1. 銅及銅合金材料的發(fā)展趨勢

　　分析銅應(yīng)用及開發(fā)的歷史和特點(diǎn)，可以得出這樣的結(jié)論：開發(fā)具有新功能、新特性的新合金，研究新的材料成形技術(shù)，是開發(fā)銅合金材料新的應(yīng)用領(lǐng)域和滿足人類社會可持續(xù)發(fā)展新需求的兩個基本途徑。

　　在傳統(tǒng)的銅及其合金材料體系的基礎(chǔ)上，目前高性能銅合金材料的研究發(fā)展方向主要有四個方面：高純化、微合金化、復(fù)雜多元合金化、復(fù)合材料化。

　　1.1    高純化

　　高純化的主要目的是盡可能地提高材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性。工業(yè)用銅的含銅量由99.90%到99.95%，再到99.99%（4N）甚至更高，如含銅99.9999%（6N）的超純銅，雜質(zhì)含量要求也更加嚴(yán)格。如含氧（O）量由0.01%~0.05%減少到0.001%~0.006%，直至0.0002%~0.0003%。最大限度地減少雜質(zhì)對導(dǎo)電、導(dǎo)熱性的影響。典型應(yīng)用實(shí)例如網(wǎng)絡(luò)傳輸連接導(dǎo)線用高純銅、電真空器件用高純無氧銅、精確制導(dǎo)和高保真信號傳輸及超導(dǎo)體用單晶銅和超純銅等。

　　與多晶銅相比，單晶銅的抗拉強(qiáng)度降低了24.71%，伸長率增加了2.39倍，斷面收縮率增加了4.14倍，電阻率降低了31.7%，小于1.72×10-8Ω·m，其含氧量小于5×10-6，含氫量小于0.5×10-6，密度大于8.92t/m3。

　　銅合金材料向高純化方向發(fā)展的另一方面表現(xiàn)在微合金化銅合金中要求銅合金基體的高純凈化，以保證材料具備更高的綜合性能。

　　1.2微合金化

　　微合金化的目的是犧牲最少的導(dǎo)電導(dǎo)熱性換取其他性能，如強(qiáng)度的大幅度提升等。如加入0.1%左右的鐵（Fe）、鎂（Mg）、碲（Te）、硅（Si）、銀（Ag）、鈦（Ti）、鉻（Cr）或鎬（Zr）、稀土元素等，可以提高其強(qiáng)度、硬度、抗軟化溫度或易切削性等。微合金化銅是當(dāng)前銅合金材料開發(fā)的熱門之一。有氧韌銅和高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金是最主要的微合金化銅。

　　有氧銅的概念是相對無氧銅而言，其銅含量在99.90%以上，相當(dāng)于一般的純銅，但其氧含量控制在0.005%~0.02%，同時可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電率在100%IACS以上。這是因?yàn)檫m量的氧對于晶間的雜質(zhì)元素起到一定的氧化化合作用，在一定程度上凈化了基體。有氧銅生產(chǎn)最大的特點(diǎn)是其原料的低成本化，采用品位不高的紫銅舊料生產(chǎn)相當(dāng)于高導(dǎo)電導(dǎo)熱性能的有氧銅材料。

　　高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金由于其表現(xiàn)出良好的綜合性能，受到了世界各國材料科技工作者的青睞，是近年來發(fā)展最快的一類銅合金。其微合金化加入的元素主要有：P、Fe、Cr、Zr、Ni、Si、Ag、Sn、Al等，具有代表性的合金體系主要有Cu-P、Cu-Fe-P系、Cu- Ni- Si系、Cu- Cr、Cu- Cr- Zr系、Cu- Ag、Cu- Ag – Cr、Cu- Ag - Zr系、Cu- Sn系等，以及各種加稀土的合金體系。合金中其他組元的含量之和最少可以是0.01%~0.1%，最高一般不超過3%。其共同的特點(diǎn)是材料具有高強(qiáng)高導(dǎo)性能。

