蘇華光

(上海電纜研究所有限公司 特種電纜技術國家重點實驗室，上海 200093)

0 引 言

1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應，用電磁感應原理制成發(fā)電機，從此人類進入了電器應用時代，各種實用電器紛紛涌現(xiàn)。特別是近五十年來，隨著新產(chǎn)業(yè)、新技術的發(fā)展，導體銅及銅合金的品種增加擴大，得到了大量應用，加工技術也不斷進步。用于導體的銅及銅合金已占銅總產(chǎn)量的60%～80%，是銅材料主要的應用產(chǎn)品。本文對導體銅及銅合金的主要應用場合、加工工藝、開發(fā)方向等進行了較全面的論述，對導體銅及銅合金行業(yè)的加工、應用和開發(fā)有一定的指導和參考價值。

1 銅導電率

盡管用于導體的銅占了主導地位，但作為一種基礎導電材料，其主要的導電性能指標一百年來未有變化。1913年，國際退火銅標準確定：采用密度為8.89 g·cm-3，長度為 1 m，質(zhì)量為1 g，電阻為0.153 28 Ω的退火銅線作為測量標準。在 20 ℃情況下，上述退火銅線的電阻系數(shù)(電阻率)為 0.017 241 Ω·mm2·m-1(或電導率為58.0 MS·m-1)時，國際標準退火銅線確定為 100%IACS，其他任何材料的導電率(%IACS)可用下式進行計算(在進行換算時單位必須統(tǒng)一為國際單位制)：

導電率(%IACS)=0.017 241/ρ×100%

(1)

式中：ρ為材料電阻率，Ω·mm2·m-1。

導電材料品種有很多，但銅始終是一種主要的導電材料，其他導電材料都以銅的導電性作為比對。

在所有導電材料中，純銅導體的用量最大，銅合金的品種最多，新的應用場景帶動了銅及銅合金的發(fā)展，擴大了其用量和使用范圍。

傳統(tǒng)的銅導體應用，如電線電纜、銅排、帶、箔和銅繞組線等，占據(jù)了銅總用量的60%以上，是主要的用銅市場。這些傳統(tǒng)的常規(guī)應用，對銅材的性能沒有特別的要求，這也導致了銅材導電率一百多年不變。

2 銅及銅合金的創(chuàng)新應用

隨著技術的進步及新產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，增加了銅及合金的應用需求，領引了銅及合金新產(chǎn)品的開發(fā)。特別是近五十年，由于冶煉、加工技術和裝備的進步，開發(fā)了上百種導體銅及銅合金新品種，上千種規(guī)格的產(chǎn)品系列材料用于新的產(chǎn)業(yè)中。

2.1 純銅導體的高端應用

純銅導體的純度越來越高，含銅量從99.90%、99.95%的常用材料，提高到99.99%、99.999%、99.999 9%、99.999 99%、99.999 999%，可滿足特定的應用。含氧量越來越低，常用的低氧銅氧含量在0.005%～0.040%之間，無氧銅氧含量在0.002 0%、0.001 0%以下，降低至0.000 5%以下，降低至0.000 1%以下。高純銅和低氧銅每提高一級純度，成本也隨之提高。此外，純銅導體的導電率和延伸率獲得了提升，電導率可達103%，延伸率可達60%。在某些特殊的應用場景(如高音頻線、變壓器用銅帶、電子用銅箔、線等)，均須用到該材料。

2.2 銅合金的主要應用場合

銅合金的品種規(guī)格多，但應用總量比純銅導體少很多，導體用銅合金用量不超過100萬噸，雖然銅合金用量少，但銅合金具有強度高等優(yōu)點，是不可缺少的應用材料。銅的導電性能好，但其強度較低。根據(jù)金屬電子理論，銅的電導率與電子的自由程度成正比，為了獲得最大的電導率，就必須減少雜質(zhì)散射，但是所有的強化方法都會增加雜質(zhì)，產(chǎn)生雜質(zhì)散射，進而又會降低銅合金的導電性能[1]。通常需要在純銅導電率的基礎上損失部分導電率才能滿足這些性能。下面介紹一些用量較大，有代表性的應用場合。

