多步法原位制備TiB2顆粒增強點焊電極用銅基復合材料及其應用

曾勻姝 駱宏宇 羅平 董仕節,3

（1.湖北省隆中實驗室，襄陽441000; 2.湖北工業大學,武漢430068; 3.武漢輕工大學,武漢430023）

1 前言

電阻點焊是目前主要的車身生產方式。據統計，點焊一點的成本是5 美分，生產一輛客車要焊3 000 點，成本是150 美元，其成本的1/2～3/4 出自點焊電極的使用和損耗上。在轎車車身裝配線上一輛轎車需要焊接7 000～12 000 點[1]。點焊過程中，點焊電極要反復承受機械力和熱的作用，不可避免會發生塑性變形。而電極硬度低和耐磨性差會導致塑性變形嚴重，電極塑性變形的直接結果會導致焊接過程中電流密度降低，進而使焊接過程中產生的焦耳熱減少，最終影響焊點質量。如果采取措施提高電極的硬度和耐磨性能，就能減弱電極的塑性變形性，從而延長電極的使用壽命。

常用于提高點焊電極壽命的方法主要有點焊電極表面改性[2-4]、點焊電極基體強化[5-6]、高強高導性能銅基復合材料開發等。其中高性能銅基復合材料開發由于基體的綜合性能較好，在提高點焊電極壽命方面具有較大的挖掘潛力。鄭立好等[7]針對傳統鋁合金電阻點焊電極易點蝕，導致生產效率低下以及焊點質量不穩定等問題，開發了一種由碲鉻銅合金制備的電阻點焊電極，通過對比研究發現碲鉻銅合金電極相較于傳統鉻鋯銅合金電極具有更長的電極壽命。周清泉等[8]向Cu-0.8Cr-0.15Zr 合金添加少量Co、Si、Y 元素后，Cu-0.8Cr-0.15Zr 合金硬度值提高22～35 HV，導電率下降19%～21%IACS。劉建彬等[9]設計了5 種不同成分的Cu-Ni-Si-Cr-Zr 合金，制備的合金均具有著好的抗高溫軟化性能。

通常使用彌散強化的方法來增強銅基復合材料的硬度和耐磨性。但是彌散強化方法存在增強相與基體合金之間潤濕性差的缺點，增大了復合材料產生內裂紋的機率，從而影響復合材料的硬度和耐磨性；而且，彌散相與基體合金在一起球磨的過程中容易產生雜質相，同樣會影響復合材料的硬度和耐磨性。

因此通過多步法原位合成TiB2增強的銅基復合材料，并探討制備工藝、成分對材料的性能的影響規律。

2 試驗材料與方法

TiB2增強銅基復合材料采用機械合金化及燒結工藝制備。主要原料為Cu 粉、Ti 粉和B 粉（均為分析純，Ti 和B 原子數比為1:2），銅基復合材料中（Ti+B）3 種原料質量分數分別為0.5%、1%和2%。多步法制備TiB2增強銅基復合材料過程如下，第一步將鈦粉和硼粉進行球磨，得到TiB2前驅體；第二步在前驅體表面鍍鎳，得到鎳包覆的TiB2前驅體；第三步將鎳包覆的TiB2前驅體與純銅粉進行濕法球磨5 h 后，得到混合粉末；混合后的粉料經充分干燥后在500 MPa 壓力下成形為直徑和高度均為40 mm 的圓棒，隨后通過機加工將圓棒加工成如圖1 所示形狀電極帽，此工藝條件獲得的試樣記為Ax（A 表示工藝多步法，x表示Ti 和B 換算為TiB2后電極材料中所占的質量百分比）。為了對比，直接將TiB2粉末與銅粉通過濕法球磨方式進行混合，并加工成圖1 所示尺寸點焊電極，此工藝獲得的試樣記為Bx（B 表示工藝一步法，x表示電極材料中TiB2的質量百分數）。點焊電極壽命測試試驗使用厚度為0.7 mm 的雙面熱鍍鋅鋼板，表面鍍鋅層的厚度為10 μm。鋼板的屈服強度為198 MPa，延伸率為38%，采用型號為YR-350SA2HGE 單相交流電阻點焊機進行電極帽壽命測試，執行標準為SAE-AMS-W-6858A《Welding, Resistance:Spot and Seam》[10]。

