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高性能铜合金及其应用

高性能铜合金及其应用

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  高性能铜合金是用于引线框架、高铁接触线、火箭发动机燃烧室、核聚变装置、电磁炮等的关键材料之一。纯Cu是除Ag之外导电性和导热性最好的金

  属材料,但纯Cu的强度较低,仅为230~290MPa,难以满足工程部件的性能要求。强度和导电性本质上是相互矛盾的,一般来说提高铜合金强度的方法都会不可避免地对自由电子造成散射,从而降低铜合金的导电性能。协同调控强度和导电性的关系成为高性能铜合金制备的重要研究课题。高强高导铜合金是一类同时具有良好强度和导电性的高性能铜合金,一般要求其强度≥600MPa

  、电导率≥46.40MS/m(80%IACS)。高强高导铜合金工业应用需求较大,应用范围广。

  析出强化型铜合金是引线框架和接触线的主流候选合金体系,析出强化型铜合金的发展可分为3个阶段:

  最早开发的Cu-Fe-P合金是C19120和C19400铜合金。由于Fe-Ni合金的导电性和导热性较差而不能满足需求,Cu-Fe-P合金逐步取代Fe-Ni合金成为新型引线框架材料。Cu-Fe-P合金的抗拉强度为400~600MPa,电导率为34.80~46.40MS/m,属于中强高导铜合金。虽然Cu-Fe-P合金的强度和电导率不是特别突出,但其具有加工性能好、耐腐蚀、抗疲劳及可在大气中熔炼等特点,适用于工业大批量生产。

  Cu-Fe-P合金性能优化主要是通过调控基体的微观组织和析出相的形貌和尺寸。稀土元素的添加可促进Cu-Fe-P合金体系中强化相的析出,使析出相在基体中更加细小和弥散,从而获得良好的强度和导电性结合,并在 一 定 程 度 上 提 高 了 合 金 的 抗 软 化 温 度。

  Cu-Fe-P合金是目前用量最大的引线框架材料,但其强度相对较低、抗软化温度不高且具有磁性,已不能完全满足引线框架用材料的需求。Cu-Ni-Si合金具有理相的强度、较高的抗软化温度以及无磁性等特点,因此具有广阔的市场应用前景。Cu-Ni-Si合金析出相有连续析出和不连续析出,通过晶界迁移形成的不连续析出相往往会对Cu-Ni-Si合金性能产生不良影响,而连续析出相具有明显的强化作用。因此,可通过成分设计和工艺优化来控制Cu-Ni-Si合金中的不连续析出,从而保证合金的优良性能。

  Cu-Cr-Zr系合金是在Cu-Cr二元合金体系基础上发展起来的。Cu-Cr二元合金最大的不足是经过固溶时效处理后,Cr析出相的热稳定性差容易产生过时效,且存在明显的中温脆性问题。Zr的添加能明显细化和球化Cr析出相,而且可形成富Zr相钉扎晶界,提高晶界强度,改善疲劳性能和中温脆性。

  机械处理法是制备高强高导铜合金的常用方法,主要包括熔炼-均匀化-热轧-固溶处理-冷变形-时效处理等一系列工艺,逐渐发展出了等径角挤压、高压扭转、累积叠轧、低温轧制、低温搅拌摩擦、动态塑性变形、旋转模 锻 等 工 艺,制 备 出 一 系 列 性 能 优 异 的 铜 合 金 材料。

  如何通过优化工艺来引入纳米级析出相和纳米孪晶从而达到调控材料的强度和导电性是目前工艺优化的策略之一。

  根据强化机理不同,耐高温铜合金可分为析出强化型和颗粒弥散强化型。合金在高温条件下的软化过程主要与两方面有关:

  其中,回复再结晶对合金的抗软化能力要比析出相粗化影响要大。合金的抗软化性能和合金基体的再结晶过程密切相关。冷变形过程中形成的高密度位错会为析出相提供形核质点使析出相更加细小和弥散,同时也增加了基体回复和再结晶的驱动力。但是,在时效析出过程中,一方面析出相会阻碍位错的运动而延缓回复再结晶;另一方面也会对晶界产生钉扎作用,在一定程度上阻碍再结晶晶粒的长大,延缓再结晶过程。随着时效温度升高,析出相容易粗化,减弱了再结晶的阻碍作用和位错的钉扎作用。因此,如何抑制时效过程中的回复再结晶是提高铜合金抗软化性能的关键。

