铜合金发展趋势及分类

1. 铜及铜合金材料的发展趋势
　　分析铜应用及开发的历史和特点，可以得出这样的结论：开发具有新功能、新特性的新合金，研究新的材料成形技术，是开发铜合金材料新的应用领域和满足人类社会可持续发展新需求的两个基本途径。
　　在传统的铜及其合金材料体系的基础上，目前高性能铜合金材料的研究发展方向主要有四个方面：高纯化、微合金化、复杂多元合金化、复合材料化。
　　1.1 高纯化
　　高纯化的主要目的是尽可能地提高材料的导电、导热性。工业用铜的含铜量由99.90%到99.95%，再到99.99%(4N)甚至更高，如含铜99.9999%(6N)的超纯铜，杂质含量要求也更加严格。如含氧(O)量由0.01%~0.05%减少到0.001%~0.006%，直至0.0002%~0.0003%。最大限度地减少杂质对导电、导热性的影响。典型应用实例如网络传输连接导线用高纯铜、电真空器件用高纯无氧铜、精确制导和高保真信号传输及超导体用单晶铜和超纯铜等。
　　与多晶铜相比，单晶铜的抗拉强度降低了24.71%，伸长率增加了2.39倍，断面收缩率增加了4.14倍，电阻率降低了31.7%，小于1.72×10-8Ω·m，其含氧量小于5×10-6，含氢量小于0.5×10-6，密度大于8.92t/m3。
　　铜合金材料向高纯化方向发展的另一方面表现在微合金化铜合金中要求铜合金基体的高纯净化，以保证材料具备更高的综合性能。
　　1.2微合金化
　　微合金化的目的是牺牲最少的导电导热性换取其他性能，如强度的大幅度提升等。如加入0.1%左右的铁(Fe)、镁(Mg)、碲(Te)、硅(Si)、银(Ag)、钛(Ti)、铬(Cr)或镐(Zr)、稀土元素等，可以提高其强度、硬度、抗软化温度或易切削性等。微合金化铜是当前铜合金材料开发的热门之一。有氧韧铜和高强高导铜合金是最主要的微合金化铜。
　　有氧铜的概念是相对无氧铜而言，其铜含量在99.90%以上，相当于一般的纯铜，但其氧含量控制在0.005%~0.02%，同时可以实现导电率在100%IACS以上。这是因为适量的氧对于晶间的杂质元素起到一定的氧化化合作用，在一定程度上净化了基体。有氧铜生产最大的特点是其原料的低成本化，采用品位不高的紫铜旧料生产相当于高导电导热性能的有氧铜材料。
　　高强高导铜合金由于其表现出良好的综合性能，受到了世界各国材料科技工作者的青睐，是近年来发展最快的一类铜合金。其微合金化加入的元素主要有：P、Fe、Cr、Zr、Ni、Si、Ag、Sn、Al等，具有代表性的合金体系主要有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，以及各种加稀土的合金体系。合金中其他组元的含量之和最少可以是0.01%~0.1%，最高一般不超过3%。其共同的特点是材料具有高强高导性能。
　　1.3 复杂多元合金化
　　为了进一步改善铜及其合金的强度、耐蚀性、耐磨性及其他性能，或者为了满足某些特殊应用要求，在现有青铜、黄铜等的基础上添加到五元、六元等多种组元，实现材料高弹性、高耐磨、高耐蚀、易切削等不同的功能，多组元(四个或四个以上组元)合金化成为铜合金开发的另一个热门话题，新的复杂合金层出不穷。典型的合金有多元锰黄铜、硅锰黄铜、加硼锡黄铜、无铅易切削铜合金等。其共同特点是高强高韧性，抗拉强度一般可达600~700MPa以上。例如，新型锰黄铜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)，其控制管的强度达600MPa以上，伸长率超过20%，硬度HB在180以上。铝黄铜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)，其强度达到750MPa以上，硬度HB超过220.新型铝青铜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%)，其强度为650MPa，屈服强度达400MPa，伸长率达14%以上。应用这些材料制造汽车同步器齿环、高压泵摩擦副或电极铜楔，其寿命比普通黄铜或青铜制造的要高出一至数倍。
　　近年来，随着人们环保意识的提高，环保成为世界文明发展的主题。人们更加关注铅、铍、镉、砷等有害元素的影响，无铅易切削黄铜、无铍高弹性铜合金、无砷耐蚀铜合金等环境友好铜合金材料的开发成为铜合金材料的重要发展方向之一。
　　1.4 复合材料化
　　铜合金材料方式主要有两种：一是引入合金元素强化铜基体形成合金;二是引入第二强化相形成复合材料。如弥散强化无氧铜是典型的人工复合材料，常用的弥散质点有Al2O3、ZrO2、Y2O3、ThO2等。人工复合材料法是指人工向铜中加入第二相的颗粒、晶须或纤维对铜基体进行强化，通过向铜基中引入均匀分布的、细小的、具有良好热稳定的氧化物颗粒来强化铜而制得的材料。其第二相的组分一般在1%以下甚至更低到0.01%，但对材料的强化作用十分明显，尤其是大大提高材料的高温强度。如Cu-2.5%TiB2(体积分数)，导电率为76%LACS，抗拉强度为675MPa;Cu-0.5%Al2O3(质量分数)系列合金，材料的温室强度可达到500~800MPa，导电率可达85%LACS以上，在900℃　　烧氢后材料的强度仍达到200~400MPa。