　　1.3 復(fù)雜多元合金化

　　為了進(jìn)一步改善銅及其合金的強(qiáng)度、耐蝕性、耐磨性及其他性能，或者為了滿足某些特殊應(yīng)用要求，在現(xiàn)有青銅、黃銅等的基礎(chǔ)上添加到五元、六元等多種組元，實(shí)現(xiàn)材料高彈性、高耐磨、高耐蝕、易切削等不同的功能，多組元（四個或四個以上組元）合金化成為銅合金開發(fā)的另一個熱門話題，新的復(fù)雜合金層出不窮。典型的合金有多元錳黃銅、硅錳黃銅、加硼錫黃銅、無鉛易切削銅合金等。其共同特點(diǎn)是高強(qiáng)高韌性，抗拉強(qiáng)度一般可達(dá)600~700MPa以上。例如，新型錳黃銅HMn59-2-1-0.5（Cu：58%~59%、Mn：1.8%~2.2%、Al：1.4%~1.7%、Fe：0.36%~0.65%、Si：0.6%~0.9%、Sn：0.1%~0.4%、Pb：0.3%~0.6%、Zn余量），其控制管的強(qiáng)度達(dá)600MPa以上，伸長率超過20%，硬度HB在180以上。鋁黃銅HAl64-5-4-2（Cu：63.5%~65.5%、Al：4.5%~6.0%、Mn：3.0%~5.0%、Fe：2.0%~3.0%、Pb：0.2%~1.0%、Zn余量），其強(qiáng)度達(dá)到750MPa以上，硬度HB超過220.新型鋁青銅QAl9-5-1-1(Cu：余量、Al：8.0%~10.0%、Ni：4.0%~6.0%、Mn：0.5%~1.5%、Fe：0.5%~1.5%)，其強(qiáng)度為650MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)400MPa，伸長率達(dá)14%以上。應(yīng)用這些材料制造汽車同步器齒環(huán)、高壓泵摩擦副或電極銅楔，其壽命比普通黃銅或青銅制造的要高出一至數(shù)倍。

　　近年來，隨著人們環(huán)保意識的提高，環(huán)保成為世界文明發(fā)展的主題。人們更加關(guān)注鉛、鈹、鎘、砷等有害元素的影響，無鉛易切削黃銅、無鈹高彈性銅合金、無砷耐蝕銅合金等環(huán)境友好銅合金材料的開發(fā)成為銅合金材料的重要發(fā)展方向之一。

　　1.4    復(fù)合材料化

　　銅合金材料方式主要有兩種：一是引入合金元素強(qiáng)化銅基體形成合金；二是引入第二強(qiáng)化相形成復(fù)合材料。如彌散強(qiáng)化無氧銅是典型的人工復(fù)合材料，常用的彌散質(zhì)點(diǎn)有Al2O3、ZrO2、Y2O3、ThO2等。人工復(fù)合材料法是指人工向銅中加入第二相的顆粒、晶須或纖維對銅基體進(jìn)行強(qiáng)化，通過向銅基中引入均勻分布的、細(xì)小的、具有良好熱穩(wěn)定的氧化物顆粒來強(qiáng)化銅而制得的材料。其第二相的組分一般在1%以下甚至更低到0.01%，但對材料的強(qiáng)化作用十分明顯，尤其是大大提高材料的高溫強(qiáng)度。如Cu-2.5%TiB2（體積分?jǐn)?shù)），導(dǎo)電率為76%LACS，抗拉強(qiáng)度為675MPa；Cu-0.5%Al2O3（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）系列合金，材料的溫室強(qiáng)度可達(dá)到500~800MPa，導(dǎo)電率可達(dá)85%LACS以上，在900℃燒氫后材料的強(qiáng)度仍達(dá)到200~400MPa。

　　另一類發(fā)展較快的是原位復(fù)合材料（自生符合材料），原位復(fù)合材料是指在銅基體中，通過元素之間或元素與化合物之間發(fā)生放熱反應(yīng)生成增強(qiáng)體的一類復(fù)合材料。這類復(fù)合材料中的增強(qiáng)體沒有界面污染，與基體有良好的界面相容性，與傳統(tǒng)的人工外加增強(qiáng)體復(fù)合材料相比，其強(qiáng)度有大幅度的提高，同時保持較好的韌性和良好的高溫性能。如Cu-20%Nb（體積分?jǐn)?shù)）復(fù)合材料具有極高的抗拉強(qiáng)度，接近2000Pa；Cu-18%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的導(dǎo)電率為66.6%LACS，抗拉強(qiáng)度為1450MPa。其他如Cu-Fe、Cu-Ta系復(fù)合材料也具有較高的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，材料的強(qiáng)度一般可達(dá)800~1500MPa。

