陳興章,

(1.上海市有色金屬學會, 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.上海市有色金屬學會, 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)在電線電纜、電子電氣、交通運輸、新能源和空調(diào)冷凍等傳統(tǒng)應用領域以及可再生能源、水產(chǎn)、抑菌表面、電力驅(qū)動和地震能量耗散等新興應用方面的需求.概述了發(fā)展高端銅材的技術途徑：高純化、微合金化、復合多元化、材料復合化以及短流程加工、復合強化和快速凝固等技術.最后提出了高端銅材產(chǎn)品技術研發(fā)的11項參考建議.

高端銅材; 應用領域; 技術途徑; 產(chǎn)品研發(fā)

0 前 言

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

銅的這些獨特性質(zhì),通過科學研究,經(jīng)過加工制成各種品種、規(guī)格的銅及銅合金材,廣泛應用于電線電纜、電子電氣、空調(diào)冷凍、交通運輸和新能源等領域.

從世界范圍看,應用銅和銅合金材主要性能的占比約為:導電性64%,耐蝕性23%,強度12%,裝飾性1%.全球每年約2 200萬t銅的終端用途為:電力線纜16%、建筑線纜13%、磁力線纜11%、銅管9%、合金棒7%、設備7%、鑄件7%、銅6%、合金板材6%、汽車3%、裸線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)達國家為代表.銅加工企業(yè)在20世紀末期已基本完成了優(yōu)勝劣汰、兼并重組的整合進程,建立了跨國集團并進行全球化經(jīng)營.

中國是世界銅材生產(chǎn)和消費大國.2009年以來,銅材產(chǎn)能產(chǎn)量增速至今未減,年均增長率約達7%[2].據(jù)有關部門統(tǒng)計,中國銅材產(chǎn)量2012年為1 101.37萬t,2013年1—10月為1 194.90萬t,同比增長22.31%,2013年底達1 200萬t.在國家整體下調(diào)經(jīng)濟增長速度的形勢下,銅材產(chǎn)量仍依慣性有較高增長.盡管如此,國產(chǎn)銅材仍不能滿足國內(nèi)市場,尤其是高技術產(chǎn)業(yè)的需求,每年需耗巨額外匯進口.2012年,我國進口銅材66.86萬t,其中:箔材27.58萬t、板帶材12.47萬t、絲材17.11萬t和管材1.95萬t.誠然,我國銅材亦有出口,2012年出口量為49.31萬t,其中:箔材18.92萬t、管材16.18萬t、板帶材2.73萬t和絲材1.83萬t.我國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,而進口的箔材為壓延銅箔和高精電解銅箔,進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,噸進口耗匯11 780美元,均價差額4 920美元.

我國進口的銅材均為高性能銅材.這一現(xiàn)實表明:我國雖為銅材生產(chǎn)大國,但并非銅材強國.努力發(fā)展高端銅材,盡快改變銅材不適應市場需求和高端銅材主要依賴進口的局面,是擺在銅加工產(chǎn)業(yè)和科技工作者面前的一項重要任務.

1 應用領域需求分析

1.1 傳統(tǒng)應用領域

1.1.1 電線電纜

電線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.電線電纜中絕大多數(shù)的導電線芯和大部分電纜的護套都是由銅和鋁等導電金屬材料制成,其中銅是最主要的導電金屬.數(shù)據(jù)/信號傳輸?shù)你~線纜具有更寬的寬帶以及更低的能耗,更易于安裝和連接.銅還能共用一根線纜傳輸電力和數(shù)據(jù),從而簡化數(shù)字娛樂、通信、計算、安全設備與高速網(wǎng)絡的連接.電線電纜行業(yè)的銅消耗量占銅總消耗量的64%左右.與電線電纜行業(yè)相關的銅和銅合金材制品主要包括銅桿、銅線、銅帶、銅鋁、銅鋼雙金屬線和型(排)材等,這些銅材廣泛用于電線電纜、電力電纜、通信電纜(包括光纖電纜)以及繞組線等線纜制造.

電線電纜領域應用的高端銅材主要是:電纜鎧裝用厚度及寬度偏差小、卷重大和導電率高的純銅帶(俗稱“電纜帶”);護套用高強度復雜黃銅帶;高鐵線路用銅銀、銅錫銀、銅鎘、銅鉻鋯、銅鎂合金接觸線及銅包鋼復合接觸線.

