铜铬系合金的研究进展和应用

杜锡勇，徐高磊，余锡孟

（1.绍兴市质量技术监督检测院，浙江 绍兴 312366；2.浙江力博实业股份有限公司，浙江 绍兴 312050）

铜合金有良好的力学、导热、导电等综合性能，是被广泛应用的有色金属材料之一。近年来，随着电气电子、航空航天、交通运输、海洋工程等领域的迅速发展，其核心部件对铜合金的综合性能、使用寿命、生产效率、绿色制造等方面的要求越来越高[1]。铜铬系合金是高性能铜合金的典型代表之一。因为具有优异的导电性、导热性、力学性能和高温性能[2]，铜铬系合金在电线电缆内导体、高速列车接触线、大规模集成电路引线框架材料、电极材料等领域具有广泛的市场需求，而且市场需求增长迅速。

1 铜铬系合金的研究现状

1.1 合金元素对铜铬系合金的影响规律

1.1.1 Zr

在铜合金中添加Zr元素，对铜基体的导电性能影响较小，而对力学性能、抗高温蠕变性能和耐疲劳性能等方面都有积极的作用。

在铜铬锆合金中，锆元素能够加速铬元素的偏聚，并促进析出相的析出、有序化进程，还可有效减缓铜铬锆合金达到峰时效的进程、减少PFZ（无沉淀析出区域）的宽度。这是因为锆元素可与铜、铬元素形成稳定的CuCrZr相，在随后的时效过程中分解为Cu5Zr相[3]。

1.1.2 Ni、Si、Mg

铜铬锆合金中加入Mg元素可抑制析出相的长大，并降低析出相周围的应力，从而减小析出相的尺寸，提升Cu-Cr-Zr合金的高温稳定性及力学性能。同时，Mg元素可有效防止Zr元素的挥发氧化。

Cu-Cr-Zr-Ni-Si采用在线固溶+80%冷轧变形+450℃×120min时效后，硬度可达180HV，电导率为81.1%IACS。 加 入 0.41%Ni、0.1%Si的 Cu-0.24Cr-0.12Zr合金中，Ni和Si元素形成了微米级Cr3Si和Cu-Zr-Si-Ni化合物，没有发现Ni-Si化合物形成。这降低了细小析出相的形成。析出相主要是Cr相和Cu5Zr化合物[4，5]。

在铜铬锆合金中加入Si、Mg元素时，Si、Mg复合微合金化可以提高铜铬锆合金的抗拉强度、导电率和最佳时效温度，延长保温时间，并减缓时效析出过程。

1.1.3 稀土元素

铜基体中添加微量的稀土元素，可以有效细化铜基体的晶粒尺寸、去除一些有害的杂质元素。Cu-0.8Cr合金中添加0.2%的Y，可提高软化温度80℃。添加0.1%稀土元素Dy时，合金的硬度和导电率分别提高了9.9%和0.9%。微量的Ce可以提高铜铬锆合金的室温力学性能和高温力学性能，但是对其电导率也有一定影响。

1.1.4 Ti元素

铜铬锆合金中添加Ti元素，可以提高合金的时效硬化效果、硬度和时效硬化响应速度，并对导电性有一定影响。这是因为Ti元素可以在Cr表面富集，增大析出相的弹性应变能。

Cu-0.55Cr-0.1Ti合金的硬度、电导率和抗拉强度分别为125 HV、72.3%IACS和517 MPa，Cu-0.48Cr-0.21Ti合金的硬度、电导率和抗拉强度分别为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，又不会过多影响导电性能。Cu-0.19Cr-0.08Ag合金经过950℃×60min的固溶处理，450℃×120min时效，合金的抗拉强度为365 MPa、导电率为91.3%IACS、伸长率为19%；经过51%拉拔加工变形后，抗拉强度为491MPa、导电率为84.3%IACS。

添加少量的Fe元素，可以显著提高合金硬度。微量的In元素可以提高合金的软化温度和抗拉强度。这是因为添加In元素可细化晶粒。微量的Hf元素会提高铜铬合金的耐热温度，如Cu-0.6Cr-0.15Hf合金的耐热温度高于550℃，导电率达80%IACS，硬度达190 HV以上。

1.2 铜铬系合金的制备技术

1.2.1 铜铬系合金的熔铸技术

目前，铜铬系合金主要是在真空状态下进行熔铸的。这是因为熔铸铜铬系合金时，锆、铬等元素容易挥发。铜铬锆合金非真空熔炼时，利用木炭和石墨将铜液表面进行覆盖，并添加铜锆中间合金，可降低烧损；使用镁砂坩埚则可提高元素的收得率。另外，由于碳元素会与铬、锆元素发生反应，在熔炼铜铬锆合金时，宜采用氧化锆、氧化镁等耐火材料的坩埚，不宜采用石墨坩埚。

