充電樁對銅合金材料需求分析高性能銅合金材料研究及應用

2021-01-08 東方財富網

SMM9月18日，今日，在SMM舉辦的2020(第二屆)中國工博會新材料論壇-中國汽車新材料應用高峰論壇，暨中國(第八屆)鋁加工產業鏈供需交易峰會、暨中國(第二屆)銅加工產業鏈供需交易峰會上，來自有研工程技術研究院有限公司(北京有色金屬研究總院)先進銅合金材料製備加工技術研究所的高級工程師彭麗軍圍繞「充電樁大電流連接器用銅合金材料研究及應用」這一主題展開了演講，主要從充電樁對銅合金材料的需求、高性能銅合金材料研究以及產業化研究與應用這三個方面展開。

充電樁對銅合金材料的需求

根據國務院發布的《「十三五」國家戰略性新興產業發展規劃》，新能源汽車的應用比例將大幅提升，《中國製造2025》重大戰略中，將「節能與新能源汽車」列為十大重點研發領域。

2015年，國家發展和改革委員會頒布《電動汽車充電基礎設施發展指南(2015-2020年)》(以下簡稱指南)，明確了500萬輛新能源汽車產銷量的市場目標。

國家發改委等四部委《電動汽車充電基礎設施發展指南(2015-2020年)，2020年新建充電站約12,000個，充電樁480萬個，以滿足500萬輛新能源汽車的充電需求。充電站的主要電力設備為電力電纜及變壓器，此外還包括斷路器、熔斷器，各種開關、接插件等；充電樁的主要用銅部件包括充電電纜、充電機模塊、接插件及各種開關等。預計新能源汽車配套充電基礎設施部分可帶來約為十萬噸左右的銅需求量。

Cu-Cr系合金是大功率連接器、接插件和電力轉換等元器件的理想材料，現已成為高性能銅合金研究領域的焦點。

高性能銅合金材料研究及應用

存在的問題：

缺少自主研發的合金牌號及產品

生產關鍵技術尚未完全突破，產品性能的穩定性較差

合金元素對銅鉻合金組織性能影響規律的研究

四種合金元素對Cu-Cr合金硬度影響影響程度依次為Zr>Sn≈Ag≈Mg

四種合金元素對Cu-Cr系合金的電導率的影響程度依次為Sn>Zr>Mg>Ag

合金元素對Cu-Cr系合金軟化性能影響規律的影響

軟化溫度：Cu-Cr-Zr>Cu-Cr-Sn≈Cu-Cr-Ag≈Cu-Cr-Mg>Cu-Cr。

Cu-Cr-Zr合金的軟化溫度600~650； Cu-Cr-Mg/Sn/Ag合金的軟化溫度分別為550~600。

合金元素Mg元素對能提高合金的耐熱性能，但稍遜於Zr元素

Cu-Cr合金與Cu-Cr-Mg合金

在峰時效狀態下，兩種合金的基體均有位錯胞形成；

550退火，Cu-Cr合金中已發生再結晶，並伴隨著退火孿晶形成；而Cu-Cr-Mg合金中僅形成亞晶；

700退火，Cu-Cr合金再晶粒長大，Cu-Cr-Mg合金晶粒小於其Cu-Cr合金。

550退火，兩合金中的析出相形貌仍為莫奈爾條紋狀與豆瓣狀，且豆瓣狀析出相沿基體<100>Cu方向分布，莫奈爾條紋狀析出相沿<110> Cu方向分布；

700退火，析出相長大，呈近球形，密度減小。析出相釘扎位錯，形成位錯環；

700退火，Cu-Cr-Mg合金析出相尺寸更小，是因為Mg元素阻礙析出相長大。

在合金軟化過程中(退火溫度逐漸升高的過程)，Cu元素在析出相中的原子百分含量從峰時效態的71.63%降低到0.08%(↓)；Mg元素由1.03%降低到0.08% (↓) ；而Cr含量由27.34%升高至99.84% ( ↑ ) ；說明Cu元素與Mg元素在軟化過程中會由析出相擴散到基體；

Mg元素既不溶於Cr，也不與其反應生成新的析出相，且Mg在Cu中擴散係數小於在Cr中擴散係數，因此在短時間內無法擴散至Cu基體，從而造成Mg原子在析出相-基體界面富集。

Cu-Cr系合金應力鬆弛行為的研究

可看出兩合金的應力變化趨勢相似。 在應力鬆弛開始至10h，應力隨時間迅速下降，10h後下降趨勢減緩並逐漸趨於穩定。

可看出Cu-Cr-Mg應力鬆弛率小於Cu-Cr合金，說明Mg元素顯著提高了Cu-Cr合金抗應力鬆弛性能。

應力鬆弛行為對溫度非常敏感，溫度的升高可以加快應力鬆弛速率。

產業化研究與應用

系統研究Zr、Ag、Mg、Sn等合金元素對Cu-Cr合金的性能的影響規律，明確了Cu-Cr-Zr系合金的耐高溫和抗應力鬆弛機理。

對不同Cr、Zr含量的Cu-Cr-Zr系合金性能進行函數擬合，獲得合金特定條件下極限強度和最大電導率的經驗公式，已用於指導實際生產。

在Cu-Cr-Zr三元合金的基礎添加Ag、Mg等合金元素，進一步提升合金材料耐高溫穩定性，建立起高強高導耐高溫銅合金帶材材料的成分設計準則，開發出滿足不同應用領域需求的系列化銅合金材料。

獲得了具有自主智慧財產權Cu-Cr-Zr系合金。

生產關鍵技術1:大氣環境下高質量大規格鑄錠成型控制技術

基於熱力學計算，Cr、Zr元素易與氧氣和爐體材料反應，選擇合適的爐襯材料；構造密封的氣氛保護系統，防止Zr元素燒損；研究熔鑄工藝及澆管和流槽結構優化對熔體質量及成分均勻穩定性的影響規律，指導高質量鑄錠的產業化生產。

生產關鍵技術2:高精度帶材表面質量高效一體化控制技術

固溶處理是銅鉻系合金實現綜合性能提升的重要熱處理。充分利用高溫在線固溶處理後帶材餘熱，採用混合液對帶材進行表面光亮化處理，有效解決帶材高溫固溶處理及其後續的表面光亮化技術瓶頸。

生產關鍵技術3:銅鉻鋯合金的強度與折彎成型性能調控技術

開展合金成型過程中的變形量和熱處理溫度工藝對合金織構種類的精確控制方面的研究，實現材料同時擁有較高強度和優良的折彎成型性能。

（文章來源：SMM）

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