CuCrZr合金的制备工艺

Cu-Cr-Zr合金的制备工艺

高强高导CwCr-Zr系合金以其出色的综合性能,被广泛的应用f电力、电广、

机械、轨道交通等领域.作为第三代引线框架材料,对铜珞钻系合金而言.其导

电性及强澳都是是理想的,同时其氧化膜的粘接性能也是较好的。因现代的轨道

交通以高速化。安全化为发展趋势,Cu-Cr-Zr系合金也已成为能够满足其性能指

标的首选接触线材之「此外铜珞馅系合金还被用作高炉冷却壁、电阻焊电极、

高速列车大功率异步牵引电机用导条以及连大机结晶器的核心部件。2（）世纪70年

代起，I业发达国家在高性能铜合金开始投入研究9开发，因用途不同，开发「

许多不同牌号的产品,同时生产也实现了商业化,以美国、德国和日本为典型代

表,但让国内尚处广起步阶段，对于不同用途的镭钠铜合金宜采用不同的强化方

式•目前常见的高强高导辂由铜合金的制备工艺包括*固溶时效的热处理、快速

凝固法、冷变形时效热处理法、复合材料法以及机械合金化法等等。

（1）固溶时效热处理法

所谓的固溶强化实际上利用合金元素在铜基体中溶解,使得品格畸变,也就

能够仃效的对位错运动实现阻碍，从而有效的提高合金强度。而固溶体产生过程

中，合金导电性出现下降趋势.利用时效处理方法,分解了过饱和的固溶体,多

数的合金元素也就得到了析出,在铜基体内弥散产生沉淀r,也就是使电导率也

到较人程废的提高.而也由广合金元素出现沉淀析出现象,而使材料发现出较高

的强度°李华清等网经研究得,欲提高Cu-Cr-Zr介金的导电件和硬也时效处理

是非常有要的•环.并指出温度在450C-475c的时效效果最好。它是在研究开

发高强度高导电铜合金的初期和实际生产中普遍采用的方法。但通过这种制备方

法所制得的高强高导铜合金星体中仍固溶•定的合金元素,对材料导电性有定

的影响•高导高强Cu-Cr、Cu-Zr合金是按沉淀强化原理开发出的，Cu-Cr合金特

点表现出强咬、抗磨、硬度、导电率、耐热及导热率都较高的优势，但时效硬化

性大,容易过时效;Cu-Zr合金的特点是具有高的导电性、导热性与耐热性,并具

有良好的抗蠕变性能和优良加I：型能,但时效硬化性差。铜格钻合金则比铜络、

铜密合金具有更佳的综介性能，由尸Zr对Cu・Cr合金时效产生抑制作用,也就使

o■颗粒变大受到影响.因此.将Cr、Zr元素加入,所以基体强化效果得到明显改

善。

（2）冷变形时效热处理法

对冷变形时效热处理法而言，在高强高导的铜合金的制备方式中也让最普遍

的c时效处理前,使合金产生预变形,变形程度对时效处理后介金性能及组织影

响都是较人的。在冷变形处理后，晶体能够出现很多空位和位错现象,使得溶质

原r具有更高的扩散速明也就使得析出第二相的速度加快。也就使得电广运动

过程中，散射作用影响程度较小,因此时效早期,也就导致合金导电率显著增长。

在时效时间推移过程中.合金导电率增长程度出现变缓的趋势。同时随变形量增

大,较短时问中,令金元索析出量也就相应等多,也就出现越纯净的总体,从而

产生更小的电r散射作用,所以,具有更高的导电率.此外,出现更多空位与位

错,也就产生更多使点阵畸变以及内能,因此,对形核与共格强化作用起到促进

作用.同时如具有更大的变形量,也就会出现更多的合金空位及位错等问题，时

效的早期,合金第二相就具有越快的析出速度,也就具有更显著的共格强化效果.

