一种立方氮化硼颗粒增强Cu基电极复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种立方氮化硼颗粒增强Cu基点焊电极复合材料及其制备方法，具 有提高电阻点焊电极材料的耐磨性和在高温下抵抗塑性变形的能力，属于焊接与连接技术 领域。
【背景技术】
[0002] 电阻点焊是通过电极施加压力，利用电流通过连接接头的接触面及邻近区域产生 的电阻热作为焊接热源加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。点焊电极 是电阻点焊生产过程中关键部件，主要功能是传输电流、施加压力和散热作用。点焊电极是 易耗品，消耗量大，其质量的好坏直接影响焊接质量、生产效率和成本。点焊电极材料要求 能承受高温和高压即热、力耦合双重作用。目前，市售点焊电极大多采用铬青铜、铬锆铜、钨 铜合金和钼铜合金等铜合金加工而成。这类材料加工制造的电极强度和硬度较低，软化温 度< 550°C，点焊生产过程中经常出现电极热塑变镦粗、磨损以及与被焊材料粘接等形式的 失效，结果导致接触面积将增大，焊点强度降低。提高点焊电极使用寿命一直是焊接及其相 关研宄人员追求的目标，并在相关学术期刊发表多篇论文，相关发明专利也很多。查阅已有 文献可见，开展的研宄工作有电极深冷处理、基体强化和表面强化等技术。深冷处理是指以 液氮（_196°C)作为冷却剂，在-130°C以下对材料进行处理来改变材料性能的一种方法。基 体强化就是在铜合金中添加各种陶瓷颗粒增强相（如A1203、TiC、TiB2、Zr203、WC、SiC、B4C 等）同时改善铜合金的力学性能和热稳定性。表面强化就是利用现代表面加工技术在电极 表面获得一层具有优异导电、导热和耐磨性能的涂层有利于提高电极的使用寿命。
[0003] 近几年，随着材料科学技术的发展，开发各种高强度合金钢和铝合金，如钢的强度 级别高达1000-1500MPa，热处理强化的铝合金强度级别高达400-500MPa，这些材料在机 械、汽车、航空等工业领域得到广泛应用，对材料的加工、连接质量的要求越来越高。超高 强度钢和高强铝合金具有极高的抗拉强度和屈服强度，点焊需要较大的焊接电流和点焊压 力，必然造成电极磨损非常严重，现有的电极材料由于在某些性能方面的欠缺（如抗塑性 变形的能力和磨损性能差等），导致点焊质量不稳定，限制了高强金属材料点焊质量的进一 步提高。因此，提高电极材料的质量是点焊过程中的核心和关键，成为提高点焊质量的重要 因素。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种立方氮化硼（简称：c-BN)颗粒增强Cu基电极复合材料 及其制备方法，用于制造点焊电极，具有提高电阻点焊电极材料的耐磨性和在高温下抵抗 塑性变形的能力。点焊电极材料要求能承受高温和高压双重作用，因此，制造点焊电极的颗 粒增强Cu基复合材料要求基体材料应具有极好的导电性、导热性和较高的高温力学性能； 颗粒增强相则应具有优异的耐磨性、高温热稳定性、力学性和导热性能。而颗粒增强复合材 料的耐磨性则是一个复杂的综合过程，与基体金属的耐磨性、基体与颗粒的结合强度，颗粒 尺寸、颗粒与基体金属成分比、表面形态结构及颗粒与基体金属的界面结构等多因素密切 有关。本发明所述的一种立方氮化硼（简称：c-BN)颗粒增强Cu基电极复合材料及其制备 方法是在不降低电极材料的导电性、导热性和高温力学性能的基础上提高其耐磨性。
[0005] 本发明的上述目的是这样实现的：
[0006] 一种立方氮化硼颗粒增强Cu基电极复合材料，铜基合金真空熔炼后进行固溶处 理和深冷处理制备成粉状颗粒，利用放电等离子烧结技术在高温高压下将铜基合金粉状颗 粒与C-BN颗粒增强相按一定配比混合均匀烧结成立方氮化硼颗粒增强Cu基电极复合材 料；所述铜基合金为Cu、Ni、Cr、Zr，通过合金化成分设计和正交优化试验确定其成分按质 量百分比计Wt/%:Ni:10-15、Cr:2-5、Zr:1-3,Cu:余量；c-BN为颗粒增强相，尺寸大小为 20 - 30ym，c-BN颗粒与铜基合金的体积之比控制为c-BN颗粒占总体积的3-5%。
[0007] 所述立方氮化硼颗粒增强Cu基电极复合材料为Cu、Ni、Cr、Zr，通过合金化成分 设计和正交优化试验确定其成分按质量百分比计（Wt/% ):Ni:10、Cr:2、Zr:1，Cu:余量； c-BN颗粒与铜基合金的体积之比控制为c-BN颗粒占总体积的3%。