1.2.2 铜铬系合金形变热处理的研究

形变热处理对铜铬系合金组织性能有比较大的影响，是提高铜铬系合金性能比较有效的途径之一。Cu-0.22Cr-0.05Zr-0.05Sn合金经过940℃的高温固溶，保温l h后，冷加工至变形率为96%，然后在经过时效温度400℃，保温4 h的处理后，得到的合金抗拉强度为400 MPa，电导率为84%IACS。二级时效也可提高铜铬系合金的性能。其原理是通过二级时效，增加位错密度，位错与溶质原子产生交互作用，增加强化效果。铜铬锆合金采用二级时效工艺后，提高了合金的强度及软化温度，同时对合金的电导率影响较小。

1.2.3 铜铬系合金大塑性加工变形的研究

采用等通道角挤压（ECAP）的大塑性变形工艺后，Cu-0.89Cr-0.06Zr合金得到显著强化。这是因为大塑性变形使晶粒细化而引入大量位错的。在固溶温度1020℃保温20min＋ECAP＋425℃时效处理后，Cu-0.8Cr-0.08Zr合金晶粒尺寸降低至200nm～300nm，硬度可达185HV，导电率达71%IACS。

铜铬锆合金的硬度、导电率和软化温度随着ECAP道次的增加而增加。Cu-0.4Cr合金进行ECAP8道次的变形，其软化温度约为500℃，硬度为152 HV，导电率为86.4%IACS。

铜铬合金的强度随着大塑性加工变形量的增加而增加，达到极大值后趋于稳定；而导电性能则会相应不断降低。前期合金强度不断增加的原因是在合金变形过程中出现的界面共格化。合金导电性能降低的原因是大塑性变形增加了界面密度，及元素穿越界面的互溶对电子散射作用的增强。

2 铜铬系合金的应用

2.1 电线电缆内导体

航空航天、医疗器械等领域的电线电缆内导体大多采用高性能铜合金丝材。此类导体的要求具有较高的导电率、在规定的伸长率下具有高的抗拉强度、良好的抗疲劳性能、良好的高温耐热性和耐磨性、良好的性能连续性和稳定性、优异的加工性、可焊接性和可镀性以及终端接头的连接性。

BS EN 2083：2001《电缆用铜和铜合金导体航天系列制品标准》规定：导体由高导电退火的韧铜或者铜合金的股线绞制而成；铜导体的拉强度大于350MPa，导电率大于70%IACS，伸长率大于6%；股线镀层的厚度对于银要求不低于1微米，对于镍要求不低于1.3微米。

铜铬镉合金丝在500℃加热并保持5000秒后，抗拉强度为330MPa左右，最细线径可以达0.0031mm，在10×106载荷循环下疲劳强度为205 MPa，弯曲性能为纯铜的20倍，高温蠕变性能也超过普通的铜包钢线。

2.2 轨道交通用接触线

轨道交通用接触线是电气化铁路弓网关系的关键部件之一，其性能直接影响高速列车的行车安全。同时，由于接触线工作环境恶劣，这对其力学性能、导电性能、耐磨性能等均提出了更高的要求。

随着高速铁路对安全性、速度等方面要求的持续提高，对接触线的性能指标也随之提高。当前采用的铜银、铜锡、铜镁等合金系列的指标基本已达到了其相应合金体系的上限，而铜铬系合金却可以满足高速列车对接触线产品的要求。轨道交通接触线用铜合金的性能指标如表1所示。

表1 不同接触线铜合金的性能指标

2.3 引线框架铜合金带

引线框架铜合金带在半导体集成电路中起到支撑芯片、连接电路、保护元件和散发热量等作用。目前对引线框架铜合金带的板形、厚度及其公差、力学性能、导电性能、耐高温性能、和残余应力等综合性能提出更高的要求。引线框架用铜合金的性能如表2所示。

表2 常用引线框架材料及其性能

3 结论

铜铬系合金是重要的有色金属材料之一，在装备制造业、航空航天、电子通讯、电气化轨道交通等行业都具有重要的应用。Zr、Ni、Si、Mg、Ti等合金元素对铜铬系合金的组织、性能有较大的影响。目前，铜铬系合金的产业化制造技术主要是半连续真空熔铸、热加工、冷加工相结合的三段式传统加工方法。