一種立方氮化硼顆粒增強(qiáng)Cu基電極復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種立方氮化硼顆粒增強(qiáng)Cu基點(diǎn)焊電極復(fù)合材料及其制備方法，具 有提高電阻點(diǎn)焊電極材料的耐磨性和在高溫下抵抗塑性變形的能力，屬于焊接與連接技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 電阻點(diǎn)焊是通過(guò)電極施加壓力，利用電流通過(guò)連接接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生 的電阻熱作為焊接熱源加熱到熔化或塑性狀態(tài)，使之形成金屬結(jié)合的一種方法。點(diǎn)焊電極 是電阻點(diǎn)焊生產(chǎn)過(guò)程中關(guān)鍵部件，主要功能是傳輸電流、施加壓力和散熱作用。點(diǎn)焊電極是 易耗品，消耗量大，其質(zhì)量的好壞直接影響焊接質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本。點(diǎn)焊電極材料要求 能承受高溫和高壓即熱、力耦合雙重作用。目前，市售點(diǎn)焊電極大多采用鉻青銅、鉻鋯銅、鎢 銅合金和鉬銅合金等銅合金加工而成。這類材料加工制造的電極強(qiáng)度和硬度較低，軟化溫 度< 550°C，點(diǎn)焊生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)電極熱塑變鐓粗、磨損以及與被焊材料粘接等形式的 失效，結(jié)果導(dǎo)致接觸面積將增大，焊點(diǎn)強(qiáng)度降低。提高點(diǎn)焊電極使用壽命一直是焊接及其相 關(guān)研宄人員追求的目標(biāo)，并在相關(guān)學(xué)術(shù)期刊發(fā)表多篇論文，相關(guān)發(fā)明專利也很多。查閱已有 文獻(xiàn)可見(jiàn)，開(kāi)展的研宄工作有電極深冷處理、基體強(qiáng)化和表面強(qiáng)化等技術(shù)。深冷處理是指以 液氮（_196°C)作為冷卻劑，在-130°C以下對(duì)材料進(jìn)行處理來(lái)改變材料性能的一種方法?；?體強(qiáng)化就是在銅合金中添加各種陶瓷顆粒增強(qiáng)相（如A1203、TiC、TiB2、Zr203、WC、SiC、B4C 等）同時(shí)改善銅合金的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。表面強(qiáng)化就是利用現(xiàn)代表面加工技術(shù)在電極 表面獲得一層具有優(yōu)異導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐磨性能的涂層有利于提高電極的使用壽命。
[0003] 近幾年，隨著材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)各種高強(qiáng)度合金鋼和鋁合金，如鋼的強(qiáng)度 級(jí)別高達(dá)1000-1500MPa，熱處理強(qiáng)化的鋁合金強(qiáng)度級(jí)別高達(dá)400-500MPa，這些材料在機(jī) 械、汽車、航空等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，對(duì)材料的加工、連接質(zhì)量的要求越來(lái)越高。超高 強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)鋁合金具有極高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，點(diǎn)焊需要較大的焊接電流和點(diǎn)焊壓 力，必然造成電極磨損非常嚴(yán)重，現(xiàn)有的電極材料由于在某些性能方面的欠缺（如抗塑性 變形的能力和磨損性能差等），導(dǎo)致點(diǎn)焊質(zhì)量不穩(wěn)定，限制了高強(qiáng)金屬材料點(diǎn)焊質(zhì)量的進(jìn)一 步提高。因此，提高電極材料的質(zhì)量是點(diǎn)焊過(guò)程中的核心和關(guān)鍵，成為提高點(diǎn)焊質(zhì)量的重要 因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種立方氮化硼（簡(jiǎn)稱：c-BN)顆粒增強(qiáng)Cu基電極復(fù)合材料 及其制備方法，用于制造點(diǎn)焊電極，具有提高電阻點(diǎn)焊電極材料的耐磨性和在高溫下抵抗 塑性變形的能力。