純銅抗軟化性能研究

朱明益，郭曉輝

（中鋁洛陽銅加工有限公司，河南 洛陽 471039）

純銅具有良好的導熱、導電性能，同時具有良好的冷、熱加工性能，應用于新能源汽車電池極板、疊層母排、IGBT模塊等有無氧銅（TU1、C10200）、韌銅（C1100）等純銅，但具有優良電、熱性能的同時，其力學性能相對其他銅合金而言，強度、硬度偏低；而且純銅軟化溫度低，導致抗軟化性能較差。

圖1 TU1的硬度與退火溫度（保溫1小時關系），材料厚度1mm晶粒大?。骸?.015mm；----0.040mm

如圖1，當溫度高于200℃時，純銅開始出現一定的軟化，處于回復階段，材料的內部具有一定消除應力效果，而當溫度達到220℃~240℃時，軟化加劇，處于部分再結晶階段，隨時間延長或熱處理溫度增加，材料達到完全再結晶，表現在材料的強度、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熱性，作為芯片散熱使用，要求材料具有一定導電率，同時要求材料在250℃~280℃的焊接環境下處理10min后，其材料的硬度在HV90以上，為此，筆者通過對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電率的同時具有較為優良的抗軟化性能。

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，各種元素或雜質對銅導電性能影響如下圖2。

圖2 各種元素對銅導電率、電導率的影響

在一定范圍內，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，對銅的軟化溫度沒有明顯影響，純銅的軟化溫度增值，也不是單個元素影響的算術和，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，筆者選擇試驗純銅牌號為C1100，通過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，試驗兩批次，規格為3.0mm、4.0mm，通過熱加工得到14mm厚坯料，直接冷軋至3.0/4.0mm厚度，然后進行不同溫度下處理，檢測材料力學性能及電性能參數如下表1。

表1 微合金化對純銅的硬度影響

圖3 材料硬度隨熱處理溫度變化曲線

對兩批次材料分別取樣檢測其高倍組織，試樣經高倍制樣并侵蝕后觀察，試樣均為α單相組織。兩規格的試樣通過不同溫度熱處理后其纖維組織基本一致，發生再結晶晶粒平均直徑為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，說明材料在該溫度下未發生再結晶，處于回復階段；當溫度升到300℃時，材料內部存在部分組織開始發生再結晶，處于回復+再結晶階段；當溫度達到350℃時，材料已經完全再結晶，該溫度下，材料軟化，曲線如上曲線圖顯示。從試驗來看，微合金化對于提升純銅軟化點有積極作用，試驗材料將純銅軟化點在220℃提升至260℃以上，通過生產驗證，材料的性能滿足用戶要求。

1.2 加工率對提升純銅抗軟化性能的試驗

試驗純銅牌號為T2（具有98%IACS以上導電性能），采用兩批次銅帶，經完全再結晶處理后，選取不同加工率進行冷軋處理，分別檢驗其初始硬度，然后在250℃環境下保溫20min，經空冷至40℃以下，檢測硬度HV如下表：

表2 不同加工率對純銅軟化溫度的影響

圖7 不同功率對銅軟化的效果對比

（1）材料硬度隨加工率增加而增大。

（2）加工率在62%以上時，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 結論

（1）筆者通過兩種方式對純銅的抗軟化性能進行研究，并得到了預期效果。

（2）微合金化對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，顯著提升純銅強度及抗軟化性能，減少溫度對材料的影響，同時Ag元素同樣具有優良的導電、導熱性能，因此Ag的添加對純銅的導電導熱性能提升是有益的。

（3）成品熱處理前的冷加工率對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，晶粒細小，這樣晶粒之間的結合能較小，形核過程需要的能量較低，因此相對較低的溫度導致材料熱處理過程迅速軟化；而當加工率較小時，晶粒破碎較輕，晶粒粗大，晶界之間的結合能較大；熱處理形核需要的能量較多，導致軟化溫度相對較高。

（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，不同程度的降低了材料的導電、導熱性能，而如何通過不同元素的組合添加，以此降低對導熱、導電性能的影響是未來材料發展的方向。