淺析彌散強(qiáng)化銅的電極產(chǎn)業(yè)化前景論文
彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料，是通過在銅基體中加入氧化物顆粒作為增強(qiáng)相，并均勻彌散的分布在銅基體中，既保持了材料的導(dǎo)電性，又達(dá)到了提高銅基復(fù)合材料的力學(xué)性能及高溫抗軟化能力的目的。銅- 氧化鋁復(fù)合材料不僅室溫強(qiáng)度高、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能優(yōu)良，而且具有良好的耐磨性及高溫穩(wěn)定性，是一種有著廣闊前景的復(fù)合材料。目前，應(yīng)用最廣的氧化物彌散相是Al2O3。Al2O3 彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料不僅具有高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，而且具有優(yōu)越的高溫性能和抗蝕性能，在電阻焊電極行業(yè)有著極大的優(yōu)勢(shì)和廣闊的前景，是現(xiàn)代電子信息、能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵材料，已成為當(dāng)前材料行業(yè)研究的熱點(diǎn)。
彌散強(qiáng)化機(jī)制主要有位錯(cuò)繞過機(jī)制和位錯(cuò)切割機(jī)制。強(qiáng)化機(jī)理是: 在彌散強(qiáng)化材料中，彌散相阻礙位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)線需要較大的應(yīng)力才能克服阻礙而向前移動(dòng)，由此材料強(qiáng)度得以提高。對(duì)比其它幾種強(qiáng)化方式如固溶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化等，當(dāng)溫度升高時(shí)，材料隨著溫度升高而出現(xiàn)再結(jié)晶或者沉淀重溶的現(xiàn)象，強(qiáng)化機(jī)制賴以生存的微觀結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定，強(qiáng)化作用逐漸失去，合金的高溫?zé)岱�(wěn)定性無法滿足使用要求。與之相比彌散強(qiáng)化的優(yōu)勢(shì)在高溫下則表現(xiàn)得十分的突出，具有理想的高溫?zé)岱�(wěn)定性。
氧化物陶瓷具有強(qiáng)度高、熔點(diǎn)高、熱力學(xué)穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)，作為第二增強(qiáng)相，在接近于銅基體熔點(diǎn)的條件下也不會(huì)溶解或粗化，既保持了合金的導(dǎo)電性能，又有效地提高了合金的室溫和高溫強(qiáng)度，從而使材料具備良好的綜合性能。細(xì)小、均勻彌散分布于銅基體中的氧化鋁顆粒，由于在高溫下仍然具有優(yōu)良的尺寸和化學(xué)穩(wěn)定性，具有很強(qiáng)的釘扎作用，從而阻止基體組織的粗化，所以Al2O3 彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料在高溫下仍能保持大部分硬度。而且由于Al2O3 顆粒在銅基體中體積分?jǐn)?shù)小，而且呈細(xì)小彌散分布狀態(tài)，保持了銅基體高導(dǎo)電高導(dǎo)熱性能，使材料在接近銅熔點(diǎn)的溫度下也能工作。
在電阻焊電極材料行業(yè)，現(xiàn)大量使用的電極材料鉻鋯銅( Cu - Cr -Zr 系列) ，由于軟化溫度較低，大約在500℃左右，電極損耗嚴(yán)重導(dǎo)致焊接成本大幅提高，由于頻繁地更換，也嚴(yán)重影響了焊接設(shè)備的效率。而彌散強(qiáng)化銅合金制成的點(diǎn)焊電極具有壽命長(zhǎng)( 普通鉻鋯銅的4 ～ 10倍) 、抗軟化、不粘附的特性，顯示出超強(qiáng)的焊接性能優(yōu)勢(shì)。在焊接的過程中彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料可以做到電流的快速傳導(dǎo)，焊區(qū)熱量能迅速消散，在高溫、高壓、高電流的工作環(huán)境下有非常好的使用效果。在汽車行業(yè)，焊接鍍鋅的鋼板時(shí)，在氧化鋁強(qiáng)化銅電極頂部工作面形成的氧化鋁保護(hù)層，能有效防止電極表面層在焊接低碳鋼板過程中與鋼板粘接，很大程度上減輕電極損耗，提高電極使用壽命。隨著機(jī)械制造業(yè)尤其是汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)氧化鋁彌散強(qiáng)化銅合金的需求量正在日益增加，將會(huì)產(chǎn)生良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
當(dāng)前Al2O3 銅基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化面臨的主要問題:
1 Al2O3 銅基復(fù)合材料工藝問題
傳統(tǒng)的彌散銅的制造技術(shù)多采用粉末冶金法，最開始以外加Al2O3 顆�；旌暇鶆�，壓制成型后進(jìn)行燒結(jié)，制成燒結(jié)體。粉末冶金法生產(chǎn)Al2O3 彌散強(qiáng)化銅工藝成熟，生產(chǎn)出的復(fù)合材料性能較好，但生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、生產(chǎn)效率低，同時(shí)復(fù)合材料界面易受污染。改進(jìn)后的制造工藝通過內(nèi)氧化原位生成納米級(jí)Al2O3 顆粒，細(xì)小且在基體分布均勻，有較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性; 但是其高溫性能不佳，同時(shí)流程復(fù)雜，造成材料質(zhì)量控制困難，成本非常高，極大地限制了其推廣應(yīng)用。球磨法通常是將納米或者微米級(jí)的Al2O3 粉與Cu 粉按比例放于球磨機(jī)中球磨，在球磨過程中Al2O3 顆粒嵌入Cu 顆粒中形成彌散強(qiáng)化銅合金粉。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單易操作，而且Al2O3 的含量可以在較大范圍內(nèi)調(diào)控。其缺點(diǎn)在于氧化鋁顆粒在Cu 顆粒中的分布狀態(tài)不夠均勻，界面結(jié)合也不夠緊密，采用該方法制得的氧化鋁彌散強(qiáng)化銅的導(dǎo)電性及強(qiáng)度通常都較差。
