銅合金加工工藝及性能研究綜述

蘭天涵 侯延杰 苗青 上海電機學院材料學院

一、銅合金的性質(zhì)及應用

（一）銅合金簡介

銅具有優(yōu)良的導電性、導熱性、延展性、耐腐蝕性、耐磨性等性質(zhì)，其導電性能僅次于金屬銀，被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)，電纜制造等各行業(yè)中。銅合金是以純銅為基體，加入一種或幾種其他元素所構成的合金。目前國內(nèi)外常見的銅合金有，Cu-W合金，Cu-Al合金，Cu-Cr合金，Cu-Ag合金等；在國際銅合金市場上流通有百余種高強高導銅合金材料，如：Cu-Fe-P系、Cu-Ni-Si系、Cu-Cr-Zr系等[2]。

（二）銅合金材料的應用

銅合金具有優(yōu)良的導電性，是電纜電線的主要材料，銅電線和電纜被用于國家電網(wǎng)的制造及升級，直徑小的銅線被用于汽車電控系統(tǒng)、通訊、耳機、線路板、高鐵導線等。

銅鋁合金中，銅具有更高的抗電遷移能力、抗應力遷移能力和更低的電阻，可以解決鋁導線所存在的缺陷。鎢銅復合材料具有很好的導熱性、導電性與硬度，廣泛應用于電子器件與耐高溫器件。銅鉻合金有著很好的耐腐蝕性、硬度、導電導熱性，主要用于制備高強度、高電導率要求的產(chǎn)品，同時，Cu-Cr合金還可以作為一種耐磨材料，應用在夾鉗、螺栓、軸承中等零件的制備中。高強高導銅合金應用于電力裝備領域、連接器插件領域、新能源領域[1]。

二、銅合金制備工藝研究

（一）熔鑄法

熔鑄是銅材加工的第一道工序，熔鑄法是根據(jù)所需要的質(zhì)量配比，將原料經(jīng)過高溫處理后制作為銅合金成品。在銅合金的熔鑄生產(chǎn)中，水平連鑄應用最多，其優(yōu)點是：設備布置以水平分布為主，安裝、維修等維護工作比較方便；可鑄造不同橫截面的坯料，例如矩形、圓形、管狀、五角等；可以直接澆注截面尺寸較小的鑄坯，甚至幾毫米的線坯；連鑄過程工藝穩(wěn)定性高，產(chǎn)品品質(zhì)高，材料的使用率高。鑄造后以使用冷拉拔將其進行后續(xù)成形。對熔煉、鑄造技術的發(fā)展和裝備的更新改造、對熔煉與鑄造產(chǎn)品質(zhì)量、工序管理都應當給予高度重視。

（二）粉末冶金法

粉末冶金的基本工藝流程是：制粉、混料、壓型、燒結等。與熔鑄法不同，粉末冶金法能生產(chǎn)一些特殊性能的材料。通過對具備一定形狀、密度以及粒度的粉末材料進行特殊處理，進而轉化成精度、強度、性能較高的相應材料。新出現(xiàn)的機械合金化法、熱壓成型法、噴射沉積法、放電等離子燒結法等新型粉末冶金方法也逐漸得到應用。

三、銅合金線材成型工藝

鑄造銅合金不能進行鍛造、擠壓、深沖和拉拔等變形加工，在工業(yè)生產(chǎn)中需要大批量力學性能優(yōu)異的變形銅合金產(chǎn)品，尤其是變形銅合金線材。

