技术领域
本发明属于汽车装备技术领域，涉及一种镀锌钢板电阻点焊用电极及其制备方法。
背景技术：
目前，汽车轻量化车身广泛采用镀锌高强薄钢板零件拼装，所需3000～6000个焊点中90%以上由电阻点焊完成。然而，镀锌钢板的可焊性差，传统铬铜、铬锆铜电极点焊镀锌钢板时，寿命仅达500焊点左右，为点焊无镀层钢板的1/100，两次修磨间隔焊点数也仅为点焊无镀层钢板时的1/10～1/20，同时其焊点强度低，形状不规则。
点焊电极的作用非常重要，直接决定汽车的安全性、舒适性和操作性能。电极费用约占点焊成本的1/2～3/4，电极大量消耗使点焊成本居高不下；焊点质量下降且不稳定，需要增加大量额外焊点，制约着生产效率的提升。
目前国内车企大规模采用从美国、日本进口的内氧化粉末冶金法制备的Al2O3弥散强化铜基复合材料电极，提高了焊接质量，电极寿命可达普通铬锆铜的4～10倍。但是，内氧化法对设备和工艺的要求高，工艺复杂，材料质量控制困难，成本高，弥散强化复合材料电极在挤压成形和点焊过程中易开裂，且焊接性能不稳定，目前在国内电阻点焊实际生产中仍存在很多问题。
近年来，国内外研究者针对上述问题进行了大量研究。有研究尝试对传统铜合金电极表面强化处理，如电刷镀、激光表面熔覆、离子注入、渗金属、电刷镀及电火花沉积等。前五种技术都可提高电极表面硬度和耐磨性，但电极寿命的提升幅度并不高。董仕节等成功在电极表面电火花沉积了硬质陶瓷复相涂层。他们在中国发明专利“点焊电极表面电火花熔敷Al2O3-TiB2涂层用的熔敷棒及其制备方法”（ZL201310684856.0）和“电火花熔覆涂层用的TiB2-ZrB2复相熔覆棒及其制备方法”（ZL201310684586.3）中公开了在电极表面电火花熔敷复相涂层Al2O3-TiB2和TiB2-ZrB2的熔敷棒及其制备方法，点焊镀锌钢板时电极寿命是常规铬锆铜电极的6倍。但是，硬质陶瓷涂层易开裂、分层甚至脱落，特别是电极修磨工序会将涂层一起磨掉，限制了涂层电极寿命的提高。
中国发明专利“用于镀锌钢板电阻点焊电极的深冷处理方法”（CN 1435505 A）中公开了-120～-196℃以下深冷处理电极1～7h的方法，点焊镀锌钢板时电极寿命提高到2640焊点。
另外，Nippert R.在欧洲发明专利“Welding electrode material and an electrode made of the material”（EP1650318）中公开了在电极端面植入CuZrP镶块的方法[1]，电极性能及寿命有一定改善。
但上述提高镀锌钢板点焊电极寿命的方法仍未取得实质性突破，电极寿命及焊接性能还不理想。因此，针对镀锌钢板研发长寿命、高焊接质量的新型电阻点焊电极具有重要的经济价值与实用意义。
碳纳米管(CNTs)具有极高长径比，其优良的轴向热及电传导性能、力学性能远超传统铜电极，是理想的高强度增强材料。迄今为止，采用加工手段使CNTs在铜基体中定向排布制备复合材料电极，将其用于镀锌钢板电阻点焊并显著提高电极寿命和点焊质量，还未见报道。
[1] Nippert R. Welding electrode material and an electrode made of the material [P]. European: EP1650318, 2006。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种电阻点焊镀锌钢板时寿命长、点焊质量高的电极及其制备方法。
本发明的镀锌钢板电阻点焊用电极，以铜为基体，复合单壁碳纳米管，其中单壁碳纳米管的质量分数为0.5~2%，铜的质量分数为98~99.5%；所述单壁碳纳米管在铜基体中的均匀分散，并沿点焊电流方向取向排布。
