深冷處理對CuCoBeZr合金電極點焊性能的影響

張木

(陜西工業職業技術學院 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電/導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生變化,導致產品的焊接質量降低、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良的時效強化合金，傳統提高金屬耐磨性的、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，具有優良的社會經濟效益[1-2]，該技術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研究報道相對較少，下面就深冷前后CuCoBeZr電極的電導率、硬度、熱導率進行對比和分析，為進一步提高點焊電極的綜合力學性能提供理論依據，為CuCoBeZr合金的深冷處理推廣應用奠定一定理論基礎.

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，最后結合材料的顯微組織、導電性能及硬度的變化情況，總結出深冷處理工藝對該合金電極性能影響規律.

2 試驗結果及分析

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，觀察發現深冷后電極中有大量的孿晶產生.而通過1 000倍下深冷前后電極試樣的金相照片(圖3)，可以發現存在彌散分布的黑色點狀物質和沿晶界分布的灰色長條物質.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，而這些表現都優于深冷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，產生它們析出的驅動力[3]，另一方面由于在超冷狀態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.

(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]，再結合式(1)～(3)[4]得出表2的數據：

導電率 (%IACS )= 0.017241/ρ×100%

(1)

或：

導電率 (%IACS)=σ/58.0×100%

(2)

電阻值為：

Rx=ρ+L/S

(3)

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

電極電阻的產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生定向移動產生電流，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生.而深冷處理后CuCoBeZr電極合金內部含有雜質的固溶體量降低，使得雜質原子引起金屬產生的畸變消失，從而降低了電子的散射，提高了導電率.另一方面，深冷處理后的CuCoBeZr電極合金基體內孔洞大量減少，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，提高了合金的導電率.因此深冷材料的導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材料的導電率略低，與實際電阻測量結果一致.

表2 深冷前后電極導電率、電導率、電阻率測試結果

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構轉變,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,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格強化結構,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速度下降,擴散系數呈指數速度急劇降低.由于上述兩種因素的作用結果,可以預見Co,Be,Zr原子在Cu基體中的擴散應該存在一個極值.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,導致Co,Be,Zr原子在合金中不能構成較為完備的相互貫連[5-7]強化網格.從而強化效果下降,在宏觀上表現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,從而表現為深冷處理后的合金電極硬度整體優于處理前的合金電極試樣.

3 結論

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，孿晶的產生、網格結構的貫通及基體孔洞的減少使材料的導電能力、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，其導電能力、電極硬度都有相應提高，但在保溫6 h以后，再延長保溫時間各項性能提高不大，趨于穩定，達到一極值.