2.2.1 接觸網(wǎng)用銅合金

隨著高鐵技術的發(fā)展，接觸網(wǎng)用銅合金線已被大規(guī)模地開發(fā)應用。已經(jīng)被應用的銅合金產(chǎn)品有銅銀、銅錫、銅鎂等，加工后的產(chǎn)品性能穩(wěn)定，質(zhì)量優(yōu)良。用于350 km·h-1的銅鎂接觸網(wǎng)導線，其強度可達530 MPa以上，導電率可達65%IACS以上[2]。

2.2.2 引線框架用銅合金

引線框架材料主要用于半導體元器件和集成電路的封裝，起支撐芯片、連接外部電路、散失熱量的作用。引線框架銅合金產(chǎn)品有近100個品種，按合金系劃分主要有銅-鐵、銅-鉻、銅-鐵-磷、銅-鎳-硅、銅-鉻-鋯5大系列；按性能可分為高導電、高強度、中強度、中導電等系列[3-5]。銅合金導電性能、散熱性好，成本低，與塑封配合性好，適應塑封要求。目前，70%的框架材料為銅合金。銅-鐵-磷系合金是引線框架材料的主體,約占引線框架材料的80%，該材料已實現(xiàn)國產(chǎn)化，其電導率(IACS)達到60%以上，強度達到480 MPa以上[6]。

2.2.3 航空航天用銅合金

銅鉻、銅錫、銅鉻鋯等是航空航天常用的合金，具有耐高溫、強度高等性能。耐高溫合金在裝備制造業(yè)、航空航天、電子通信、電氣化軌道交通等行業(yè)具有廣泛的應用。

BS EN 2083：2001《電纜用銅和銅合金導體航天系列制品標準》中規(guī)定：銅鉻鎘合金絲在500 ℃加熱并保持5 000 s后，抗拉強度約為330 MPa，最細線徑可以達0.031 mm，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。

2.2.4 網(wǎng)絡通信用銅合金

通信用銅合金主要有銅錫、銅銀、銅鈹?shù)群辖鹁€、帶材、箔材，要求具有高強度、高導性和耐疲勞，或具有優(yōu)良的光電性能及電子發(fā)射等性能，如光電倍增極用Cu-2.7Be板、帶材[7]。

2.2.5 汽車用銅合金

汽車用銅量較大，但主要用作結構件(如散熱器、軸套等)，用作導體的相對較少，而新能源汽車上用作導體的銅大量增加，以純銅為主，主要用于電機、電池及控制系統(tǒng)。銅合金主要有黃銅、青銅、銅-鉻和銅-鎳-硅等，汽車制造焊接還用到彌散銅電極。

2.2.6 機器人電纜用銅及銅合金

機器人電纜用銅及銅合金導體除了用到純銅導體外，還有銅-銀、銅-錫等合金，要求產(chǎn)品具有高導性、高強度、耐疲勞等性能，100萬次彎曲后能保持導通,如銅-銀合金線，強度達350 MPa以上，導電率達98%以上，延伸率達12%以上，單線絞制成股線導體[8]。

2.2.7 接插件用銅合金

目前接插件用銅合金主要有黃銅、錫磷青銅(C5210Cu-8%Sn-0.1%P)、科森合金(Cu-Ni-Si)、鈹青銅(C172 Cu-2%Be)、鈦青銅(C199 Cu-3%Ti)、鋅白銅、鐵磷青銅、銅鉻鋯合金。按性能可分為：高強度合金、中強度合金、低強度合金等。

