鋁含量對(duì)彌散鋁銅電極帽組織與性能的影響

靳延鵬，孔德群，王鑫，曹海濤，周昊澍，趙洪生，陸勇

北京奔馳汽車(chē)有限公司 北京 101300

1 序言

在汽車(chē)制造行業(yè)，電阻點(diǎn)焊是非常普遍的一種車(chē)身連接技術(shù)。電極是電阻點(diǎn)焊的一個(gè)重要部分，電極性能的好壞直接影響焊點(diǎn)的質(zhì)量。電極用來(lái)傳導(dǎo)焊接電流、傳遞電極壓力，同時(shí)還要傳導(dǎo)焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量。由于焊接溫度較高，同時(shí)伴有2～5kN的焊接壓力，所以這就要求電極具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，以及耐高溫和較強(qiáng)的硬度。否則，在使用過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)電極帽塌陷、開(kāi)裂、修磨不良及黏板等缺陷，從而影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率（見(jiàn)圖1）。

圖1 電極帽常見(jiàn)質(zhì)量問(wèn)題

氧化鋁彌散強(qiáng)化銅合金是把微小的氧化鋁顆粒彌散在銅基體中，利用粉末冶金技術(shù)制成，具有突出的室溫和高溫強(qiáng)度，軟化溫度達(dá)到1100K以上。同時(shí)，兼?zhèn)鋬?yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，焊接鍍鋅鋼板時(shí)不易產(chǎn)生黏附現(xiàn)象，氧化鋁彌散強(qiáng)化銅合金的電極（以下簡(jiǎn)稱(chēng)彌散鋁銅電極）壽命為鉻青銅的2～2.7倍，廣泛應(yīng)用于點(diǎn)焊電極材料[1]。

2 試驗(yàn)材料及方法

（1）試驗(yàn)用電極帽材料 其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 電極帽材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）試驗(yàn)方法 本試驗(yàn)采取生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)焊接環(huán)境進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，將不同鋁含量的彌散鋁銅電極帽進(jìn)行階段焊接試驗(yàn)，觀察生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的使用穩(wěn)定性。利用金相顯微鏡、掃描電鏡、顯微硬度儀及電導(dǎo)率測(cè)試儀等設(shè)備，對(duì)不同成分的彌散鋁銅電極帽進(jìn)行顯微組織、顯微硬度、電導(dǎo)率進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 顯微組織分析

彌散鋁銅電極帽的顯微組織如圖2所示。從圖2a可看出，銅基體的晶粒為長(zhǎng)條狀形態(tài)分布，這是由電極材料在拉拔工藝過(guò)程中使晶粒被拉長(zhǎng)變形導(dǎo)致的。從圖2b可看出，晶粒尺寸為1～12μm，細(xì)小的彌散強(qiáng)化相Al2O3均勻分布在銅基體中，并與基體形成良好的結(jié)合形態(tài)，形成Orowan強(qiáng)化機(jī)制[2]，從而提高了強(qiáng)度。對(duì)比分析圖2b、c可看出，隨著鋁含量的增加，基體中彌散強(qiáng)化相Al2O3含量明顯增多，同時(shí)基體中銅晶粒也變得更加細(xì)小。這是由于在電極成形過(guò)程中，彌散強(qiáng)化相Al2O3顆粒在基體相的塑性流動(dòng)推動(dòng)下發(fā)生了一系列重排，并持續(xù)向基體內(nèi)部楔入，加劇了銅顆粒的劇烈變形，并由此誘發(fā)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，進(jìn)一步細(xì)化了組織，最終使強(qiáng)化顆粒相彌散分布于銅基體上[3]。

圖2 彌散鋁銅電極帽的顯微組織

3.2 硬度分析

不同鋁含量的彌散鋁銅電極帽的硬度變化曲線(xiàn)如圖3所示。從圖3可看出，隨著電極材料中鋁含量的增加，硬度隨之增大。主要是因?yàn)殡S著鋁含量的增加，基體中細(xì)小而彌散分布的Al2O3隨之增多，從而起到抑制晶粒長(zhǎng)大、釘扎晶界阻礙晶體位移的彌散強(qiáng)化作用，最終使電極材料的硬度提高。

圖3 不同鋁含量彌散鋁銅電極帽的硬度值

3.3 電導(dǎo)率分析

利用電導(dǎo)率測(cè)試儀對(duì)不同成分電極的電導(dǎo)率進(jìn)行檢測(cè)分析，見(jiàn)表2。通過(guò)表2可看出，不同鋁含量的電極電導(dǎo)率都在80%IACS以上，當(dāng)wAl=0.2%～0.56%時(shí)，電極帽導(dǎo)電性能隨鋁含量的增加并沒(méi)有降低。

表2 不同鋁含量彌散鋁銅電極帽的電導(dǎo)率

3.4 失效原因分析

結(jié)合不同鋁含量的彌散鋁銅電極帽顯微組織（見(jiàn)圖2b、c），以及不同鋁含量彌散鋁銅電極帽的硬度變化分析（見(jiàn)圖3）可知，鋁含量低，電極帽硬度不足是彌散鋁電極帽在使用過(guò)程中出現(xiàn)塌陷、開(kāi)裂、修磨不良等問(wèn)題的主要原因。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）現(xiàn)場(chǎng)使用結(jié)果顯示，wAl=0.23%、wAl=0.43%的彌散鋁銅電極帽出現(xiàn)開(kāi)裂及塌陷等缺陷問(wèn)題，wAl=0.54%、wAl=0.56%的彌散鋁銅電極帽使用穩(wěn)定，未出現(xiàn)缺陷問(wèn)題。

2）顯微組織結(jié)果顯示，隨著鋁含量的增加，基體中彌散強(qiáng)化相Al2O3含量明顯增多，同時(shí)基體中銅晶粒也變得更加細(xì)小。

3）試驗(yàn)材料中，隨著電極材料中鋁含量的增加，電極帽的硬度隨之增加，電導(dǎo)率無(wú)較大差異。當(dāng)wAl≥0.5%時(shí)，其硬達(dá)到85HRB，現(xiàn)場(chǎng)使用性能穩(wěn)定。

綜上可知，鋁含量較低、電極硬度不足等因素，是在使用過(guò)程中導(dǎo)致電極帽出現(xiàn)開(kāi)裂、塌陷、修磨不良等缺陷問(wèn)題的主要原因。