高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的新型制備方法與發(fā)展趨勢

黃文學(xué)

（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(qiáng)高導(dǎo)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(yīng)盡快在人力、物力上加大投入，以強(qiáng)化機(jī)制為著手點(diǎn)，在保證導(dǎo)電性不降低的情況下，盡可能把材料的強(qiáng)度提高，對(duì)工藝、技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而把具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金開發(fā)出來。

1 高強(qiáng)高導(dǎo)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(qiáng)度提高，但這樣做往往會(huì)使導(dǎo)電性能降低，且因?yàn)楹辖鹪卦阢~基體中固溶度有限，所以提高強(qiáng)度的難度非常大。如今，快速凝固與銅基復(fù)合材料新型制造技術(shù)，則開辟出了新的途徑，為研究和開發(fā)高強(qiáng)高導(dǎo)性能銅合金指明了方向。

1.1 快速凝固技術(shù)

早在七十年代，西方發(fā)達(dá)國家在制備高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金方面便采取了快速凝固技術(shù)，這一技術(shù)其實(shí)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(jié)構(gòu)特征呈現(xiàn)出來。當(dāng)晶粒細(xì)化，且偏析降低非常突出時(shí)，經(jīng)時(shí)效處理，基體中第二相的彌散、細(xì)化就更加突出，銅合金的強(qiáng)度在高導(dǎo)電性得以保持的基礎(chǔ)上大大提高，同時(shí)合金的耐磨與耐腐蝕性能也得到了有效改善?，F(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(qiáng)高導(dǎo)銅合金方面，快速凝固技術(shù)開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。

1.2 銅基復(fù)合材料新型制造技術(shù)

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

（1）人工復(fù)合材料法。所謂人工復(fù)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(duì)銅基體予以強(qiáng)化，并采取加強(qiáng)自身強(qiáng)度的方式來提升材料強(qiáng)度?，F(xiàn)階段，通過人工復(fù)合制備的氧化物彌散強(qiáng)化銅發(fā)展極其迅速，通過共沉淀法以及內(nèi)氧化法等相關(guān)粉末冶金方式，在銅基體之中引入分布均勻以及細(xì)小的氧化物顆粒。同時(shí)，日本已成功研制除了彌散強(qiáng)化銅合金，并實(shí)現(xiàn)了規(guī)模生產(chǎn)，在高溫軟化溫度方面高于900℃，導(dǎo)電率超過90%IACS。美國采取增加氧化鋁以及錯(cuò)提高銅合金強(qiáng)度，電導(dǎo)率只出現(xiàn)了輕微的降低，通過機(jī)械合金化法在金屬顆粒之中均勻的對(duì)硬質(zhì)粒子予以嵌入，進(jìn)而得到符合粉末，然后利用壓制、燒結(jié)以及擠壓獲取到需要的材料，諸如材料Cu-TiC、Cu-ZrC等?，F(xiàn)階段，國外對(duì)高強(qiáng)高導(dǎo)電銅合金予以開發(fā)的過程中，主要運(yùn)用纖維增強(qiáng)的方式，碳纖維一銅擁有極佳的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、低熱膨脹系數(shù)以及耐磨性能。并且20%石墨纖維增強(qiáng)銅合金已成功用作電觸頭材料。

（2）自生復(fù)合材料法。自主復(fù)合材料主要指的是將合金元素加入到銅當(dāng)中，采取某種工藝讓銅合金內(nèi)部原位出現(xiàn)增強(qiáng)體，進(jìn)而和銅基體共同組成符合材料[2]。就高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金復(fù)合材料法而言，屬于將過量合金元素加入到銅當(dāng)中，以此來得到兩相復(fù)合體，過量元素以晶狀結(jié)構(gòu)位于凝固態(tài)合金之中。然后，對(duì)合金予以大形變量拉伸，讓合金元素枝晶狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成纖維結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使合金轉(zhuǎn)變成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。就此類復(fù)合材料而言，存在著極強(qiáng)的強(qiáng)度與導(dǎo)電性，諸如Cu—Cr、Cu—Fe系。因?yàn)樽陨鷱?fù)合材料在合金構(gòu)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(huì)對(duì)銅基體導(dǎo)電性予以削弱，采取過大變形的方式來提升材料強(qiáng)度?，F(xiàn)階段，銅基體自生復(fù)合材料依然有部分問題，諸如微觀組織結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)化機(jī)制等還需持續(xù)的進(jìn)行探究，并且使用性能也有待進(jìn)一步評(píng)估。