本发明还提供一种实用、有效、可控的上述电极的制备方法，控制单壁碳纳米管在铜基体中的均匀分散，并沿点焊电流方向取向排布。
本发明的目的通过以下技术方案步骤来实现：
（1）将质量分数0.5~2%的先镀镍后镀铜的单壁碳纳米管分散到无水乙醇中，再加入质量分数为98~99.5%纯铜粉，水浴超声伴随机械搅拌至浆状，真空干燥后即得混合粉末；
（2）将步骤（1）制备的混合粉末加入冷压模具，在室温下50~80MPa双向压力压制成坯，在氩气气氛保护下700~900℃烧结2h；
（3）经步骤（2）烧结后的压坯在850~950℃下在热挤压模具中挤压成棒料；
（4）步骤（3）热挤压后的棒料在夹角90°的型砧中拔长；
（5）对经步骤（4）拔长后的棒料的直径进行车削，在反挤压模具中常温下冷挤压成标准尺寸的点焊电极。
本发明提供的用于电阻点焊镀锌钢板的碳纳米管增强铜基复合材料电极综合性能良好、点焊寿命及焊接质量大幅提高。
本发明的优点及有益效果在于：制备工艺简单有效、可靠可控，所制得的碳纳米管增强铜基复合材料电极达到满密度，单壁碳纳米管在铜基体中分散均匀，并沿点焊电流方向取向排布。如图1所示为该电极轴向剖切面的SEM图像。从图中未发现碳纳米管聚集，SWCNTs均匀分布在致密、没有明显孔隙及裂缝的铜基体中，沿轴向取向排布的趋势明显。复合材料电极综合性能优异。硬度、抗拉强度、摩擦系数和磨损率分别比常规CrZrCu电阻点焊电极有了较大的改善，电导率、热导率与常规CrZrCu电阻点焊电极相当，完全满足电阻点焊电极使用要求。本发明获得的复合材料电极焊接质量好、焊点结合强度高，寿命比常规CrZrCu电阻点焊电极提升了6倍。本发明方法制备的点焊电极性能如表1所示。
附图说明
图1，实施例6获得的电极的轴向剖切面的SEM图像。
具体实施方式
实施例1：
将0.65g表面先镀镍后镀铜的单壁碳纳米管分散到无水乙醇中，再加入129.35g纯铜粉，水浴超声搅拌至浆状，真空干燥后即得混合粉末。将混合粉末加入冷压模具，在室温下50MPa双向压力压制成直径Φ50坯料，在氩气气氛保护下800℃烧结2h。850℃下将坯料在热挤压模具中挤压成直径Φ36的棒料。用压力机将所获的棒料在夹角90°的型砧模具内施压，使其沿轴向拔长，每次下压2mm,，获得拔长后Φ17的棒料。通过切削加工将材料车削成Φ16的棒料，并截取高度25mm，将其置于多道次成型的挤压模具中，通过挤压成形获得所需电极材料。
实施例2：
将1.3g表面先镀镍后镀铜的单壁碳纳米管分散到无水乙醇中，再加入128.7g纯铜粉，水浴超声搅拌至泥浆状，真空干燥后即得混合粉末。将混合粉末加入冷压模具，在室温下50MPa双向压力压制成直径Φ50坯料，在氩气气氛保护下700℃烧结2h。900℃下将坯料在热挤压模具中挤压成直径Φ36的棒料。用压力机将所获的棒料在夹角90°的型砧模具内施压，使其沿轴向拔长，每次下压3mm,下压后将模具两侧加入垫片再次下压，获得拔长后Φ17的棒料。通过切削加工将材料车削成Φ16的棒料，并截取高度25mm，将其置于多道次成型的挤压模具中，通过挤压成形获得所需电极材料。
实施例3：
将1.95g表面先镀镍后镀铜的单壁碳纳米管分散到无水乙醇中，再加入128.05g纯铜粉，水浴超声搅拌至泥浆状，真空干燥后即得混合粉末。将混合粉末加入冷压模具，在室温下50MPa双向压力压制成直径Φ50坯料，在氩气气氛保护下700℃烧结2h。950℃下将坯料在热挤压模具中挤压成直径Φ36的棒料。用压力机将所获的棒料在夹角90°的型砧模具内施压，使其沿轴向拔长，每次下压4mm,获得拔长后Φ17的棒料。通过切削加工将材料车削成Φ16的棒料，并截取高度25mm，将其置于多道次成型的挤压模具中，通过挤压成形获得所需电极材料。