[0008] 所述立方氮化硼颗粒增强Cu基电极复合材料为Cu(铜）、Ni(镍）、Cr(铬）、 Zr(锆），通过合金化成分设计和正交优化试验确定其成分按质量百分比计（Wt/% ):Ni: 12、Cr:3、Zr:2,Cu:余量；c-BN颗粒与铜基合金的体积之比控制为c-BN颗粒占总体积的
[0009] 所述立方氮化硼颗粒增强Cu基电极复合材料为&1、附、0、21'，通过合金化成分设 计和正交优化试验确定其成分按质量百分比计Wt/%:Ni:13、Cr:5、Zr:3，Cu:余量；c-BN 颗粒与铜基合金的体积之比控制为c-BN颗粒占总体积的5%。
[0010] 所述立方氮化硼颗粒增强Cu基电极复合材料为&1、附、0、21'，通过合金化成分设 计和正交优化试验确定其成分按质量百分比计Wt/%:Ni:11、Cr:4、Zr:3,Cu:余量；C-BN 颗粒与铜基合金的体积之比控制为c-BN颗粒占总体积的3%。
[0011] 所述立方氮化硼颗粒增强Cu基电极复合材料为&1、附、0、21'，通过合金化成分设 计和正交优化试验确定其成分按质量百分比计Wt/%:Ni:12、Cr:2、Zr:3，Cu:余量；c-BN 颗粒与铜基合金的体积之比控制为c-BN颗粒占总体积的4%。
[0012] 所述立方氮化硼颗粒增强Cu基电极复合材料为&1、附、0、21'，通过合金化成分设 计和正交优化试验确定其成分按质量百分比计Wt/%:Ni:15、Cr:2、Zr:1，Cu:余量；c-BN 颗粒与铜基合金的体积之比控制为c-BN颗粒占总体积的5%。
[0013] 本发明的一种立方氮化硼颗粒增强Cu基电极复合材料及其制备方法，复合材料 成分的设计是以Cu为基础合金，添加Ni、Cr、Zr等形成的铜基合金。Cu-Ni之间可无限 固溶，形成连续固溶体，添加Ni能显著提高纯Cu的力学性能、耐蚀性，降低电阻率温度系 数。Cu与Cr、Zr多以金属间化合物的形式存在，添加适量的Cr、Zr可以提高Cu-Ni合金 的力学性能、导电和导热性。本发明选择c-BN作为颗粒增强相是因为其具有优越的物理、 化学、力学和高温热稳定性能，在大气中加热至l〇〇〇°C时不发生氧化，尤其是避免了金刚石 制品和工具加工黑色铁基合金材料发生反应的局限性。C-BN颗粒尺寸以及c-BN颗粒与铜 基合金的体积之比对Cu基电极复合材料的致密性、导电性和高温耐磨性有着重要影响。本 发明基于颗粒对复合材料的"阴影保护效应"原理，建立Cu基电极复合材料结合强度与颗 粒增强相尺寸0 =f(r)、Cu基电极复合材料结合强度与颗粒增强相体积配比0 =f(wt)、Cu基电极复合材料耐磨性与颗粒增强相体积配比e=f(wt)以及Cu基电极复合材料电阻 率与颗粒增强相体积配比P=f(wt)等数学关系式，通过优化确定采用的c-BN颗粒增强 相尺寸大小为20 - 30ym，c-BN颗粒与铜基合金的体积之比控制为c-BN颗粒占总体积的 3-5 % 〇
[0014] 本发明的一种立方氮化硼颗粒增强Cu基电极复合材料的制备方法，具体工艺为： (1)采用纯度为99. 99%的Cu、Ni、Cr、Zr金属按一定优化设计成分配比在真空中频感应炉 制备出铜基合金。合金经过熔炼后成分均匀，硬度、强度、导电性和导热性均显著提高。（2) 将熔炼后的铜基合金进行固溶处理和深冷处理，合金组织得到细化，出现更多弥散强化的 金属间化合物，铜基合金强度有较大幅度的提高。（3)铜基合金进行固溶处理和深冷处理后 采用雾化法技术制备出尺寸在80-120ym的铜基合金粉状颗粒。（4)将按设计成分制备好 的铜基合金粉状颗粒与c-BN颗粒增强相按一定配比混合均匀，采用放电等离子烧结技术 制备Cu基电极复合材料。c-BN颗粒增强相尺寸大小为20 - 30ym，c-BN颗粒与铜基合金 的体积之比控制为c-BN颗粒占总体积的3-5%。
[0015] 本发明所述的一种立方氮化硼颗粒增强Cu基电极复合材料及其制备方法，按照 上述铜基合金成分、c-BN颗粒与铜基合金的体积之比以及工艺步骤制备出的立方氮化硼颗 粒增强Cu基电极复合材料所达到的技术指标：
[0016] (1)立方氮化硼颗粒增强Cu基电极复合材料的耐磨性是市售铬锆铜电极材料的 3-5倍；
[0017] (2)立方氮化硼颗粒增强Cu基电极复合材料的电阻率为0? 088 - 0? 106Q?mm2/ m〇
[0018] 本发明所述的一种立方氮化硼颗粒增强Cu基电极复合材料与目前市售铬锆铜点 焊电极材料比较，电阻率相近，耐磨性提高3-5倍，具有抵抗高温塑性变形的能力，确保了 超高强度钢点焊质量的稳定性。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合实施例进一步说明本发明的详细内容及其【具体实施方式】，但本发明的保 护范围不限于下述的实施例。
[0020] 一、本发明的一种立方氮