陳興章,

(1.上海市有色金屬學(xué)會(huì), 上海 200070; 2.中鋁上海銅業(yè)有限公司, 上海 200940)

高端銅材發(fā)展謅議

陳興章1,方守誼2

(1.上海市有色金屬學(xué)會(huì), 上海200070;2.中鋁上海銅業(yè)有限公司, 上海200940)

分析了高端銅材(高性能銅材)在電線(xiàn)電纜、電子電氣、交通運(yùn)輸、新能源和空調(diào)冷凍等傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域以及可再生能源、水產(chǎn)、抑菌表面、電力驅(qū)動(dòng)和地震能量耗散等新興應(yīng)用方面的需求.概述了發(fā)展高端銅材的技術(shù)途徑：高純化、微合金化、復(fù)合多元化、材料復(fù)合化以及短流程加工、復(fù)合強(qiáng)化和快速凝固等技術(shù).最后提出了高端銅材產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)的11項(xiàng)參考建議.

高端銅材; 應(yīng)用領(lǐng)域; 技術(shù)途徑; 產(chǎn)品研發(fā)

0 前 言

銅是一種古老而又現(xiàn)代的金屬,在人類(lèi)社會(huì)生活中應(yīng)用極為廣泛.銅具有的獨(dú)特性質(zhì)：優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、抑菌性、耐腐蝕性、可成型性、易于制成合金、可循環(huán)利用和美學(xué)外觀(guān)等,使銅成為人類(lèi)文明和發(fā)展進(jìn)程中密不可分的一部分.目前為止,似乎還沒(méi)有一種單質(zhì)或合金態(tài)金屬能像銅一樣具有如此眾多的實(shí)用特性.

銅的這些獨(dú)特性質(zhì),通過(guò)科學(xué)研究,經(jīng)過(guò)加工制成各種品種、規(guī)格的銅及銅合金材,廣泛應(yīng)用于電線(xiàn)電纜、電子電氣、空調(diào)冷凍、交通運(yùn)輸和新能源等領(lǐng)域.

從世界范圍看,應(yīng)用銅和銅合金材主要性能的占比約為:導(dǎo)電性64%,耐蝕性23%,強(qiáng)度12%,裝飾性1%.全球每年約2 200萬(wàn)t銅的終端用途為:電力線(xiàn)纜16%、建筑線(xiàn)纜13%、磁力線(xiàn)纜11%、銅管9%、合金棒7%、設(shè)備7%、鑄件7%、銅6%、合金板材6%、汽車(chē)3%、裸線(xiàn)3%、電子/數(shù)據(jù)3%以及其他9%[1].

目前,世界銅材的發(fā)展以美、日、德等銅加工發(fā)達(dá)國(guó)家為代表.銅加工企業(yè)在20世紀(jì)末期已基本完成了優(yōu)勝劣汰、兼并重組的整合進(jìn)程,建立了跨國(guó)集團(tuán)并進(jìn)行全球化經(jīng)營(yíng).

中國(guó)是世界銅材生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó).2009年以來(lái),銅材產(chǎn)能產(chǎn)量增速至今未減,年均增長(zhǎng)率約達(dá)7%[2].據(jù)有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì),中國(guó)銅材產(chǎn)量2012年為1 101.37萬(wàn)t,2013年1—10月為1 194.90萬(wàn)t,同比增長(zhǎng)22.31%,2013年底達(dá)1 200萬(wàn)t.在國(guó)家整體下調(diào)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度的形勢(shì)下,銅材產(chǎn)量仍依慣性有較高增長(zhǎng).盡管如此,國(guó)產(chǎn)銅材仍不能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)市場(chǎng),尤其是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的需求,每年需耗巨額外匯進(jìn)口.2012年,我國(guó)進(jìn)口銅材66.86萬(wàn)t,其中:箔材27.58萬(wàn)t、板帶材12.47萬(wàn)t、絲材17.11萬(wàn)t和管材1.95萬(wàn)t.誠(chéng)然,我國(guó)銅材亦有出口,2012年出口量為49.31萬(wàn)t,其中:箔材18.92萬(wàn)t、管材16.18萬(wàn)t、板帶材2.73萬(wàn)t和絲材1.83萬(wàn)t.我國(guó)出口的箔材為電解銅箔,內(nèi)外螺紋精密銅管是主要的管材出口品種,而進(jìn)口的箔材為壓延銅箔和高精電解銅箔,進(jìn)口的板帶材為高精銅板帶.要提及的是:銅材噸產(chǎn)品出口創(chuàng)匯和噸產(chǎn)品進(jìn)口耗匯相差很大.以電子銅箔產(chǎn)品為例,噸出口創(chuàng)匯6 860美元,噸進(jìn)口耗匯11 780美元,均價(jià)差額4 920美元.

