DE102004025600A1

DE102004025600A1 - Elektrodenmaterial und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102004025600A1
Application number: DE102004025600A
Authority: DE
Inventors: Masataka Sendai Kawazoe; Hideyuki Hasegawa; Katsuyuki Namerikawa Taketani; Hiroyuki Sendai Sasaki
Original assignee: YKK Corp
Current assignee: YKK Corp
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2004-12-30
Also published as: JP2004353011A; US20040238501A1; CN1572413A; FR2855438A1

Abstract

Ein Kupferlegierungsmaterial mit einer Struktur, in welcher feine Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 50 nm oder weniger zu einer Struktur gefällt wurden, die aus faserförmigen Kristallkörnern mit einer Nebenachsenlänge von 10 mum oder weniger zusammengestzt ist, die aus Unterkörnern mit einer mittleren Korngröße von 3 mum oder weniger zusammengesetzt sind, wird durch Extrudieren eines Legierungsmaterials der allgemeinen Formel Cu¶Ausgl.¶X¶a¶ (wobei X mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Cr, Zr, Fe, P und Ag, darstellt; a 1,5 Gew.-% oder weniger bedeutet und der Ausgleich aus Cu, das unvermeidbare Verunreinigungen umfasst, besteht) mit einem Extrusionsverhältnis von 4 oder höher und bei einer Temperatur von 300 bis 600 DEG C erhalten. Das Kupferlegierungsmaterial wird vorzugweise bei einer Temperatur von 350 bis 700 DEG C vor und nach der Extrusion wärmebehandelt. Das so erhaltene Legierungsmaterial ist als Elektrodenmaterial zum Schweißen aufgrund von verbesserten mechanischen Eigenschaften, verbesserter Wärmefestigkeit und Streckspannung bei hoher Temperatur nützlich und zeigt als Elektrodenmaterial eine ausgezeichnente Fähigkeit zum kontinuierlichen Schweißen (Elektrodenhaltbarkeit).

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK 1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrodenmaterial, das beim Schweißen von aus Aluminium, Magnesium, Eisen, deren Legierungen zusammengesetzten Materialien und auch mit diesen Metallen beschichteten Materialien verwendet wird, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Elektrodenmaterials.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Elektrodenmaterialien, die aus Chrom-Kupfer (Cu-Cr-Legierung) und Aluminiumoxid-dispergiertem Kupfer (Al₂O₃-dispergiertem Kupfer) zusammengesetzt sind, wurden als Elektrodenmaterialien dieses Typs verwendet.

Zum Beispiel beschreibt die Patentschrift 1 ein Elektrodenmaterial zum Schweißen, das aus einer Cr-Cu-Legierung zusammengesetzt ist, wobei es sich bei dessen Nachteil darum handelt, dass die Kristallkörner in der Legierung aufgrund der Herstellung bei einer hohen Temperatur von etwa 1000°C grob werden und die Verschleißfestigkeit und Wärmefestigkeit vermindert sind. Jedoch verfeinert die Zugabe von 0,01 bis 0,2 Gew.-% Bor zu der Cr-Cu-Legierung die Kristallkörner der Legierung und verbessert die Wärmefestigkeit und die Härte bei hoher Temperatur.

Die Patentschrift 2 beschreibt, dass die Verformung und der Verschleiß an der Elektrodenspitze vermindert werden und die Haltbarkeit verlängert wird, indem als Legierungszusammensetzung für ein Schweißelektrodenmaterial eine Legierung eingesetzt wird, die 0,4–1,0 Gew.-% Cr, 0,05–0,2 Gew.-% Sn und Kupfer, das unvermeidbare Verunreinigungen umfasst, als Ausgleich umfasst.

Die Patentschrift 3 beschreibt, dass die elektrische Leitfähigkeit erhöht und auch die Verschleißfestigkeit verbessert wird und die Anzahl an Schweißpunkten (oder Schweißkreisen) beim Punktschweißen erhöht wird, indem als Schweißelektrodenmaterialzusammensetzung eine Legierungszusammensetzung eingesetzt wird, die 0,05–1 Gew.-% Zr, 3–20 Gew.-% Cr und Cu als Ausgleich umfasst.

Ist jedoch in aus Chrom-Kupfer-Legierungen zusammengesetzten Elektrodenmaterialien die Menge an Cr in Form einer Feststofflösung groß, sind elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit gering. Ein anderes Problem liegt darin, dass aufgrund dessen, dass die Kristallkörnergröße so groß wie mehrere zehn Mikron ist, die Zyklusermüdungsfestigkeit gering ist. Wird dieses Material als Elektrodenmaterial verwendet, nimmt der Durchmesser der Elektrodenspitze nach einer geringen Anzahl an Schweißzyklen zu und die Schweißstromdichte fällt ab. Als Ergebnis ist die Fähigkeit zum kontinuierlichen Schweißen gering. Ein andere Problem liegt darin, dass aufgrund der geringen elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit mit dem Material, das geschweißt wird, leicht eine Legierung erfolgt und die Anzahl an Schweißpunkten zur Verschmelzung gering ist.

Andererseits ist in den aus Aluminiumoxid-dispergiertem Kupfer zusammengesetzten Elektrodenmaterialien die Streckspannung bei hoher Temperatur gering, der Durchmesser der Elektrodenspitze nach einer geringen Anzahl an Schweißzyklen vergrößert und die Schweißstromdichte vermindert. Als Ergebnis ist die Fähigkeit zum kontinuierlichen Schweißen schlecht. Ein anderes Problem liegt darin, dass aufgrund der geringen elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit mit dem Material, das geschweißt wird, leicht eine Legierung erfolgt und die Anzahl an Schweißpunkten zur Verschmelzung gering ist.