接插件用銅合金要求產(chǎn)品具有面表硬度高、耐磨性好、彈性高、抗氧化或抗電弧等性能。

2.3 按功能分類的銅合金

按銅合金功能來分，可分為：①高導、高強合金，如CuFeP合金 、Cu-Cr系合金、CuNiSi系合金、Al2O3彌散強化銅合金；②高彈性合金，如鈹青銅(C172 Cu-2%Be)；③高耐磨合金，如錫磷青銅(C5210Cu-8%Sn-0.1%P)；④耐高溫、耐疲勞合金，如銅銀合金、銅鉻鋯合金、Al2O3彌散強化銅合金；⑤磁性銅合金，如銅鐵合金[9]；⑥耐腐蝕合金，如白銅(含9.0%～11.0%Ni、1.0%～1.5%Fe、0.5%～1.0%Mn、余量為Cu，相當于C70600合金)、鋅黃銅等。為了滿足各種特殊性能，開發(fā)了各式各樣的銅合金導體產(chǎn)品，可滿足不同的應用場景需求。

3 銅及銅合金的加工技術

銅及銅合金的應用需求推動了銅合金新工藝、新產(chǎn)品的開發(fā)。隨著市場用銅需求量的增大，為了提高生產(chǎn)效率，降低成本，可進行大規(guī)模生產(chǎn)的工藝技術開發(fā)。同時為了開發(fā)新產(chǎn)品，滿足特定的產(chǎn)品要求，專業(yè)化的、高精尖的工藝生產(chǎn)技術與產(chǎn)品同步開發(fā)，如具有高強度、高導性、耐高溫、低氧、高純性能的線、帶、箔。

3.1 純銅導體生產(chǎn)裝備

3.1.1 銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線

銅桿連鑄連軋生產(chǎn)是20世紀50年代開發(fā)的，替代了當時銅桿生產(chǎn)用線錠再熱軋的生產(chǎn)工藝，該生產(chǎn)線可年產(chǎn)30萬噸銅桿，效率高、能耗低、成品率高，是導體生產(chǎn)的主要設備，國內(nèi)年產(chǎn)可達500～600萬噸，占了整個銅導體的70%～80%。

銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線又分為原生銅生產(chǎn)線和再生銅生產(chǎn)線。原生銅生產(chǎn)線用電解銅板作為原料，再生銅生產(chǎn)線用回收廢雜銅作為原料。最大的一條再生銅生產(chǎn)線可年產(chǎn)12萬噸銅桿。

連鑄連軋生產(chǎn)線生產(chǎn)低氧銅桿，銅桿含氧量在0.005%～0.040%之間，延伸率達25%以上，熱軋光亮銅桿[10-11]。低氧銅桿生產(chǎn)工藝流程圖見圖1。

圖1 低氧銅桿生產(chǎn)工藝流程圖

圖1(a)中，采用的電解銅純度一般為99.95%以上，或采用1號電解銅，純度在99.99%以上；豎爐熔煉采用控氧燃燒；燃氣保溫爐采用還原性氣體保護；連鑄機分雙鋼帶直線鑄機和輪帶式鑄機兩種，連鑄機采用二輥軋機；還原清洗是對銅桿表面的氧化層進行清洗還原；成品桿成圈、成捆交貨。采用1號電解銅生產(chǎn)的TI銅桿，導電率在101%以上。

圖1(b)中，再生銅純度一般控制在92%以上；豎爐熔煉無須控制含氧量；燃氣精煉爐里進行氧化還原等精煉工藝，將銅材純度提高到99.90%以上；連鑄機采用輪帶式鑄機；軋機采用三輥軋機，后續(xù)工藝同圖1(a)。

