高强高导铜合金的新型制备方法与发展趋势

黄文学

（佛山市爱迪尔卫浴有限公司，广东 佛山 528515）

我国近几年才开始研究高强高导铜合金，系统研究缺乏，所以通常都以仿制为主。为此，我国应尽快在人力、物力上加大投入，以强化机制为着手点，在保证导电性不降低的情况下，尽可能把材料的强度提高，对工艺、技术进行优化改进，从而把具有我国自主知识产权的高强高导铜合金开发出来。

1 高强高导铜合金的新型制备方法

过去，最常采用的方法就是将合金元素加入到纯铜中借以把强度提高，但这样做往往会使导电性能降低，且因为合金元素在铜基体中固溶度有限，所以提高强度的难度非常大。如今，快速凝固与铜基复合材料新型制造技术，则开辟出了新的途径，为研究和开发高强高导性能铜合金指明了方向。

1.1 快速凝固技术

早在七十年代，西方发达国家在制备高强高导铜合金方面便采取了快速凝固技术，这一技术其实就是利用将凝固速度加快，把形核过冷度增大来平衡固/液界面偏离，以将诸多不同于常规合金的组织与结构特征呈现出来。当晶粒细化，且偏析降低非常突出时，经时效处理，基体中第二相的弥散、细化就更加突出，铜合金的强度在高导电性得以保持的基础上大大提高，同时合金的耐磨与耐腐蚀性能也得到了有效改善。现阶段，诸如旋铸法、超声气体雾化法和喷射成型法是快速凝固方法中使用频率最高的几种，分别在制取条带、粉末和块锭材料使用。因此可以说，在制备高强高导铜合金方面，快速凝固技术开辟了一个新的领域。

1.2 铜基复合材料新型制造技术

铜基复合材料不仅高温性能十分优良，且导电率与导热率也非常高，在提高生产率、降低成本方面此制备基础的优势突出[1]。现阶段复合材料的制备主要分为两种，即人工复合和自生复合。

（1）人工复合材料法。所谓人工复合材料法就是通过人工的方式在铜合金中加入第二相纤维、颗粒亦或是晶须，对铜基体予以强化，并采取加强自身强度的方式来提升材料强度。现阶段，通过人工复合制备的氧化物弥散强化铜发展极其迅速，通过共沉淀法以及内氧化法等相关粉末冶金方式，在铜基体之中引入分布均匀以及细小的氧化物颗粒。同时，日本已成功研制除了弥散强化铜合金，并实现了规模生产，在高温软化温度方面高于900℃，导电率超过90%IACS。美国采取增加氧化铝以及错提高铜合金强度，电导率只出现了轻微的降低，通过机械合金化法在金属颗粒之中均匀的对硬质粒子予以嵌入，进而得到符合粉末，然后利用压制、烧结以及挤压获取到需要的材料，诸如材料Cu-TiC、Cu-ZrC等。现阶段，国外对高强高导电铜合金予以开发的过程中，主要运用纤维增强的方式，碳纤维一铜拥有极佳的导电、导热、低热膨胀系数以及耐磨性能。并且20%石墨纤维增强铜合金已成功用作电触头材料。

（2）自生复合材料法。自主复合材料主要指的是将合金元素加入到铜当中，采取某种工艺让铜合金内部原位出现增强体，进而和铜基体共同组成符合材料[2]。就高强高导铜合金复合材料法而言，属于将过量合金元素加入到铜当中，以此来得到两相复合体，过量元素以晶状结构位于凝固态合金之中。然后，对合金予以大形变量拉伸，让合金元素枝晶状结构转变成纤维结构，进而使合金转变成纤维增强复合材料。就此类复合材料而言，存在着极强的强度与导电性，诸如Cu—Cr、Cu—Fe系。因为自生复合材料在合金构成方面需要各组元间在固态下游极小固态液，亦或是互不溶解，因此加入第二组元不会对铜基体导电性予以削弱，采取过大变形的方式来提升材料强度。现阶段，铜基体自生复合材料依然有部分问题，诸如微观组织结构以及强化机制等还需持续的进行探究，并且使用性能也有待进一步评估。

2 发展趋势

（1）需要更多地考虑综合性能。高强高导铜合金在大多数应用领域均具有多项综合性能，而不只是导电性与强度。针对引线框架材料来说，不仅要具有高强高导的性能，且耐热性、耐蚀性以及耐氧化性也必须要好，同时也还有极强的残余应力、焊接性能、线膨胀系数和机加工性。由于铜合金常做导电、导热用，因而接触、结合异种材料或异种金属的次数非常频繁，为此对铜合金与珐琅和树脂等的密合性问题进行研究便很有必要，同时也需进一步探讨接触绝缘材料而引发的绝缘材料老化问题。除此之外，作为析出强化型合金，诸多与氧亲和力极强的合金元素（Zr，Ti，Cr，Si等）均包含其中，除了对合金电学性能和力学性能多加关注，还需从组织上对这部分元素对材质表面性能的影响进行探讨。所以，今后的一项重要课题便是怎样通过对合金成分进行优化，如何选择合理的制备工艺来将满足综合性能要求高的产品生产出来。

（2）产业化、规模化趋势。将高质量、低成本的导电铜材提供给工业部门（电力、电器、机械制造等）是对高强高导铜合金进行研制的主要目的。在研究过程中，一项新成果可为了追求高性能而将成本因素考虑在外，但最终需面对市场的选择，让产品的性能价格比趋于合理。虽然常规合金化法生产的高强高导铜合金具有有限的强化效果，但却可以结合常规铸造尤其是连续铸造技术，进而将铜合金的生产成本降低，其产品在作为功能材料的同时，也能够成为结构材料，将强大的生命力显示出来。一些新型高强高导铜材，如原位复合材料等，具有非常高的生产成本，且很难控制工艺，大规模产业化往往一时难以实现，还需展开深入研究。所以，需对低成本、具备良好开发性能、较大市场潜力以及适合规模化生产的高强高导铜合金做进一步开发。

（3）环境保护和可持续发展。近几年来，世界铜材用量均在1500万t左右，且这一数据还在不断增加中，随着自然资源不断被消耗，环境污染问题也越来越严重。如今，科技快速发展，人们开始重视资源环境问题，高强高导铜合金的研制与生产也对环保与可持续发展日益关注。长时间以来，铜及其合金酸洗均采用的是高浓度无机酸，如H2SO4，HNO3，H2O2等，产生了大量氮氧化物，不仅对环境造成了极大污染，也让操作人员的健康受到严重危害，同时也易过度腐蚀工件。导致其报废，使生产成本增加。目前，开发无HNO3的清洁、健康新工艺成为酸洗工艺的新方向。

3 结语

总之，经过多年发展，国外在高强高导铜合金研究方面已居于领先水平。由于我国在这一方面尚处于起步阶段，因而相较于发达国家还有很大一段距离，研制开发任务任重而道远。现阶段，在这一领域，我国的研究与生产均较为落后，以内氧化法生产的点焊接用Al2O2弥散强化铜来说，部分工业发达国家，如日本等早在十多年前并开始了规模化生产，而我国到现在仍然未有同类产品问世，为此就需加强研制高强高导铜合金，努力将铜材的性能改善，实现规模型产业化。同时，还需将我国资源特点结合起来，进一步探究新型高强高导铜合金，在短时间内将拥有我国独立知识产权的高强高导铜合金体系建立起来。