1.1.2 電子電氣

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

1.1.3 交通運輸

良好的耐海水腐蝕性能使許多銅合金成為船舶制造的標準材料.

在鎳為主要合金元素的銅合金(白銅)基礎上,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化合物溶液中的耐蝕性也很好,鹵素和CO2在室溫下對白銅幾乎不起作用.用白銅合金制造的耐蝕導管等,被大量應用于艦船上,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.

在汽車制造方面,銅及銅合金用于散熱器、制動系統(tǒng)管路、液壓裝置、齒輪、軸承、剎車摩擦片、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汽車變速的關鍵部件,其齒環(huán)材料多采用高強度、耐磨的復雜黃銅合金(Cu-Mn-Si系列多元復雜黃銅、Cu-Al系列復雜鋁黃銅).該類合金具有高的耐磨、耐蝕和耐沖擊能力,熱塑性優(yōu)良,易于切削加工.近年來,QSn6.5-0.1、QSn8-0.3等錫青銅以及部分高性能銅合金(如C19400、C10500)被逐步應用于高端汽車的電器、電子系統(tǒng).

1.1.4 新能源

太陽能光伏銅帶是太陽能光伏電池組件所需的導電、導熱材料,要有良好的導電、導熱性能,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)器和冷凍機的控溫作用主要通過熱交換器銅管的蒸發(fā)及冷凝作用實現(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)機和制冷裝置的效能和小型化.空調(diào)器和冷凍機采用的銅管是高導熱性異型管.利用銅優(yōu)良的導熱特性和良好的加工性能,開發(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、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 新興應用領域

除了上述傳統(tǒng)應用領域,一些新興應用領域也將為高端銅材打開全新的市場,每個領域也都需要改進和開發(fā)新的以銅為基礎的技術,制備符合使用要求的銅材.

1.2.1 可再生能源

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

1.2.2 水產(chǎn)

海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖銅合金網(wǎng)箱能夠解決捕魚業(yè)面臨的重大問題.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)月后會覆蓋海洋生物;而銅合金網(wǎng)箱使用多年后也不會產(chǎn)生淤積,無需清理或更換,使魚類更健康,從而提高魚的生長速度.另外,銅合金結(jié)構(gòu)的強度和剛度也足以有效防止捕食者的進攻和魚群的逃跑.

1.2.3 抑菌表面

銅接觸表面能夠抑制有害微生物的生長,同時減少病毒傳播的機會.在保健機構(gòu)和公共場所,經(jīng)常接觸人體的醫(yī)療設備用銅表面能夠抵抗細菌,減少醫(yī)院傳染,包括危險的抗藥性生物傳染.此外,銅還能防止霉菌在加熱、通風和空調(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

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

1.2.5 地震能量耗散

地震會損壞建筑、內(nèi)部設施以及使用者.使用銅基裝置,可以隔離建筑結(jié)構(gòu)與地面的移動,或吸收地震能量,限制建筑物的移動,從而控制上述危害.這一新的應用領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)展高端銅材的技術途徑

在傳統(tǒng)銅及銅合金材技術體系的基礎上,發(fā)展高端銅材的技術途徑主要有高純化、微合金化、復雜多元合金化、材料復合化和新型加工技術等五個方面[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電、導熱性能.工業(yè)用銅的質(zhì)量分數(shù)一般為99.90%～99.95%.銅的質(zhì)量分數(shù)提高到99.99%(4N),甚至99.999 9%(6N)的超純銅,銅中雜質(zhì)含量要求就更嚴格.如銅中氧的質(zhì)量分數(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)氧對銅導電、導熱性能的影響.典型的高純銅產(chǎn)品有:網(wǎng)絡傳輸連接導線用高純銅、電真空器件用高純無氧銅、超導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)量分數(shù)<5×10-4%,氫的質(zhì)量分數(shù)<0.5×10-4%,密度>8.92 g/cm3,強度下降24.71%,伸長率增加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電、導熱性能,換取其他性能的明顯提升.在純銅中加入質(zhì)量分數(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度、硬度和抗軟化溫度等.有氧韌銅和高強高導銅合金是最主要的微合金化銅及銅合金.

有氧韌銅是相對于無氧銅而言的,其銅的質(zhì)量分數(shù)為99.90%以上,與一般純銅一致,氧的質(zhì)量分數(shù)控制在0.005%～0.020%,實現(xiàn)導電率100 %IACS.

高強高導銅合金因其良好的綜合性能,受到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)量分數(shù)總和一般為0.1%～3.0%.

