組織及殘余應(yīng)力對(duì)新能源汽車銅桿扭轉(zhuǎn)性能的影響*

陳 巖，洪志遠(yuǎn)，席安武，洪 明，唐圓圓，王 陽(yáng)，王允鴻

（1. 江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司, 江西 南昌 330096；2. 江西銅業(yè)技術(shù)研究院有限公司, 江西 南昌 330096；3. 江西銅業(yè)集團(tuán)銅材有限公司 江西 貴溪 335424）

1 引言

為了控制碳排放，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰及碳中和，世界多國(guó)均制定了嚴(yán)厲的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)倒逼新能源汽車行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。新能源汽車電磁裝置作為核心部件，其技術(shù)發(fā)展尤為重要[1］。盡管我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)無(wú)論是在產(chǎn)業(yè)化規(guī)模方面還是市場(chǎng)化進(jìn)程方面都處于世界領(lǐng)先水平，但是從生產(chǎn)技術(shù)水平來(lái)看，與西方發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、日本和歐洲制造強(qiáng)國(guó)相比還有非常大的差距。電機(jī)等電磁設(shè)備作為新能源汽車的核心裝置，需要被安裝在狹小有限的空間中，并適應(yīng)汽車使用過(guò)程中遇到的各種工況且滿足動(dòng)力性能需求。所以，設(shè)計(jì)高效、安全、可靠的高功率密度電磁裝置，并將其放置在有限空間內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)新能源汽車輕量化和低能量損耗的發(fā)展需求，是目前需要重點(diǎn)解決的突出問(wèn)題[2,3］。解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)之一是通過(guò)高功率密度扁線繞組來(lái)實(shí)現(xiàn)高功率密度電磁裝置的制備。當(dāng)前，我國(guó)扁線繞組行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)低端產(chǎn)品供過(guò)于求、中高端產(chǎn)品自主供給能力不足的局面。尤其是以風(fēng)力發(fā)電裝備用線、新能源汽車電磁裝置專用線材、航空航天等高端裝備用扁線繞組為代表的高端產(chǎn)品生產(chǎn)能力嚴(yán)重不足，國(guó)內(nèi)廠家仍然存在較大供應(yīng)缺口[4-6］。最為關(guān)鍵的原因是作為生產(chǎn)高端裝備用扁線的原材料——高質(zhì)量銅桿制備技術(shù)不成熟，無(wú)法產(chǎn)業(yè)化。

相比于傳統(tǒng)繞組線材的生產(chǎn)制備方法，新能源汽車電磁裝置專用繞組扁線的制備工藝在成型方式上存在很大的差別。高品質(zhì)扁線對(duì)銅桿的氧含量要明顯低于普通漆包線，同時(shí)對(duì)加工尺寸要求精度更高。另一方面，高品質(zhì)扁線的絕緣性能要求漆膜具有非常高的均勻性和連續(xù)性，同時(shí)在后續(xù)自動(dòng)繞線時(shí)的耐磨性及自動(dòng)成型時(shí)的附著性也有著非常高的要求[7］。其中，最有產(chǎn)業(yè)化前景的制備方法是采用Ф8.0mm銅桿坯經(jīng)過(guò)多道次拉拔制造。這一過(guò)程又對(duì)Ф8.0mm銅桿的扭轉(zhuǎn)性能要求較高，是能否走向產(chǎn)業(yè)化的主要制約因素。

針對(duì)目前較為常見(jiàn)的Ф8.0mm新能源汽車用銅桿制備工藝，本文采用了上引鑄造法、連鑄連軋法（SCR）、上引連鑄+連續(xù)擠壓制備了三種Ф8.0mm銅桿，并研究了顯微組織、拉伸性能對(duì)扭轉(zhuǎn)性能的影響，以便更好地對(duì)比研究不同工藝制備得到的銅桿的扭轉(zhuǎn)性能及其影響因素。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 銅桿制備

采用上引鑄造法、連鑄連軋法（SCR）、上引連鑄+連續(xù)擠壓三種工藝得到了三種Ф8.0mm銅桿。其中，上引鑄造法采用SL12-QL-S-B-8型原稱上引連續(xù)鑄造系統(tǒng)進(jìn)行銅桿的熔煉與制備，所用原料為99.9%的電解Cu并在熔煉過(guò)程中表面覆碳，以保證氧含量；SCR銅桿是由江西銅業(yè)集團(tuán)銅材有限公司應(yīng)用美國(guó)南線公司的SCR連鑄連軋工藝制備得到；上引連鑄+連續(xù)擠壓是通過(guò)將上引連鑄制備得到Ф12.5mm銅桿在大連康豐科技有限公司TLJ 350型連續(xù)擠壓機(jī)進(jìn)行連續(xù)擠壓制備得到。銅桿中的氧含量采用LECO O736型定氧儀測(cè)定。

