純銅抗軟化性能研究

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。

1 抗軟化性能研究

1.1 微合金化提升純銅抗軟化性能的研究

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。

1.2 加工率對(duì)提升純銅抗軟化性能的試驗(yàn)

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。

2 結(jié)論

（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。