多步法原位制備TiB2顆粒增強(qiáng)點焊電極用銅基復(fù)合材料及其應(yīng)用

曾勻姝 駱宏宇 羅平 董仕節(jié),3

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

1 前言

電阻點焊是目前主要的車身生產(chǎn)方式。據(jù)統(tǒng)計，點焊一點的成本是5 美分，生產(chǎn)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(fù)承受機(jī)械力和熱的作用，不可避免會發(fā)生塑性變形。而電極硬度低和耐磨性差會導(dǎo)致塑性變形嚴(yán)重，電極塑性變形的直接結(jié)果會導(dǎo)致焊接過程中電流密度降低，進(jìn)而使焊接過程中產(chǎn)生的焦耳熱減少，最終影響焊點質(zhì)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(qiáng)化[5-6]、高強(qiáng)高導(dǎo)性能銅基復(fù)合材料開發(fā)等。其中高性能銅基復(fù)合材料開發(fā)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(tǒng)鋁合金電阻點焊電極易點蝕，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下以及焊點質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，開發(fā)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(fā)現(xiàn)碲鉻銅合金電極相較于傳統(tǒng)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(dǎo)電率下降19%～21%IACS。劉建彬等[9]設(shè)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(qiáng)化的方法來增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的硬度和耐磨性。但是彌散強(qiáng)化方法存在增強(qiáng)相與基體合金之間潤濕性差的缺點，增大了復(fù)合材料產(chǎn)生內(nèi)裂紋的機(jī)率，從而影響復(fù)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(chǎn)生雜質(zhì)相，同樣會影響復(fù)合材料的硬度和耐磨性。

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

2 試驗材料與方法

TiB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料采用機(jī)械合金化及燒結(jié)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(shù)比為1:2），銅基復(fù)合材料中（Ti+B）3 種原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1%和2%。多步法制備TiB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料過程如下，第一步將鈦粉和硼粉進(jìn)行球磨，得到TiB2前驅(qū)體；第二步在前驅(qū)體表面鍍鎳，得到鎳包覆的TiB2前驅(qū)體；第三步將鎳包覆的TiB2前驅(qū)體與純銅粉進(jìn)行濕法球磨5 h 后，得到混合粉末；混合后的粉料經(jīng)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(jī)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(zhì)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(jìn)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)）。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(qiáng)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(jī)進(jìn)行電極帽壽命測試，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(fā)射掃描電鏡（SEM）以及光學(xué)顯微鏡（OM）進(jìn)行表征，硬度使用HVS-1000 型硬度計進(jìn)行測量，加載載荷為0.5 N，保持時間20 s。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同制備工藝點焊電極壽命測試結(jié)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(fā)現(xiàn)編號為A0.5電極帽壽命最長，達(dá)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(jié)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(jié)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(jié)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(chǎn)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(jìn)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(yuǎn)。為了分析二者性能差距較大的原因，對A0.5和B0.5進(jìn)行金相分析。采用多步法和一步法合成的復(fù)合材料金相結(jié)果如圖3 所示，圖3a 為多步法合成復(fù)合材料金相結(jié)果，圖3b 為一步法合成復(fù)合材料金相結(jié)果。通過對比圖3a、b 可以發(fā)現(xiàn)，一步法合成的復(fù)合材料存在明顯的富集區(qū)。

圖3 銅基復(fù)合材料材料金相結(jié)果

圖4 揭示了A0.5與B0.5試樣SEM 圖及Ti 元素的面掃描結(jié)果，兩種材料的SEM 與金相結(jié)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(qū)域（圖4c），能譜測試結(jié)果顯示圖4c 中的深色區(qū)域主要是Ti 元素（圖4d），說明這個區(qū)域出現(xiàn)了TiB2的富集。

圖4 銅基復(fù)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(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，采用一步法工藝獲得的復(fù)合材料，會出現(xiàn)增強(qiáng)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(jìn)而制約了該材料用作點焊電極材料時的使用壽命。而增強(qiáng)相的添加量對材料性能也有一定的影響，從圖2 中可以發(fā)現(xiàn)，并不是增強(qiáng)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(fù)合材料，其點焊電極壽命與增強(qiáng)相的含量之間都呈反比，即隨著增強(qiáng)相的增加點焊電極壽命不增反降。出現(xiàn)這樣結(jié)果的主要原因，可能是增強(qiáng)相的性能，TiB2雖然具有良好的導(dǎo)電性，但是相對于銅基體而言導(dǎo)電性要相差很多，因此過多的加入量會影響銅基復(fù)合材料的導(dǎo)電性，進(jìn)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(qiáng)相選擇的是已合成的TiB2，而前者是先將Ti 與B 粉進(jìn)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(jié)獲得。A 工藝中增強(qiáng)相TiB2是在銅基復(fù)合材料燒結(jié)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(jié)束語

多步法原位制備TiB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料用于電阻點焊，能有效提高點焊電極壽命，其中當(dāng)增強(qiáng)相含量為0.5%時制備的點焊電極具有最高的使用壽命，達(dá)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(qiáng)銅基復(fù)合材料會出現(xiàn)增強(qiáng)相富集的情況，增強(qiáng)相富集會導(dǎo)致材料性能明顯下降。采用多步法所獲得的TiB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，增強(qiáng)相呈彌散均勻分布。多步法原位制備TiB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料中的增強(qiáng)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。