我國(guó)進(jìn)口的銅材均為高性能銅材.這一現(xiàn)實(shí)表明:我國(guó)雖為銅材生產(chǎn)大國(guó),但并非銅材強(qiáng)國(guó).努力發(fā)展高端銅材,盡快改變銅材不適應(yīng)市場(chǎng)需求和高端銅材主要依賴(lài)進(jìn)口的局面,是擺在銅加工產(chǎn)業(yè)和科技工作者面前的一項(xiàng)重要任務(wù).

1 應(yīng)用領(lǐng)域需求分析

1.1 傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域

1.1.1 電線(xiàn)電纜

電線(xiàn)電纜的主要功能是電能傳送、信息傳遞以及電磁能量的轉(zhuǎn)換.電線(xiàn)電纜中絕大多數(shù)的導(dǎo)電線(xiàn)芯和大部分電纜的護(hù)套都是由銅和鋁等導(dǎo)電金屬材料制成,其中銅是最主要的導(dǎo)電金屬.數(shù)據(jù)/信號(hào)傳輸?shù)你~線(xiàn)纜具有更寬的寬帶以及更低的能耗,更易于安裝和連接.銅還能共用一根線(xiàn)纜傳輸電力和數(shù)據(jù),從而簡(jiǎn)化數(shù)字娛樂(lè)、通信、計(jì)算、安全設(shè)備與高速網(wǎng)絡(luò)的連接.電線(xiàn)電纜行業(yè)的銅消耗量占銅總消耗量的64%左右.與電線(xiàn)電纜行業(yè)相關(guān)的銅和銅合金材制品主要包括銅桿、銅線(xiàn)、銅帶、銅鋁、銅鋼雙金屬線(xiàn)和型(排)材等,這些銅材廣泛用于電線(xiàn)電纜、電力電纜、通信電纜(包括光纖電纜)以及繞組線(xiàn)等線(xiàn)纜制造.

電線(xiàn)電纜領(lǐng)域應(yīng)用的高端銅材主要是:電纜鎧裝用厚度及寬度偏差小、卷重大和導(dǎo)電率高的純銅帶(俗稱(chēng)“電纜帶”);護(hù)套用高強(qiáng)度復(fù)雜黃銅帶;高鐵線(xiàn)路用銅銀、銅錫銀、銅鎘、銅鉻鋯、銅鎂合金接觸線(xiàn)及銅包鋼復(fù)合接觸線(xiàn).

1.1.2 電子電氣

電子、電氣領(lǐng)域應(yīng)用的高端銅材包括:電真空器件用高純無(wú)氧銅和彌散強(qiáng)化無(wú)氧銅和撓性印刷電路板等用壓延銅箔;集成電路引線(xiàn)框架用銅合金帶(Cu-Fe-P系列高導(dǎo)電銅合金、中導(dǎo)電中強(qiáng)度銅合金,Cu-Ni-Si系列、Cu-Cr-Zr系列固溶時(shí)效強(qiáng)化型銅合金.后者強(qiáng)度≥600 MPa,導(dǎo)電率≥80 %IACS,滿(mǎn)足超大、甚大規(guī)模集成電路發(fā)展需求)[3].

1.1.3 交通運(yùn)輸

良好的耐海水腐蝕性能使許多銅合金成為船舶制造的標(biāo)準(zhǔn)材料.

在鎳為主要合金元素的銅合金(白銅)基礎(chǔ)上,加入鋅、錳、鋁和鐵等制成的鋅白銅、錳白銅、鋁白銅和鐵白銅材料,具有較高的力學(xué)性能、優(yōu)良的耐腐蝕性能和抗氧化性能.在大氣、淡水和海水中有很高的耐蝕性,在堿性鹽溶液和有機(jī)化合物溶液中的耐蝕性也很好,鹵素和CO2在室溫下對(duì)白銅幾乎不起作用.用白銅合金制造的耐蝕導(dǎo)管等,被大量應(yīng)用于艦船上,特別是用于大型軍艦和大噸位船舶使用的大口徑薄壁海水管道的制造.