　　2. 銅加工產(chǎn)品分類

　　銅及其合金加工材按其外形分為板材、帶材、箔材、排材、管材、棒材、線材和型材等八種品種（俗稱八大類）。一般來講，當(dāng)帶材的厚度小于0.1毫米時稱為箔材（我國海關(guān)稱厚度小于0.15毫米為箔材），棒材和線材的劃分除了直條和卷盤外，通常將直徑小于5毫米的卷盤狀稱為線材，而以直條供應(yīng)的稱為小棒。

　　狀態(tài)及表示方法

　　加工銅及其合金習(xí)慣上是以軋制或拉拔的冷變形量的大小來規(guī)定和表示其材料的狀態(tài)。對可熱處理的銅合金，為補(bǔ)救這一情況，對外制定了一套標(biāo)準(zhǔn)代碼，對每一種狀態(tài)都作了標(biāo)準(zhǔn)化說明。

　　2.1板帶箔材

　　板帶箔材類產(chǎn)品按照外形尺寸又細(xì)公為板材、帶材、條材和箔材。

　　2.1.1 板材

　　板帶箔材類產(chǎn)品前最后一道軋制狀態(tài)分為熱軋板材和冷軋板材

　　熱軋板材的常用尺寸范圍為：4～150mm(厚度)×200～3000mm(寬度)×500～6000mm長度。冷軋板材的常用尺寸為：0.2～12mm(厚度)×100～3000mm(厚度)×500～6000mm(長度)。

　　板材產(chǎn)品的狀態(tài)包括熱軋態(tài)(R)、軟態(tài)(M)、半硬態(tài)(Y2)、硬態(tài)(Y)、特硬態(tài)(T)和熱處理態(tài)(CS)。

　　帶材

　　2.1.2帶材

　　帶材尺寸范圍為0.05～3mm(厚度)―10～1000mm(寬度)，成卷供貨。帶材產(chǎn)品的狀態(tài)分軟態(tài)(M)、半硬態(tài)(Y2)、硬態(tài)(Y)、特硬度(T)。

　　2.1.3條材(亦稱銅帶)

　　條材厚度介于板材和帶材之間，尺寸范圍一般為：0.2～10mm(厚度)×50～100mm(寬度) ×1500～2000mm(長度)。常用的條材產(chǎn)品有純銅條材、黃銅帶條材、青銅條材等。

　　2.1.4箔材

　　國內(nèi)銅加工箔材指厚度在0.05mm以下的板材和帶材，國外指厚度在0.1m以下的板材和帶材，均屬軋制銅箔(壓延銅箔)，不包括電解銅箔。

　　常用的箔材產(chǎn)品有純銅箔、黃銅箔、青銅箔、白銅箔。

　　箔材尺寸范圍為：0.05～0.1mm(厚度)×40～600mm(寬度)，成卷供貨，長度一般不應(yīng)小于5000mm，其狀態(tài)分軟態(tài)(M)和硬態(tài)(Y)。銅合金箔產(chǎn)品多為硬態(tài)，厚度不大于0.02mm的純銅產(chǎn)品一般也為硬態(tài)。

　　2.2管棒線材

　　管棒線材按照產(chǎn)品形狀細(xì)分為管材、棒材和線材。

　　2.2.1管材

　　管材分為圓形、梯形、三角形、矩形管和方形管，其尺寸范圍為：0.5～360mm(外徑)×0.1～50mm(壁厚)，直條或成卷供貨，產(chǎn)品的狀態(tài)分?jǐn)D制態(tài)(R)、軟態(tài)(M)、輕軟態(tài)(M2)、硬態(tài)(Y)、半硬態(tài)(Y2)、1/3硬態(tài)(Y3)產(chǎn)品。

　　2.2.2棒材

　　棒材分圓形棒、六角棒、方形棒、矩形棒和導(dǎo)形棒，其尺寸范圍為3～120mm(直徑)×500～5000(長度)，直條供貨，產(chǎn)品的狀態(tài)分?jǐn)D制態(tài)(R)、軟態(tài)(M)、鍛造態(tài)(M2)、硬態(tài)(Y)、半硬態(tài)(Y2)、軟時效態(tài)(TF00)、硬時效態(tài)(TF04)產(chǎn)品。

　　2.2.3銅盤條

　　銅盤條是指生產(chǎn)線材的坯料，也稱銅線桿。分光亮桿和黑桿，黑桿由船形錠在橫列式孔型軋機(jī)上熱軋而成，表面氧化嚴(yán)重，現(xiàn)已基本被淘汰。盤條的直徑在6～20mm之間，由連鑄連軋或上引(或水平)連鑄法生產(chǎn)。