实施例4：
将2.6g表面先镀镍后镀铜的单壁碳纳米管分散到无水乙醇中，再加入127.4g纯铜粉，水浴超声搅拌至泥浆状，真空干燥后即得混合粉末。将混合粉末加入冷压模具，在室温下60MPa双向压力压制成直径Φ50坯料，在氩气气氛保护下900℃烧结2h。850℃下将坯料在热挤压模具中挤压成直径Φ36的棒料。用压力机将所获的棒料在夹角90°的型砧模具内施压，使其沿轴向拔长，每次下压3mm,获得拔长后Φ17的棒料。通过切削加工将材料车削成Φ16的棒料，并截取高度25mm，将其置于多道次成型的挤压模具中，通过挤压成形获得所需电极材料。
实施例5：
将0.65g表面先镀镍后镀铜的单壁碳纳米管分散到无水乙醇中，再加入129.35g纯铜粉，水浴超声搅拌至泥浆状，真空干燥后即得混合粉末。将混合粉末加入冷压模具，在室温下80MPa双向压力压制成直径Φ50坯料，在氩气气氛保护下900℃烧结2h。900℃下将坯料在热挤压模具中挤压成直径Φ36的棒料。用压力机将所获的棒料在夹角90°的型砧模具内施压，使其沿轴向拔长，每次下压4mm,获得拔长后Φ17的棒料。通过切削加工将材料车削成Φ16的棒料，并截取高度25mm，将其置于多道次成型的挤压模具中，通过挤压成形获得所需电极材料。
实施例6：
将1.3g表面先镀镍后镀铜的单壁碳纳米管分散到无水乙醇中，再加入128.7g纯铜粉，水浴超声搅拌至泥浆状，真空干燥后即得混合粉末。将混合粉末加入冷压模具，在室温下50MPa双向压力压制成直径Φ50坯料，在氩气气氛保护下900℃烧结2h。950℃下将坯料在热挤压模具中挤压成直径Φ36的棒料。用压力机将所获的棒料在夹角90°的型砧模具内施压，使其沿轴向拔长，每次下压2mm,获得拔长后Φ17的棒料。通过切削加工将材料车削成Φ16的棒料，并截取高度25mm，将其置于多道次成型的挤压模具中，通过挤压成形获得所需电极材料。
实施例7：
将1.95g表面先镀镍后镀铜的单壁碳纳米管分散到无水乙醇中，再加入128.05g纯铜粉，水浴超声搅拌至泥浆状，真空干燥后即得混合粉末。将混合粉末加入冷压模具，在室温下60MPa双向压力压制成直径Φ50坯料，在氩气气氛保护下800℃烧结2h。950℃下将坯料在热挤压模具中挤压成直径Φ36的棒料。用压力机将所获的棒料在夹角90°的型砧模具内施压，使其沿轴向拔长，每次下压4mm,获得拔长后Φ17的棒料。通过切削加工将材料车削成Φ16的棒料，并截取高度25mm，将其置于多道次成型的挤压模具中，通过挤压成形获得所需电极材料。
实施例8：
将2.6g表面先镀镍后镀铜的单壁碳纳米管分散到无水乙醇中，再加入127.4g纯铜粉，水浴超声搅拌至泥浆状，真空干燥后即得混合粉末。将混合粉末加入冷压模具，在室温下50MPa双向压力压制成直径Φ50坯料，在氩气气氛保护下800℃烧结2h。900℃下将坯料在热挤压模具中挤压成直径Φ36的棒料。用压力机将所获的棒料在夹角90°的型砧模具内施压，使其沿轴向拔长，每次下压3mm,获得拔长后Φ17的棒料。通过切削加工将材料车削成Φ16的棒料，并截取高度25mm，将其置于多道次成型的挤压模具中，通过挤压成形获得所需电极材料。
实施例9：
将130g纯铜粉加入冷压模具，在室温下50MPa双向压力压制成直径Φ50坯料，在氩气气氛保护下800℃烧结2h。850℃下将坯料在热挤压模具中挤压成直径Φ36的棒料。用压力机将所获的棒料在夹角90°的型砧模具内施压，使其沿轴向拔长，每次下压2mm，获得拔长后Φ17的棒料。通过切削加工将材料车削成Φ16的棒料，并截取高度25mm，将其置于多道次成型的挤压模具中，通过挤压成形获得所需电极材料。
表1实施例1～9制备的点焊电极性能