在汽車(chē)制造方面,銅及銅合金用于散熱器、制動(dòng)系統(tǒng)管路、液壓裝置、齒輪、軸承、剎車(chē)摩擦片、配電和電力系統(tǒng)、墊圈以及各種接頭、配件和飾件等.變速器同步器是各類(lèi)汽車(chē)變速的關(guān)鍵部件,其齒環(huán)材料多采用高強(qiáng)度、耐磨的復(fù)雜黃銅合金(Cu-Mn-Si系列多元復(fù)雜黃銅、Cu-Al系列復(fù)雜鋁黃銅).該類(lèi)合金具有高的耐磨、耐蝕和耐沖擊能力,熱塑性?xún)?yōu)良,易于切削加工.近年來(lái),QSn6.5-0.1、QSn8-0.3等錫青銅以及部分高性能銅合金(如C19400、C10500)被逐步應(yīng)用于高端汽車(chē)的電器、電子系統(tǒng).

1.1.4 新能源

太陽(yáng)能光伏銅帶是太陽(yáng)能光伏電池組件所需的導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料,要有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,較小的寬度、厚度偏差,表面平整光潔且易于涂覆處理(光伏銅帶鍍錫、光熱銅帶鍍黑鉻).

1.1.5 空調(diào)冷凍

空調(diào)器和冷凍機(jī)的控溫作用主要通過(guò)熱交換器銅管的蒸發(fā)及冷凝作用實(shí)現(xiàn).熱交換傳熱管的尺寸和傳熱性能,在很大程度上決定了空調(diào)機(jī)和制冷裝置的效能和小型化.空調(diào)器和冷凍機(jī)采用的銅管是高導(dǎo)熱性異型管.利用銅優(yōu)良的導(dǎo)熱特性和良好的加工性能,開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)帶有內(nèi)槽和高翅片的散熱管,用于空調(diào)器、冷凍機(jī)、化工及余熱口收集裝置的熱交換器制造,可使新型熱交換器的總熱傳導(dǎo)數(shù)大幅提高,是釆用光銅管的2～3倍,采用低翅銅管的1.2～1.3倍.

1.2 新興應(yīng)用領(lǐng)域

除了上述傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域,一些新興應(yīng)用領(lǐng)域也將為高端銅材打開(kāi)全新的市場(chǎng),每個(gè)領(lǐng)域也都需要改進(jìn)和開(kāi)發(fā)新的以銅為基礎(chǔ)的技術(shù),制備符合使用要求的銅材.

1.2.1 可再生能源

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)需要銅材來(lái)傳輸電力、接地、制造開(kāi)關(guān)和控制系統(tǒng)元件.海底系統(tǒng)也得益于銅合金對(duì)生物淤積和腐蝕的耐受力.銅與相應(yīng)材料(PCM)的組合已經(jīng)證明能夠提升太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的導(dǎo)電能力.

1.2.2 水產(chǎn)

海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖銅合金網(wǎng)箱能夠解決捕魚(yú)業(yè)面臨的重大問(wèn)題.使用合成材料和抗淤積涂層制造的傳統(tǒng)網(wǎng)箱,在使用數(shù)月后會(huì)覆蓋海洋生物;而銅合金網(wǎng)箱使用多年后也不會(huì)產(chǎn)生淤積,無(wú)需清理或更換,使魚(yú)類(lèi)更健康,從而提高魚(yú)的生長(zhǎng)速度.另外,銅合金結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度也足以有效防止捕食者的進(jìn)攻和魚(yú)群的逃跑.

1.2.3 抑菌表面

銅接觸表面能夠抑制有害微生物的生長(zhǎng),同時(shí)減少病毒傳播的機(jī)會(huì).在保健機(jī)構(gòu)和公共場(chǎng)所,經(jīng)常接觸人體的醫(yī)療設(shè)備用銅表面能夠抵抗細(xì)菌,減少醫(yī)院傳染,包括危險(xiǎn)的抗藥性生物傳染.此外,銅還能防止霉菌在加熱、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)中產(chǎn)生氣味,影響空氣質(zhì)量和系統(tǒng)效率.

