朱明益,郭曉輝
(中鋁洛陽(yáng)銅加工有限公司,河南 洛陽(yáng) 471039)
純銅具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能,同時(shí)具有良好的冷、熱加工性能,應(yīng)用于新能源汽車電池極板、疊層母排、IGBT模塊等有無(wú)氧銅(TU1、C10200)、韌銅(C1100)等純銅,但具有優(yōu)良電、熱性能的同時(shí),其力學(xué)性能相對(duì)其他銅合金而言,強(qiáng)度、硬度偏低;而且純銅軟化溫度低,導(dǎo)致抗軟化性能較差。
圖1 TU1的硬度與退火溫度(保溫1小時(shí)關(guān)系),材料厚度1mm晶粒大?。骸?.015mm;----0.040mm
如圖1,當(dāng)溫度高于200℃時(shí),純銅開始出現(xiàn)一定的軟化,處于回復(fù)階段,材料的內(nèi)部具有一定消除應(yīng)力效果,而當(dāng)溫度達(dá)到220℃~240℃時(shí),軟化加劇,處于部分再結(jié)晶階段,隨時(shí)間延長(zhǎng)或熱處理溫度增加,材料達(dá)到完全再結(jié)晶,表現(xiàn)在材料的強(qiáng)度、硬度下降,延伸性能增加。
某新能源汽車客戶,需求IGBT模塊用純銅,主要利用純銅良好的導(dǎo)熱性,作為芯片散熱使用,要求材料具有一定導(dǎo)電率,同時(shí)要求材料在250℃~280℃的焊接環(huán)境下處理10min后,其材料的硬度在HV90以上,為此,筆者通過(guò)對(duì)純銅微量元素添加及加工性能研究,在保證純銅具有一定導(dǎo)電率的同時(shí)具有較為優(yōu)良的抗軟化性能。
為改善純銅性能,通常采用添加某些微量元素或在銅中保留一定脫氧劑的方法,各種元素或雜質(zhì)對(duì)銅導(dǎo)電性能影響如下圖2。
圖2 各種元素對(duì)銅導(dǎo)電率、電導(dǎo)率的影響
在一定范圍內(nèi),隨著添加元素的量增加,純銅的軟化溫度升高,但生成氧化物的雜質(zhì),對(duì)銅的軟化溫度沒(méi)有明顯影響,純銅的軟化溫度增值,也不是單個(gè)元素影響的算術(shù)和,而只是比具有最大影響元素所提高的軟化溫度略高。因此,選擇添加合適的微量元素及添加量是本方案研究的重中之重。
為此,筆者選擇試驗(yàn)純銅牌號(hào)為C1100,通過(guò)添加微量的合金元素Ag,添加量為0.005%~0.20%,其他成分參照C1100,試驗(yàn)兩批次,規(guī)格為3.0mm、4.0mm,通過(guò)熱加工得到14mm厚坯料,直接冷軋至3.0/4.0mm厚度,然后進(jìn)行不同溫度下處理,檢測(cè)材料力學(xué)性能及電性能參數(shù)如下表1。
表1 微合金化對(duì)純銅的硬度影響
圖3 材料硬度隨熱處理溫度變化曲線
對(duì)兩批次材料分別取樣檢測(cè)其高倍組織,試樣經(jīng)高倍制樣并侵蝕后觀察,試樣均為α單相組織。兩規(guī)格的試樣通過(guò)不同溫度熱處理后其纖維組織基本一致,發(fā)生再結(jié)晶晶粒平均直徑為0.015mm,四批試樣顯微組織見圖4~6。
圖4 250℃處理后組織高倍圖 倍率:100X
圖5 300℃處理后組織高倍圖 倍率:100X
圖6 350℃處理后組織高倍圖 倍率:100X
從以上組織高倍可以看出,250℃熱處理20min后,組織仍為加工組織,說(shuō)明材料在該溫度下未發(fā)生再結(jié)晶,處于回復(fù)階段;當(dāng)溫度升到300℃時(shí),材料內(nèi)部存在部分組織開始發(fā)生再結(jié)晶,處于回復(fù)+再結(jié)晶階段;當(dāng)溫度達(dá)到350℃時(shí),材料已經(jīng)完全再結(jié)晶,該溫度下,材料軟化,曲線如上曲線圖顯示。從試驗(yàn)來(lái)看,微合金化對(duì)于提升純銅軟化點(diǎn)有積極作用,試驗(yàn)材料將純銅軟化點(diǎn)在220℃提升至260℃以上,通過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證,材料的性能滿足用戶要求。
試驗(yàn)純銅牌號(hào)為T2(具有98%IACS以上導(dǎo)電性能),采用兩批次銅帶,經(jīng)完全再結(jié)晶處理后,選取不同加工率進(jìn)行冷軋?zhí)幚?,分別檢驗(yàn)其初始硬度,然后在250℃環(huán)境下保溫20min,經(jīng)空冷至40℃以下,檢測(cè)硬度HV如下表:
表2 不同加工率對(duì)純銅軟化溫度的影響
圖7 不同功率對(duì)銅軟化的效果對(duì)比
(1)材料硬度隨加工率增加而增大。
(2)加工率在62%以上時(shí),抗軟化性能差,樣品全部軟化。
(3)加工率在45%以下,材料具有一定的抗軟化性,軟化后硬度在90以上。
(1)筆者通過(guò)兩種方式對(duì)純銅的抗軟化性能進(jìn)行研究,并得到了預(yù)期效果。
(2)微合金化對(duì)提升純銅抗軟化性能效果明顯,微量Ag的添加在純銅中形成固溶,顯著提升純銅強(qiáng)度及抗軟化性能,減少溫度對(duì)材料的影響,同時(shí)Ag元素同樣具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,因此Ag的添加對(duì)純銅的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能提升是有益的。
(3)成品熱處理前的冷加工率對(duì)純銅的軟化溫度有一定的影響。較大的冷加工率,晶粒破碎較重,晶粒細(xì)小,這樣晶粒之間的結(jié)合能較小,形核過(guò)程需要的能量較低,因此相對(duì)較低的溫度導(dǎo)致材料熱處理過(guò)程迅速軟化;而當(dāng)加工率較小時(shí),晶粒破碎較輕,晶粒粗大,晶界之間的結(jié)合能較大;熱處理形核需要的能量較多,導(dǎo)致軟化溫度相對(duì)較高。
(4)改變純銅軟化溫度還有其他途徑,就微合金化而言,微量P、Sn的添加均對(duì)提升純銅抗軟化性能有一定的作用,但該類元素的添加,在提升其抗軟化性能的同時(shí),不同程度的降低了材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,而如何通過(guò)不同元素的組合添加,以此降低對(duì)導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能的影響是未來(lái)材料發(fā)展的方向。