Ferner wurde kürzlich vorgeschlagen, ein Elektrodenmaterial mit hoher mechanischer Stärke, Wärmefestigkeit und elektrischer Leitfähigkeit bereitzustellen, indem ein Legierungsmaterial, das aus Cu-0,44% Cr-0,2% Zr zusammengesetzt ist, einer Querextrusion (ECAP: equal-channel angular pressing; Gleichkanal-winkliges Pressen) und dem Verfeinern der Kristallkörner unterzogen wird (siehe Nicht-Patentschrift 1).

Obwohl die in der Nicht-Patentschrift 1 beschriebene Legierung eine ausgezeichnete mechanische Stärke und Wärmefestigkeit aufwies, war immer noch Raum für Verbesserung, da ihre elektrische Leitfähigkeit so gering wie 75–80% IACS war, wodurch mit dem Metall, das geschweißt wurde, leicht eine Legierung erfolgte und die Anzahl an Schweißpunkten zur Verschmelzung gering war. Ein anderes Problem liegt darin, dass die Streckspannung bei hoher Temperatur beim Verfeinern der Kristallkörner z.B. aufgrund der Korngrenzenverschiebung geringer als in einem grobkörnigen Material wird, was zu einem vergrößerten Durchmesser der Elektrodenspitze und verminderter Fähigkeit zum kontinuierlichen Schweißen führt.

Schriften

Patentschrift 1: Japanische Patentveröffentlichung Nr. 56-31196B.
Patentschrift 2: Japanische Patentveröffentlichung Nr. 62-3885A.
Patentschrift 3: Japanische Patentveröffentlichung Nr. 6-73473A.
Nicht-Patentschrift 1: Acta Materialia 50 (2002) 1639–1651 „Structure and properties of ultra-fine grain Cu-Cr-Zr alloy produced by equal-channel angular pressing".

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde durchgeführt, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Elektrodenmaterial bereitzustellen, in welchem die mechanischen Eigenschaften, Wärmefestigkeit, Streckspannung bei hoher Temperatur und die Fähigkeit zum kontinuierlichen Schweißen (Elektrodenhaltbarkeit) des Elektrodenmaterials durch Bilden von faserförmigen Kristallkörnern und einer Unterstruktur, die aus feinen Unterkörnern darin besteht, und Bewirken einer feinen Fällung von Teilchen, die Atome mit einer geringen Diffusionsgeschwindigkeit umfassen, verbessert werden können und ebenso die elektrische Leitfähigkeit erhöht werden kann, die Legierung des Elektrodenmaterials mit dem Material, das geschweißt wird, unterdrückt werden kann und die Anzahl an Schweißpunkten zur Verschmelzung (Verschmelzungsfestigkeit) durch Verbessern der Fällung von feinen Fällungsprodukten erhöht werden kann, und auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Elektrodenmaterials bereitzustellen.

Die vorliegende Erfindung wurde durchgeführt, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, und ihre konstituierenden Merkmale sind nachstehend beschrieben.