1.2.4 電力驅(qū)動(dòng)

汽車(chē)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正朝著高端工藝、緊湊和高效的方向發(fā)展.電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電池、電氣控制、再充電插頭和引腳、電機(jī)和熱管理系統(tǒng)等均用到銅材.電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)需要電力設(shè)施進(jìn)行變革,銅材的使用將有益于此.

1.2.5 地震能量耗散

地震會(huì)損壞建筑、內(nèi)部設(shè)施以及使用者.使用銅基裝置,可以隔離建筑結(jié)構(gòu)與地面的移動(dòng),或吸收地震能量,限制建筑物的移動(dòng),從而控制上述危害.這一新的應(yīng)用領(lǐng)域利用了超高彈性銅合金以及精煉銅的塑性變形性能.

2 發(fā)展高端銅材的技術(shù)途徑

在傳統(tǒng)銅及銅合金材技術(shù)體系的基礎(chǔ)上,發(fā)展高端銅材的技術(shù)途徑主要有高純化、微合金化、復(fù)雜多元合金化、材料復(fù)合化和新型加工技術(shù)等五個(gè)方面[4].

2.1 高純化

高純化的主要目的在于盡可能地提高銅材的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能.工業(yè)用銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為99.90%～99.95%.銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到99.99%(4N),甚至99.999 9%(6N)的超純銅,銅中雜質(zhì)含量要求就更嚴(yán)格.如銅中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.01%～0.05%降低到0.001%～0.005%,直至0.000 02%～0.000 03%,最大限度地減少了雜質(zhì)氧對(duì)銅導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的影響.典型的高純銅產(chǎn)品有:網(wǎng)絡(luò)傳輸連接導(dǎo)線(xiàn)用高純銅、電真空器件用高純無(wú)氧銅、超導(dǎo)體用單晶銅和超純銅.與多晶銅相比,單晶銅的電阻率降低了31.7%(≤1.72×10-8Ω·m),氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<5×10-4%,氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<0.5×10-4%,密度>8.92 g/cm3,強(qiáng)度下降24.71%,伸長(zhǎng)率增加2.39倍,斷面收縮率增加4.14倍.

2.2 微合金化

微合金化的目的是以犧牲最小的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,換取其他性能的明顯提升.在純銅中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%左右的鐵、鎂、碲、硅、銀、鈦、鉻、鋯或稀土元素,可提高銅合金材料的強(qiáng)度、硬度和抗軟化溫度等.有氧韌銅和高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金是最主要的微合金化銅及銅合金.

有氧韌銅是相對(duì)于無(wú)氧銅而言的,其銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.90%以上,與一般純銅一致,氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.005%～0.020%,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電率100 %IACS.

高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金因其良好的綜合性能,受到世界各國(guó)材料科技工作者的青睞,是近年來(lái)發(fā)展最快的一類(lèi)新型銅合金.其微合金化加入的元素主要有磷、鐵、鉻、鋯、鎳、硅、銀、錫和鋁等,代表性合金體系主要有Cu-P、Cu-Fe-P、Cu-Ni-Si、Cu-Cr/Cu-Cr-Zr、Cu-Ag/Cu-Ag-Cr/Cu-Ag-Zr、Cu-Sn,以及加入稀土的銅合金.微合金化銅合金的其他組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和一般為0.1%～3.0%.

2.3 復(fù)雜多元銅合金化

為進(jìn)一步改善銅和銅合金的強(qiáng)度、耐蝕性、耐磨性及其他性能,或者為了滿(mǎn)足某些特殊應(yīng)用要求,在現(xiàn)有青銅、黃銅和白銅等合金的基礎(chǔ)上,添加多種組元,實(shí)現(xiàn)材料的高彈性、高耐磨、高耐蝕和易切削等性能.4個(gè)或4個(gè)以上的多組元合金化成為銅合金開(kāi)發(fā)的另一個(gè)熱門(mén)課題.典型的多元復(fù)雜銅合金有:多元錳黃銅、硅錳黃銅、加硼錫黃銅和無(wú)鉛易切削銅合金等.這些多元復(fù)雜銅合金的共同特點(diǎn)是強(qiáng)度高(材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)600～700 MPa)、韌性好.這類(lèi)銅材常用于制造汽車(chē)同步器齒環(huán)、高壓油泵摩擦副或電極銅楔,其使用壽命比普通銅材高.

