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2020第二届中国工博会新材料论坛专题报道

由SMM举办的2020(第二届)中国工博会新材料论坛暨中国汽车新材料应用高峰论坛与大家共议汽车材料解决方案,搭建优秀汽车全产业链交流协作平台,打造先进的新能源汽车产业集群。

2020第二届中国工博会新材料论坛专题报道

【汽车峰会】充电桩对铜合金材料需求分析 高性能铜合金材料研究及应用

来源:SMM

自有研工程技术研究院有限公司(北京有色金属研究总院)先进铜合金材料制备加工技术研究所的高级工程师彭丽军:充电站的主要电力设备为电力电缆及变压器,此外还包括断路器、熔断器,各种开关、接插件等;充电桩的主要用铜部件包括充电电缆、充电机模块、接插件及各种开关等。预计新能源汽车配套充电基础设施部分可带来约为十万吨左右的铜需求量。

SMM9月18日,今日,在SMM举办的2020(第二届)中国工博会新材料论坛-中国汽车新材料应用高峰论坛,暨中国(第八届)铝加工产业链供需交易峰会、暨中国(第二届)铜加工产业链供需交易峰会上,来自有研工程技术研究院有限公司(北京有色金属研究总院)先进铜合金材料制备加工技术研究所的高级工程师彭丽军围绕“充电桩大电流连接器用铜合金材料研究及应用”这一主题展开了演讲,主要从充电桩对铜合金材料的需求、高性能铜合金材料研究以及产业化研究与应用这三个方面展开。


充电桩对铜合金材料的需求

根据国务院发布的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》,新能源汽车的应用比例将大幅提升,《中国制造2025》重大战略中,将“节能与新能源汽车”列为十大重点研发领域。

2015年,国家发展和改革委员会颁布《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020年)》(以下简称指南),明确了500万辆新能源汽车产销量的市场目标。

国家发改委等四部委《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020年),2020年新建充电站约12,000个,充电桩480万个,以满足500万辆新能源汽车的充电需求。充电站的主要电力设备为电力电缆及变压器,此外还包括断路器、熔断器,各种开关、接插件等;充电桩的主要用铜部件包括充电电缆、充电机模块、接插件及各种开关等。预计新能源汽车配套充电基础设施部分可带来约为十万吨左右的铜需求量。

Cu-Cr系合金是大功率连接器、接插件和电力转换等元器件的理想材料,现已成为高性能铜合金研究领域的焦点。


高性能铜合金材料研究及应用

存在的问题:

缺少自主研发的合金牌号及产品

生产关键技术尚未完全突破,产品性能的稳定性较差

合金元素对铜铬合金组织性能影响规律的研究

四种合金元素对Cu-Cr合金硬度影响影响程度依次为Zr>Sn≈Ag≈Mg

四种合金元素对Cu-Cr系合金的电导率的影响程度依次为Sn>Zr>Mg>Ag

合金元素对Cu-Cr系合金软化性能影响规律的影响

软化温度:Cu-Cr-Zr>Cu-Cr-Sn≈Cu-Cr-Ag≈Cu-Cr-Mg>Cu-Cr。

Cu-Cr-Zr合金的软化温度600℃~650℃; Cu-Cr-Mg/Sn/Ag合金的软化温度分别为550℃~600℃。

合金元素Mg元素对能提高合金的耐热性能,但稍逊于Zr元素

Cu-Cr合金与Cu-Cr-Mg合金

►在峰时效状态下,两种合金的基体均有位错胞形成;

550℃退火,Cu-Cr合金中已发生再结晶,并伴随着退火孪晶形成;而Cu-Cr-Mg合金中仅形成亚晶;

700℃退火,Cu-Cr合金再晶粒长大,Cu-Cr-Mg合金晶粒小于其Cu-Cr合金。

►550℃退火,两合金中的析出相形貌仍为莫奈尔条纹状与豆瓣状,且豆瓣状析出相沿基体<100>Cu方向分布,莫奈尔条纹状析出相沿<110> Cu方向分布;

700℃退火,析出相长大,呈近球形,密度减小。析出相钉扎位错,形成位错环;

700℃退火,Cu-Cr-Mg合金析出相尺寸更小,是因为Mg元素阻碍析出相长大。

►在合金软化过程中(退火温度逐渐升高的过程),Cu元素在析出相中的原子百分含量从峰时效态的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% ( ↑ ) ;说明Cu元素与Mg元素在软化过程中会由析出相扩散到基体;

Mg元素既不溶于Cr,也不与其反应生成新的析出相,且Mg在Cu中扩散系数小于在Cr中扩散系数,因此在短时间内无法扩散至Cu基体,从而造成Mg原子在析出相-基体界面富集。

Cu-Cr系合金应力松弛行为的研究

可看出两合金的应力变化趋势相似。 在应力松弛开始至10h,应力随时间迅速下降,10h后下降趋势减缓并逐渐趋于稳定。

可看出Cu-Cr-Mg应力松弛率小于Cu-Cr合金,说明Mg元素显著提高了Cu-Cr合金抗应力松弛性能。

应力松弛行为对温度非常敏感,温度的升高可以加快应力松弛速率。

产业化研究与应用

系统研究Zr、Ag、Mg、Sn等合金元素对Cu-Cr合金的性能的影响规律,明确了Cu-Cr-Zr系合金的耐高温和抗应力松弛机理。

对不同Cr、Zr含量的Cu-Cr-Zr系合金性能进行函数拟合,获得合金特定条件下极限强度和最大电导率的经验公式,已用于指导实际生产。

在Cu-Cr-Zr三元合金的基础添加Ag、Mg等合金元素,进一步提升合金材料耐高温稳定性,建立起高强高导耐高温铜合金带材材料的成分设计准则,开发出满足不同应用领域需求的系列化铜合金材料。

获得了具有自主知识产权Cu-Cr-Zr系合金。

生产关键技术1:大气环境下高质量大规格铸锭成型控制技术

基于热力学计算,Cr、Zr元素易与氧气和炉体材料反应,选择合适的炉衬材料;构造密封的气氛保护系统,防止Zr元素烧损;研究熔铸工艺及浇管和流槽结构优化对熔体质量及成分均匀稳定性的影响规律,指导高质量铸锭的产业化生产。

生产关键技术2:高精度带材表面质量高效一体化控制技术

固溶处理是铜铬系合金实现综合性能提升的重要热处理。充分利用高温在线固溶处理后带材余热,采用混合液对带材进行表面光亮化处理,有效解决带材高温固溶处理及其后续的表面光亮化技术瓶颈。

生产关键技术3:铜铬锆合金的强度与折弯成型性能调控技术

开展合金成型过程中的变形量和热处理温度工艺对合金织构种类的精确控制方面的研究,实现材料同时拥有较高强度和优良的折弯成型性能。


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