點(diǎn)焊電極材料要求能承受高溫和高壓雙重作用，因此，制造點(diǎn)焊電極的顆 粒增強(qiáng)Cu基復(fù)合材料要求基體材料應(yīng)具有極好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和較高的高溫力學(xué)性能； 顆粒增強(qiáng)相則應(yīng)具有優(yōu)異的耐磨性、高溫?zé)岱€(wěn)定性、力學(xué)性和導(dǎo)熱性能。而顆粒增強(qiáng)復(fù)合材 料的耐磨性則是一個(gè)復(fù)雜的綜合過(guò)程，與基體金屬的耐磨性、基體與顆粒的結(jié)合強(qiáng)度，顆粒 尺寸、顆粒與基體金屬成分比、表面形態(tài)結(jié)構(gòu)及顆粒與基體金屬的界面結(jié)構(gòu)等多因素密切 有關(guān)。本發(fā)明所述的一種立方氮化硼（簡(jiǎn)稱：c-BN)顆粒增強(qiáng)Cu基電極復(fù)合材料及其制備 方法是在不降低電極材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和高溫力學(xué)性能的基礎(chǔ)上提高其耐磨性。
[0005] 本發(fā)明的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 一種立方氮化硼顆粒增強(qiáng)Cu基電極復(fù)合材料，銅基合金真空熔煉后進(jìn)行固溶處 理和深冷處理制備成粉狀顆粒，利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)在高溫高壓下將銅基合金粉狀顆 粒與C-BN顆粒增強(qiáng)相按一定配比混合均勻燒結(jié)成立方氮化硼顆粒增強(qiáng)Cu基電極復(fù)合材 料；所述銅基合金為Cu、Ni、Cr、Zr，通過(guò)合金化成分設(shè)計(jì)和正交優(yōu)化試驗(yàn)確定其成分按質(zhì) 量百分比計(jì)Wt/%:Ni:10-15、Cr:2-5、Zr:1-3,Cu:余量；c-BN為顆粒增強(qiáng)相，尺寸大小為 20 - 30ym，c-BN顆粒與銅基合金的體積之比控制為c-BN顆粒占總體積的3-5%。
[0007] 所述立方氮化硼顆粒增強(qiáng)Cu基電極復(fù)合材料為Cu、Ni、Cr、Zr，通過(guò)合金化成分 設(shè)計(jì)和正交優(yōu)化試驗(yàn)確定其成分按質(zhì)量百分比計(jì)（Wt/% ):Ni:10、Cr:2、Zr:1，Cu:余量； c-BN顆粒與銅基合金的體積之比控制為c-BN顆粒占總體積的3%。
[0008] 所述立方氮化硼顆粒增強(qiáng)Cu基電極復(fù)合材料為Cu(銅）、Ni(鎳）、Cr(鉻）、 Zr(鋯），通過(guò)合金化成分設(shè)計(jì)和正交優(yōu)化試驗(yàn)確定其成分按質(zhì)量百分比計(jì)（Wt/% ):Ni: 12、Cr:3、Zr:2,Cu:余量；c-BN顆粒與銅基合金的體積之比控制為c-BN顆粒占總體積的
[0009] 所述立方氮化硼顆粒增強(qiáng)Cu基電極復(fù)合材料為&1、附、0、21'，通過(guò)合金化成分設(shè) 計(jì)和正交優(yōu)化試驗(yàn)確定其成分按質(zhì)量百分比計(jì)Wt/%:Ni:13、Cr:5、Zr:3，Cu:余量；c-BN 顆粒與銅基合金的體積之比控制為c-BN顆粒占總體積的5%。
[0010] 所述立方氮化硼顆粒增強(qiáng)Cu基電極復(fù)合材料為&1、附、0、21'，通過(guò)合金化成分設(shè) 計(jì)和正交優(yōu)化試驗(yàn)確定其成分按質(zhì)量百分比計(jì)Wt/%:Ni:11、Cr:4、Zr:3,Cu:余量；C-BN 顆粒與銅基合金的體積之比控制為c-BN顆粒占總體積的3%。
[0011] 所述立方氮化硼顆粒增強(qiáng)Cu基電極復(fù)合材料為&1、附、0、21'，通過(guò)合金化成分設(shè) 計(jì)和正交優(yōu)化試驗(yàn)確定其成分按質(zhì)量百分比計(jì)Wt/%:Ni:12、Cr:2、Zr:3，Cu:余量；c-BN 顆粒與銅基合金的體積之比控制為c-BN顆粒占總體積的4%。
[0012] 所述立方氮化硼顆粒增強(qiáng)Cu基電極復(fù)合材料為&1、附、0、21'，通過(guò)合金化成分設(shè) 計(jì)和正交優(yōu)化試驗(yàn)確定其成分按質(zhì)量百分比計(jì)Wt/%:Ni:15、Cr:2、Zr:1，Cu:余量；c-BN 顆粒與銅基合金的體積之比控制為c-BN顆粒占總體積的5%。