3.1.2 無氧銅桿生產(chǎn)線

目前國內(nèi)有兩種無氧銅桿生產(chǎn)線，替代了原來真空熔鑄線錠、再熱軋的工藝。一種是熱浸涂成型法，20世紀80年代向美國通用電氣公司購買了該生產(chǎn)線。生產(chǎn)工藝含氧量在0.002 0%以下，延伸率達35%以上，熱軋軟態(tài)銅桿。該生產(chǎn)線可年產(chǎn)4～6萬噸銅桿[12]。1號電解銅生產(chǎn)的TU1銅桿拉制的軟態(tài)線的導電率在101%以上。另一種是上引法，20世紀90年代向芬蘭購買了該生產(chǎn)線。生產(chǎn)工藝含氧量在0.002 0%以下，延伸率為3%以上，冷軋硬態(tài)銅桿。該生產(chǎn)線可年產(chǎn)0.2～2萬噸銅桿。無氧銅桿的用量相對較少，占銅桿總量的10%～20%。無氧銅桿生產(chǎn)工藝流程圖見圖2。

圖2 無氧銅桿生產(chǎn)工藝流程圖

圖2(a)中，電解銅在預熱爐烘烤除濕后在工頻爐中覆蓋熔化，在浸涂裝置中涂在種子桿桿上，形成坯桿，熱軋后成圈、成捆交貨。

圖2(b)中，電解銅在工頻爐中覆蓋熔化，在上引連鑄機中鑄出坯桿，由牽引設備拉出，再冷軋后成圈、成捆交貨。

3.1.3 銅排生產(chǎn)線

銅排生產(chǎn)由原來的線錠熱軋，經(jīng)多次工藝升級后改進為現(xiàn)在的新工藝：上引制坯桿，采用連續(xù)擠壓成型，拉制成成品。該工藝節(jié)能高效，成品率高，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良。銅排國內(nèi)一年約有50～60萬噸用量。銅排生產(chǎn)工藝流程圖見圖3。

圖3 銅排生產(chǎn)工藝流程圖

由圖3可知，電解銅在工頻爐中覆蓋熔化，在上引連鑄機中鑄出坯桿，由牽引設備拉出，由康夫機擠壓出銅排坯，通過拉床拉直拉光亮，定長切割成成品。

3.1.4 銅板、帶、箔生產(chǎn)線

銅板、帶、箔主要用途是導體材料，特別是無氧銅帶，用量大、質(zhì)量要求高。銅板、帶、箔生產(chǎn)的常用工藝有4種，開坯有真空熔鑄、上引法、水平連鑄和半連續(xù)鑄造。其中，真空熔鑄、上引法可生產(chǎn)無氧銅帶、箔，水平連鑄和半連續(xù)鑄造一般生產(chǎn)低氧銅帶。銅板、帶、箔4種生產(chǎn)工藝流程圖見圖4。

