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高强高导电铜合金

发布时间: 2019-03-07 14:16:09   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:        字号:[ 常规 ]

铜是一种非常常见的金属材料,它坚韧柔软并具有延展性,导热性和导电性非常高,且成本便宜,但铜的力学性能尤其是高温力学性能较差。铜与其他元素组成合金,如铜锌合金、铜镍合金、铜铁合金、铝铜合金、铍铜合金、铅铜合金等,能一定程度上改善其各种性能。当前,铜及铜合金因具有导电、导热及易加工等优点,被广泛应用于机械制造和电力工程中。

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高强高导电铜合金又称为高铜合金,特点是合金元素含量较少,一般不超过3.0%,其性能特征是经过热处理后强度达到纯铜的2-3倍,且导电性能接近于纯铜,有些高铜合金还具有良好的柔韧性、良好的切削性能等。高强高导电铜合金是伴随着现代工业的发展出现的,以Cu-Fe合金为代表的初代高铜合金诞生于20世界70年代,该类合金的强度在400MPa左右,导电率在80%IACS 以上。20世纪80年代开始在Cu-Fe合金中加入P、Si、Ni、Cr 等合金元素,代表为Cu-Fe-P 系合金,该类合金的强度可达到450-600MPa,导电率60~80%IACS。90年代随着集成电路的大规模发展,集成度的增加和线距的减少,要求引线框架材料的抗拉强度达到600MPa以上,同时还需要具备高的电导率。在这种背景下,以Cu-Ni-Si合金、Cu-Zr合金、Cu-Cr合金系列等为代表的高铜合金逐渐开发应用。

众所周知,铜合金的导电率和强度通常呈现反比关系,即提升强度则导电率下降,而导电率高则强度较低。合金元素的加入都一定程度上降低了铜的导电率,这也是高强高导电铜合金开发的难点。目前制备获得高铜合金的主要工艺是合金化法或复合材料法。合金化法是通过在铜基体中加入一定的合金元素形成固溶体,再通过热处理或机械加工使其组织和结构发生化,从而获得高强度和高导电性能兼备的铜合金。复合材料法是通过人为加入颗粒、晶须或纤维到铜基体中,或合金元素在铜合金内部原位生成增强相的方法。目前通过这两种工艺制备二元铜合金,甚至加入微量第三组元甚至第四组元都实现了一定程度上导电率和强度的兼容,如在Cu-Cr合金基础上加入微量Zr及Mg能显著提高其强度和导电性,又如在铜合金中加入铱、镧稀土元素能提高强度和韧性等。伴随着现代科技的发展和工艺技术的改进,新技术不断开发和出现,世界各国又开始采用弥散强化、快速凝固、原位复合强化等各种新工艺技术进一步改进铜合金性能。

为满足我国电子信息产业不断发展增长的需求,高铜合金材料的研究开发已得到极大的重视。国内外重点研究的几大铜合金系列包括中强高导型Cu-Fe-P系列、高强中导Cu-Ni-Si系列、高强高导Cu-Cr-Zr系列,其中Cu-Cr-Zr系列由于兼具高强度和高导电性能最为受到行业内的青睐,也是目前国内外为满足大规模集成电路需求重点发展的新型材料。

当前高强高导铜合金材料主要技术依然掌握在美国、日本等发达国家手中,我国高铜合金开发较晚,技术相对落后。航空航天、超/特高压电器、大规模集成电路等重点领域用铜合金服役条件苛刻、安全可靠性要求极高,长期以来,这些领域用高强高导铜合金主要依赖进口。近年来河南科技大学联合中铝洛阳铜业有限公司已开发出高强高导铜合金,在全国12家企业应用,近3年新增销售额45亿元,逐渐打破了国外对集成电路引线框架带材的市场和价格垄断,为我国航空航天、武器装备关键部件提供了基础材料保障,2017年凭借此技术河南科技大学和中铝洛阳铜业有限公司等六家单位获得了国家科学技术进步奖二等奖。这也预示着我国高强高导铜合金材料的开发和应用进入了新阶段。