高強高導銅合金的新型制備方法與發(fā)展趨勢

黃文學

（佛山市愛迪爾衛(wèi)浴有限公司，廣東 佛山 528515）

我國近幾年才開始研究高強高導銅合金，系統(tǒng)研究缺乏，所以通常都以仿制為主。為此，我國應盡快在人力、物力上加大投入，以強化機制為著手點，在保證導電性不降低的情況下，盡可能把材料的強度提高，對工藝、技術進行優(yōu)化改進，從而把具有我國自主知識產權的高強高導銅合金開發(fā)出來。

1 高強高導銅合金的新型制備方法

過去，最常采用的方法就是將合金元素加入到純銅中借以把強度提高，但這樣做往往會使導電性能降低，且因為合金元素在銅基體中固溶度有限，所以提高強度的難度非常大。如今，快速凝固與銅基復合材料新型制造技術，則開辟出了新的途徑，為研究和開發(fā)高強高導性能銅合金指明了方向。

1.1 快速凝固技術

早在七十年代，西方發(fā)達國家在制備高強高導銅合金方面便采取了快速凝固技術，這一技術其實就是利用將凝固速度加快，把形核過冷度增大來平衡固/液界面偏離，以將諸多不同于常規(guī)合金的組織與結構特征呈現(xiàn)出來。當晶粒細化，且偏析降低非常突出時，經時效處理，基體中第二相的彌散、細化就更加突出，銅合金的強度在高導電性得以保持的基礎上大大提高，同時合金的耐磨與耐腐蝕性能也得到了有效改善。現(xiàn)階段，諸如旋鑄法、超聲氣體霧化法和噴射成型法是快速凝固方法中使用頻率最高的幾種，分別在制取條帶、粉末和塊錠材料使用。因此可以說，在制備高強高導銅合金方面，快速凝固技術開辟了一個新的領域。

1.2 銅基復合材料新型制造技術

銅基復合材料不僅高溫性能十分優(yōu)良，且導電率與導熱率也非常高，在提高生產率、降低成本方面此制備基礎的優(yōu)勢突出[1]。現(xiàn)階段復合材料的制備主要分為兩種，即人工復合和自生復合。

（1）人工復合材料法。所謂人工復合材料法就是通過人工的方式在銅合金中加入第二相纖維、顆粒亦或是晶須，對銅基體予以強化，并采取加強自身強度的方式來提升材料強度。現(xiàn)階段，通過人工復合制備的氧化物彌散強化銅發(fā)展極其迅速，通過共沉淀法以及內氧化法等相關粉末冶金方式，在銅基體之中引入分布均勻以及細小的氧化物顆粒。同時，日本已成功研制除了彌散強化銅合金，并實現(xiàn)了規(guī)模生產，在高溫軟化溫度方面高于900℃，導電率超過90%IACS。美國采取增加氧化鋁以及錯提高銅合金強度，電導率只出現(xiàn)了輕微的降低，通過機械合金化法在金屬顆粒之中均勻的對硬質粒子予以嵌入，進而得到符合粉末，然后利用壓制、燒結以及擠壓獲取到需要的材料，諸如材料Cu-TiC、Cu-ZrC等。現(xiàn)階段，國外對高強高導電銅合金予以開發(fā)的過程中，主要運用纖維增強的方式，碳纖維一銅擁有極佳的導電、導熱、低熱膨脹系數以及耐磨性能。并且20%石墨纖維增強銅合金已成功用作電觸頭材料。

（2）自生復合材料法。自主復合材料主要指的是將合金元素加入到銅當中，采取某種工藝讓銅合金內部原位出現(xiàn)增強體，進而和銅基體共同組成符合材料[2]。就高強高導銅合金復合材料法而言，屬于將過量合金元素加入到銅當中，以此來得到兩相復合體，過量元素以晶狀結構位于凝固態(tài)合金之中。然后，對合金予以大形變量拉伸，讓合金元素枝晶狀結構轉變成纖維結構，進而使合金轉變成纖維增強復合材料。就此類復合材料而言，存在著極強的強度與導電性，諸如Cu—Cr、Cu—Fe系。因為自生復合材料在合金構成方面需要各組元間在固態(tài)下游極小固態(tài)液，亦或是互不溶解，因此加入第二組元不會對銅基體導電性予以削弱，采取過大變形的方式來提升材料強度。現(xiàn)階段，銅基體自生復合材料依然有部分問題，諸如微觀組織結構以及強化機制等還需持續(xù)的進行探究，并且使用性能也有待進一步評估。

