铜合金材料及加工发展
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摘 要：本文概述了铜合金材料的发展趋势，通过对新旧铜合金材料的对比，展现出新型铜合金材料的优势，并详细介绍了新型铜合金材料技术及其应用，供各位参考。
中图分类号：F252文献标识码： A
一、前言
这些年来，我国的铜合金技术得到了前所未有的发展，在我国的发展建设中起到了非常重要的作用。伴随着铜合金技术的发展，铜合金材料加工技术也存在着一些不足。本文就新型铜合金材料的特点，介绍了其在生产中的合理应用。
二、铜合金材料发展趋势
材料的应用开发是由其性能所决定的。铜与其他金属相比最主要的特点是高导电导热性、耐蚀性、适宜的强度、易加工成型性和典雅庄重的颜色，近些年所开发的新的铜及其合金材料多是根据这些特性所进行的，并进一步把铜的性能发挥到一个更高的层次。
1.高导电导热的性能要求
铜的导电导热性仅次于银，位居第二，而价格远低于金、银，因此在电力、电讯、传输等领域，铜的应用最为广泛，可以说导电导热性是铜最基本的应用性能。过去，对纯铜导电性要求达到98％IACS以上即可。而今随着科学技术的发展，对铜材导电性能的要求越来越高，许多电子、电力器件要求铜材的导电率达到甚至超过100％IACS。要满足这个要求就必须使铜材成分高度纯净化(高纯化)，铜含量达到99．99％以上，氧含量低于5PPm。典型的应用实例如网络传输连接导线、电真空器件用高纯无氧铜、精确制导和高保真信号传输及超导体器件用单晶铜和超纯铜，铜的纯度可达6N以上。
2.高强度高导电性要求
随着当前科技发展越来越迅速，对铜高强度高导电性能的要求愈加迫切。实际上铜的强度和许多金属材料相比并不高，但导电性能的基本特征决定了其在某些领域应用的必然性和不可替代性。因此在保证铜高导电性能的前提下最大限度的提高其强度是铜合金材料发展的一个永恒主题，高强高导铜合金材料的性能指标也愈来愈高，这是铜材发展的一个显著特征；并且不仅仅是实验室材料研究的性能指标，更要求工业应用中产品的实际性能。目前高速铁路线建设方兴未艾，速度从200Krn／h提高到300Km／h，目前世界上最高速度己达500Km／h以上，受电弓和接触网线对强度和导电性的综合要求更上一个台阶。法国500Km／h高速接触网线(加锡铜合金)的强度达到537．5MPa，同时导电率达到77．6％IACS；超大规模集成电路封装用引线框架，由于小型化和高集成度的发展需求，器件越来越小，容量和功率越来越大，需要散出的热量也越多，需要的引线框架铜带材越来越薄(带材厚度从0．381mm0．254mm0．203 mm0．157mm0．10mm)，因此要求框架材料――铜带有更高的强度和导电(热)性能，期望铜带的强度超过600 MPa、导电率大于80％IACS，日本三菱公司开发的铜-铭-锆系合金OMCL-1，其强度达到610 MPa、导电率达到82．76％IACS。但是，由于Cr、Zr元素和氧的亲和力强，必须用真空的方式进行熔炼铸造生产，造成工业化生产成本太高，应用并没有大量普及，因此，材料的发展促使工艺上必须解决铜．铬．锆系合金的大气熔炼技术难题。
三、新型铜合金材料
铜合金材料的种类以及材料性能近10年间有了很大的发展和进步。在GB／T5231―2001标准中，黄铜、青铜、白铜三大类铜合金中，共计25种合金，102个合金牌号。其中黄铜项下11种合金，共计45个合金牌号；青铜项下9种合金，共计39个合金牌号；白铜项下5种合金，共计18个合金牌号。而在2010年完成的该标准修订稿中，新增高铜合金15个牌号，黄铜合金33个牌号，青铜合金11个牌号，白铜合金15个牌号，总计新增74个合金牌号。这其中还不包括现今市场上有一定需求，各企业提供的一些特殊用途的新型合金材料，如真空灭弧室电触头用铜铬合金、电气用高强高导铜合金等。