2.2 扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

扭轉(zhuǎn)性能是制備新能源汽車扁線用銅桿的關(guān)鍵指標(biāo)。本文根據(jù)《金屬線材扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法》（ GB/T239-1999）的要求，對(duì)三種工藝制備的Ф8.0mm銅桿進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，直至試樣斷裂或達(dá)到規(guī)定次數(shù)為止，得到并記錄扭轉(zhuǎn)次數(shù)。扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)試樣如圖1所示：

圖1 扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)試樣示意圖

（1）從盤卷狀銅桿中截取實(shí)驗(yàn)樣品后，對(duì)其進(jìn)行預(yù)校直處理，使得測(cè)試樣品盡可能處于平直狀態(tài)。

（2）預(yù)校直過(guò)程中，不要誤碰、誤觸樣品表面，以免其受到不應(yīng)有的損傷。

（3）對(duì)于局部存在硬彎的樣品不得進(jìn)行測(cè)試。

（4）測(cè)試所用試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度為 L=25d，d為被測(cè)試樣品的直徑。

本文主要實(shí)驗(yàn)過(guò)程按如下步驟進(jìn)行：

（1）采用雙向扭轉(zhuǎn)測(cè)試方法，繞樣品的軸線任意方向勻速旋轉(zhuǎn)一周記為扭轉(zhuǎn)一次，扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)記為1轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，將樣品先繞其軸線按順時(shí)針?lè)较騽蛩傩D(zhuǎn)25轉(zhuǎn)，隨后電機(jī)反轉(zhuǎn)，將樣品繞其軸線按逆時(shí)針?lè)较騽蛩傩D(zhuǎn)直至試樣發(fā)生斷裂。

（2）測(cè)試開始時(shí)，將試樣一端置于扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)夾持鉗口中并使其處于夾緊狀態(tài)。隨后，將樣品的另一端在保持軸線與兩個(gè)夾頭軸線重合時(shí)，將其夾緊。

（3）由于測(cè)試樣品銅桿的直徑為8.0mm，因此選擇25 r/min作為其扭轉(zhuǎn)測(cè)試速度。

2.3 殘余應(yīng)力測(cè)試

采用Proto iXRD便攜式殘余應(yīng)力分析儀測(cè)定銅桿軸向的殘余應(yīng)力。選用具有精度高、重復(fù)性好等特點(diǎn)的同傾法進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試前對(duì)試樣進(jìn)行表面清潔處理，如去除表面銹層及污物等。測(cè)試條件為：Cu靶Kα 線輻射，管電壓 25 KV，管電流4 mA，曝光時(shí)間3s。

但回國(guó)的道路并不順利。劉萬(wàn)傳講述了歸國(guó)途中遇到的炮擊：“我們以步行為主，有一段是坐汽車，部隊(duì)交替撤退，工兵最后布雷。在撤軍途中，越南的炮火打了過(guò)來(lái)，他們重炮很猛的，很多都是1 0 0毫米口徑以上的，我們遇到炮擊后，就趕快找掩體躲避起來(lái)。很多新補(bǔ)充的新兵不知道怎么躲，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)能回來(lái)?！?/p>

三種銅桿試樣經(jīng)砂紙打磨、機(jī)械拋光后，用3.5 gFeCl3、25 mL無(wú)水乙醇和75 mL純凈水配置的溶液腐蝕，采用OLS-5000激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察，按照GB/T 228.1-2010使用CMT5205微機(jī)電子控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)在室溫下以1×10-3s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行拉伸測(cè)試，每種材料制備三根拉伸試樣進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)銅桿試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，采用EZ-10扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)對(duì)銅桿的扭轉(zhuǎn)性能進(jìn)行測(cè)試，每種材料至少測(cè)試5個(gè)樣品。

3 結(jié)果與討論

3.1 氧含量及微觀組織

從圖2(a)、(b)可以看出，上引銅桿的橫截面心部組織為向中心匯聚型的柱狀晶組織，中部為柱狀晶，而邊部為柱狀晶+等軸晶的晶粒組織，平均晶粒尺寸為198.1 μm。圖2(c)、(d)為SCR工藝制備的銅桿的金相組織，從中可以看出SCR銅桿為典型的等軸晶，且心部、中部和邊部的晶粒尺寸相差不大，大約均為11.3 μm。由12.5mm上引桿經(jīng)過(guò)連續(xù)擠壓得到的銅桿組織如圖2(e)、(f)所示，可以看出其組織與SCR相一致，均為典型的再結(jié)晶組織，晶粒尺寸為13.4 μm。