(1) Ein Elektrodenmaterial mit einer Zusammensetzung der allgemeinen Formel Cu_Ausgl.X_a, wobei X mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cr, Zr, Fe, P und Ag darstellt; a 1,5 Gewichts-% (Gew.-%) oder weniger bedeutet und der Ausgleich aus Cu, das unvermeidbare Verunreinigungen umfasst, besteht, wobei das Elektrodenmaterial eine Struktur aufweist, in welcher feine Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 50 nm oder weniger zu einer Struktur gefällt wurden, die aus faserförmigen Kristallkörnern mit einer Nebenachsenlänge von 10 μm oder weniger zusammengesetzt ist, die aus Unterkörnern mit einer mittleren Korngröße von 3 μm oder weniger zusammengesetzt sind.
(2) Das Elektrodenmaterial nach vorstehendem Punkt (1), wobei der Fällungsdispersionszustand der feinen Teilchen so ist, dass der mittlere Abstand zwischen den Teilchen 200 nm oder weniger beträgt.
(3) Das Elektrodenmaterial nach vorstehendem Punkt (1) oder (2), wobei es sich bei den feinen Teilchen um mindestens einen Typ, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cr, Cu₃Zr, Cu₉Zr₂, Fe, Cu₃P und Ag, handelt.
(4) Ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials, wobei ein Legierungsmaterial auf Cu-Basis mit einem Extrusionsverhältnis von 4 oder höher und bei einer Temperatur von 300 bis 600°C extrudiert wird, wobei das Legierungsmaterial auf Cu-Basis eine Zusammensetzung der allgemeinen Formel Cu_Ausgl.X_a aufweist, wobei X mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cr, Zr, Fe, P und Ag, darstellt; a 1,5 Gew.-% oder weniger bedeutet und der Ausgleich aus Cu, das unvermeidbare Verunreinigungen umfasst, besteht.
(5) Das Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials nach vorstehendem Punkt (4), wobei das Legierungsmaterial bei Durchführung der Extrusion im Voraus einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 350 bis 700°C unterzogen wird.
(6) Das Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials nach vorstehendem Punkt (4) oder (5), wobei eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 350 bis 700°C nach der Extrusion durchgeführt wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Beispiel für die in der vorliegenden Erfindung verwendete Extrusionsformapparatur.
2A und 2B veranschaulichen die Metallstruktur eines Materials, betrachtet durch EBSP (electron backscattering pattern; Elektronenrückstreuungsmuster), vor Wärmevorbehandlung, und 2B ist eine vergrößerte Figur von 2A.
3A und 3B veranschaulichen die Metallstruktur des endbehandelten Materials, betrachtet durch EBSP bzw. TEM (transmission electron microscope; Elektronenübergangsmikroskop).
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Extrusionsverfahren, das eine direkte Extrusion oder eine indirekte Extrusion mit einem Extrusionsverhältnis von 4 oder höher bei einer Temperatur von 300–600°C umfasst, ein wirksames, spezifisches Mittel zum Umwandeln der Kristallkörner eines Legierungsmaterials zu faserförmigen Körnern (insbesondere nicht-gleichaxialen Körnern mit einem Seitenverhältnis von 1,5 oder mehr), wobei die Unterstruktur durch feine Unterkörner gebildet wird und die feinen Körner gefällt werden. Dieses Extrusionsverfahren ändert deutlich die Querschnittsfläche des Legierungsmaterials und kann dem Legierungsmaterial durch Einstellen von angemessenen Extrusionsbedingungen gemäß diesen Änderungen der Querschnittsfläche Scherverformung und plastische Verformung (Spannung) verleihen. Als Ergebnis kann die Nebenachsenlänge der faserförmigen Kristallkörner mit nicht mehr als 10 μm, der mittlere Unterkorndurchmesser der Unterstruktur mit nicht mehr als 3 μm gebildet und die Fällung der feinen Körner mit einem mittleren Korndurchmesser oder weniger verbessert werden. Folglich kann das Material mit einer hohen Streckfestigkeit bei hoher Temperatur, einer hohen Wärmefestigkeit und einer hohen elektrischen Leitfähigkeit ausgestattet werden.
Die Extrusionsformapparatur, die in dem Extrusionsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird auf der Basis einer in 1 dargestellten direkten Extrusionsformapparatur erklärt. Die Apparatur umfasst einen Behälter 2, der ein darin gebildetes Zufuhrteil 1, das in Längsrichtung läuft, aufweist, eine Matrize 3, die auf einem Seitenende des Zufuhrteils 3 angeordnet ist und eine darin gebildete Öffnung mit der Querschnittgestalt eines zu formenden extrusionsgeformten Materials M aufweist, und eine Kolbenstange 5, die auf dem anderen Seitenende des Zufuhrteils 1 angeordnet ist und eine Vorlegescheibe 4 auf der anderen Seite davon aufweist, wobei diese Kolbenstange 5 in das Zufuhrteil 1 zu Matrize 3 gleitet.
Die Extrusionsformapparatur ist auch mit einem Heiz-Kühl-Element zur Regulierung der Temperatur im Behälter 2, einem Temperaturerfassungselement und einem Temperaturregulierungselement (in den Figuren nicht dargestellt) versehen.
Beim Extrusionsformen wird das Extrusionsmaterial S in das Zufuhrteil 1 gegeben, man lässt die sich am anderen Seitenende befindende Kolbenstange 5 gleiten und das Extrusionsmaterial S gegen Matrize 5 drücken, wodurch das extrusionsgeformte Material M hergestellt wird, wobei sich die Querschnittgestalt der in der Matrize 3 gebildeten Öffnung anpasst. In diesem Fall werden dem Material aufgrund der Reduzierung der Querschnittfläche des Extrusionsmaterials durch die Matrize 3 mechanische Spannungen verliehen, nehmen die Kristallkörner im extrusionsgeformten Material eine faserförmige Form an, werden die Unterkörner der Unterstruktur verfeinert und wird die Fällung der feinen Körner durch Spannungseinführung verbessert, wodurch ausgezeichnete mechanische Eigenschaften bereitgestellt werden.
