纯铜抗软化性能研究
2021-01-04朱明益郭晓辉
朱明益，郭晓辉
（中铝洛阳铜加工有限公司，河南 洛阳 471039）
纯铜具有良好的导热、导电性能，同时具有良好的冷、热加工性能，应用于新能源汽车电池极板、叠层母排、IGBT模块等有无氧铜（TU1、C10200）、韧铜（C1100）等纯铜，但具有优良电、热性能的同时，其力学性能相对其他铜合金而言，强度、硬度偏低；而且纯铜软化温度低，导致抗软化性能较差。
图1 TU1的硬度与退火温度（保温1小时关系），材料厚度1mm晶粒大小：——0.015mm；----0.040mm
如图1，当温度高于200℃时，纯铜开始出现一定的软化，处于回复阶段，材料的内部具有一定消除应力效果，而当温度达到220℃~240℃时，软化加剧，处于部分再结晶阶段，随时间延长或热处理温度增加，材料达到完全再结晶，表现在材料的强度、硬度下降，延伸性能增加。
某新能源汽车客户，需求IGBT模块用纯铜，主要利用纯铜良好的导热性，作为芯片散热使用，要求材料具有一定导电率，同时要求材料在250℃~280℃的焊接环境下处理10min后，其材料的硬度在HV90以上，为此，笔者通过对纯铜微量元素添加及加工性能研究，在保证纯铜具有一定导电率的同时具有较为优良的抗软化性能。
1 抗软化性能研究
1.1 微合金化提升纯铜抗软化性能的研究
为改善纯铜性能，通常采用添加某些微量元素或在铜中保留一定脱氧剂的方法，各种元素或杂质对铜导电性能影响如下图2。
图2 各种元素对铜导电率、电导率的影响
在一定范围内，随着添加元素的量增加，纯铜的软化温度升高，但生成氧化物的杂质，对铜的软化温度没有明显影响，纯铜的软化温度增值，也不是单个元素影响的算术和，而只是比具有最大影响元素所提高的软化温度略高。因此，选择添加合适的微量元素及添加量是本方案研究的重中之重。
为此，笔者选择试验纯铜牌号为C1100，通过添加微量的合金元素Ag，添加量为0.005%~0.20%，其他成分参照C1100，试验两批次，规格为3.0mm、4.0mm，通过热加工得到14mm厚坯料，直接冷轧至3.0/4.0mm厚度，然后进行不同温度下处理，检测材料力学性能及电性能参数如下表1。
表1 微合金化对纯铜的硬度影响
图3 材料硬度随热处理温度变化曲线
对两批次材料分别取样检测其高倍组织，试样经高倍制样并侵蚀后观察，试样均为α单相组织。两规格的试样通过不同温度热处理后其纤维组织基本一致，发生再结晶晶粒平均直径为0.015mm，四批试样显微组织见图4~6。
图4 250℃处理后组织高倍图 倍率：100X
图5 300℃处理后组织高倍图 倍率：100X
图6 350℃处理后组织高倍图 倍率：100X
从以上组织高倍可以看出，250℃热处理20min后，组织仍为加工组织，说明材料在该温度下未发生再结晶，处于回复阶段；当温度升到300℃时，材料内部存在部分组织开始发生再结晶，处于回复+再结晶阶段；当温度达到350℃时，材料已经完全再结晶，该温度下，材料软化，曲线如上曲线图显示。从试验来看，微合金化对于提升纯铜软化点有积极作用，试验材料将纯铜软化点在220℃提升至260℃以上，通过生产验证，材料的性能满足用户要求。
1.2 加工率对提升纯铜抗软化性能的试验
试验纯铜牌号为T2（具有98%IACS以上导电性能），采用两批次铜带，经完全再结晶处理后，选取不同加工率进行冷轧处理，分别检验其初始硬度，然后在250℃环境下保温20min，经空冷至40℃以下，检测硬度HV如下表：
表2 不同加工率对纯铜软化温度的影响
图7 不同功率对铜软化的效果对比
（1）材料硬度随加工率增加而增大。
（2）加工率在62%以上时，抗软化性能差，样品全部软化。
（3）加工率在45%以下，材料具有一定的抗软化性，软化后硬度在90以上。
2 结论
（1）笔者通过两种方式对纯铜的抗软化性能进行研究，并得到了预期效果。
（2）微合金化对提升纯铜抗软化性能效果明显，微量Ag的添加在纯铜中形成固溶，显著提升纯铜强度及抗软化性能，减少温度对材料的影响，同时Ag元素同样具有优良的导电、导热性能，因此Ag的添加对纯铜的导电导热性能提升是有益的。
（3）成品热处理前的冷加工率对纯铜的软化温度有一定的影响。较大的冷加工率，晶粒破碎较重，晶粒细小，这样晶粒之间的结合能较小，形核过程需要的能量较低，因此相对较低的温度导致材料热处理过程迅速软化；而当加工率较小时，晶粒破碎较轻，晶粒粗大，晶界之间的结合能较大；热处理形核需要的能量较多，导致软化温度相对较高。
（4）改变纯铜软化温度还有其他途径，就微合金化而言，微量P、Sn的添加均对提升纯铜抗软化性能有一定的作用，但该类元素的添加，在提升其抗软化性能的同时，不同程度的降低了材料的导电、导热性能，而如何通过不同元素的组合添加，以此降低对导热、导电性能的影响是未来材料发展的方向。