　　另一类发展较快的是原位复合材料(自生符合材料)，原位复合材料是指在铜基体中，通过元素之间或元素与化合物之间发生放热反应生成增强体的一类复合材料。这类复合材料中的增强体没有界面污染，与基体有良好的界面相容性，与传统的人工外加增强体复合材料相比，其强度有大幅度的提高，同时保持较好的韧性和良好的高温性能。如Cu-20%Nb(体积分数)复合材料具有极高的抗拉强度，接近2000Pa;Cu-18%(质量分数)的导电率为66.6%LACS，抗拉强度为1450MPa。其他如Cu-Fe、Cu-Ta系复合材料也具有较高的室温强度和高温强度，材料的强度一般可达800~1500MPa。
　　2. 铜加工产品分类
　　铜及其合金加工材按其外形分为板材、带材、箔材、排材、管材、棒材、线材和型材等八种品种(俗称八大类)。一般来讲，当带材的厚度小于0.1毫米时称为箔材(我国海关称厚度小于0.15毫米为箔材)，棒材和线材的划分除了直条和卷盘外，通常将直径小于5毫米的卷盘状称为线材，而以直条供应的称为小棒。
　　状态及表示方法
　　名称 采用的汉字及汉字拼音 代号
　　汉字 汉语拼音
　　热加工 热 RE R
　　退火(焖火) 焖(软) MEN M
　　淬火 淬 CUI C
　　淬火后冷轧(冷作硬化) 粹、硬 CUI YING CY
　　淬火(自然时效) 硬、自 CUI XI CZ
　　淬火(人工时效) 淬、时 CUI SHI CS
　　硬 硬 YING Y
　　3/4硬、1/2硬、1/3硬、1/4硬 硬 YING Y1、Y2、Y3、Y4
　　特硬 特 TE T
　　淬火后冷轧、人工时效 淬、硬、时 CUI YING SHI CYS
　　热加工、人工时效 热、时 RE SHI RS
　　淬火、自然时效，冷作硬化 淬、自、硬 CUI ZI YING CZY
　　淬火、人工时效、冷作硬化 淬、时、硬 CUI SHI YING CSY
　　加工铜及其合金习惯上是以轧制或拉拔的冷变形量的大小来规定和表示其材料的状态。对可热处理的铜合金，为补救这一情况，对外制定了一套标准代码，对每一种状态都作了标准化说明。
　　2.1板带箔材
　　板带箔材类产品按照外形尺寸又细公为板材、带材、条材和箔材。
　　2.1.1 板材
　　板带箔材类产品前最后一道轧制状态分为热轧板材和冷轧板材
　　热轧板材的常用尺寸范围为：4～150mm(厚度)×200～3000mm(宽度)×500～6000mm长度。冷轧板材的常用尺寸为：0.2～12mm(厚度)×100～3000mm(厚度)×500～6000mm(长度)。
　　板材产品的状态包括热轧态(R)、软态(M)、半硬态(Y2)、硬态(Y)、特硬态(T)和热处理态(CS)。
　　带材
　　2.1.2带材
　　带材尺寸范围为0.05～3mm(厚度)―10～1000mm(宽度)，成卷供货。带材产品的状态分软态(M)、半硬态(Y2)、硬态(Y)、特硬度(T)。
　　2.1.3条材(亦称铜带)
　　条材厚度介于板材和带材之间，尺寸范围一般为：0.2～10mm(厚度)×50～100mm(宽度) ×1500～2000mm(长度)。常用的条材产品有纯铜条材、黄铜带条材、青铜条材等。
　　2.1.4箔材
　　国内铜加工箔材指厚度在0.05mm以下的板材和带材，国外指厚度在0.1m以下的板材和带材，均属轧制铜箔(压延铜箔)，不包括电解铜箔。
　　常用的箔材产品有纯铜箔、黄铜箔、青铜箔、白铜箔。
　　箔材尺寸范围为：0.05～0.1mm(厚度)×40～600mm(宽度)，成卷供货，长度一般不应小于5000mm，其状态分软态(M)和硬态(Y)。铜合金箔产品多为硬态，厚度不大于0.02mm的纯铜产品一般也为硬态。
　　2.2管棒线材
　　管棒线材按照产品形状细分为管材、棒材和线材。
　　2.2.1管材
　　管材分为圆形、梯形、三角形、矩形管和方形管，其尺寸范围为：0.5～360mm(外径)×0.1～50mm(壁厚)，直条或成卷供货，产品的状态分挤制态(R)、软态(M)、轻软态(M2)、硬态(Y)、半硬态(Y2)、1/3硬态(Y3)产品。
　　2.2.2棒材
　　棒材分圆形棒、六角棒、方形棒、矩形棒和导形棒，其尺寸范围为3～120mm(直径)×500～5000(长度)，直条供货，产品的状态分挤制态(R)、软态(M)、锻造态(M2)、硬态(Y)、半硬态(Y2)、软时效态(TF00)、硬时效态(TF04)产品。
　　2.2.3铜盘条
　　铜盘条是指生产线材的坯料，也称铜线杆。分光亮杆和黑杆，黑杆由船形锭在横列式孔型轧机上热轧而成，表面氧化严重，现已基本被淘汰。盘条的直径在6～20mm之间，由连铸连轧或上引(或水平)连铸法生产。