Durch Anwendung dieses Verfahren auf das Legierungsmaterial wird es ermöglicht, eine Nebenachsenlänge der faserförmigen Kristallkörner von 10 μm oder weniger, eine mittlere Unterkorngröße der Unterstruktur von 3 μm oder weniger zu erhalten, die mittlere Teilchengröße der Fällungsprodukte auf 50 nm oder weniger zu verfeinern und die Streckspannung bei hoher Temperatur, Wärmefestigkeit, Zähigkeit und elektrische Leitfähigkeit durch ein sehr einfaches Verfahren stark zu verbessern. Weiterhin zeigt dieses Verfahren auch eine Verbesserungswirkung auf die Gussstruktur sowie das Eliminieren von makroskopischer und mikroskopischer Entmischung der Legierungskomponenten und damit das Homogenisieren der Legierung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es wichtig, dass die Extrusion durch das vorstehend genannte Extrusionsverfahren bei einer Temperatur von 300 bis 600°C und mit einem Extrusionsverhältnis von 4 oder mehr durchgeführt wird. Eine solche Auswahl kann wie folgt erklärt werden. Beträgt die vorstehend erwähnte Temperatur weniger als 300°C, wird die mechanische Stärke verbessert, jedoch wird die Verbesserung der Fällung der feinen Teilchen nicht ausreichend durchgeführt und die elektrische Leitfähigkeit kann nicht erhöht werden. Weiterhin werden, wenn die Temperatur höher als 600°C ist, die Bildung von faserförmigen Kristallkörnern, die Verfeinerung von Unterkörnern der Unterstruktur und die Verfeinerung von Fällungsteilchen nicht realisiert, werden die mechanische Stärke und andere Eigenschaften nicht verbessert, werden die gefällten dispergierten Teilchen wieder in Form einer Feststofflösung gelöst und ist die elektrische Leitfähigkeit unmöglich zu erhöhen. Weiterhin werden, wenn das Extrusionsverhältnis weniger als 4 beträgt, die Bildung von faserförmigen Kristallkörnern des Legierungsmaterials, die Verfeinerung von Unterkörnern der Unterstruktur und die Verbesserung der Fällung von feinen Teilchen nicht vollständig gefördert und ist die Erhöhung der mechanischen Stärke und elektrischen Leitfähigkeit nicht zu erwarten.
Weiterhin ist es gemäß der vorliegenden Erfindung beim Realisieren des vorstehend beschriebenen Extrusionsverfahrens bevorzugt, dass im Voraus eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 350 bis 700°C durchgeführt wird (diese Wärmebehandlung wird nachstehend auch als Wärmevorbehandlung bezeichnet). Das Durchführen einer solchen Wärmevorbehandlung ermöglicht die Dispersion von feinen Fällungsprodukten, die Umwandlung von Kristallkörnern zu einer faserförmigen Gestalt durch den Beitrag zum Befestigen von im Extrusionsverfahren eingebrachten Verlagerungen und dergleichen und die Verfeinerung von Unterkörnern der Unterstruktur. Beträgt die vorstehend genannte Temperatur weniger als 350°C, findet keine Fällung statt, und liegt die vorstehend genannte Temperatur über 700°C, werden die Kristallkörner und Fällungsprodukte zu grob, und sogar beim Realisieren der Extrusion können die geeignete Nebenachsenlänge der faserförmigen Kristallkörner, der Durchmesser der Unterkörner der Unterstruktur und die Größe der Fällungsprodukte nicht reguliert werden. Es ist zu erwarten, dass durch die Wärmevorbehandlung die vorstehend beschriebene Wirkung erzeugt wird, wenn die Behandlungszeit mindestens 30 Minuten beträgt. Der Behandlungszeit ist keine besondere Beschränkung auferlegt, jedoch liegt sie im Hinblick auf die Kosteneffizienz innerhalb von 100 Stunden.
Weiterhin ist es gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 350 bis 700°C nach Realisieren des vorstehend genannten Extrusionsverfahrens durchgeführt wird (diese Behandlung wird nachstehend auch als Wärmenachbehandlung bezeichnet). Das Durchführen einer solchen Wärmenachbehandlung ermöglicht die feine und gleichförmige Fällung und Dispersion von feinen Fällungsprodukten. Deshalb kann die elektrische Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials erhöht werden. Beträgt die vorstehend genannte Temperatur weniger als 350°C, ist die Menge der Fällungsprodukte ungenügend und eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit nicht zu erwarten. Ferner bilden, wenn die Temperatur über 700°C liegt, die gefällten dispergierten Teilchen wieder eine Feststofflösung, wodurch leicht eine Verminderung der elektrischen Leitfähigkeit verursacht wird. Es ist zu erwarten, dass die vorstehend beschriebene Wirkung durch die Wärmebehandlung erzeugt wird, wenn die Behandlungszeit mindestens 10 Minuten beträgt. Der Behandlungszeit ist keine besondere Beschränkung auferlegt, jedoch liegt sie im Hinblick auf die Kosteneffizienz innerhalb von 50 Stunden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Durchführen der vorstehend erwähnten Wärmevorbehandlung und Wärmenachbehandlung zusammen besonders bevorzugt, da es die erwünschte Regulierung der Nebenachsenlänge der faserförmigen Kristallkörner, der mittleren Größe der Unterkörner und der Größe von feinen Fällungsprodukten und auch das gleichförmige Dispergieren von feinen Fällungsprodukten und die Regulierung der Fällungsmenge davon ermöglicht.
Das gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Legierungsmaterial auf Cu-Basis besteht vorzugsweise aus einer Legierung mit einer Zusammensetzung der allgemeinen Formel Cu_Ausgl.X_a (wobei X mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cr, Zr, Fe, P und Ag, darstellt; a 1,5 Gew.-% oder weniger bedeutet und der Ausgleich aus Cu, das unvermeidbare Verunreinigungen umfasst, besteht). X stellt mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cr, Zr, Fe, P und Ag, dar, und wenn diese Elemente in einer Menge von 1,5 Gew.-% oder weniger zugesetzt werden, können feine Fällungsprodukte gefällt werden, wobei diese Fällungsprodukte zur Erhöhung der Wärmebehandlung und Streckspannung bei hoher Temperatur beitragen, was die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist. Der oberen Grenze ist keine besondere Beschränkung auferlegt, jedoch ist es im Hinblick auf die Gewährleistung der Fällung von feinen Fällungsprodukten bevorzugt, dass der vorstehend genannte Gehalt 0,01 Gew.-% oder mehr beträgt.