近些年来，在国际化市场的推动下，我国新型铜合金材料快速发展，目前技术成熟、应用较为广泛的主要有高强高导铜铬系列合金、轿车同步器齿环用耐磨系列铜合金、无铅易切削系列黄铜合金、高锡青铜和锌白铜系列合金等几大类。
1.铜铬合金
铜铬合金触头材料是上世纪70年代中期由美国西屋公司、英国EEC公司率先研制成功的新型触头材料。在该材料中，铜组元具有较低的熔点、高传导性和良好的塑性，有利于提高真空开关的开断能力；铬具有较高的熔点、机械强度和较低的截流值，保证了真空开关具有良好的耐压、抗烧蚀、抗熔焊和低截流特性。Cu、Cr组元以假合金形式存在，保持了各组元的优异性能，从而使铜铬触头材料具有高的耐电压强度、大的开断电流能力和良好的抗熔焊性及低截流性能。铜铬合金目前已成为最重要的新一代中压大功率真空开关触头材料之一，以其高的强度、良好的导电性、低的截流值而得到广泛应用，具有很大的经济潜力和应用前景。如真空灭弧室用铜铬电触头材料大多采用高铬铜合金，材料主要技术要求：
化学成分为铬的质量分数24～28％，余量为铜；密度≥8．39／cm3；硬度HB70~
100；电导率≥28．0MS／m。
2.汽车同步器齿环用耐磨铜合金
同步器齿环是汽车变速箱的重要部件之一，它能有效降低汽车换挡过程中的震动、冲击和噪声，从而提高汽车操纵的稳定性和行驶的安全性。汽车同步器齿环所用铜合金材料的化学成分复杂，加工工艺特殊，长期被日本、美国的企业所垄断，我国中高档轿车使用的同步器齿环用铜合金材料一直依赖进口。近年来随着行业发展和技术进步，我国一些企业和科研部门结合，陆续开发出拥有我国自主知识产权的新型高性能汽车同步器齿环用铜合金材料，包括AL黄铜系列和Mn黄铜系列的多个合金牌号。这些材料的磨擦系数与磨损、密度、无缺口冲击强度、杨氏模量、热失重、耐油性等各项技术指标基本能够达到国外同类产品水平。
四、新型铜合金材料制备及产品加工新技术
铜合金材料性能的极大提高是在其制备方法有所突破的基础上实现的。目前铜合金材料的新型制备方法主要集中在高纯化铜、微合金化铜及复合材料的制备技术上。在高性能铜材产品的加工生产技术方面，有关微合金化铜产品的工艺技术是研究的热点，主要集中在高强高导铜材产品方面。
1.快速凝固技术
快速冷凝通过一定的手段使合金在高温下快速冷却，使高温下的组织保留下来。其最大特点是实现元素的强固溶，与常规的熔铸法相比， 快速冷凝可使Cr、Zr、Co、Fe、Ti等元素在Cu中的固溶度分别由0．8、0．014、0．2、4．5和5．5(at％)提高到3．6、1．33、15．0、20．0和10．0(at％)，此外可细化组织，消除偏析。快速冷凝中常用甩带法难以制备出高精度的带材；另外喷射沉积技术不但可保留绝大部分快速冷凝技术的优点，而且可实现一次性从合金熔铸到坯件最终成形，并可制备大坯锭，有利于利用熔铸法中后续加工与热处理装备。
2.定向凝固及单晶铜制备技术
定向凝固技术的核心是运用冶金学、晶体学等理论，采用特殊的冷却、结晶方法和手段使合金在凝固过程中向特定的方向生长，从而实现其高性能。定向凝固合金制品的晶粒较少，晶体生长方向相同，晶界面少，基体的纯净化程度高，是制备高纯化铜及铜合金制品的理想手段。典型的是单晶铜的制备技术目前已经基本成熟，可以批生产上千米的由直径0．05mm单晶铜丝，用于雷达及高端音响信号的传输／接收部件，可确保信号的高保真。定向凝固技术的应用可以用连续铸造方式生产只有几个晶粒的纯铜小管坯，如直接连铸生产直径16*1mm的无氧铜薄壁小管，做为电缆管的生产坯料，在大大提高制品的加工工艺性能和力学性能、电性能的同时，极大的缩短生产流程降低成本。
五、结语
随着新型铜合金材料生产技术的不断完善，铜合金材料的发展将会得到更多管理者的重视，在市场竞争日趋激烈的背景下，新型铜合金材料生产技术将会发挥越来越重要的作用。
参考文献：
[1]王碧文.中国铜加工业技术与装备现状及展望.上海有色金属，2009.
[2]范工业..防止铜合金热交换器腐蚀的技术改进. 全面腐蚀控制,2009 20(5).