列入这类的共有三个材料。前两个材料一铜和镉铜的性能是按照 i s 0 5 1 8 2 规定照抄的，铜和铜镉的性能都不能靠热处理来提高。铜比较软，经过冷作 硬化后，在使用温度下急剧软化，由于其价格较低，目前仍有一些单位采用。但从保 证焊件质量稳定考虑应尽快淘汰。镉铜的导电率较高，其硬度是通过几次冷锻和拉拔 或冷轧来提高的，当使用温度超过2 5 0 时，强度和硬度便明显下降，适用于有充分 水冷的电极和滚轮的制造，在不能采用水冷的情况下不宜采用。此外，镉铜种含有对 人体有害的化学成分一镉，不便组织定点生产。列入此类的第三个材料是锆铌铜( 商 业代号为d j 7 0 ) ，是南方动力机械公司研制的，该合金是可热处理强化的台金，在具 有较高的硬度和导电率的同时软化温度高出镉铜一倍以上。众所周知，在焊接铝合金 等熔点较低的材料时，电极同被焊材料的粘结最伤脑筋。粘结的原因是被焊材料在接 近其熔点的温度下活性增强容易向电极表面扩散，在焊接含镁的铝合金时甚至出现低 中南大学硕士学位论文 第一章 熔点共晶的溶化而直接熔敷于电极表面。国内外不少试验表明低硬度的电极材料， 或在使用温度下硬度较低的电极材料，焊接时，同被焊材料贴合较紧，触点增多便于 扩散过程的进行，容易产生粘结。锆铌铜的软化温度较高，在一些飞机厂试用反映较 好，是焊接铝合金合镀锌钢板的较为理想的电极材料。 2 类材料为具有中等导电率和较高硬度的可热处理电极合金，主要用于普通钢的 电阻焊，此类共列入四个材料，铬铜是最早研制成功的电极铜合金，曾被广泛用于低 碳钢的焊接。后来，在其基础上发展了性能较好的铬锆铜。我国目前应用最广、生产 厂家最多的也是铬锆铜。同时铬锫铜，由于生产厂技术质量管理水平不同，产品质量 控制程度不一，所供材料使用性能相差较大。列入2 类材料的第三个牌号是铬铝镁铜， 原苏联叫m i i 。合金。该合金曾被指定用于低碳钢、不锈钢、高温合金航空产品电阻 焊的电极材料。但该合金制造工艺性差，无法定点生产，技术性能也不高。原苏联标 准r oct1 4 1 1 1 7 7 中并未列入该种材料，考虑到历史原因，列进了衄5 4 2 0 ，但 不推荐使用。列入此类的第四个牌号是铬锆铌铜( 商业代号为航空d j 8 5 ) ，它是有南 方公司在铬锆铜的基础上研制的，由于增加了微量的铌等，提高了材料使用性能，改 善了加工性能并提高了成材率。该合金在镀层钢板的点焊、缝焊合凸焊方面更具优越 性。 3 类材料为低导电率、高硬度的热处理铜合金。主要用于耐热钢、不锈钢、高温 合金的电阻焊。此类共有三个材料，前两个材料一镀钴铜和镍硅铜的性能照抄 i s 0 5 1 8 2 的规定，铍钴铜应用较广，被西方各航空、航天工厂指定为不锈钢、高温合 金电阻焊用电极材料，由于合余中含有有毒元素镀，在冶炼和使用过程中都会产生有 害的烟雾和粉尘，生产厂家不多。镍硅铜导电率过低，很少应用。第三个牌号是钴铬 硅铜，是由南方公司为主为取代铍钴铜而研制的，曾获国家发明四等奖，其硬度接近 镀钴铜，导电率和软化温度均高于铍钴铜，而且不含有毒的贵金属元素铍。使用实践 表明，完全可以取代进口的铍钴铜，已经取得委托我国加工航空发动机部件的外商认 可。 钴铬硅铜【2 5 j 的商业代号为航空d 儿0 0 为改善合金的锻造性能添加某些微量元 素的材料代号为航空d 儿0 1 ，也按钴铬硅铜技术要求供应，钻铬硅铜不仅可用于加工 电阻焊电极、滚轮和电极块，还可用来加工水平连续浇铸的结晶器。 4 类材料是具有某种特殊性能的合金，所列材料完全照抄i s 0 5 8 1 2 中规定的技术 性能，由于应用不广，国内尚无定点生产厂家。 国际标准i s 0 5 l8 2 中b 组为粉末冶金材料，考虑到实际应用情况，h b 5 4 2 0 中 没有列入。 在我国已经列入标准正常生产供应的电极合金主要有四种，就是焊接铝合金用 中南大学硕士学住论文 第一章 的锆铌铜，焊接普通铜用的铬锆锅和铬锆铌铜以及焊接不锈银、高温合金用的锆铬硅 铜。 1 1 4 多元少量电极铜合金的发展 电阻焊发明于十九世纪八十年代。长时间未获发展的主要原因是缺乏电能和必 要的焊接设各，其中没有合适的电极材料也是一个重要因素。最早是采用碳棒作电极， 后来长时间被紫铜代替，紫铜较软，极易变形，限制着电阻焊的应用。