圖4 銅板、帶、箔等4種生產(chǎn)工藝流程圖

圖4(a)中，電解銅在真空爐中熔煉鑄造后加熱熱軋，銑去兩面的氧化皮，用20輥冷軋機冷軋，用氣墊式退火爐連續(xù)退火，成圈交貨。

圖4(b)中，電解銅在工頻爐中覆蓋熔化，在上引連鑄機中鑄出坯排，由牽引設備拉出，再冷軋、退火后成圈、成捆交貨。

圖4(c)中，電解銅在工頻爐中覆蓋熔化，水平連鑄坯板后銑去兩面去除氧化層，再冷軋、退火后成圈、成捆交貨。

圖4(d)中，電解銅在工頻爐中覆蓋熔化，水平連鑄坯板后熱軋，銑去兩面去除氧化層，再冷軋、退火后成圈、成捆交貨。

3.2 銅合金的典型生產(chǎn)工藝

導體銅合金的品種規(guī)格多，但典型的生產(chǎn)工藝歸納起來只有5～6種。與純銅導體比，銅合金生產(chǎn)難度大，鑄造合金時難形成不偏析的晶粒組織結構，后續(xù)的冷熱加工與熱處理過程都需要有精準、精細的工藝控制和相應的生產(chǎn)裝備。銅合金的工藝流程可分為非熱處理強化、熱處理強化和粉未冶金法3大類。非熱處理強化工藝相對簡單，如接觸網(wǎng)線生產(chǎn)工藝、鈹青銅生產(chǎn)工藝。但接觸網(wǎng)線生產(chǎn)工藝對微觀晶粒結構要求高，不能有偏析、裂紋等缺陷。鈹青銅生產(chǎn)工藝中冷加工難度極大，塑性變形量小，須進行20～30次退火才能加工成成品，該生產(chǎn)工藝效率低，成本高。熱處理強化生產(chǎn)工藝加工難度大大提高，固熔、冷加工和時效需要精準匹配，有的還需多次循環(huán)，工藝控制非常復雜，如引線框架銅合金、Cu-Ag 合金等。粉未冶金法生產(chǎn)銅合金的工藝成本更高。粉未冶金法解決了熔鑄法無法加入合金元素或加入的量無法提高等問題。該方法生產(chǎn)的Al2O3彌散強化銅合金具有耐900 ℃的高溫強度。

3.2.1 接觸網(wǎng)線生產(chǎn)線

接觸網(wǎng)線主要都是銅合金，即銅-銀、銅-錫、銅-鎂和銅-鉻-鋯合金線，銅接觸網(wǎng)線生產(chǎn)工藝流程圖見圖5。

圖5 銅接觸網(wǎng)線生產(chǎn)工藝流程圖

由圖5可知，電解銅和合金在工頻爐中電磁攪拌均勻、熔煉，在上引連鑄機中鑄出坯桿，由牽引設備拉出，由康夫機擠壓出銅坯桿，通過成品大拉機拉制成成品。3個二元合金按圖5工藝流程生產(chǎn)。銅-鉻-鋯合金三元合金熔鑄工藝有所改進，采用氣體保護多頭水平連鑄[13]。

表1為主要的銅合金接觸網(wǎng)線性能，銅-鎂、銅-鉻鋯合金可以用于350 km·h-1以上的高速鐵路，銅-銀、銅-錫合金用于300 km·h-1以下的高速鐵路。銅-鉻-鋯合金導電率比銅-鎂合金高10%，導電性能優(yōu)良，具有高導、高強的特點。

表1 銅合金接觸網(wǎng)線性能[2]

3.2.2 國內(nèi)引線框架銅合金生產(chǎn)線

引線框架材料品種較多，一般是二元、三元或三元以上的合金，生產(chǎn)工藝比較復雜，如熱軋淬火(固熔)、冷軋、退火(時效)必須有合理的加工工藝路線和熱處理工藝，保證第二相的充分固溶和均勻彌散析出。下面取一種已國產(chǎn)化的銅-鐵-磷合金為例，該引線框架材料的生產(chǎn)工藝流程圖見圖6[6]。

圖6 引線框架銅合金生產(chǎn)流程圖[6]

由圖6可知，電解銅和中間合金在電真空熔煉爐中熔煉，半連續(xù)鑄造錠坯，加熱后大錠熱軋，軋出后從650 ℃急冷到200 ℃以下，在線水淬火，銑面去氧化皮，為了控制尺寸精度，進行3次冷軋，冷粗軋，時效，退火，預精軋，退火，精軋，清洗(消除應力退火)，拉彎矯直后，剪切包裝交貨。常用的引線框架材料及其性能見表2[3-5]。

表2 常用引線框架材料及其性能

3.2.3 高導、高強、耐高溫銅合金生產(chǎn)線

(1) 高強、高導銅銀合金。

高導、高強、耐高溫的銅合金種類比較多，以現(xiàn)用Cu-Ag合金為例，介紹其性能及生產(chǎn)工藝。朱利媛等[14]采用熱型連鑄工藝制備的 Cu-4.0Ag 桿坯，從d8 mm經(jīng)連續(xù)冷拉拔成線徑 0.05 mm 微細絲后，抗拉強度大于 1 GPa、導電率為 77.2%IACS。