2 發(fā)展趨勢

（1）需要更多地考慮綜合性能。高強高導銅合金在大多數應用領域均具有多項綜合性能，而不只是導電性與強度。針對引線框架材料來說，不僅要具有高強高導的性能，且耐熱性、耐蝕性以及耐氧化性也必須要好，同時也還有極強的殘余應力、焊接性能、線膨脹系數和機加工性。由于銅合金常做導電、導熱用，因而接觸、結合異種材料或異種金屬的次數非常頻繁，為此對銅合金與琺瑯和樹脂等的密合性問題進行研究便很有必要，同時也需進一步探討接觸絕緣材料而引發(fā)的絕緣材料老化問題。除此之外，作為析出強化型合金，諸多與氧親和力極強的合金元素（Zr，Ti，Cr，Si等）均包含其中，除了對合金電學性能和力學性能多加關注，還需從組織上對這部分元素對材質表面性能的影響進行探討。所以，今后的一項重要課題便是怎樣通過對合金成分進行優(yōu)化，如何選擇合理的制備工藝來將滿足綜合性能要求高的產品生產出來。

（2）產業(yè)化、規(guī)模化趨勢。將高質量、低成本的導電銅材提供給工業(yè)部門（電力、電器、機械制造等）是對高強高導銅合金進行研制的主要目的。在研究過程中，一項新成果可為了追求高性能而將成本因素考慮在外，但最終需面對市場的選擇，讓產品的性能價格比趨于合理。雖然常規(guī)合金化法生產的高強高導銅合金具有有限的強化效果，但卻可以結合常規(guī)鑄造尤其是連續(xù)鑄造技術，進而將銅合金的生產成本降低，其產品在作為功能材料的同時，也能夠成為結構材料，將強大的生命力顯示出來。一些新型高強高導銅材，如原位復合材料等，具有非常高的生產成本，且很難控制工藝，大規(guī)模產業(yè)化往往一時難以實現(xiàn)，還需展開深入研究。所以，需對低成本、具備良好開發(fā)性能、較大市場潛力以及適合規(guī)模化生產的高強高導銅合金做進一步開發(fā)。

（3）環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展。近幾年來，世界銅材用量均在1500萬t左右，且這一數據還在不斷增加中，隨著自然資源不斷被消耗，環(huán)境污染問題也越來越嚴重。如今，科技快速發(fā)展，人們開始重視資源環(huán)境問題，高強高導銅合金的研制與生產也對環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展日益關注。長時間以來，銅及其合金酸洗均采用的是高濃度無機酸，如H2SO4，HNO3，H2O2等，產生了大量氮氧化物，不僅對環(huán)境造成了極大污染，也讓操作人員的健康受到嚴重危害，同時也易過度腐蝕工件。導致其報廢，使生產成本增加。目前，開發(fā)無HNO3的清潔、健康新工藝成為酸洗工藝的新方向。

3 結語

總之，經過多年發(fā)展，國外在高強高導銅合金研究方面已居于領先水平。由于我國在這一方面尚處于起步階段，因而相較于發(fā)達國家還有很大一段距離，研制開發(fā)任務任重而道遠。現(xiàn)階段，在這一領域，我國的研究與生產均較為落后，以內氧化法生產的點焊接用Al2O2彌散強化銅來說，部分工業(yè)發(fā)達國家，如日本等早在十多年前并開始了規(guī)模化生產，而我國到現(xiàn)在仍然未有同類產品問世，為此就需加強研制高強高導銅合金，努力將銅材的性能改善，實現(xiàn)規(guī)模型產業(yè)化。同時，還需將我國資源特點結合起來，進一步探究新型高強高導銅合金，在短時間內將擁有我國獨立知識產權的高強高導銅合金體系建立起來。