近年來(lái),隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),銅合金制品中的鉛、鈹、鎘和砷等元素受到關(guān)注,涉及應(yīng)用銅材的制品包括:食品器械、衛(wèi)浴器具和飲水管道等.從而導(dǎo)致了無(wú)鉛易切削黃銅和無(wú)鈹高彈性銅合金和無(wú)砷耐蝕銅合金等環(huán)保型銅合金材料的開(kāi)發(fā)熱潮.

2.4 材料復(fù)合化

銅合金材料強(qiáng)化的主要方式,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.彌散強(qiáng)化無(wú)氧銅是典型的人工復(fù)合材料,常用的彌散強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn)包括Al2O3、SiO2、ZrO2、Y2O3和ThO2等.人工復(fù)合材料制備方法,是指人為地向銅中加入第二相顆粒、晶須或纖維對(duì)銅基體進(jìn)行強(qiáng)化.質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%～1.00%的第二相組分,對(duì)銅基體的強(qiáng)化作用已十分明顯,尤其是大幅提升材料的高溫強(qiáng)度.如Cu-0.5%Al2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)500～800 MPa,導(dǎo)電率達(dá)85 %IACS以上,經(jīng)過(guò)900 ℃燒氫后的強(qiáng)度仍可達(dá)200～400 MPa.

另一類(lèi)發(fā)展較快的銅材是銅基原位復(fù)合材料(自生復(fù)合材料).銅基原位復(fù)合材料是指在銅基體中,通過(guò)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(lèi)復(fù)合材料.這類(lèi)復(fù)合材料中的增強(qiáng)體沒(méi)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)度有大幅提高,同時(shí)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)合材料具有近2 000 MPa的強(qiáng)度;Cu-18%Nb(質(zhì)量分?jǐn)?shù))復(fù)合材料的導(dǎo)電率為67 %IACS,抗拉強(qiáng)度達(dá)1 450 MPa.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,通常室溫強(qiáng)度可達(dá)800～1 500 MPa.

2.5 新型加工技術(shù)

銅及銅合金材料的制備工藝、銅合金的成分和結(jié)構(gòu)、銅合金的性質(zhì),是決定銅及銅合金使用性能的三大基本要素.新型制備工藝的研究是目前銅加工研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容.新型加工方式的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,既對(duì)銅及銅合金新材料的研究開(kāi)發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化有重要作用,同時(shí)也可以有效地改進(jìn)和提高傳統(tǒng)銅合金材料的使用性能,對(duì)傳統(tǒng)銅合金材料的升級(jí)起引領(lǐng)作用.銅及銅合金加工領(lǐng)域的新型加工方式主要包括:短流程加工技術(shù)、復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)和快速凝固技術(shù)等.

2.5.1 短流程加工技術(shù)

由于銅資源短缺,價(jià)格久高不下,加之銅材生產(chǎn)工藝技術(shù)和裝備比較落后,加工成材率偏低,導(dǎo)致銅材生產(chǎn)成本較高,銅材產(chǎn)品價(jià)貴,造成不少下游產(chǎn)業(yè)尋求替代材料.然而,現(xiàn)階段銅材的被替代是非常有限的.因此,大力開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用短流程工藝技術(shù),是銅加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的特征之一.它有助于降低銅材的制造成本,提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.

熔煉鑄錠→熱加工→冷加工是傳統(tǒng)經(jīng)典的三段式銅材加工工藝路線(xiàn).熔鑄、坯錠加熱和熱加工工序的設(shè)備投資大,工序能耗高,環(huán)境污染較重,工序成本占加工總成本的比例很高.

銅加工短流程工藝路線(xiàn)的核心是采用連續(xù)鑄造或連鑄連軋的方式直接生產(chǎn)用于冷加工的坯料(包括板帶材的帶坯、實(shí)心盤(pán)圓或空心管坯),替代傳統(tǒng)工藝中的立式鑄造→加熱→熱加工工序,實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減污、提高成品率和生產(chǎn)效率的目標(biāo).銅加工短流程工藝是確保產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境友好、節(jié)省能源和減少建設(shè)投資的創(chuàng)新工藝.發(fā)展短流程工藝是銅加工業(yè)的重要技術(shù)發(fā)展方向.

銅加工短流程工藝最成功的范例是美國(guó)最先興起的銅線(xiàn)桿連鑄連軋工藝和中國(guó)的內(nèi)螺紋空調(diào)銅管鑄軋生產(chǎn)技術(shù).當(dāng)前,銅加工短流程工藝正在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展并產(chǎn)業(yè)化.目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的銅加工短流程生產(chǎn)工藝還有:

(1) 上引法連續(xù)鑄造技術(shù).除用于無(wú)氧銅或純銅坯料生產(chǎn)外,已拓展到低合金(銀銅、鎂銅等)產(chǎn)品的生產(chǎn).