2.3 復雜多元銅合金化

為進一步改善銅和銅合金的強度、耐蝕性、耐磨性及其他性能,或者為了滿足某些特殊應用要求,在現(xiàn)有青銅、黃銅和白銅等合金的基礎上,添加多種組元,實現(xiàn)材料的高彈性、高耐磨、高耐蝕和易切削等性能.4個或4個以上的多組元合金化成為銅合金開發(fā)的另一個熱門課題.典型的多元復雜銅合金有:多元錳黃銅、硅錳黃銅、加硼錫黃銅和無鉛易切削銅合金等.這些多元復雜銅合金的共同特點是強度高(材料的抗拉強度達600～700 MPa)、韌性好.這類銅材常用于制造汽車同步器齒環(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,隨著人們環(huán)保意識的增強,銅合金制品中的鉛、鈹、鎘和砷等元素受到關注,涉及應用銅材的制品包括:食品器械、衛(wèi)浴器具和飲水管道等.從而導致了無鉛易切削黃銅和無鈹高彈性銅合金和無砷耐蝕銅合金等環(huán)保型銅合金材料的開發(fā)熱潮.

2.4 材料復合化

銅合金材料強化的主要方式,一是引入合金元素強化銅基體形成合金,二是引入第二強化相形成復合材料.彌散強化無氧銅是典型的人工復合材料,常用的彌散強化質(zhì)點包括Al2O3、SiO2、ZrO2、Y2O3和ThO2等.人工復合材料制備方法,是指人為地向銅中加入第二相顆粒、晶須或纖維對銅基體進行強化.質(zhì)量分數(shù)為0.01%～1.00%的第二相組分,對銅基體的強化作用已十分明顯,尤其是大幅提升材料的高溫強度.如Cu-0.5%Al2O3(質(zhì)量分數(shù))合金的抗拉強度達500～800 MPa,導電率達85 %IACS以上,經(jīng)過900 ℃燒氫后的強度仍可達200～400 MPa.

另一類發(fā)展較快的銅材是銅基原位復合材料(自生復合材料).銅基原位復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)生放熱反應生成增強體的一類復合材料.這類復合材料中的增強體沒有界面污染,與基體有良好的界面相容性,與傳統(tǒng)的人工外加增強體復合材料相比,其強度有大幅提高,同時保持較好的韌性和良好的高溫性能.如Cu-20%Nb(體積分數(shù))復合材料具有近2 000 MPa的強度;Cu-18%Nb(質(zhì)量分數(shù))復合材料的導電率為67 %IACS,抗拉強度達1 450 MPa.其他如Cu-Fe、Cu-Ta系復合材料也具有較高的室溫強度和高溫強度,通常室溫強度可達800～1 500 MPa.

2.5 新型加工技術

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發(fā)機構(gòu)和企業(yè)重點關注的內(nèi)容.新型加工方式的開發(fā)和應用,既對銅及銅合金新材料的研究開發(fā)、應用和產(chǎn)業(yè)化有重要作用,同時也可以有效地改進和提高傳統(tǒng)銅合金材料的使用性能,對傳統(tǒng)銅合金材料的升級起引領作用.銅及銅合金加工領域的新型加工方式主要包括:短流程加工技術、復合強化技術和快速凝固技術等.

2.5.1 短流程加工技術

由于銅資源短缺,價格久高不下,加之銅材生產(chǎn)工藝技術和裝備比較落后,加工成材率偏低,導致銅材生產(chǎn)成本較高,銅材產(chǎn)品價貴,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,大力開發(fā)和推廣應用短流程工藝技術,是銅加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的特征之一.它有助于降低銅材的制造成本,提高產(chǎn)品的市場競爭力.

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.熔鑄、坯錠加熱和熱加工工序的設備投資大,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、實心盤圓或空心管坯),替代傳統(tǒng)工藝中的立式鑄造→加熱→熱加工工序,實現(xiàn)節(jié)能、減污、提高成品率和生產(chǎn)效率的目標.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)的重要技術發(fā)展方向.

銅加工短流程工藝最成功的范例是美國最先興起的銅線桿連鑄連軋工藝和中國的內(nèi)螺紋空調(diào)銅管鑄軋生產(chǎn)技術.當前,銅加工短流程工藝正在國內(nèi)迅速發(fā)展并產(chǎn)業(yè)化.目前國內(nèi)應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.除用于無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.可生產(chǎn)帶卷坯料和棒、型、線材坯料.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列可以生產(chǎn)無氧或低氧銅帶坯.采用電磁攪拌技術后,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.

