杜錫勇，徐高磊，余錫孟

（1.紹興市質量技術監(jiān)督檢測院，浙江 紹興 312366；2.浙江力博實業(yè)股份有限公司，浙江 紹興 312050）

銅合金有良好的力學、導熱、導電等綜合性能，是被廣泛應用的有色金屬材料之一。近年來，隨著電氣電子、航空航天、交通運輸、海洋工程等領域的迅速發(fā)展，其核心部件對銅合金的綜合性能、使用壽命、生產效率、綠色制造等方面的要求越來越高[1]。銅鉻系合金是高性能銅合金的典型代表之一。因為具有優(yōu)異的導電性、導熱性、力學性能和高溫性能[2]，銅鉻系合金在電線電纜內導體、高速列車接觸線、大規(guī)模集成電路引線框架材料、電極材料等領域具有廣泛的市場需求，而且市場需求增長迅速。

1 銅鉻系合金的研究現狀

1.1 合金元素對銅鉻系合金的影響規(guī)律

1.1.1 Zr

在銅合金中添加Zr元素，對銅基體的導電性能影響較小，而對力學性能、抗高溫蠕變性能和耐疲勞性能等方面都有積極的作用。

在銅鉻鋯合金中，鋯元素能夠加速鉻元素的偏聚，并促進析出相的析出、有序化進程，還可有效減緩銅鉻鋯合金達到峰時效的進程、減少PFZ（無沉淀析出區(qū)域）的寬度。這是因為鋯元素可與銅、鉻元素形成穩(wěn)定的CuCrZr相，在隨后的時效過程中分解為Cu5Zr相[3]。

1.1.2 Ni、Si、Mg

銅鉻鋯合金中加入Mg元素可抑制析出相的長大，并降低析出相周圍的應力，從而減小析出相的尺寸，提升Cu-Cr-Zr合金的高溫穩(wěn)定性及力學性能。同時，Mg元素可有效防止Zr元素的揮發(fā)氧化。

Cu-Cr-Zr-Ni-Si采用在線固溶+80%冷軋變形+450℃×120min時效后，硬度可達180HV，電導率為81.1%IACS。 加 入 0.41%Ni、0.1%Si的 Cu-0.24Cr-0.12Zr合金中，Ni和Si元素形成了微米級Cr3Si和Cu-Zr-Si-Ni化合物，沒有發(fā)現Ni-Si化合物形成。這降低了細小析出相的形成。析出相主要是Cr相和Cu5Zr化合物[4，5]。

在銅鉻鋯合金中加入Si、Mg元素時，Si、Mg復合微合金化可以提高銅鉻鋯合金的抗拉強度、導電率和最佳時效溫度，延長保溫時間，并減緩時效析出過程。

1.1.3 稀土元素

銅基體中添加微量的稀土元素，可以有效細化銅基體的晶粒尺寸、去除一些有害的雜質元素。Cu-0.8Cr合金中添加0.2%的Y，可提高軟化溫度80℃。添加0.1%稀土元素Dy時，合金的硬度和導電率分別提高了9.9%和0.9%。微量的Ce可以提高銅鉻鋯合金的室溫力學性能和高溫力學性能，但是對其電導率也有一定影響。

1.1.4 Ti元素

銅鉻鋯合金中添加Ti元素，可以提高合金的時效硬化效果、硬度和時效硬化響應速度，并對導電性有一定影響。這是因為Ti元素可以在Cr表面富集，增大析出相的彈性應變能。

Cu-0.55Cr-0.1Ti合金的硬度、電導率和抗拉強度分別為125 HV、72.3%IACS和517 MPa，Cu-0.48Cr-0.21Ti合金的硬度、電導率和抗拉強度分別為126HV、52.3%IACS和523 MPa。

1.1.5 其他元素

添加少量的Ag元素，既可提高合金的硬度，又不會過多影響導電性能。Cu-0.19Cr-0.08Ag合金經過950℃×60min的固溶處理，450℃×120min時效，合金的抗拉強度為365 MPa、導電率為91.3%IACS、伸長率為19%；經過51%拉拔加工變形后，抗拉強度為491MPa、導電率為84.3%IACS。

添加少量的Fe元素，可以顯著提高合金硬度。微量的In元素可以提高合金的軟化溫度和抗拉強度。這是因為添加In元素可細化晶粒。微量的Hf元素會提高銅鉻合金的耐熱溫度，如Cu-0.6Cr-0.15Hf合金的耐熱溫度高于550℃，導電率達80%IACS，硬度達190 HV以上。

1.2 銅鉻系合金的制備技術

1.2.1 銅鉻系合金的熔鑄技術

目前，銅鉻系合金主要是在真空狀態(tài)下進行熔鑄的。這是因為熔鑄銅鉻系合金時，鋯、鉻等元素容易揮發(fā)。銅鉻鋯合金非真空熔煉時，利用木炭和石墨將銅液表面進行覆蓋，并添加銅鋯中間合金，可降低燒損；使用鎂砂坩堝則可提高元素的收得率。另外，由于碳元素會與鉻、鋯元素發(fā)生反應，在熔煉銅鉻鋯合金時，宜采用氧化鋯、氧化鎂等耐火材料的坩堝，不宜采用石墨坩堝。