Spezifische Beispiele für besonders bevorzugte Legierungszusammensetzungen schließen Cu- (nicht mehr als 1,5%) Cr, Cu – (nicht mehr als 0,2%) Zr, Cu – (nicht mehr als 1,3%) Cr – (nicht mehr als 0,2%) Zr, Cu – (nicht mehr als 1,0%) Fe – (nicht mehr als 0,2%) P und Cu – (nicht mehr als 0,5%) Ag ein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt bei einer effektiven Struktur des Elektrodenmaterials die Nebenachsenlänge von nicht-gleichaxialen, faserförmigen Kristallkörnern mit einem Seitenverhältnis von 1,5 oder mehr 10 μm oder weniger, die mittlere Größe der Unterkörner der Unterstruktur 3 μm oder weniger und die Größe von feinen Fällungsprodukten (Größe der dispergierten Teilchen) 50 nm oder weniger. Die Herstellung einer solchen Struktur ermöglicht den Erhalt einer Streckspannung bei hoher Temperatur bei einer Temperatur von 500°C, 600°C von 200 MPa oder höher und einer elektrischen Leitfähigkeit (IACS) von 90% oder höher. Weiterhin ermöglicht der Erhalt einer Struktur, in welcher die Nebenachsenlänge der faserförmigen Kristallkörner 10 μm oder weniger, die mittlere Größe der Unterkörner der Unterstruktur 1 μm oder weniger und die Größe von feinen Fällungsprodukten (Größe der dispergierten Teilchen) 25 nm oder weniger beträgt, den Erhalt einer Streckspannung bei hoher Temperatur bei einer Temperatur von 500°C, 600°C von 250 MPa oder höher und einer elektrischen Leitfähigkeit (IACS) von 90% oder höher.
Weiterhin ist der dispergierte Zustand der feinen Fällungsprodukte, der zur Verbesserung der Wärmefestigkeit beiträgt, durch einen mittleren Abstand zwischen den Teilchen von 200 nm oder weniger, vorzugsweise 100 nm oder weniger dargestellt. Das Dispergieren der Teilchen mit einem Durchmesser von nicht mehr als 50 nm mit dem vorstehend genannten Abstand ermöglicht die Unterdrückung der Verminderung der Härte, nachdem sie mehrere Stunden bei einer Temperatur von 600°C gehalten wurden. Ferner schließen spezifische Beispiele für feine Fällungsprodukte, die gemäß der vorliegenden Erfindung gefällt werden, Cr, ein Cu-Zr-System wie Cu₃Zr und Cu₉Zr₂, Fe, Cu₃P und Ag ein.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend detaillierter auf der Basis von Beispielen der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispielen beschrieben, es muss jedoch betont werden, dass die vorliegende Erfindung auf die nachstehend beschriebenen Beispiele nicht beschränkt ist.
Beispiel 1
Elektrisches Kupfer und Metalle wurden in Argonatmosphäre in einem Hochleistungsschmelzofen geschmolzen und in eine Grafitgussform gegossen, um Gussblöcke mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Länge von 300 mm zu erhalten. Die Zusammensetzung von jedem der erhaltenen Gussblöcke ist in Tabelle 1 dargestellt. Die Gussblöcke wurden für eine Dauer von 2 Stunden bei einer Temperatur von 1000°C einer Lösungsbehandlung unterzogen, und eine in Tabelle 2 dargestellte Wärmebehandlung (Wärmevorbehandlung) wurde durchgeführt. Nach der Wärmevorbehandlung wurde jedes Material in die in 1 dargestellte Extrusionsformapparatur eingebracht und unter in Tab. 3 dargestellten Bedingungen direkt extrudiert. Nach der direkten Extrusionsbehandlung wurden die Materialien unter den in Tabelle 4 dargestellten Bedingungen einer Wärmebehandlung (Wärmenachbehandlung) unterzogen, und es wurden endbehandelte Materialien erhalten.
Tabelle 1 Zusammensetzungen von Elektrodenmaterialien
Tabelle 2 Wärmebehandlungsbedingungen
Tabelle 3 Extrusionsbedingungen
Tabelle 4 Endbehandlungsbedingungen
2 veranschaulicht die Mikrostrukturfotografien des Materials vor der Wärmevorbehandlung durch EBSP und 3 zeigt die Mikrostrukturfotografien des endbehandelten Materials durch EBSP und TEM. Die Kristallkorngröße vor der direkten Extrusion betrug 50–100 μm, jedoch erfolgte die Verfeinerung so, dass die faserförmigen Kristallkörner im endbehandelten Material ein Seitenverhältnis von 1,5 oder mehr aufwiesen und nicht-gleichaxial waren, die Nebenachsenlänge der faserförmigen Kristallkörner 10 μm oder weniger betrug, die mittlere Unterkorngröße der Unterstruktur 3 μm oder weniger betrug und die Größe von feinen Fällungsprodukten (Größe der dispergierten Teilchen) 50 nm oder weniger betrug. Weiterhin betrug der Abstand zwischen den Teilchen 200 nm oder weniger, und die feinen Teilchen waren in der Struktur gleichförmig und fein verteilt.
Die Ergebnisse, die beim Messen der Streckspannung des endbehandelten Materials bei einer Temperatur von 600°C erhalten wurden, und dessen elektrische Leitfähigkeit (%IACS) bei Raumtemperatur sind in den Tabellen 5-1 bis 5-5 dargestellt. Der Vergleich der Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung und der herkömmlichen Materialien (Vergleichsmaterialien) zeigt, dass die Streckspannung bei einer Temperatur von 600°C auf 200 MPa oder höher anstieg und die elektrische Leitfähigkeit (%IACS) auf 90% oder höher anstieg.
Die Streckspannung bei einer Temperatur von 600°C wurde in einem Druckversuch unter Verwendung einer Probe mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Höhe von 9 mm gemessen. Weiterhin wurde die elektrische Leitfähigkeit durch Spiegelpolieren der Oberfläche des endbehandelten Materials, Inkontaktbringen der Messsonde einer digitalen Messapparatur für elektrische Leitfähigkeit (Autosigma 3000) mit der Probenoberfläche und Erhalten der numerischen Messergebnisse gemessen.
<Bewertung der Elektrodenhaltbarkeit>
Zum Bewerten der Elektrodenhaltbarkeit wurde eine Elektrode mit einem Spitzendurchmesser von 6 mm (40 R) geformt und ein granuliertes, mattes Endmaterial, das aus einer Al-Mg-Legierungslage mit einer Dicke von 1 mm erhalten wurde, nach Abbeizen und Auftragen eines handelsüblichen niederviskosen Mineralöls als Schweißgrundmaterial verwendet. Eine einphasige, stationäre AC-Punktschweißapparatur wurde verwendet, und ein Punktschweißversuch unter Kühlen der Elektrode mit Wasser wurde durchgeführt. Der Schweißstrom betrug 26 kA, die Stromdurchgangszeit bestand aus 4 Zyklen, die Druckkraft betrug 400 kgf. Die Schweißbedingungen entsprachen WES7302 und waren so, dass ein Nugget mit einem Durchmesser von 5 mm erhalten wurde. Die kontinuierliche Schweißgeschwindigkeit betrug 1 Punkt/2 Sek. Die Elektrodenhaltbarkeit wurde durch die Anzahl an Schweißpunkten, bei welchen der Nuggetdurchmesser (ein Wert, der durch Addieren einer Hauptachse und einer Nebenachse und Dividieren durch 2 erhalten wurde) als weniger als 5 mm befunden wurde, durch Bloßlegen der Schweißzone bewertet. Die Elektrodenhaltbarkeit wurde mit den folgenden Bewertungskriterien bewertet.
(Bewertungskriterien für die Elektrodenhaltbarkeit)