(2) 水平連續(xù)鑄造技術(shù).可生產(chǎn)帶卷坯料和棒、型、線(xiàn)材坯料.連鑄品種包括錫磷青銅、鋅白銅、黃銅帶坯及其棒、管坯.采用潛流聯(lián)體爐為主的水平連鑄機(jī)列可以生產(chǎn)無(wú)氧或低氧銅帶坯.采用電磁攪拌技術(shù)后,帶坯結(jié)晶組織改善,表面質(zhì)量提高,石墨結(jié)晶器使用壽命延長(zhǎng).

(3) 連續(xù)擠壓技術(shù).在上世紀(jì)70年代被提出后,其中的Conform連續(xù)擠壓法是目前應(yīng)用最廣、工業(yè)化程度最高的連續(xù)擠壓方法.近年來(lái),國(guó)內(nèi)的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、設(shè)備制造單位與銅加工企業(yè)合作,進(jìn)一步發(fā)展了連續(xù)擠壓技術(shù),特別是實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展連續(xù)擠壓的技術(shù)創(chuàng)新,形成了以上引法銅線(xiàn)桿為坯料的銅及銅合金棒、型、線(xiàn)材及帶坯生產(chǎn)新技術(shù).目前,中國(guó)銅加工連續(xù)擠壓技術(shù)和裝備的應(yīng)用為世界領(lǐng)先.

(4) 管材盤(pán)管式生產(chǎn)法.該生產(chǎn)法已成為我國(guó)銅管材的代表性先進(jìn)技術(shù),其中空調(diào)器用高效散熱內(nèi)螺紋銅管生產(chǎn)技術(shù)已走在世界前列.國(guó)內(nèi)銅盤(pán)管生產(chǎn)技術(shù)的特點(diǎn)是管坯生產(chǎn)方式的多樣化,有大錠熱擠壓-高速軋管法、水平連鑄-行星軋制法和上鑄(又稱(chēng)上引)-軋管法.這三種方法均已產(chǎn)業(yè)化,可適應(yīng)不同的投資和生產(chǎn)規(guī)模.

2.5.2 復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)

根據(jù)各成分在復(fù)合材料中的分布不同,復(fù)合材料分為層狀復(fù)合材料和分散復(fù)合材料.

層狀復(fù)合材料是各組元材料自成一個(gè)或幾個(gè)整體,組元之間以界面接合方式復(fù)合成一體的材料,因而也稱(chēng)接合性復(fù)合材料.傳統(tǒng)的層狀復(fù)合材料有銅-銅合金、銅-銀、銅-鋁、銅-鐵以及銅與其他非金屬材料(陶瓷、有機(jī)高分子材料等)復(fù)合的材料.材料形態(tài)有銅板帶材的層層復(fù)合、銅管棒材的包覆等.早期的銅基復(fù)合材料主要采用層狀復(fù)合技術(shù),用不同厚度的純銅與錫青銅或者銀與錫青銅板材,通過(guò)爆炸方式將兩者復(fù)合成一體,形成層狀復(fù)合板坯,然后軋制加工成復(fù)合帶材產(chǎn)品.這樣的銅復(fù)合材料利用了基體(材料的較厚部分)的強(qiáng)度,同時(shí)獲得了較好的導(dǎo)電性能(材料的較薄部分).但此種復(fù)合加工方式的生產(chǎn)效率較低,產(chǎn)品質(zhì)量較差,材料卷重受到較大限制;而且復(fù)合過(guò)程危險(xiǎn)性大,操作人員安全難以保障,已基本退出了歷史舞臺(tái).后期的銅基復(fù)合材料主要采用冷壓延復(fù)合方式進(jìn)行(簡(jiǎn)稱(chēng)“冷復(fù)”),即采用大加工率的壓延(軋制)方法,將兩種不同厚度的材料復(fù)合在一起,然后進(jìn)行后續(xù)加工制成帶材成品.復(fù)合軋制前,基材表面需經(jīng)清洗處理,復(fù)合后進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火,三個(gè)工序在線(xiàn)鏈接,形成現(xiàn)今銅基復(fù)合材料的板帶式冷復(fù)合生產(chǎn)線(xiàn).