(3) 連續(xù)擠壓技術.在上世紀70年代被提出后,其中的Conform連續(xù)擠壓法是目前應用最廣、工業(yè)化程度最高的連續(xù)擠壓方法.近年來,國內(nèi)的大學、研究機構(gòu)、設備制造單位與銅加工企業(yè)合作,進一步發(fā)展了連續(xù)擠壓技術,特別是實現(xiàn)了擴展連續(xù)擠壓的技術創(chuàng)新,形成了以上引法銅線桿為坯料的銅及銅合金棒、型、線材及帶坯生產(chǎn)新技術.目前,中國銅加工連續(xù)擠壓技術和裝備的應用為世界領先.

(4) 管材盤管式生產(chǎn)法.該生產(chǎn)法已成為我國銅管材的代表性先進技術,其中空調(diào)器用高效散熱內(nèi)螺紋銅管生產(chǎn)技術已走在世界前列.國內(nèi)銅盤管生產(chǎn)技術的特點是管坯生產(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(又稱上引)-軋管法.這三種方法均已產(chǎn)業(yè)化,可適應不同的投資和生產(chǎn)規(guī)模.

2.5.2 復合強化技術

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

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

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

分散復合材料是指一種或一種以上的材料(強化相)分散在另一種材料(基體)之中的一類復合材料.根據(jù)強化相形態(tài)的不同,又細分為顆粒彌散強化復合材料、晶須強化復合材料和纖維強化復合材料.根據(jù)強化材料(顆?；蚶w維)是被直接加入基體還是在基體中通過反應(化學反應)生成的不同,分為摻入型復合材料(亦稱人工復合材料)和原位復合材料(亦稱生成復合材料).

2.5.3 快速凝固技術

快速凝固技術是通過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冷度或通過快速移動的溫度場作用,使合金發(fā)生高生長速率(≥1～100 cm/s)凝固的技術[5].運用快速凝固技術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,通過快速凝固方式獲得過飽和固溶體,然后通過時效處理使合金元素以細小的彌散相均勻析出,使材料強化,導電率提高.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) 晶粒細化.快速凝固的鑄錠晶粒細而均勻,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,同時保留較多的點缺陷.

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

3 高端銅材產(chǎn)品技術研發(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)性基礎性原材料.高端銅材對傳統(tǒng)工業(yè)和新興產(chǎn)業(yè),特別是電子、信息和網(wǎng)絡等高技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進步有著十分重要的支撐作用.

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

(1) 開展以降低銅材制造成本為目標的生產(chǎn)工藝技術開發(fā)及應用推廣.包括:銅廢料的回收凈化利用技術;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)、滿足使用性能要求的銅材最低銅含量范圍;采用和改進銅材生產(chǎn)的短流程工藝等.

(2) 提升現(xiàn)有銅材品種的綜合性能,實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn),增加產(chǎn)品技術附加值,提高使用可靠性,擴大產(chǎn)品應用范圍.

(3) 研究銅材在先進的大規(guī)模、分布式系統(tǒng)中的用途和使用要求.如太陽能集中發(fā)電,風能發(fā)電,海浪和洋流發(fā)電,太陽能光伏發(fā)電,余熱回收,海水淡化以及地熱能設備或接地設備等.

(4) 開發(fā)生產(chǎn)適應相關應用領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;用于太陽能集熱部件的厚0.12 mm銅板等.

(5) 開發(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) 開發(fā)高強高導銅材、環(huán)保銅材、海洋工程銅材、新一代引線框架銅帶及其制備技術.

(7) 開發(fā)銅基復合材料制備工藝技術,研制和生產(chǎn)銅基復合材料.

(8) 開發(fā)銅及銅合金異型材,滿足特殊使用要求,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)高導電性銅材,使導電率提高130%以上,同時保持加工成導線的能力,使其在室溫下也可以“超導”.

(11) 調(diào)查、探索和研發(fā)高技術新興產(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.銅加工技術實用手冊[K].北京:冶金工業(yè)出版社,2007.

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

[3]劉平,任鳳章,賈淑果,等.銅合金及其應用[M].北京:化學工業(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[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005.

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

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

[7]李嘵敏.我國壓延銅箔的生產(chǎn)與消費[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,教授級高級工程師,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