綜其所述，Al2O3 復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化當(dāng)前面臨的困難一是工藝復(fù)雜，二是成本過高，無法滿足市場(chǎng)的要求。今后的研究工作應(yīng)向工藝簡(jiǎn)化，工藝參數(shù)控制，生產(chǎn)成本降低方向發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)Al2O3 彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料。
2 Al2O3 銅基復(fù)合材料致密度問題
Al2O3 彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的性能好壞，致密度是一個(gè)很重要的工藝參數(shù)。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法制備出的彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料燒結(jié)坯普遍致密度不高，特別是斷面大時(shí)，無法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大的變形比，一般只能達(dá)到97. 5%左右理論密度，制品內(nèi)部會(huì)有一定量的孔隙存在，使得最終產(chǎn)品的.機(jī)械、物理性能不佳。因此，在燒結(jié)過程中提高致密度是Al2O3 彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料研制過程中的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。
通過采用真空感應(yīng)熱壓爐或低壓等靜壓燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)，最大限度的消除合金內(nèi)部殘余孔隙和缺陷，可以使燒結(jié)坯基本達(dá)到理論密度。從而獲得高導(dǎo)電性、高抗軟化溫度以及高致密性。通過霧化制粉制得銅- 鋁合金粉末，將合金粉末在800 ～ 950℃的溫度下進(jìn)行內(nèi)氧化，經(jīng)過還原之后得到銅- 氧化鋁合金粉末，加入微量稀土金屬在混合機(jī)中混合均勻，得到混合均勻的粉末，壓塊并將預(yù)壓坯置于真空感應(yīng)熱壓爐或低壓等靜壓燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)并合金化，最終得到致密的彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料。
3 Al2O3 銅基復(fù)合材料粉末均勻化問題
Al2O3 彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的強(qiáng)度，取決于Al2O3 的體積分?jǐn)?shù)以及彌散的Al2O3 顆粒間距和大小。目前國(guó)內(nèi)僅能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制得顆粒為10 - 30nm 的Al2O3 顆粒的彌散強(qiáng)化銅，而國(guó)外制作的Al2O3 顆粒平均已達(dá)到10nm 的水準(zhǔn)。制得均勻的超細(xì)粉末是研制Al2O3 彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料所面臨的工藝難點(diǎn)之一。
Al2O3 彌散強(qiáng)化銅的性能取決于Al2O3 顆粒的尺寸、分布和間距。粒徑較細(xì)有利于合金強(qiáng)化，但同時(shí)導(dǎo)致導(dǎo)電性降低; 粒徑過大對(duì)于顆粒與基體界面引起的裂紋萌生和擴(kuò)展無法有效阻止，導(dǎo)致合金韌性下降。經(jīng)研究，Al2O3 顆粒直徑一般在3 ～ 12nm 范圍內(nèi)，顆粒問距為30 ～100nm，Al2O3 的含量為0. 1 ～ 1. 5wt%時(shí)性能為最佳。采用高能球磨可以獲得比較均勻的復(fù)合粉末: 隨球磨時(shí)間延長(zhǎng)，粉末尺寸逐漸變細(xì)，但球磨到一定時(shí)間后復(fù)合粉末尺寸變化不大，以球磨24 小時(shí)為最佳。
本文僅僅是對(duì)Al2O3 彌散強(qiáng)化銅材料作了一些初步探討，其中仍有很多環(huán)節(jié)需要完善。由于銅- 氧化鋁復(fù)合材料的制造過程是一種粉末冶金過程，致密度很難達(dá)到100%，因此工件表面存在許多微細(xì)孔。在熱加工加熱過程中，易造成表面晶界氧化，造成晶界強(qiáng)度低，在熱鍛過程中造成開裂。由于熱鍛難題，目前基本局限在電阻焊材料領(lǐng)域及電子小型零件上，限制了該材料的應(yīng)用。又如本文中提到的等靜壓. 燒結(jié)方法制備的材料致密度均偏低，可以考慮采用熱壓燒結(jié)法制備坯料，并且可在燒結(jié)后結(jié)合冷變形及熱處理，或進(jìn)行擠壓變形，進(jìn)一步提高材料的性能。另外可以結(jié)合高溫變形實(shí)驗(yàn)對(duì)彌散銅電極的成型進(jìn)行數(shù)值模擬，為彌散銅電極材料的實(shí)際生產(chǎn)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo)。
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