且合金的显微硬度也呈上升的趋势。

（3）快速凝固法

所谓的快速凝固实际上为利用合金熔体快速冷却伫104—106K/s）或开是遏制

非均质形核力.式，使起始的形核过冷度更显著，也可以利用快速移动温陵场保证

在凝固过程中,含金具有生长速率较高的特点（速率纹〜lOOcm/s）R自20世

纪70年代末起，较发达地区都开始研究及开发快速凝固铜合金,在国内则在2（）

世纪90年代才有些的位II概高强高导铜合金对快速凝固铜合金开展「坐研

33目前，应用快速凝固技术已制备了Cu-Zr、Cu-Cr合金。此方法进行合金制备

中.】要特点表现在；①显著细化晶粒；②偏析纤维降低显著,③晶体具有•极变

的缺陷：④新亚稳机结构的产生:⑤时效处理完成后,在铜基体上,具有较显著

增加析出相的态势，且弥散悭度也呈上升的态势,当电导率较小程度下降时，使

存在很大程度上提高了合金强度,同时对合金耐蚀及耐唇特件亦大幅提高。快速

凝固通常采用包括旋铸法、喷射成型法以及超声气体雾化法等,在凝固条带、块

锭及粉末中得到应用。CorreiaJB等收制得的合金粉末尺寸仅为45-90Pm.Cr在

铜中的固溶度高达2.0*%,远远高F其在平衡状态下的坡大固溶度.刘平等呻果

用单轻旋晶法制备的合金Cu-0.25Cr-0.80Zr-0.05Mg,经时效后，可使该介金的硬

改及电导率得到大大的提高.Balawie等।叫采用喷射成形快凝技术与形变热处理技

术相结合，制备「一种高性能的Cii-Cr-Zr介金，其强度为800MPa,电导率也超过

了75%,如此高超的性能远胜于当前的商用和金。

（4）更合材料法

由于合金化法制得的铜合金强度提高幅度有限，当前，复合材料法也就为高强

度1超而强度以及高导电铜合金的新方法,现今研制高导电及高强度铜合金方法包括:

朔性变形、原位反应、原位生长芍复合材料法口其中朔性变形的复合材料方法实际

上为，将合金元素C:r过登的加入到铜内，得到两相复合体，其中过登的元素的形

式是单相的，粒固态合金内其结构为枝晶状口然后大形变堑对合金进行拉伸，转

变枝晶状成纤维的结构，因此合金是纤维增强的复合材料口陈小红等回通过采用

冷拉拔和中间退火相结合的L艺制备出的合金Gl-ncr-2Zr,其强度为950MPa.