圖2 三種不同工藝制備的銅桿微觀組織圖

通過(guò)對(duì)比三種工藝制備的銅桿微觀組織，可以看出上引銅桿的晶粒尺寸相比其余兩種工藝制備的銅桿要大16.5倍，但氧含量相比于SCR桿要低26.50倍（如表1），這主要是SCR工藝通過(guò)豎爐到鑄機(jī)之間的密閉環(huán)境和非密閉時(shí)點(diǎn)燃的乙炔氣所決定的。

表1 三種工藝制備的銅桿的氧含量統(tǒng)計(jì)表

由于SCR桿中的氧含量相對(duì)較高，內(nèi)生夾雜物含量過(guò)多，將極大地影響Ф8mm銅桿產(chǎn)品質(zhì)量，并影響后續(xù)新能源汽車用繞組扁線制備，這將極大限制SCR銅桿在高端裝備用線領(lǐng)域的運(yùn)用。

3.2 拉伸性能

按照GB/T 228.1-2010，使用CMT5205微機(jī)電子控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)三種銅桿進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。由表2可知，相比于SCR工藝，上引連鑄制備銅桿的伸長(zhǎng)率高了11.2%，但前者強(qiáng)度低了29.9%；而相比于上引連鑄+連續(xù)擠壓工藝銅桿，兩者伸長(zhǎng)率相當(dāng)，但前者強(qiáng)度低了42.3%。因此，可以看出上引工藝制備得到的銅桿具有最低的強(qiáng)度及相對(duì)較高的伸長(zhǎng)率，這與其粗大的組織有關(guān)。由于SCR工藝及上引連鑄+連續(xù)擠壓都對(duì)銅桿進(jìn)行了加工，使其強(qiáng)度有了很大的提升，兩者的強(qiáng)度相當(dāng)。但是上引連鑄+連續(xù)擠壓銅桿的伸長(zhǎng)率要高10.1%，原因可能是其晶粒尺寸分布更為合理，在變形時(shí)具有更強(qiáng)的協(xié)調(diào)變形能力。

表2 三種工藝制備的銅桿的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 扭轉(zhuǎn)性能

表3 三種工藝制備的銅桿的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

銅桿在外界扭矩的作用下，扭轉(zhuǎn)形變首先發(fā)生在容易滑移的微觀區(qū)域內(nèi)，晶體在發(fā)生滑移的同時(shí)，滑移面和滑移方向也發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使得滑移在不同的滑移系上交替進(jìn)行。另一方面，隨著滑移過(guò)程的進(jìn)行，位錯(cuò)不斷積累，導(dǎo)致沿有利滑移方向的晶面附近晶格發(fā)生較為嚴(yán)重畸變。這將促使滑移在原來(lái)不利方向進(jìn)行，從而使得塑性變形在不同的微觀區(qū)域交替發(fā)生[8］。由此可知，上引銅桿扭轉(zhuǎn)性能偏低的原因可能是組織過(guò)于粗大，導(dǎo)致其強(qiáng)度偏低，只有其他兩種銅桿的70%左右，在施加相同的扭矩時(shí)，能夠承受的剪切變形能力差；同時(shí)由于其組織沿徑向分布不均勻，邊部為等軸晶+柱狀晶，中部為柱狀晶，在承受外部扭矩時(shí)，兩種組織中間過(guò)渡部分滑移過(guò)程變形不協(xié)調(diào)，更容易發(fā)生微孔洞、微裂紋聚集演化等情況，從而急劇降低上引銅桿的扭轉(zhuǎn)性能。

3.4 殘余應(yīng)力分析

當(dāng)銅桿受到殘余應(yīng)力的作用時(shí)就會(huì)發(fā)生應(yīng)變，應(yīng)力狀態(tài)引起材料的晶格應(yīng)變和宏觀應(yīng)變是一致的。利用 X 射線對(duì)材料發(fā)生衍射干涉，可計(jì)算出晶格的面間距，即晶格應(yīng)變。因此，從測(cè)得的晶格應(yīng)變可計(jì)算樣品表面的殘余應(yīng)力。

本文采用精度高、重復(fù)性好的同傾法，通過(guò)Proto iXRD便攜式殘余應(yīng)力分析儀測(cè)定了三種工藝制備的銅桿軸向殘余應(yīng)力，測(cè)量樣品及位置如圖3所示，測(cè)量結(jié)果如表4所示。由結(jié)果可知，上引銅桿的殘余應(yīng)力最大，但這可能是上引連鑄的柱狀晶沿著熱流方向長(zhǎng)大產(chǎn)生擇優(yōu)取向從而引起測(cè)量數(shù)據(jù)過(guò)少所導(dǎo)致。