二十世纪四十 年代，在军事工业的带动下电阻焊获得了世界发展，对于耐用的电极材料的需求极为 强烈。六十多年来，采用了各种强化措施( 如冷变形强化、合金元素固溶强化、弥散 强化、过剩相强化、硬质点强化等) 以提高电极材料性能，研制除了添加铬、镍、硅、 镀、镁、镉、钴、锆、矾等强化元素的各类铜合金。铜中杂质( 合金元素) 增加。合 金的硬度和再结晶温度有所提高但导电率下降。到目前为止，还没有一种材料同时具 有各项性能均优的要求。因此，现有的电极材料在性能上各有侧重和取舍。也就是说， 针对不同的使用要求研制了各具有特点的材料，供用户按需使用。 铬铜是最典型的时效硬化型台金，也是最早最常用的电极合金之一。有较高的 硬度和导电性，但弥散的铬粒子在温度升高时容易消失或团聚，容易过时效，不能抗 高温软化。六十年代以来对锆铜进行了不少研究，它比铬铜导电性好，再结晶温度高， 在高温下能保持冷作硬化的强化效果，用作碳钢的焊接电极比较好。但锆铜中的c u s z r 粒子分布疏松粗大，强度增加不多，且在生产中要经较大的冷变形才能提高硬化效果。 7 0 年代人们在锆铜中加铬、砷进一步强化，铜锆铬焊接时效后析出c r 和c u 5 z r 粒子， 析出的数量和弥散度比单独的二元合金多而细密它们用凹凸状的位错相缠绕，阻碍 了位错的攀移和晶界的迁移，使常温和高温强度增大。c u c 卜z r 电极的欧美和日本的 合金牌号分别是h f 和c z c 。 俄罗斯曾研究比较了二十种不同的材料，包括紫铜，c u c r 系，c u n i b e t i 系， c u - a g 系，c u c d 系，c u c o b e 系，c u c 卜z r 系，c u z r v c r 系，c u 。m 2 b 系和c u z r 系等合金。对点焊厚度为o 8 一l m m 的碳素钢和不锈钢板各种合金的电极寿命进行对 比。结果表明焊碳索钢时采用c u c 卜z r 系合金，焊不锈钢用6 p hbt 和b p kx k 较好。 日本、英国、西德、美国、等许多国家对时效处理合金研究结果都表明是以c u c r 台金为添加z r 、m g 、a l 、s i 、c o 、b e 等微量元素来改善其性能 国际上用作电极材料的，主要是铬青铜、锆青铜和铍青铜等，其中铍青铜，尤其 是镀钴铜，由于性能卓著，适用性广，因而得到较广泛的应用。但是镀及铍的化合物 有毒，对人体及环境影响很大，早在1 9 7 8 年华沙国际焊接会议上，专家们就呼吁应 o 中南大学硕士学位论文 第一章 研制无铍合金以取代有铍合金。同时，在这类材料的研究中始终存在高强度和高的导 电性之间的矛盾。表1 3 是目前国内外常见电极材料的成分和性能的比较。 表卜3 国际相关电极合金性能对比 随着机械制造业的发展，对电极材料性能的要求越来越高，需求越来越大，当 前各国电极的生产状况远不适应发展要求，首先是对电极新材料的研究重视不够，最 新研究成果甚少，其次是对电极材料性能缺乏简便易行的统一评价标准，也缺乏先进 的性能检测手段，很多国家至今尚无电极材料的定点生产厂，电极生产质量难以保证。 近年来，我国的电极材料科研和生产发展较快，已经跻身于世界先进行列，为今后作 出更大的贡献打下了一定的基础。可以预期，通过世界各国的共同努力，在不远的将 来，在下列几个方面必将获得新的突破： 1 研究不含有毒元素的电极材料全面代替并淘汰有毒材料以改善环境； 2 由于超导材料技术的发展，使高硬度、高导电率、高软化温度材料的出现成 为可能，综合性能不断提高的各种新材料将相继涌现； 3 电阻焊用电极将走向生产集约化，供应成品化、标准化，以充分保障材料质 量，降低生产成本和材料消耗。 总之，电阻焊电极材料技术必将伴随着工业机械化和自动化的进程获得较大的 发展。 中南大学硕士学位论文 第一章 1 2c u c o c r s i 食金中各元素胸作用 合金性能的好坏是由许多种的因素决定的，其中合金所含元素类型和含量是主要 原因之一。 纯铜的最大特点是导电导热性能好，且有良好的抗腐蚀性能。但是，纯铜的强度 不高，常用的加工硬化的方法虽可提高其强度，但却使塑性大大下降。所以。用加入 少量合金元素来提高铜的强度是十分有效的手段。 