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(jī)學(xué)院材料學(xué)院

一、銅合金的性質(zhì)及應(yīng)用

（一）銅合金簡(jiǎn)介

銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性、耐腐蝕性、耐磨性等性質(zhì)，其導(dǎo)電性能僅次于金屬銀，被廣泛應(yīng)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(gòu)成的合金。目前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的銅合金有，Cu-W合金，Cu-Al合金，Cu-Cr合金，Cu-Ag合金等；在國(guó)際銅合金市場(chǎng)上流通有百余種高強(qiáng)高導(dǎo)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(yīng)用

銅合金具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，是電纜電線(xiàn)的主要材料，銅電線(xiàn)和電纜被用于國(guó)家電網(wǎng)的制造及升級(jí)，直徑小的銅線(xiàn)被用于汽車(chē)電控系統(tǒng)、通訊、耳機(jī)、線(xiàn)路板、高鐵導(dǎo)線(xiàn)等。

銅鋁合金中，銅具有更高的抗電遷移能力、抗應(yīng)力遷移能力和更低的電阻，可以解決鋁導(dǎo)線(xiàn)所存在的缺陷。鎢銅復(fù)合材料具有很好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性與硬度，廣泛應(yīng)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(dǎo)電導(dǎo)熱性，主要用于制備高強(qiáng)度、高電導(dǎo)率要求的產(chǎn)品，同時(shí)，Cu-Cr合金還可以作為一種耐磨材料，應(yīng)用在夾鉗、螺栓、軸承中等零件的制備中。高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金應(yīng)用于電力裝備領(lǐng)域、連接器插件領(lǐng)域、新能源領(lǐng)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(guò)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(yīng)用最多，其優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備布置以水平分布為主，安裝、維修等維護(hù)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(xiàn)坯；連鑄過(guò)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(jìn)行后續(xù)成形。對(duì)熔煉、鑄造技術(shù)的發(fā)展和裝備的更新改造、對(duì)熔煉與鑄造產(chǎn)品質(zhì)量、工序管理都應(yīng)當(dāng)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(jié)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(guò)對(duì)具備一定形狀、密度以及粒度的粉末材料進(jìn)行特殊處理，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成精度、強(qiáng)度、性能較高的相應(yīng)材料。新出現(xiàn)的機(jī)械合金化法、熱壓成型法、噴射沉積法、放電等離子燒結(jié)法等新型粉末冶金方法也逐漸得到應(yīng)用。

三、銅合金線(xiàn)材成型工藝

鑄造銅合金不能進(jìn)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(xué)性能優(yōu)異的變形銅合金產(chǎn)品，尤其是變形銅合金線(xiàn)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(jìn)行擠壓，即在擠壓前將坯料加熱到金屬的再結(jié)晶溫度以上的某個(gè)溫度下進(jìn)行的擠壓。銅及銅合金在擠壓溫度下應(yīng)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(yīng)該根據(jù)銅合金的熔點(diǎn)絕對(duì)溫度、晶體結(jié)構(gòu)、塑性變形條件來(lái)綜合考慮設(shè)定，結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行擠壓工藝參數(shù)優(yōu)化。中北大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研究了錫磷青銅的擠壓成型，通過(guò)控制溫度，加熱方式和保溫時(shí)間來(lái)對(duì)將錫青銅進(jìn)行擠壓成型，對(duì)成品進(jìn)行組織性能測(cè)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：在720℃的試樣成型后的組織性能較好，塑性指標(biāo)、可旋性最好；780℃時(shí)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(shí)間越長(zhǎng)，其硬度和強(qiáng)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(dòng)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(xiàn)材產(chǎn)品。大連交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研究了連續(xù)擠壓工藝對(duì)銅扁線(xiàn)產(chǎn)品組織性能影響，得出以下結(jié)論：隨模腔通道長(zhǎng)度增加，抗拉強(qiáng)度和硬度分別降低；隨擠壓輪轉(zhuǎn)速的提高，產(chǎn)品出口的實(shí)際溫度升高，晶粒尺寸逐漸增大；抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低均有所降低，硬度和延伸率均降低；擠壓比對(duì)產(chǎn)品出口實(shí)際溫度的影響程度最大。擠壓比增加時(shí)，產(chǎn)品出口實(shí)際溫度出現(xiàn)明顯提升，抗拉強(qiáng)度和硬度均降低，但擠壓比過(guò)大時(shí)晶粒容易發(fā)生明顯長(zhǎng)大[3]。

（三）拉拔成形

拉拔成形是生產(chǎn)線(xiàn)材的主要方法，其主要工藝過(guò)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?？仔∮诓牧蠑嗝婷娣e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(duì)而言，反而是強(qiáng)度不足，且耐熱性能較差，因此，銅合金線(xiàn)材生產(chǎn)通常是室溫條件下進(jìn)行，即冷拉拔。

應(yīng)用拉拔來(lái)進(jìn)行金屬材料線(xiàn)材生產(chǎn)具有以下特點(diǎn)：

（1）線(xiàn)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(yùn)用塑性變形拉拔工藝可以減少金屬材料經(jīng)由機(jī)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(shè)備要求不高，在多數(shù)學(xué)校、研究所即工廠(chǎng)企業(yè)中的萬(wàn)能拉伸機(jī)上即可進(jìn)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(xiàn)材。

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

（5）塑性變形過(guò)程中隨變形量增加，硬度和強(qiáng)度均會(huì)隨之有所提高，強(qiáng)度隨變形量增加而增大的加工硬化現(xiàn)象。對(duì)于銅及銅合金滋生強(qiáng)度不足的問(wèn)題，通過(guò)室溫拉拔成形過(guò)程中的加工硬化可以提升銅合金線(xiàn)材的強(qiáng)度，進(jìn)一步獲得具有高導(dǎo)電性和高強(qiáng)度的銅合金線(xiàn)材。

四、展望

近些年來(lái)銅合金的生產(chǎn)方法得到了前所未有的發(fā)展，我國(guó)目前已經(jīng)成為銅合金生產(chǎn)大國(guó)，但存在高新產(chǎn)品過(guò)少，低端產(chǎn)品過(guò)剩的問(wèn)題。目前，我國(guó)科研人員的科研目標(biāo)仍在銅合金上，當(dāng)務(wù)之急是加大政府對(duì)銅合金產(chǎn)業(yè)的支持，加快銅合金自動(dòng)化的生產(chǎn)及對(duì)外來(lái)技術(shù)的引入和學(xué)習(xí)，生產(chǎn)出更多高端銅合金產(chǎn)品，有望未來(lái)銅合金線(xiàn)材在高端市場(chǎng)上占據(jù)優(yōu)勢(shì)。