表4 為殘余應(yīng)力的測(cè)量結(jié)果

圖3 XRD同傾法測(cè)量殘余應(yīng)力樣品及位置圖，(a)、樣品編號(hào)；(b)、測(cè)量位置圖

SCR銅桿及上引連鑄+連續(xù)擠壓銅桿都經(jīng)歷了再結(jié)晶，其測(cè)量的結(jié)果也更具代表性，因此下文將主要討論這兩種工藝的殘余應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)性能之間的關(guān)系。由圖4可知，SCR及上引連鑄+連續(xù)擠壓銅桿軸向殘余應(yīng)力的分布趨勢(shì)大致相同。沿著半徑方向，殘余應(yīng)力呈現(xiàn)由壓應(yīng)力過(guò)渡到拉應(yīng)力的變化。SCR銅桿心部的殘余壓應(yīng)力為 48MPa，其表面的殘余拉應(yīng)力為 75MPa；上引連鑄+連續(xù)擠壓銅桿心部殘余應(yīng)力為 40MPa，表面的殘余應(yīng)力為 65MPa。

圖4 SCR銅桿及上引連鑄+連續(xù)擠壓銅桿軸向殘余應(yīng)力沿徑向分布圖

在軋制及擠壓成形等加工過(guò)程中，銅桿內(nèi)部金屬的不均勻性流動(dòng)使銅桿表層呈現(xiàn)出拉應(yīng)力，同時(shí)在心部出現(xiàn)與之平衡的殘余壓應(yīng)力以保證銅桿內(nèi)外層金屬可以通過(guò)?？?。銅桿的扭轉(zhuǎn)性能主要體現(xiàn)在與銅桿橫截面上的切應(yīng)力分布狀態(tài)息息相關(guān)的沿著銅桿軸向方向的扭轉(zhuǎn)性能。公式1為在柱坐標(biāo)系下，施加在銅桿上的扭矩M與扭轉(zhuǎn)銅桿軸向橫截面上的應(yīng)力分布關(guān)系[9］。

其中，M為理想狀態(tài)時(shí)，施加在均勻無(wú)損材料等截面上的扭矩大小。銅桿在生產(chǎn)制備過(guò)程中心部與表面都存在殘余應(yīng)力，而這些殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)材料施加一個(gè)附加扭矩。根據(jù)公式1可以看出，這一附加扭矩會(huì)進(jìn)一步增加銅桿橫截面上的切應(yīng)力，從而導(dǎo)致銅桿過(guò)早發(fā)生斷裂。因此，影響銅桿扭轉(zhuǎn)性能的關(guān)鍵因素是銅桿表面軸向殘余應(yīng)力的大小與分布[10］。相比于上引連鑄+連續(xù)擠壓銅桿，SCR銅桿具有更高的表面軸向殘余拉應(yīng)力，更低的心部軸向殘余壓應(yīng)力，使其與上引連鑄+連續(xù)擠壓銅桿具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度及韌性時(shí)，扭轉(zhuǎn)性能卻出現(xiàn)大幅下降。

4 結(jié)論

本文使用了上引鑄造法、連鑄連軋法（SCR）、上引連鑄+連續(xù)擠壓三種工藝制備了三種Ф8.0mm銅桿，并對(duì)其顯微組織、拉伸性能對(duì)扭轉(zhuǎn)性能的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：

（1）三種工藝制備的銅桿平均晶粒尺寸分別為198.1 μm、11.3 μm、13.4 μm，抗拉強(qiáng)度分別為182.3 MPa、236.8 MPa、259.5 MPa，伸長(zhǎng)率分別為41.5%，37.3%、41.1%。

（2）扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，正轉(zhuǎn)25轉(zhuǎn)后，上引連鑄+連續(xù)擠壓準(zhǔn)備的銅桿具有最高的反轉(zhuǎn)次數(shù)，達(dá)到了70.5轉(zhuǎn)；SCR銅桿為30.1轉(zhuǎn)；上引連鑄最低，為22.9轉(zhuǎn)。

（3）粗大的柱狀晶要擠長(zhǎng)使+等軸晶是導(dǎo)致上引連鑄銅桿扭轉(zhuǎn)性能較差的主原因。

（4）相比于連續(xù)壓制備的銅桿，SCR桿具有相當(dāng)?shù)目估瓘?qiáng)度和伸率，但因其沿軸向分布著更不均勻的殘余應(yīng)力，其在扭轉(zhuǎn)過(guò)程中更易受到損傷。