  耐磨铜合金具有优异的强度、硬度和耐磨性,主要是通过基体中弥散分布的强化相实现的,弥散强化相一般为高温稳定性好和硬度高的颗粒。这些弥散的强化相颗粒常均匀分布在铜基体中,在高温条件也不会明显粗化,利于强度、硬度和耐磨性的提高,同时又不会明显降低电导率。除了常规摩擦磨损,研究者也开展了载流条件下的摩擦磨损研究。在载流条件下,合金的粘着磨损、磨粒磨损和电弧烧蚀是其磨损的主要机制。

  提高铜合金耐磨性常用的方式是在基体中引入纳米级弥散颗粒或微/纳米级双尺度颗粒,在不损害导电性的同时提高其强度和耐磨性。例如在铜合金中原位反应形成具有高熔点、高硬度、良好的耐磨性和热稳定性的TiB2颗粒,制备了TiB2颗粒增强铜基复合材料。由于TiB2颗粒的存在及其与铜基体的良好界面结合使合金的耐磨性显著提高。

  接触导线是电气化铁路接触网的必要组成部分,是保障电气化铁路安全行驶的重要条件,它的作用是将变电所的电能通过与受电弓的滑板的摩擦传递给机车。在室外环境下,接触导线会不断磨损,并且会因为遭受外力冲击、环境腐蚀、电流故障、摩擦生热以及恶劣的天气等因素发生故障, 甚至会导致熔断。正常情况下对接触导线材料的要求为在常温下抗拉强度不低于 600MPa, 导电率不低于 80%IACS,耐磨性不低于 20 年,当下常用高铁的接触线大 致包括:Cu-Ag、Cu-Sn、Cu-Cr-Zr、Cu-Mg 等合 金型接触线。此类接触线材料为耐磨性好、耐高温性能优异的高强度高导电铜合金。

  引线框架是集成电路中的必要组成部分, 它的作用是支撑芯片,使芯片和外界连通,同时为电路工作时的芯片进行散热。目前,根据集成电路发展的需要,要求引线宽度、引线间距和厚度都要减小,这就要求所采用的铜合金材料具有更高的强度。理想的电路铜合金框架材料要求抗拉强度不低于 600MPa,导电率不低于 80%IACS,抗软化温度大于 500℃。当下使用的铜合金包括 Cu-Fe-P、Cu-Cr-Zr、Cu-Ni-Si 和Cu-Ni-Sn 等。

  电接触材料是用于转换电流的重要材料, 一般用于做电器开关的核心部件,作用是负责接通、断开电流。电接触材料的性能对电器开关的接触可靠性以及开关能力有很大影响。目前铜基电接触材料主要是 Cu-Sn 合金,此类合金具有较高的耐磨性。

  一般情况下, 普通电机可使用纯铜作为导条和端环,因为普通电机的转速低、功率小,纯铜以其优异的导电性、耐蚀性和耐热性足以胜任。但纯铜强度较低,利用到转速高、 功率大的轨道交通牵引电机就显得不足了,尤其是安装在地铁牵引电动机上时,在封闭的环境下,必须要使用高强度高导电且耐高温的铜合金。目前 在 这 方 面 使 用 的 铜 合 金 包 括 Cu-Cr、Cu-RE、Cu-Cr-Zr、Cu-Zr-Mg、Cu-Zr-P 和 Cu-Cr-Zr-Mg 等。

  在大推力火箭发动机燃烧室中也有用到高强度高导电铜合金, 高强高导铜合金优异的导热性与易加工性, 再加上本身具备的高强度与高导电性足以保证燃烧室的正常工作。除了 NARloy-Z铜合金(Ag含量 3%,Zr 含量 0.5%), 还有美国新研发的GRCop-84 铜合金(Cr含量 8%,Nb含量 4%) 等。近年来,Cu-Cr-Zr 合金也被用于制造大推力火箭发动机燃烧室,已经在国产某系列火箭上得到实际应用。

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