采用層狀復(fù)合方式生產(chǎn)的銅基板帶復(fù)合材料,主要有銅與銅合金、銀與銅或銅合金復(fù)合材料,主要應(yīng)用于有特殊要求的電氣觸頭.層狀復(fù)合材料的另一用途是制造流通硬幣,銅-鎳-銅層狀復(fù)合材料是良好的造幣材料.管棒線(xiàn)復(fù)合材料則主要采用包覆的方式.例如,在鋁質(zhì)線(xiàn)桿或鋼質(zhì)線(xiàn)桿外包覆一層純銅帶,然后進(jìn)行拉拔加工制成復(fù)合線(xiàn)材,用于通信電纜制作.銅包鋁線(xiàn)纜或銅包鋼線(xiàn)纜利用“集膚效應(yīng)”,實(shí)現(xiàn)節(jié)銅、增強(qiáng)和降本.

分散復(fù)合材料是指一種或一種以上的材料(強(qiáng)化相)分散在另一種材料(基體)之中的一類(lèi)復(fù)合材料.根據(jù)強(qiáng)化相形態(tài)的不同,又細(xì)分為顆粒彌散強(qiáng)化復(fù)合材料、晶須強(qiáng)化復(fù)合材料和纖維強(qiáng)化復(fù)合材料.根據(jù)強(qiáng)化材料(顆粒或纖維)是被直接加入基體還是在基體中通過(guò)反應(yīng)(化學(xué)反應(yīng))生成的不同,分為摻入型復(fù)合材料(亦稱(chēng)人工復(fù)合材料)和原位復(fù)合材料(亦稱(chēng)生成復(fù)合材料).

2.5.3 快速凝固技術(shù)

快速凝固技術(shù)是通過(guò)合金熔體的快速冷卻(冷卻速度≥104～106 K/s)或非均質(zhì)形核的被抑制形成很大的起始形核過(guò)冷度或通過(guò)快速移動(dòng)的溫度場(chǎng)作用,使合金發(fā)生高生長(zhǎng)速率(≥1～100 cm/s)凝固的技術(shù)[5].運(yùn)用快速凝固技術(shù)制備新型銅合金材料,是選用低平衡固溶度的合金元素加入銅基體中,通過(guò)快速凝固方式獲得過(guò)飽和固溶體,然后通過(guò)時(shí)效處理使合金元素以細(xì)小的彌散相均勻析出,使材料強(qiáng)化,導(dǎo)電率提高.快速凝固的銅合金組織結(jié)構(gòu)與常規(guī)熔鑄的鑄錠有明顯差異,主要有:(1) 晶粒細(xì)化.快速凝固的鑄錠晶粒細(xì)而均勻,呈微晶狀態(tài),晶粒尺寸為0.1～10.0 μm;(2) 合金元素在銅基體中的固溶度擴(kuò)展;(3)成分偏析減少.在快速凝固的合金中,可能形成某些亞穩(wěn)相,同時(shí)保留較多的點(diǎn)缺陷.

快速凝固銅合金的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為開(kāi)發(fā)新型高性能銅合金材料提供了極具吸引力的新技術(shù).應(yīng)用快速凝固技術(shù),可以提高某些合金元素在銅基體中的固溶度,時(shí)效過(guò)程中獲得大量細(xì)小且均勻的析出相,在形成彌散強(qiáng)化作用的同時(shí),獲得更高的導(dǎo)電性能.

3 高端銅材產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)建議

銅及銅合金加工材是有色金屬材料的重要組成部分,屬工業(yè)性基礎(chǔ)性原材料.高端銅材對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)和新興產(chǎn)業(yè),特別是電子、信息和網(wǎng)絡(luò)等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步有著十分重要的支撐作用.

根據(jù)筆者的膚淺認(rèn)識(shí),提出以下高端銅材產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)方向建議,供參考.

(1) 開(kāi)展以降低銅材制造成本為目標(biāo)的生產(chǎn)工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用推廣.包括:銅廢料的回收凈化利用技術(shù);高端銅材制備可加入回收銅原料的最大量;發(fā)揮銅的卓越性質(zhì)、滿(mǎn)足使用性能要求的銅材最低銅含量范圍;采用和改進(jìn)銅材生產(chǎn)的短流程工藝等.