采用冷型豎引連鑄，拉出的桿坯[15]，圖7和圖8分別為不同含Ag量的Cu-Ag合金鑄態(tài)桿坯徑向和軸向截面微觀組織[16]。從圖7和 8可以看出，含Ag 量對 Cu-Ag 合金顯微組織和性能具有顯著影響。Cu-4Ag 合金鑄態(tài)組織出現(xiàn)擴展分枝；Cu-20Ag 合金鑄態(tài)組織出現(xiàn)連續(xù)網(wǎng)狀結構[17-18]。

圖7 Cu-Ag 合金鑄態(tài)桿坯徑向截面微觀組織

圖8 Cu-Ag 合金鑄態(tài)桿坯軸向截面微觀組織

LIU等[19]研究了不同含Ag量Cu-Ag微相復合材料的微觀組織演化。研究發(fā)現(xiàn)：隨著含Ag量增高，共晶纖維束增多并呈連續(xù)網(wǎng)狀分布時，高含Ag量對導電率的損害程度高于對強度的貢獻；隨著變形量增加，合金抗拉強度增大，而導電率降低；圖9所示為Cu-4Ag 和 Cu-20Ag 合金在480 ℃退火溫度下縱截面的微觀組織，相比于 Cu-4Ag 合金而言，Cu-20Ag 合金纖維相分布更密集，形態(tài)較長且粗。未經(jīng)退火時，Cu-20Ag和 Cu-4Ag 合金性能差別較大，而經(jīng) 480 ℃退火后合金性能接近。

圖9 Cu-4Ag 和 Cu-20Ag 合金在480 ℃退火溫度下縱截面微觀組織

(2) 高導率、高強度、耐高溫銅合金。

用于電子產(chǎn)品的高導率、高強度、耐高溫銅合金生產(chǎn)線必須是無氧銅，所用的基礎銅材須是高純銅。SAKAI 等[20]指出含Ag量低時合金的抗拉強度增加明顯，且合金導電率較高。

銅-銀雙零微細線箔為該類合金的代表產(chǎn)品[8]。其生產(chǎn)工藝流程見圖10。

圖10 銅銀雙零微細線箔生產(chǎn)流程圖

由圖10可知，電解銅和銀在真空熔煉爐中熔煉，采用熱型水平連鑄桿坯、固熔、軋制、拉絲、時效，再拉絲、退火和成品。

表3和表4為按圖10工藝生產(chǎn)的銅銀線、箔的產(chǎn)品性能。由表3和表4可知，導電率達到了98%，比常規(guī)產(chǎn)品提高了3%～5%，同時具有高強度和耐高溫性能。

表3 成品線試驗的工藝和技術參數(shù)

表4 成品箔線試驗的工藝和技術參數(shù)

3.2.4 電子發(fā)射材料銅鈹合金生產(chǎn)線

以鈹為主要合金元素的銅合金，又稱之為鈹青銅。鈹銅是一種含鈹銅基合金(Be0.2%～2.75%)，是所有的鈹合金中用途最廣的一種, 主要用于制造膜片、膜盒、彈簧管、彈簧等各種彈性元件和電子元件，其中二次電子發(fā)射材料是鈹銅的重要應用之一，其生產(chǎn)工藝流程見圖11。

圖11 鈹青銅箔生產(chǎn)工藝流程圖

由圖11可知，電解銅和鈹中間合金在真空熔煉爐中熔煉，真空鑄排錠坯后均勻化退火，軋制一、二道，退火一次，成品前共退火20多次，成圈交貨。

高鈹含量的合金鑄錠晶枝偏析，必須進行均勻化退火，消除偏析，便于后續(xù)的冷加工。Cu-2.7Be合金的掃描電子顯微組織見圖12。Cu-2.7Be合金鑄錠晶枝偏析，在800 ℃×20 h退火后，晶枝偏析已基本消除[21]。