1.2.2 銅鉻系合金形變熱處理的研究

形變熱處理對銅鉻系合金組織性能有比較大的影響，是提高銅鉻系合金性能比較有效的途徑之一。Cu-0.22Cr-0.05Zr-0.05Sn合金經過940℃的高溫固溶，保溫l h后，冷加工至變形率為96%，然后在經過時效溫度400℃，保溫4 h的處理后，得到的合金抗拉強度為400 MPa，電導率為84%IACS。二級時效也可提高銅鉻系合金的性能。其原理是通過二級時效，增加位錯密度，位錯與溶質原子產生交互作用，增加強化效果。銅鉻鋯合金采用二級時效工藝后，提高了合金的強度及軟化溫度，同時對合金的電導率影響較小。

1.2.3 銅鉻系合金大塑性加工變形的研究

采用等通道角擠壓（ECAP）的大塑性變形工藝后，Cu-0.89Cr-0.06Zr合金得到顯著強化。這是因為大塑性變形使晶粒細化而引入大量位錯的。在固溶溫度1020℃保溫20min＋ECAP＋425℃時效處理后，Cu-0.8Cr-0.08Zr合金晶粒尺寸降低至200nm～300nm，硬度可達185HV，導電率達71%IACS。

銅鉻鋯合金的硬度、導電率和軟化溫度隨著ECAP道次的增加而增加。Cu-0.4Cr合金進行ECAP8道次的變形，其軟化溫度約為500℃，硬度為152 HV，導電率為86.4%IACS。

銅鉻合金的強度隨著大塑性加工變形量的增加而增加，達到極大值后趨于穩(wěn)定；而導電性能則會相應不斷降低。前期合金強度不斷增加的原因是在合金變形過程中出現的界面共格化。合金導電性能降低的原因是大塑性變形增加了界面密度，及元素穿越界面的互溶對電子散射作用的增強。

2 銅鉻系合金的應用

2.1 電線電纜內導體

航空航天、醫(yī)療器械等領域的電線電纜內導體大多采用高性能銅合金絲材。此類導體的要求具有較高的導電率、在規(guī)定的伸長率下具有高的抗拉強度、良好的抗疲勞性能、良好的高溫耐熱性和耐磨性、良好的性能連續(xù)性和穩(wěn)定性、優(yōu)異的加工性、可焊接性和可鍍性以及終端接頭的連接性。

BS EN 2083：2001《電纜用銅和銅合金導體航天系列制品標準》規(guī)定：導體由高導電退火的韌銅或者銅合金的股線絞制而成；銅導體的拉強度大于350MPa，導電率大于70%IACS，伸長率大于6%；股線鍍層的厚度對于銀要求不低于1微米，對于鎳要求不低于1.3微米。

銅鉻鎘合金絲在500℃加熱并保持5000秒后，抗拉強度為330MPa左右，最細線徑可以達0.0031mm，在10×106載荷循環(huán)下疲勞強度為205 MPa，彎曲性能為純銅的20倍，高溫蠕變性能也超過普通的銅包鋼線。

2.2 軌道交通用接觸線

軌道交通用接觸線是電氣化鐵路弓網關系的關鍵部件之一，其性能直接影響高速列車的行車安全。同時，由于接觸線工作環(huán)境惡劣，這對其力學性能、導電性能、耐磨性能等均提出了更高的要求。

隨著高速鐵路對安全性、速度等方面要求的持續(xù)提高，對接觸線的性能指標也隨之提高。當前采用的銅銀、銅錫、銅鎂等合金系列的指標基本已達到了其相應合金體系的上限，而銅鉻系合金卻可以滿足高速列車對接觸線產品的要求。軌道交通接觸線用銅合金的性能指標如表1所示。

表1 不同接觸線銅合金的性能指標

2.3 引線框架銅合金帶

引線框架銅合金帶在半導體集成電路中起到支撐芯片、連接電路、保護元件和散發(fā)熱量等作用。目前對引線框架銅合金帶的板形、厚度及其公差、力學性能、導電性能、耐高溫性能、和殘余應力等綜合性能提出更高的要求。引線框架用銅合金的性能如表2所示。

表2 常用引線框架材料及其性能

3 結論

銅鉻系合金是重要的有色金屬材料之一，在裝備制造業(yè)、航空航天、電子通訊、電氣化軌道交通等行業(yè)都具有重要的應用。Zr、Ni、Si、Mg、Ti等合金元素對銅鉻系合金的組織、性能有較大的影響。目前，銅鉻系合金的產業(yè)化制造技術主要是半連續(xù)真空熔鑄、熱加工、冷加工相結合的三段式傳統(tǒng)加工方法。