O: Die Anzahl an kontinuierlichen Schweißpunkten beträgt 1000 oder mehr;
X: Die Anzahl an kontinuierlichen Schweißpunkten beträgt weniger als 1000.

<Bewertung der Verschmelzungsfestigkeit>
Die Verschmelzungsfestigkeit wurde durch das folgende Verfahren bewertet. Als das Elektrodenmaterial und das geschweißte Material im Bewertungsversuch für die Elektrodenhaltbarkeit aneinander hafteten wurde die Kraft, die zum Trennen des Schweißmaterials in einer Zugversuchsapparatur erforderlich war, gemessen und es wurde eine „Verschmelzung" vorausgesetzt, wenn diese Kraft 10 kgf überstieg. Weiterhin wurde die Anzahl an Schweißpunkten bis zum Erreichen des Verschmelungszustands als die Anzahl an Schweißpunkten zur Verschmelzung und die mittlere Anzahl der Anzahl an Schweißpunkten zur Verschmelzung als „die mittlere Anzahl an Schmelzpunkten bis zur Verschmelzung" bezeichnet und als Indikator der Häufigkeit des Erfolgens von Verschmelzung betrachtet. Eine hohe mittlere Anzahl an Schweißpunkten zur Verschmelzung bedeutet eine hohe Verschmelzungsfestigkeit. Die Verschmelzungsfestigkeit wurde gemäß den folgenden Bewertungskriterien bewertet.
(Bewertungskriterien für die Verschmelzungsfestigkeit)