电导和超过73GOIACS口而对原位生长复合材料而言，实际上为定向淡固共晶合金，

基体内，完成定向排列纤维状的增强体生成；实际悄况中，一方面午对千包含共

晶成分的，与共晶成分偏离的，且存在包晶或者是偏晶等变化等在内的合金，均

能够通过定向驳闹生长，是终得到增强纤维，农现出排列规则的特点：同时很难控

制制备L艺，合金系选杆也是受限的，因此，通过该方法对高导电及高强度铜合

金制备的研究也仅在起步期U

在集成电路及半导体元器件中，弓I线框架极其关键，其主要功能包含对芯片

支摇，连通芯片和外部电，保证工作的正常散热日实现集成电路耐久及可古店的特

性，在框架材料上，性能要求是比较多的限5口，指标总数超过50个，具体要求农

现在：拉伸强度高，延展及导电导热的性能都较好，且应同硅与蛤料在膨胀系数

上是相似口上述特性，导电、强度及导热性尤为亟要n20世纪60年代早期，世界

上出现了第块的集成电路，可伐合金(Fe-Ni.-Co)也就成了是早引线框架所采用的

材料“70年代起，因Co出现较大程度的价格增长，所以“42"合金(Fe-Ni42)应运而

而该合金仍然具有较高成本口在1970年，美国的奥林公司完成C194铜合金

的研制和生产，从而招铁锦合金沏汰，因但合金的引线框架材料农现出在强度、传

导性及硬度订面的优良特性，而且该合金易千加1_,同时电锻钉焊性也是较好的,

在耐应)J腐蚀开裂性上也是较理想的，同树脂的封装农现出较好的密瑶性同时具

有较低的成本芍气，发展前果非常好，所以，开发和研制铜合金引线框架材料成为

了新热点.现在，世界抡闱中，用千铜引线框架的材料种类超过70个，在集成电

路中，引线框架采用的材料中超过80%选择了Cli-Cr-Zr合金材料，在集成

屯路以高密度化'多功能及微型为大体发展方向，在引线框架应用中，犀度也从

0.25mm降至0.08mm闾,随着引线框架材料在导热、导电及强度上的要求越来越

高，因此件能更为优良的高导高强材料研发是亟需解决的。

现在,生产铜合金引线框架主要国家包括日本、德国、美国及英国等，其中

发展最快的是II本，近期韩国及台湾等地区和国家出现了超越的态势。我国的清

华大学、中南大学、西安交通大学、洛阳1：学院、兴业铜加【集团以及北京有色

金属研究总院等相关机构也开展了较大程陵的研究I分均，且成果也是"贞的,在

产业化上,利用技术改造以及将高精度的薄带轧机的引入和应用，实现r中端的

高导电及高强度铜合金薄带的生产，而成品率以及质量的控制上,仍需要提高.

高端高导电高强度铜引线框架以进口为主要来源。

1.5.2接触线材料

接触线可用作用接馈电线,主要用在电气化的铁路、I：矿及城市交通的电车

中，主要功能为利用和电力机车在电弓沿板的滑动摩擦影响下,与电力机车电流

直接的接触，电流传输时,也要时包括悬挂张力、冲击力、附加力及电弓滑板磨

损等进行承受.所以,接触线材料导电、耐磨、拉伸强度及耐大气腐蚀等性能都

是较好的.在运行电气铁路过程中,以近战、高速及准高速为发展方向,提出对

怒扑张力及接触线载流结的有效加大,保证接触线波动传播速度及隐定性的提高.

实现机车受流质量的有效改善.所以,接触线导电性应是较好的,且抗拉强度、

耐热度、耐腐蚀及耐厝性能等都应较好的到.

在国外，高速铁路上接触线步是高导电及高强度的饱合金,包括银铜、铁铜、

锡铜、珞错铜以及福铜等等。我国研制高导电及高强度铜合金接触线领域存在一

些研究，而产业化则仍要经历相当长的时间.现在铁路部门采取高导及高强铜合

金的接触线来源依然是进口.在国外，高速铁路铜合金接触线相关特性如我1.2所

示.

收1.2国外的岛速铁路普通铜合金的接触线件能和材料

接触线空温的拉isor时软330t时软

导电率

速度伸强度/化拉伸强化拉伸强

/km-/%1ACS

度/

类型国家MPaMPa度/MPa

怨铜德国25039539533796.5

锡铜法国350537.5483407.177.6

镁铜建国33050350346568.1

辂锦铜日本555.578.8

i.53电阻焊屯极材料

通过电阻焊，能够实现上卜两电极压干被焊金属板两侧靠近，在较短时斯中，利

用强大电流，两板间接触电阻的热值也是很高的，高温焊合两金屈板，针对汽车、机

械及家电邻焊接地位也是极其谊要的口在现代T.业的生产过程中P广泛的应用了机械

手及自功焊机，焊接的速度及频中比较高，而在高温及高工的条件中，电阻焊的电极

和上件接触频繁,电极材料农现出强度较高、导电性较好及软化点

窗般格镐铜电极材料具有较高的软化温度，约5001C"

1.5.4结晶器材料

连铸机中，结晶器为枭核心的部分日其上作状态对钢还质呈产生直接影附.

上作状态中，结晶器内次面与固态保护渣以及沸腾钢水接触，