[0013] 本發(fā)明的一種立方氮化硼顆粒增強(qiáng)Cu基電極復(fù)合材料及其制備方法，復(fù)合材料 成分的設(shè)計(jì)是以Cu為基礎(chǔ)合金，添加Ni、Cr、Zr等形成的銅基合金。Cu-Ni之間可無(wú)限 固溶，形成連續(xù)固溶體，添加Ni能顯著提高純Cu的力學(xué)性能、耐蝕性，降低電阻率溫度系 數(shù)。Cu與Cr、Zr多以金屬間化合物的形式存在，添加適量的Cr、Zr可以提高Cu-Ni合金 的力學(xué)性能、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性。本發(fā)明選擇c-BN作為顆粒增強(qiáng)相是因?yàn)槠渚哂袃?yōu)越的物理、 化學(xué)、力學(xué)和高溫?zé)岱€(wěn)定性能，在大氣中加熱至l〇〇〇°C時(shí)不發(fā)生氧化，尤其是避免了金剛石 制品和工具加工黑色鐵基合金材料發(fā)生反應(yīng)的局限性。C-BN顆粒尺寸以及c-BN顆粒與銅 基合金的體積之比對(duì)Cu基電極復(fù)合材料的致密性、導(dǎo)電性和高溫耐磨性有著重要影響。本 發(fā)明基于顆粒對(duì)復(fù)合材料的"陰影保護(hù)效應(yīng)"原理，建立Cu基電極復(fù)合材料結(jié)合強(qiáng)度與顆 粒增強(qiáng)相尺寸0 =f(r)、Cu基電極復(fù)合材料結(jié)合強(qiáng)度與顆粒增強(qiáng)相體積配比0 =f(wt)、Cu基電極復(fù)合材料耐磨性與顆粒增強(qiáng)相體積配比e=f(wt)以及Cu基電極復(fù)合材料電阻 率與顆粒增強(qiáng)相體積配比P=f(wt)等數(shù)學(xué)關(guān)系式，通過(guò)優(yōu)化確定采用的c-BN顆粒增強(qiáng) 相尺寸大小為20 - 30ym，c-BN顆粒與銅基合金的體積之比控制為c-BN顆粒占總體積的 3-5 % 〇
[0014] 本發(fā)明的一種立方氮化硼顆粒增強(qiáng)Cu基電極復(fù)合材料的制備方法，具體工藝為： (1)采用純度為99. 99%的Cu、Ni、Cr、Zr金屬按一定優(yōu)化設(shè)計(jì)成分配比在真空中頻感應(yīng)爐 制備出銅基合金。合金經(jīng)過(guò)熔煉后成分均勻，硬度、強(qiáng)度、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性均顯著提高。（2) 將熔煉后的銅基合金進(jìn)行固溶處理和深冷處理，合金組織得到細(xì)化，出現(xiàn)更多彌散強(qiáng)化的 金屬間化合物，銅基合金強(qiáng)度有較大幅度的提高。（3)銅基合金進(jìn)行固溶處理和深冷處理后 采用霧化法技術(shù)制備出尺寸在80-120ym的銅基合金粉狀顆粒。（4)將按設(shè)計(jì)成分制備好 的銅基合金粉狀顆粒與c-BN顆粒增強(qiáng)相按一定配比混合均勻，采用放電等離子燒結(jié)技術(shù) 制備Cu基電極復(fù)合材料。c-BN顆粒增強(qiáng)相尺寸大小為20 - 30ym，c-BN顆粒與銅基合金 的體積之比控制為c-BN顆粒占總體積的3-5%。
[0015] 本發(fā)明所述的一種立方氮化硼顆粒增強(qiáng)Cu基電極復(fù)合材料及其制備方法，按照 上述銅基合金成分、c-BN顆粒與銅基合金的體積之比以及工藝步驟制備出的立方氮化硼顆 粒增強(qiáng)Cu基電極復(fù)合材料所達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)：
[0016] (1)立方氮化硼顆粒增強(qiáng)Cu基電極復(fù)合材料的耐磨性是市售鉻鋯銅電極材料的 3-5倍；
[0017] (2)立方氮化硼顆粒增強(qiáng)Cu基電極復(fù)合材料的電阻率為0? 088 - 0? 106Q?mm2/ m〇
[0018] 本發(fā)明所述的一種立方氮化硼顆粒增強(qiáng)Cu基電極復(fù)合材料與目前市售鉻鋯銅點(diǎn) 焊電極材料比較，電阻率相近，耐磨性提高3-5倍，具有抵抗高溫塑性變形的能力，確保了 超高強(qiáng)度鋼點(diǎn)焊質(zhì)量的穩(wěn)定性。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保 護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0020] 一、本發(fā)明的一種立方氮