O: Die mittlere Anzahl an Schweißpunkten zur Verschmelzung beträgt 500 oder mehr;
Δ: Die mittlere Anzahl an Schweißpunkten zur Verschmelzung beträgt 100 bis 499;
X: Die mittlere Anzahl an Schweißpunkten zur Verschmelzung beträgt weniger als 100.

<Gesamtbewertung>
Die Ergebnisse der zusammengefassten Bewertung der Fähigkeit zum kontinuierlichen Schweißen (Elektrodenhaltbarkeit) und der Verschmelzungsfestigkeit wurden insgesamt gemäß den folgenden Kriterien bewertet, und die Ergebnisse sind in der untersten Zeile der Tabellen 5-1 bis 5-5 dargestellt.
(Gesamtbewertungskriterien)

⌾: O in der Bewertung sowohl für die Fähigkeit zum kontinuierlichen Schweißen als auch Verschmelzungsfestigkeit;
O: O oder Δ in der Bewertung für die Fähigkeit zum kontinuierlichen Schweißen oder Verschmelzungsfestigkeit;
X: Die Fähigkeit zum kontinuierlichen Schweißen und Verschmelzungsfestigkeit schließt X ein.

Tabelle 5-1 (Aluminiumlage: Nr. 1)
Tabelle 5-2 (Aluminiumlage: Nr. 2)
Tabelle 5-3 (Aluminiumlage: Nr. 3)
Tabelle 5-4 (Aluminiumlage: Nr. 4)
Tabelle 5-5 (Aluminiumlage: Nr. 5)
Tabelle 5-6 (Aluminiumlage: Nr. 6)
Tabelle 5-7 (Aluminiumlage: Nr. 7)
Tabelle 5-8 (Aluminiumlage: Nr. 8)
Tabelle 5-9 (Aluminiumlage: Nr. 9)
In den Materialien Nr. 6, 9, 15, 17, 18, 20, 21, 23, 24, 29, 30, 32, 33, 36, 42, 44, 45, 47–50, 53, 56, 58, 59, 61, 62, 65–68, 70, 71, 73 und 74 gemäß der vorliegenden Erfindung war die elektrische Leitfähigkeit (%IACS) gering (ebenso war die Wärmeleitfähigkeit gering; diese Ergebnisse sind in der Tabelle nicht dargestellt). Deshalb war die Joule-Wärme groß, die Wärmeleitfähigkeit gering, wurden die Elektrodenmaterialien leicht mit dem Material, das geschweißt wurde, legiert und betrug die Anzahl an Schweißpunkten zur Verschmelzung weniger als 500.
Im Vergleichsmaterial Nr. 1 war die Menge an Cr in Form einer Feststofflösung groß und die elektrische Leitfähigkeit (%IACS) zu gering (ebenso war die Wärmeleitfähigkeit zu gering; diese Ergebnisse sind in der Tabelle nicht dargestellt). Deshalb war die Joule-Wärme sehr groß, die Kühleffizienz schlecht, die Temperatur des Elektrodenmaterials erhöht und die Streckspannung bei hoher Temperatur deutlich vermindert. Weiterhin war, da die Kristallkorngröße so groß wie mehrere zehn Mikron betrug, die Zyklusermüdungsfestigkeit gering. Aus den folgenden Gründen vergrößerte sich der Durchmesser der Elektrodenspitze bei einer kleinen Anzahl an Schweißzyklen und die Schweißstromdichte fiel ab, was zu einer schlechten Fähigkeit zum kontinuierlichen Schweißen führte. Wegen der Verschmelzungsfestigkeit aufgrund der zu geringen elektrischen Leitfähigkeit (%IACS) (ebenso war die Wärmeleitfähigkeit zu gering; diese Ergebnisse sind in der Tabelle nicht dargestellt) legierte das Elektrodenmaterial leicht mit dem Material, das geschweißt wurde, und die mittlere Anzahl an Schweißpunkten zur Verschmelzung war niedrig.
Im Vergleichsmaterial Nr. 2 war aufgrund der geringen Streckspannung bei hoher Temperatur die Fähigkeit zum kontinuierlichen Schweißen schlecht. Wegen der Verschmelzungsfestigkeit aufgrund der zu geringen elektrischen Leitfähigkeit (%IACS) (ebenso war, die Wärmeleitfähigkeit zu gering; diese Ergebnisse sind in der Tabelle nicht dargestellt) erfolgte leicht eine Verschmelzung.
Die vorstehend beschriebenen Ergebnisse zeigen, dass die Materialien, die eine hohe Streckspannung bei hoher Temperatur, eine hohe Wärmefestigkeit, eine hohe elektrische Leitfähigkeit (%IACS) und auch die Bildung von faserförmigen Kristallkörnen, eine Verfeinerung von Unterkörnern der Unterstruktur und feine Teilchenfällungsprodukte aufwiesen, ausgezeichnete Schweißeigenschaften aufwiesen.
Beispiel 2
Ein Gussblock, zusammengesetzt aus Cu – 0,84% Cr – 0,03% Zr wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 erhalten. Der erhaltene Gussblock wurde für eine Dauer von 2 Stunden bei einer Temperatur von 1000°C lösungsbehandelt und für eine Dauer von 2 Stunden bei einer Temperatur von 600°C einer Wärmevorbehandlung unterzogen. Nach der Wärmevorbehandlung wurden die Streckspannung bei einer Temperatur von 600°C und die elektrische Leitfähigkeit gemessen. Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten: Streckspannung 173 MPa und elektrische Leitfähigkeit 83%. Dann wurde das Material in einen in 1 dargestellten Behälter eingebracht, und es wurde eine direkte Extrusion bei einer Temperatur von 500°C und mit einem Extrusionsverhältnis von 7 durchgeführt. Nach der direkten Extrusion wurden die Streckspannung bei einer Temperatur von 600°C und die elektrische Leitfähigkeit gemessen. Als Ergebnis dieser Messungen wurden eine Streckspannung von 225 MPa und eine elektrische Leitfähigkeit von 92% erhalten. Dann wurde für eine Dauer von 8 Stunden bei einer Temperatur von 500°C eine Wärmebehandlung durchgeführt und das endbehandelte Material erhalten. Die Streckspannung des endbehandelten Materials betrug 211 MPa, die elektrische Leitfähigkeit 95%, die Nebenachsenlänge der faserförmigen Körner 10 um oder weniger, die mittlere Unterkorngröße der Unterstruktur 1 μm oder weniger, die Teilchengröße der feinen Fällungsprodukte 5–40 nm und der Abstand zwischen den Teilchen 100 nm oder weniger.
Beispiel 3
Ein mit demjenigen von Beispiel 1 identisches Elektrodenmaterial wurde verwendet, eine durch Heißtauchen zinkbeschichtete Stahllage (die mittlere Menge an abgeschiedenem Material betrug 60 g/m²) mit einer Lagendicke von 0,8 mm wurde eingesetzt, und ein Punktschweißversuch mit einer einphasigen, stationären AC-Schweißpunktapparatur wurde unter Kühlen der Elektrode mit Wasser durchgeführt. Der Schweißstrom betrug 8,3 kA, die Stromdurchgangszeit 10 Zyklen (50 Hz), die Druckkraft 200 kgf. Die Schweißbedingungen waren so, dass ein Nugget mit einem Durchmesser von 5 mm erhalten wurde. Die kontinuierliche Schweißgeschwindigkeit betrug 1 Schweißpunkt/1 Sek. Die Elektrodenhaltbarkeit und Schmelzfestigkeit wurden durch dieselben Verfahren und gemäß denselben Kriterien wie in Beispiel 1 bewertet. Die Gesamtbewertung wurde ebenso gemäß denselben Kriterien wie in Beispiel 1 durchgeführt. Die Ergebnisse der Gesamtbewertung sind in den Tabellen 6-1 bis 6-5 dargestellt.
Tabelle 6-1 (zinkbeschichtete Stahllage: Nr. 1)
Tabelle 6-2 (zinkbeschichtete Stahllage: Nr. 2)
Tabelle 6-3 (zinkbeschichtete Stahllage: Nr. 3)
Tabelle 6-4 (zinkbeschichtete Stahllage: Nr. 4)
Tabelle 6-5 (zinkbeschichtete Stahllage: Nr. 5)
Tabelle 6-6 (zinkbeschichtete Stahllage: Nr. 6)
Tabelle 6-7 (zinkbeschichtete Stahllage: Nr. 7)
Tabelle 6-8 (zinkbeschichtete Stahllage: Nr. 8
Tabelle 6-9 (zinkbeschichtete Stahllage: Nr. 9)
In den Materialien Nr. 15, 18, 20, 21, 23, 30, 36, 42, 45, 47, 48, 50, 59, 65, 67, 68, 71, 73 und 74 gemäß der vorliegenden Erfindung war die elektrische Leitfähigkeit (%IACS) gering (ebenso war die Wärmeleitfähigkeit gering; diese Ergebnisse sind in der Tabelle nicht dargestellt). Deshalb war die Joule-Wärme groß, die Wärmeleitfähigkeit gering, wurden die Elektrodenmaterialien leicht mit dem geschweißten Material legiert und betrug die mittlere Anzahl an Schweißpunkten zur Verschmelzung 500. In den Vergleichsmaterialien Nr. 1 und 2 waren die Fähigkeit zum kontinuierlichen Schweißen und die Verschmelzungsfestigkeit aus denselben Gründen wie in Beispiel 1 schlecht.
Die vorstehend beschriebenen Ergebnisse zeigen, dass die Materialien, die eine hohe Streckspannung bei hoher Temperatur, eine hohe Wärmefestigkeit, eine hohe elektrische Leitfähigkeit (%IACS) aufwiesen und die faserförmige Kristallkörner mit einer aus verfeinerten Unterkörnern zusammengesetzten Unterstruktur umfassten und feine Teilchenfällungsprodukte enthielten, ausgezeichnete Schweißeigenschaften aufwiesen.
Mit dem Elektrodenmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung und einem Verfahren zu dessen Herstellung kann ein Elektrodenmaterial bereitgestellt werden, in welchem mechanische Eigenschaften, Wärmefestigkeit, Streckspannung bei hoher Temperatur und die Fähigkeit zum kontinuierlichen Schweißen (Elektrodenhaltbarkeit) des Elektrodenmaterials durch Bilden von faserförmigen Kristallkörnern einer Unterstruktur, die aus feinen Unterkörnern besteht und Bewirken einer feinen Fällung von Teilchen, die Atome mit einer geringen Diffusionsgeschwindigkeit umfassen, verbessert werden können. Ferner kann durch Verbessern der Fällung von Fällungsprodukten die elektrische Leitfähigkeit erhöht, das Legieren des Elektrodenmaterials mit dem zu schweißenden Material unterdrückt und die Anzahl an Schweißpunkten zur Verschmelzung (Verschmelzungsfestigkeit) erhöht werden. Weiterhin kann ein Elektrodenmaterial mit ausgezeichneten Eigenschaften hergestellt werden.