圖12 Cu-2.7Be合金的掃描電子顯微組織

3.2.5 高導、高強、耐高溫粉未冶金法銅合金生產(chǎn)線

(1) Al2O3彌散強化銅合金。

Al2O3彌散強化銅合金已開發(fā)應用多年，其工藝和產(chǎn)品在不斷創(chuàng)新，如高強、高導電接觸網(wǎng)線。該產(chǎn)品具有高強、高導、耐高溫等特點，采用粉未冶金方法生產(chǎn)，其生產(chǎn)工藝流程見圖13。

圖13 Al2O3彌散強化銅合金線生產(chǎn)工藝流程圖

由圖13可知，電解銅和鋁在真空熔煉爐中熔煉，熔液噴射制粉，高溫氧化，充氧還原，模壓成型燒結，擠壓鍛壓拉絲，成盤交貨。

(2) 粉未冶金法的高鐵銅合金帶。

高鐵銅合金帶具有磁性，能做電磁屏蔽材料，具有強度高、硬度高，彈性高等特性，是主要的引線框架材料。傳統(tǒng)的銅鐵合金熔鑄加工工藝鐵在銅中成分不均勻，采用粉未冶金法工藝解決了這個難題。用粉未冶金法工藝生產(chǎn)的Cu-10Fe合金，在測試溫度25℃時的主要性能見表5[22]。

表5 成品Cu-10Fe合金帶25 ℃時主要性能

4 銅及銅合金開發(fā)方向

銅及銅合金開發(fā)包含了產(chǎn)品工藝技術的開發(fā)和生產(chǎn)裝備的開發(fā)。開發(fā)的目標是為了滿足所需產(chǎn)品的性能，生產(chǎn)工藝必須低碳、經(jīng)濟、環(huán)保。純銅純度到了6～8 N，導電率提高有限，開發(fā)的難度顯而易見。銅合金的開發(fā)總是以犧牲導電性來獲得高強度性能，因此只能選取平衡的指標性能，來滿足需求。

4.1 銅及銅合金產(chǎn)品工藝技術的開發(fā)

銅及銅合金產(chǎn)品工藝技術的開發(fā)，一方面要提高產(chǎn)品的功能，另一方面要降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

4.1.1 提高產(chǎn)品的功能

隨著技術的進步，產(chǎn)品工藝技術的開發(fā)速度在加快，通過大數(shù)據(jù)、機器學習等方式，可加快開發(fā)某些銅合金，可優(yōu)化銅合金的配方，優(yōu)化銅合金的熱處理、冷熱加工工藝，縮短試驗開發(fā)周期。如引線框架材料，通過配方和工藝優(yōu)化，可提高強度和導電性，使得使用性能更佳。

新的工藝、新的材料可提高產(chǎn)品的功能。如高鐵接觸網(wǎng)線，為提高其強度和導電率，除了已開發(fā)出的銅鉻鋯合金外，現(xiàn)在正在開發(fā)一種新的Al2O3彌散強化銅合金，前期小樣電導率(IACS)達95%以上，抗拉強度達580 MPa以上，最關健的是延伸率可達20%，這完全不是原Al2O3彌散強化銅合金的性能了。

4.1.2 降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本

通過工藝的創(chuàng)新，可開發(fā)短流程工藝，降低開發(fā)過程中的能耗，降低生產(chǎn)成本。如現(xiàn)在的接觸網(wǎng)線，其生產(chǎn)工藝就是短流程，生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量更優(yōu)良。再生銅連鑄連軋制桿工藝是典型的短流程生產(chǎn)工藝，其將廢雜銅直接制成電工銅桿，比原生銅制桿能耗降低了95%，是一種綠色、低碳、環(huán)保的生產(chǎn)工藝[23]。

4.2 銅及銅合金生產(chǎn)裝備的開發(fā)

