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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】博导分享:铜材产业发展现状、高性能铜合金应用、高导高弹铜合金研发干货

来源:SMM

中南大学材料科学与工程学院副教授/博士生导师肖柱在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(第二届)铜加工产业链供需交易峰会上,现场分享了汽车电子电气系统用铜合金的研发方面的干货。

SMM9月18日讯:今日,在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(第二届)铜加工产业链供需交易峰会上,中南大学材料科学与工程学院副教授/博士生导师肖柱现场分享了汽车电子电气系统用铜合金的研发方面的干货。

铜材产业发展现状

全球铜材年产量总体是递增的,1995年以后年产量迅速增加。铜是第二大有色金属,是国民经济和国家安全的基础材料。我国铜加工材年产量已达1816万吨。如何在保证铜的高导特性的前提下,大幅度提高其强度、耐磨、耐蚀等性能,优化其品质,降低其生产成本,是当代铜合金研究热点。

高性能铜合金的分类及应用

我国铜加工材约有250种合金,近千个产品品种,是世界上产品品种最丰富的国家之一,其中高强高导系列铜合金产品主要包括:

导线、电缆、空调管、超长冷凝管、高散热管、引线框架带、高速列车接触线、接插元件带、焊接带、变压器带、电缆带、光伏铜带、长空芯导线、环保铜材、功能材料、合金线、单晶铜、高保真导线等。

中国交通运输领域铜需求量接近200万吨,一半左右用于汽车部件制造。混动汽车用铜:60公斤/辆;纯电动汽车用铜:83公斤/辆;电动巴士用铜:224-369公斤/辆。工信部《新能源汽车产业发展规划(2021-2035》,2025年新能源汽车产量700万辆(产销占比20%)。2017年国内汽车用铜约71万吨;预计2025年将增长至132万吨。

铜材在汽车中的应用:电驱、电控、电子通信等系统铜线、线束、接插件;微电子系统封装及键合;空调、散热器、水箱铜带;变速箱同步器齿环;制动器、增压器、油路管、气门嘴。

高导电铜合金:高纯Cu、Cu-Mg、Cu-Ag、Cu-Sn、Cu-Fe-P、Cu-Ni-Si、Cu-Cr-Zr、可用于电子器件、线束、电机绕组、线夹、引线框架、电子封装;紫铜管主要用于车载空调管、内螺纹管、水路道管、热交换器管、通讯电缆管、磁控管、电子热管等、干式变压器等。体积小、重量轻、节能、清洁;空调器铜管每台车2kg;黄铜、锡青铜、白铜可用于同轴电缆接头、接插件及弹性导电元件。

耐磨铜合金:复杂黄铜、锡青铜(QSn10-1、QSn6-3-3)、锡铅青铜(QPb17-6)、铝青铜、CuNiSn等用于汽车轴承及轴套、轴瓦、增压器浮动轴承、同步器齿环、液压系统、耐磨部件等;

高强耐蚀铜合金:黄铜、白铜、CuNiSn、艺术铜等用于油气管道、热交换管道、装饰品等;

铜基复合材料:弥散铜、CuFe、CuCr、Cu-C等用于倒车雷达、电阻焊电极、高压导电杆、电刷、IGBT基板、重载汽车制动系统等;CuAl复合线、复合排用于载流传输系统。

铜箔、铜靶材:铜箔用于电路板、锂离子动力电池、封装等,包括汽车动力传动系统(电流转换器、逆变器)、车身控制系统(
电动助力转向系统、电子稳定控制系统、ABS、LED灯具等),采用耐大电流、耐高电压、强散热的厚铜箔;超高纯铜靶材用于平面显示器、存储介质(巨磁阻薄膜)、集成电路、新能源(半导体和太阳能电池)等领域。

电控、信号及数据传输用铜线缆、带箔、接插件:电控系统线路板、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)模块;自动驾驶辅助:传感器、雷达、摄像头模块;电脑数据传输和互联网连接;车载多媒体音频系统;移动电话数据传输和充电连接;车载视频娱乐设备;车用导航系统;车载天线通讯

常用汽车用铜线束:纯铜、CuMg、CuSn、CuAg等;汽车用铜线、箔发展向超薄、超细、超轻、良好的弯曲性能方向发展。汽车重量降低10%,百公里小号降低0.3-0.6升,二氧化碳排量减少5g。

高性能汽车线、箔要求:动力线束:大电流、高压工作,耐热稳定性,弯折性能;信号传输线束:高导特性、高保真;控制单元:耐温性要求提升,混合动力、电动汽车动力控制系统模组高功率下预期操作温度可达250℃,PCB需符合5-7A/mm2标准要求。

常用汽车连接器用铜:H65、QSn6.5-0.1等;接插件发展向超薄、高强、高弹、良好的弯曲性能方向发展。Sn青铜接插件向高锡(7-13%)方向发展。

高性能汽车连接器要求:高强度(高接触力);高弹性模量(抗变形);疲劳及弯折性能(高寿命);高导电/热(高电、热效率);耐温及高抗应力松弛性能(高稳定性)。

动力传输用高导铜合金研发

高导电铜合金线材(固溶强化型)

适合连续化生产(高导电线材“Cu-Ag,Cu-Mg,Cu-Sn”);固溶强化效果+加工硬化率+电阻率影响小;Mg、Ag、Ca、Sn组合添加。

高导电铜合金线材

Cu-0.1Ag σb≥ 360MPa g ≥ 95%IACS

Cu-0.3Sn σb ≥ 400MPa g ≥ 70%IACS

Cu-0.4Mg σb ≥ 540MPa g ≥ 70%IACS

Cu-4.0Ag σb ≥ 650MPa g ≥ 90%IACS

Cu-Ag、Cu-Sn、Cu-Mg国内均已生产并应用;以上三者强度提高空间有限,抗高温软化能力不高,加工过程中存在应力分布不均匀和离线率高等问题。

信号传输用高弹铜合金研发

铜及铜合金板带:无氧铜板带箔:变压器Cu带(超宽1250 mm);压延箔(超薄4~6 μm);电缆带(超长8000 m);黄铜板带、锌白铜带、锡磷青铜带:接插件;弹性材料;框架带材

CuNiSi合金:450℃的相变贯序为:固溶体→G.P区→L12有序化(Ni3Si相)→Ni3Si相→Ni3Si相+Ni2Si相;早期主要强化相为β-Ni3Si相,峰时效态则为Ni3Si相和Ni2Si相共同强化,且以Ni2Si相的强化作用为主,Ni3Si在时效晚期依然存在于基体中。

CuNiSi系合金产业化:

特种功能铜基复合材料

形变Cu-Fe 原位复合材料通过Fe 纤维强化进行强化,根据Cu-Fe平衡相图可知,在凝固过程中Fe首先以γ-Fe的形态析出来,随着温度的降低,Fe在液态Cu 在中的溶解度越来越小。当温度降到1096℃时,γ-Fe与剩余的液态Cu发生包晶反应,即γ-Fe+L→Cu。温度降到850℃时,剩余γ-Fe发生共析转变形成α-Fe 和富Cu 固溶体,即γ-Fe →Cu+α-Fe 。α-Fe 相即为图中的树枝状第二相,富Cu 相固溶体为基体组织。

高性能铜合金设计原则

调整材料成分:即在铜中添加合金元素,提高材料的性能,即研究开发新型铜合金材料;

施加塑性变形:对铜及铜合金材料施加塑性变形,提高材高性能铜合金设计原料的力学性能(素化设计,及通过加工工艺而不是添加合
金元素);

热处理调整组织结构:进行合理的热处理,调整材料的组织结构,提高材料的性能。


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