Claims

Elektrodenmaterial mit einer Zusammensetzung der allgemeinen Formel Cu_Ausgl.X_a, wobei X mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cr, Zr, Fe, P und Ag, darstellt; "a" 1,5 Gew.-% oder weniger bedeutet und der Ausgleich aus Cu, das unvermeidbare Verunreinigungen umfasst, besteht, wobei das Elektrodenmaterial eine Struktur aufweist, in welcher feine Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 50 nm oder weniger zu einer Struktur gefällt wurden, die aus faserförmigen Kristallkörnern mit einer Nebenachsenlänge von 10 μm oder weniger zusammengesetzt ist, die aus Unterkörnern mit einer mittleren Teilchengröße von 3 μm oder weniger zusammengesetzt sind.
Elektrodenmaterial nach Anspruch 1, wobei der Fällungsdispersionszustand der feinen Teilchen so ist, dass der mittlere Abstand zwischen den Teilchen 200 nm oder weniger beträgt.
Elektrodenmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei den feinen Teilchen um mindestens einen Typ, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cr, Cu₃Zr, Cu₉Zr₂, Fe, Cu₃P und Ag, handelt.
Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials, wobei ein Legierungsmaterial auf Cu-Basis mit einem Extrusionsverhältnis von 4 oder höher und bei einer Temperatur von 300 bis 600°C extrudiert wird, wobei das Legierungsmaterial auf Cu-Basis eine Zusammensetzung der allgemeinen Formel Cu_Ausgl.X_a aufweist, wobei X mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cr, Zr, Fe, P und Ag, darstellt; "a" 1,5 Gew.-% oder weniger bedeutet und der Ausgleich aus Cu, das unvermeidbare Verunreinigungen umfasst, besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials nach Anspruch 4, wobei das Legierungsmaterial bei Durchführung der Extrusion im Voraus einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 350 bis 700°C unterzogen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials nach Anspruch 4 oder 5, wobei eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 350 bis 700°C nach der Extrusion durchgeführt wird.