1 2 1 铬的作用 图1 1 是c u c r 二元合金相图富c u 角。由图1 1 可见，1 0 7 0 【2 6 】c r 在c u 中的 最大固溶度可达o 8 ，1 0 0 0 时c r 在c u 中的固溶度为o 3 7 ，5 0 0 时的周溶度为 o 0 5 ，室温下其固溶度小于o0 1 。由于固溶度随着温度的下降而显著减少，因此 合金经热处理后，能通过时效而获得强化，而且时效析出后固溶体中保留的溶质元素 减少，而使得电导率提高。铜中含铬在o 8 以下时，在理论上对电导率应无影响。实 际上由于冶金污染，电导率有所降低：硬度随铬的增加而提高，但熔炼高铬合金容易 造成铬的严重偏析，也容易过时效而增加缺口敏感性，材料表面有时出现脱铬现象或 产生裂纹“。 c u c r 【2 7 船1 合金具有高的强度和硬度，抗磨、耐热，电导率与热导率高，加工成 型性能好，是制造导电、耐磨零件的好材料。从国内外学者对电极材料的研究泌“1 看，以c u c r 网，c u z r 3 3 】，c u c r _ z r 阱3 6 1 ，c u c 卜z r - m g 和c u - c r - n b 合金性能较为 优异。c r 以其最佳的时效效果成为此类材料的首要添加元素。 中南大学硕士学位论文 第一章 1 2 2 钴和硅的作用 图卜2 是c u c o 二元合金相图。由图可见，1 1 1 2 温度下c o 在c u 中的最大固 溶度为8 8 ，室温下c o 在铜中的固溶度为0 2 ，可见，c u c o 3 7 ，3 町合金是时效 强化合金。 l i l f 陲刍一 】2 i 阳。 1 0 5 0 f 抑 c u1 02 0 3 04 ( )5 0 c 0 7 图l _ 2c u c o 二元相图 、! ! ! - - 1 j 1 5 ，e 0 c u )，j、叠 j f 。口i ；重f f 十2 3 ifii f ij l 。f，o l l 毛。 l 图卜3c u s i 二元相图 图1 3 为c u s i 二元合金相图，由图可以看出，s i 在c u 中的固溶度很大，即使 在室温下c u 基体仍可以固溶2 的s i 。因此，在单独添加s i 元素且s i 含量不多的 情况下，s i 主要是以固溶形式存在于铜基体。在熔炼浇注时，s i 的添加还可起到脱 氧净化和增加流动性的作用：但是硅强烈的降低铜的导电性。 peb hha 在c u c o s i 系富铜合金相图( 见图卜4 ) 中指出，8 0 0 时钴在 铜中的固溶度为1 7 ，少量的钴( 1 2 ) 在9 0 0 以下可使硅在铜中的固溶度减至 很小，7 0 0 以下，s j 含量小于1 ( c o 5 ) ，合金主要是以o c u 基体和c 0 2 s i 两相形式存在。 志 l 舢渤啪 申南大学硕士学位论文 第一章 c o k c o ? 如c e 自 图1 一c u c o s i 三元等温截面相图1 a ) 70 0 b ) 9 0 0 c ) 1 0 0 0 c o 如 从c u c o ! s i 的伪二元相图( 见图卜5 ) 可知，c o t s i 能与铜形成固溶体，其固溶 度随温度下降而急剧减少。相图和实验表明“1 ，时效过程中合金元素c o 、s i 可 以以c o 。s i 的形式析出，提高合金强度。且当铜中加入2 3 的c o 。s i 比分别加入相 等量的单个元素的硬度提高4 9 倍，而对电导率的损害很小“7 ( 见图卜6 ) 。 1 4 中南大学硕士学位论文 第一章 p 捌 一 c o ；嗣 台叁元素 图卜5c u c o ，s i 伪二元相图圄卜6 合全元素含量与铜的电导率关系 在实际生产中，含少量钴的c u c o - s i 合金已得到应用【4 “酬。 由于铜基体中多种元素的同时添加，本文所讨论的c u c o c 卜s i 合金，除具有 c u c r 和c u - c o s i 合金的相成分和性能特征外，还可能生成新的相，且各个元素及相 之间会产生交互作用，这些都会影响合金的最终性能。 图1 7 为c o c r 二元相图。由图可知，存在c o c r 中间相，文献1 47 j 中也提到了 该沉淀相。