(2) 提升現(xiàn)有銅材品種的綜合性能,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn),增加產(chǎn)品技術(shù)附加值,提高使用可靠性,擴(kuò)大產(chǎn)品應(yīng)用范圍.

(3) 研究銅材在先進(jìn)的大規(guī)模、分布式系統(tǒng)中的用途和使用要求.如太陽(yáng)能集中發(fā)電,風(fēng)能發(fā)電,海浪和洋流發(fā)電,太陽(yáng)能光伏發(fā)電,余熱回收,海水淡化以及地?zé)崮茉O(shè)備或接地設(shè)備等.

(4) 開(kāi)發(fā)生產(chǎn)適應(yīng)相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域變化及降低制造成本要求的銅材.如空調(diào)系統(tǒng)變化要求的能承受3.86 MPa工作壓力和相當(dāng)于3倍工作壓力的爆破壓力的黃銅或銅制多孔扁管;用于飲用水的壁厚0.3 mm的銅管;用于太陽(yáng)能集熱部件的厚0.12 mm銅板等.

(5) 開(kāi)發(fā)生產(chǎn)為撓性印刷電路板、新能源(鋰離子電池)、電子高頻屏蔽以及石墨烯制造配套的高精度寬幅表面處理壓延銅箔[6-7].

(6) 開(kāi)發(fā)高強(qiáng)高導(dǎo)銅材、環(huán)保銅材、海洋工程銅材、新一代引線(xiàn)框架銅帶及其制備技術(shù).

(7) 開(kāi)發(fā)銅基復(fù)合材料制備工藝技術(shù),研制和生產(chǎn)銅基復(fù)合材料.

(8) 開(kāi)發(fā)銅及銅合金異型材,滿(mǎn)足特殊使用要求,減少終端產(chǎn)品的加工,降低終端產(chǎn)品制造成本,節(jié)約昂貴的銅資源.

(9) 探索研發(fā)抑菌銅材產(chǎn)品,用于高危環(huán)境中接觸頻繁的表面.

(10) 探索研發(fā)高導(dǎo)電性銅材,使導(dǎo)電率提高130%以上,同時(shí)保持加工成導(dǎo)線(xiàn)的能力,使其在室溫下也可以“超導(dǎo)”.

(11) 調(diào)查、探索和研發(fā)高技術(shù)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出的高性能銅及銅合金材.

[1]鐘衛(wèi)佳,馬可定,吳維治,等.銅加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[K].北京:冶金工業(yè)出版社,2007.

[2]中國(guó)有色金屬工業(yè)年鑒編輯委員會(huì).中國(guó)有色金屬工業(yè)年鑒2012[K].中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì),2012.

[3]劉平,任鳳章,賈淑果,等.銅合金及其應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[4]劉平,趙冬梅,天保紅,等.高性能銅合金及其加工技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005.

[5]張瑞豐,沈?qū)幐? 快速凝固高強(qiáng)度高導(dǎo)電銅合金的研究和展望[J].材料科學(xué)與工程,2001,19(1):143-147.

[6]趙京松. 壓延銅箔的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].銅加工,2013,131(3):11-13 .

[7]李嘵敏.我國(guó)壓延銅箔的生產(chǎn)與消費(fèi)[J].上海有色金屬,2010,31(3):124-127 .

DevelopmentEvolutiveDirectionofHigh-endCopperProduct

CHENXing-zhang1,FANGShou-yi2

(1.NonferrousMetalsSocietyofShanghai,Shanghai200070,China;
2.ChinalcoShanghaiCopperCo.,Ltd.,Shanghai200940,China)

Analysis the high-end copper′s (high performance copper)demand in the traditional application fields including wire and cable,electronic and electrical,communication and transportation,new energy,air conditioning refrigeration etc.And new emerging areas including renewable energy,aquatic product,antibacterial surface,electric drive,seismic energy dissipative in addition.Expounding the technological approaches to develop the high-end copper: high purity,micro alloying,composite copper alloying,multiple materials,short flow processing,composite reinforcement,rapid set etc.Put forward 11 items suggestion about the high-end copper products technology research and development in the end.

high-end copper; application area; technological approaches; product research

1005-2046(2014)01-0001-06

2013-12-11

陳興章(1942-),男,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事有色金屬材料研發(fā)生產(chǎn)及科技管理.E-mail:cxzhang222@126.com.

TG146.1+1

A