2 發(fā)展趨勢

（1）需要更多地考慮綜合性能。高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金在大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域均具有多項(xiàng)綜合性能，而不只是導(dǎo)電性與強(qiáng)度。針對(duì)引線框架材料來說，不僅要具有高強(qiáng)高導(dǎo)的性能，且耐熱性、耐蝕性以及耐氧化性也必須要好，同時(shí)也還有極強(qiáng)的殘余應(yīng)力、焊接性能、線膨脹系數(shù)和機(jī)加工性。由于銅合金常做導(dǎo)電、導(dǎo)熱用，因而接觸、結(jié)合異種材料或異種金屬的次數(shù)非常頻繁，為此對(duì)銅合金與琺瑯和樹脂等的密合性問題進(jìn)行研究便很有必要，同時(shí)也需進(jìn)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(qiáng)化型合金，諸多與氧親和力極強(qiáng)的合金元素（Zr，Ti，Cr，Si等）均包含其中，除了對(duì)合金電學(xué)性能和力學(xué)性能多加關(guān)注，還需從組織上對(duì)這部分元素對(duì)材質(zhì)表面性能的影響進(jìn)行探討。所以，今后的一項(xiàng)重要課題便是怎樣通過對(duì)合金成分進(jìn)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(chǎn)品生產(chǎn)出來。

（2）產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化趨勢。將高質(zhì)量、低成本的導(dǎo)電銅材提供給工業(yè)部門（電力、電器、機(jī)械制造等）是對(duì)高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金進(jìn)行研制的主要目的。在研究過程中，一項(xiàng)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(duì)市場的選擇，讓產(chǎn)品的性能價(jià)格比趨于合理。雖然常規(guī)合金化法生產(chǎn)的高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金具有有限的強(qiáng)化效果，但卻可以結(jié)合常規(guī)鑄造尤其是連續(xù)鑄造技術(shù)，進(jìn)而將銅合金的生產(chǎn)成本降低，其產(chǎn)品在作為功能材料的同時(shí)，也能夠成為結(jié)構(gòu)材料，將強(qiáng)大的生命力顯示出來。一些新型高強(qiáng)高導(dǎo)銅材，如原位復(fù)合材料等，具有非常高的生產(chǎn)成本，且很難控制工藝，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化往往一時(shí)難以實(shí)現(xiàn)，還需展開深入研究。所以，需對(duì)低成本、具備良好開發(fā)性能、較大市場潛力以及適合規(guī)?；a(chǎn)的高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金做進(jìn)一步開發(fā)。

（3）環(huán)境保護(hù)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(shù)據(jù)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(yán)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(qiáng)高導(dǎo)銅合金的研制與生產(chǎn)也對(duì)環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展日益關(guān)注。長時(shí)間以來，銅及其合金酸洗均采用的是高濃度無機(jī)酸，如H2SO4，HNO3，H2O2等，產(chǎn)生了大量氮氧化物，不僅對(duì)環(huán)境造成了極大污染，也讓操作人員的健康受到嚴(yán)重危害，同時(shí)也易過度腐蝕工件。導(dǎo)致其報(bào)廢，使生產(chǎn)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(jié)語

總之，經(jīng)過多年發(fā)展，國外在高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金研究方面已居于領(lǐng)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(dá)國家還有很大一段距離，研制開發(fā)任務(wù)任重而道遠(yuǎn)?，F(xiàn)階段，在這一領(lǐng)域，我國的研究與生產(chǎn)均較為落后，以內(nèi)氧化法生產(chǎn)的點(diǎn)焊接用Al2O2彌散強(qiáng)化銅來說，部分工業(yè)發(fā)達(dá)國家，如日本等早在十多年前并開始了規(guī)?；a(chǎn)，而我國到現(xiàn)在仍然未有同類產(chǎn)品問世，為此就需加強(qiáng)研制高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金，努力將銅材的性能改善，實(shí)現(xiàn)規(guī)模型產(chǎn)業(yè)化。同時(shí)，還需將我國資源特點(diǎn)結(jié)合起來，進(jìn)一步探究新型高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金，在短時(shí)間內(nèi)將擁有我國獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金體系建立起來。