圖1 點焊電極帽剖面圖

材料制備過程中物相變化采用Bruker D8 Ad?vance X 射線衍射儀（XRD）進行分析（Cu 靶、掃描角度（2θ）：20°～90°、掃描速度4°/min、掃描電壓40 kV、電流40 mA）。材料微觀形貌采用Nova NanoSem 450 型場發射掃描電鏡（SEM）以及光學顯微鏡（OM）進行表征，硬度使用HVS-1000 型硬度計進行測量，加載載荷為0.5 N，保持時間20 s。

3 結果與討論

3.1 不同制備工藝點焊電極壽命測試結果

圖2 揭示了不同加工工藝及成分電極帽壽命，從圖2 可以發現編號為A0.5電極帽壽命最長，達到了1 500 個焊點，大約是普通ZrCrCu 材料電極帽壽命的2.5 倍，且采用A 工藝獲得的電極帽其壽命都有一定程度提高。B 工藝所加工的電極帽，其壽命雖都有提高，但提高幅度并不明顯，只提高大約0.6 倍。

圖2 不同加工工藝及成分電極帽壽命

3.2 實驗結果分析

表1 揭示了不同成分及加工工藝電極帽顯微硬度的測試結果。

表1 不同加工工藝及成分電極帽顯微硬度

不同試樣硬度測試結果顯示，A0.5具有最高的顯微硬度，這意味著在相同壓力作用下C0.5試樣產生的塑性變形最小。因此，A0.5電極帽在點焊過程中其端面的塑性變形必然會最小，這將保證通過A0.5電極帽端面的電流密度最大，進而保證了點焊過程中的熱輸入，最終獲得了最長的使用壽命。

A0.5與B0.5試樣成分完全相同，但材料硬度及壽命相差甚遠。為了分析二者性能差距較大的原因，對A0.5和B0.5進行金相分析。采用多步法和一步法合成的復合材料金相結果如圖3 所示，圖3a 為多步法合成復合材料金相結果，圖3b 為一步法合成復合材料金相結果。通過對比圖3a、b 可以發現，一步法合成的復合材料存在明顯的富集區。

圖3 銅基復合材料材料金相結果

圖4 揭示了A0.5與B0.5試樣SEM 圖及Ti 元素的面掃描結果，兩種材料的SEM 與金相結果相似，即A0.5試樣的元素分布相對均勻（圖4a、4b），而B0.5試樣的SEM 存在顏色相差明顯的區域（圖4c），能譜測試結果顯示圖4c 中的深色區域主要是Ti 元素（圖4d），說明這個區域出現了TiB2的富集。

圖4 銅基復合材料SEM及EDS

通過對A0.5與B0.5試樣的金相、SEM 以及主要元素的面掃描結果分析發現，采用一步法工藝獲得的復合材料，會出現增強相在基體中富集的情況。這樣的分布使得材料硬度得不到明顯提高，進而制約了該材料用作點焊電極材料時的使用壽命。而增強相的添加量對材料性能也有一定的影響，從圖2 中可以發現，并不是增強相含量越高，該材料所制備的點焊電極帽壽命越長。無論是多步法還是一步法工藝獲得的銅基復合材料，其點焊電極壽命與增強相的含量之間都呈反比，即隨著增強相的增加點焊電極壽命不增反降。出現這樣結果的主要原因，可能是增強相的性能，TiB2雖然具有良好的導電性，但是相對于銅基體而言導電性要相差很多，因此過多的加入量會影響銅基復合材料的導電性，進而使得其所加工點焊電極壽命降低。

A 工藝與B 工藝不同之處在于，后者增強相選擇的是已合成的TiB2，而前者是先將Ti 與B 粉進行球磨獲得TiB2中間相（圖5），再將TiB2中間相與Cu粉采用濕法球磨混合，隨后壓制燒結獲得。A 工藝中增強相TiB2是在銅基復合材料燒結過程中原位獲得，因此其性能相較于直接添加TiB2這種方法更好。

圖5 Ti、B混合粉末球磨不同時間的物相變化

4 結束語

多步法原位制備TiB2增強銅基復合材料用于電阻點焊，能有效提高點焊電極壽命，其中當增強相含量為0.5%時制備的點焊電極具有最高的使用壽命，達到1500 個焊點，是普通ZrCrCu 點焊電極帽壽命的2.6 倍。采用一步法制備TiB2增強銅基復合材料會出現增強相富集的情況，增強相富集會導致材料性能明顯下降。采用多步法所獲得的TiB2增強銅基復合材料，增強相呈彌散均勻分布。多步法原位制備TiB2增強銅基復合材料中的增強相通過原位獲得，相較于直接添加更有利于材料性能的提升。