銅及銅合金的生產(chǎn)裝備總是落后于生產(chǎn)工藝的，遠遠不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。盡管在基礎的銅導體方面已有先進的生產(chǎn)線及高端的裝備，如無氧銅桿的連鑄連軋生產(chǎn)線、無氧銅板、帶、箔生產(chǎn)線。但若現(xiàn)有的生產(chǎn)線質(zhì)量需再提高一步，如低氧銅桿生產(chǎn)線，要求銅桿含氧量下降到0.003 0%，現(xiàn)有的生產(chǎn)線裝備就無法滿足。

4.2.1 熔煉裝備

對于高精類的產(chǎn)品，一般是小批量生產(chǎn)，缺少相關生產(chǎn)裝備，如生產(chǎn)純度99.999%以上的高純銅，熔煉就很難達到要求，熔煉爐壁中的雜質(zhì)會熔入銅中，降低銅的純度。

許多銅合金熔煉時須在無氧的環(huán)境下。為了熔煉時可進行無氧操作，真空熔煉必不可少，但真空熔煉目前控氧在0.000 5%以下，若要達到0.000 1%以下，須開發(fā)新的生產(chǎn)裝備。

對于銅合金而言，有的銅合金對爐壁有腐蝕作用，如銅-鉻-鋯合金，這種情況就不能用石墨坩堝爐，只能用鎂砂坩堝爐。

4.2.2 鑄造裝備

常用的連續(xù)鑄造、半連續(xù)鑄造、模鑄都存在偏析、氣孔、裂紋等缺陷，消除或減少組織偏析，獲得成分均勻的鑄造組織結構，是合金鑄造的基本目標，但目前的合金鑄造工業(yè)化生產(chǎn)裝備并不穩(wěn)定。

通過定向凝固鑄造，獲取單晶鑄錠組織，通過線切割制成線箔，是高端音響線的常用技術[24]，該生產(chǎn)工藝復雜，生產(chǎn)成本高，國外某些公司將單晶銅桿停產(chǎn)，改用高純銅桿替代，但大批量的生產(chǎn)還需開發(fā)相應的設備。

4.2.3 熱處理裝備

銅及合金生產(chǎn)中，退火、固熔(火)、時效是常用的熱處理工藝，一些高純銅合金要求無氧化固熔，固熔控溫須精準，目前還沒有相關的工業(yè)化生產(chǎn)裝備。

4.2.4 微細線箔加工裝備

銅合金微細線箔加工生產(chǎn)中，當線箔直徑或厚度小于0.02 mm時，國內(nèi)的拉絲和軋制設備精度和穩(wěn)定性不夠，需繼續(xù)改造提升。

4.2.5 檢測儀器

檢測儀器對產(chǎn)品進行性能測試，如微細線的電阻測量儀器、含氧量0.000 1%以下的快速定氧儀等都是待開發(fā)或正在開發(fā)中。

5 結束語

導體銅材產(chǎn)品及生產(chǎn)裝備在近五十年獲得了巨大的發(fā)展，國內(nèi)導體用銅量近幾年約800萬噸，銅合金導體性能得到了提升，新產(chǎn)品層出不窮，用量不斷擴大，滿足了新產(chǎn)業(yè)的需求。

高強度、高導電、耐高溫等高性能銅合金產(chǎn)品及生產(chǎn)裝備是開發(fā)的主要方向；低碳、節(jié)能、環(huán)保的生產(chǎn)工藝是基本的創(chuàng)新需求。

一百年來，銅材的純度顯著提高，達到6～8 N，加工技術也進步了，但導電率的提高非常有限。高純度的銅材用于合金開發(fā)時，發(fā)揮了巨大作用，通過采用高純銅材及加工技術，讓高導率高強度的合金導電率提高了3%～5%，如銅銀線箔、接觸網(wǎng)線產(chǎn)品等。

雖然純銅材的導電率由100%提高到101%，最高可達103%，但仍不能滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，為了提高銅材的導電率，正在研發(fā)的銅材與石墨烯復合技術[25]，將銅材導電率提高至105%，甚至120%。