（一）熱擠壓

熱擠壓就是將金屬材料加熱到熱鍛成形溫度進行擠壓，即在擠壓前將坯料加熱到金屬的再結晶溫度以上的某個溫度下進行的擠壓。銅及銅合金在擠壓溫度下應具備低的變形抗力和良好的塑性。擠壓成形的加熱溫度、道次變形量及總變形量，應該根據(jù)銅合金的熔點絕對溫度、晶體結構、塑性變形條件來綜合考慮設定，結合具體的實驗進行擠壓工藝參數(shù)優(yōu)化。中北大學的研究團隊研究了錫磷青銅的擠壓成型，通過控制溫度，加熱方式和保溫時間來對將錫青銅進行擠壓成型，對成品進行組織性能測驗，得到如下結論：在720℃的試樣成型后的組織性能較好，塑性指標、可旋性最好；780℃時組織中出現(xiàn)三元共晶體，呈現(xiàn)出熱脆性；加熱溫度相同的條件下，保溫時間越長，其硬度和強度逐漸降低，但塑性增加[2]。

（二）連續(xù)擠壓

連續(xù)擠壓是將坯料在擠壓輪的帶動下與模腔劇烈摩擦，坯料溫度升高壓力加大變形后從模孔中擠出，生產(chǎn)出所需直徑的線材產(chǎn)品。大連交通大學的研究團隊研究了連續(xù)擠壓工藝對銅扁線產(chǎn)品組織性能影響，得出以下結論：隨模腔通道長度增加，抗拉強度和硬度分別降低；隨擠壓輪轉速的提高，產(chǎn)品出口的實際溫度升高，晶粒尺寸逐漸增大；抗拉強度和屈服強度降低均有所降低，硬度和延伸率均降低；擠壓比對產(chǎn)品出口實際溫度的影響程度最大。擠壓比增加時，產(chǎn)品出口實際溫度出現(xiàn)明顯提升，抗拉強度和硬度均降低，但擠壓比過大時晶粒容易發(fā)生明顯長大[3]。

（三）拉拔成形

拉拔成形是生產(chǎn)線材的主要方法，其主要工藝過程是在拉力作用于金屬材料的前端，使金屬材料在拉力作用下從具有模孔小于材料斷面面積的模具中被逐漸拉出，從而獲得生產(chǎn)加工所需要的尺寸的塑性加工方法。銅及銅合金多數(shù)是屬于面心立方晶格，所以具有極好的塑性和延展性，相對而言，反而是強度不足，且耐熱性能較差，因此，銅合金線材生產(chǎn)通常是室溫條件下進行，即冷拉拔。

應用拉拔來進行金屬材料線材生產(chǎn)具有以下特點：

（1）線材的外形穩(wěn)定、尺寸精度高、表面質(zhì)量較好。

（2）銅合金本身是一種稀有的貴金屬資源，運用塑性變形拉拔工藝可以減少金屬材料經(jīng)由機械加工而產(chǎn)生的切削加工余量。

（3）金屬材料拉拔加工工藝設備要求不高，在多數(shù)學校、研究所即工廠企業(yè)中的萬能拉伸機上即可進行，匹配不同尺寸模孔的模具即可生產(chǎn)出不同截面形狀和多種尺寸規(guī)格的銅線材。

（4）拉拔工藝特別適用于生產(chǎn)細長的金屬線材，線材的斷面尺寸很小可以匹配模具達1mm以下，甚至可以制備銅合金絲材。

（5）塑性變形過程中隨變形量增加，硬度和強度均會隨之有所提高，強度隨變形量增加而增大的加工硬化現(xiàn)象。對于銅及銅合金滋生強度不足的問題，通過室溫拉拔成形過程中的加工硬化可以提升銅合金線材的強度，進一步獲得具有高導電性和高強度的銅合金線材。

四、展望

近些年來銅合金的生產(chǎn)方法得到了前所未有的發(fā)展，我國目前已經(jīng)成為銅合金生產(chǎn)大國，但存在高新產(chǎn)品過少，低端產(chǎn)品過剩的問題。目前，我國科研人員的科研目標仍在銅合金上，當務之急是加大政府對銅合金產(chǎn)業(yè)的支持，加快銅合金自動化的生產(chǎn)及對外來技術的引入和學習，生產(chǎn)出更多高端銅合金產(chǎn)品，有望未來銅合金線材在高端市場上占據(jù)優(yōu)勢。