CuCrZr综述.doc

Cu-Cr-Zr高强高导铜合金的研究现状及展望华南理工大学机械与汽车工程学院摘要:本文综述了 Cu-Cr-Zr系铜合金的研究现状，主要讨论了合金化元素的 添加、制备方法及热处理工艺对其性能的影响，并针对目前存在的问题提出了现 实可行的解决方案关键词：Cu-Cr-Zr系合金 高强高导 性能Research Prospect of High-strength and High-conductivity Cu-Cr-Zr Alloy (School of mechanics and auto engineering , South China University of Technology ) Abstract : The research prospects of Cu-Cr-Zr alloy were discussed , mainly analyze the effects of alloy composition , preparation process and heat treatment to the properties of Cu-Cr-Zr alloy , and propose feasible solution to present problems .Key words : Cu-Cr-Zr alloys ; high-strength and high-conductivity ; properties铜及其合金是现代工业和日常生活中广泛应用的有色金属材料，在我国有色 金属材料的消费中仅次于铝。

高强高导铜合金是-•种具有优良综合性能的结构功 能材料，广泛用于制造集成电路引线框架、电气工程开关触桥、轨道交通牵引电 机用端环、连铸机结晶器内衬和高速铁路接触导线等川其中，Cu-Cr-Zr系合金 被认为是最优秀、最有发展前途的高强高导铜合金之一，是世界各先进工业国竞 相研究与开发的重点门前，Cu-Cr-Zr系合金的理论研究和生产实践都已获得了 显著的成果，但距离抗拉强度N600MPa,导电率W80%IACS的理想目标仍有一段 距离为此，众多从事Cu-Cr-Zr高强高导铜合金研究的科技工作者从多元微合 金化、制备工艺、热处理工艺等方面进行了大量的深入研究，并取得了很大的进 展本文在参考大量文献资料及所在课题组部分研究成果的基础上，从以下几个 方面简述了 Cu-Cr-Zr系合金的研究现状，并对未来的发展做出了展望1合金化兀素对Cu-Cr-Zr合金性能的影响铜合金导电率与强度相互矛盾，二者很难兼得，为了获得高强度，必须降低 合金的导电性能，而得到了高强度，导电率则会下降研制与开发高强高导铜合 金的基本原理是⑵，采用低固溶度的合金元素加入铜中，经高温固溶处理，合金 元素在铜基体中形成过饱和固溶体，电导率下降，强度提高。

时效处理后，过饱 和固溶体分解，大量合金元素以沉淀相形式从铜基体中析出，电导率迅速提高， 同时由于时效析出相的强化作用，合金仍能保持较高强度在铜合金中起固溶强化作用的合金元素主要有Sn、Zn、Ni、Al、Ag、Cd等, 这些元素的固溶度较小，固溶强化效果有限，一般要与沉淀强化共同作用在合 金中沉淀强化效果显著的元素主要有Cr、Zr、Mg、Be、Fe、Ni、Hf、Re等,这 些元素在铜中的固溶度随温度变化而变化明显，过饱和的合金元素随温度的降低 而析出，产生沉淀强化尤其是Cr、Zr的沉淀强化效果明显，并且时效后合金 的电导率可以大幅度回升，所以Cu-Cr. Cu-Zr合金使H前广泛使用的高强高导 铜合金时】相关文献U、2】表明，向Cu-Cr合金中加入Zr元素后，时效析出中会同 时产生Cr相与CihCr相，Cr与Zr发生交互作用，不仅使Cr与Zr的析出相变得 细小，还使析出相的形状由片状变为颗粒状，从而使大大的强化了合金材料 E. Bat aw i等叫在Cu~Cr合金中加入Zr、Mg、Si、Ti元素,结果表明,Zr元素强 化效果最显著，帼与Zr发生叠加作用，延缓了析出相的增长并改善沉淀析出的 顺序，提高合金的峰值强度，Si可■以细化析出相，提高材料的抗软化能力。

早 期的研究发现⑸,在Cu-Cr合金中加入Hf, Cr相与Cu7Hf2相从固溶体中析出会 使合金明显硬化此外，相关学者正尝试向铜中加入VN合金及一些其他元素， 希望进一步提高合金的抗软化温度和耐磨性VN合金已在微合金钢中得到广泛 应用，其在钢中的作用机理已得到大量研究,VN微合金化主要通过利用N元素以 优化V的析出效应，以及引起的细晶强化等作用来提高钢的性能o VN合金在铜 中的作用原理、能否有相关强化相的生成以及带来的性能变化有待进一步研究另外，大量研究结果表明血刀，稀土元素的加入能够提高铜合金的某些性能 少量稀土元素的加入可以净化合金的基体、去除杂质，细化晶粒、组织，增加合 金的强度与硬度，显著提高合金软化温度、导电率及使用寿命陈晓芳等罔利用 光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜等研究了 Cu基合金(包括CuO. 8CrO. 05La, CuO. 8CrO. ILa, CuO. 8CrO. 4La, CuO. 8CrO. 05Y, CuO. 8CrO. 1Y, CuO. 8CrO. 4Y)的 显微组织结构o结果表明La和Y元素的添加能细化晶粒，改变Cu-Cr合金的组 织分布在Cu-Cr-La和Cu-Cr-Y合金中，La与Y分别以金属化合物Cu6La和Cu" 的形式存在。

这些化合物以颗粒状分布在晶粒中以及以片状分布在晶界上刘勇 等⑼研究了 Ce对，Cu-Cr-Zr系合金性能的影响结果表明：微量Ce的加入可以 提高Cu-Cr-Zr合金的强度、硬度和耐热性，抗拉强度达到637MPa,导电率为 82. 16%IACS,比Cu-Cr-Zr合金强度提高了 56MPa,而导电率略有下降目前，关于各种元素对Cu-Cr-Zr系合金性能的影响的研究还不是很深入、 很系统，需要利用现代先进科学技术手段进行系统的研究2 Cu-Cr-Zr合金的制备方法目前，普遍采用真空熔炼的方法制备Cu-Cr-Zr合金，真空熔炼是在真空及 惰性气体的保护下进行的，所制备的合金具有添加的合金元素损耗小、纯度高、 杂质少等优点但是，真空焰炼对炉体的密封性、原料成分及杂质含量要求很高, 设备投资大，生产费用昂贵，且不能制备大规格铸锭，这也是阻碍大规模集成电 路所需的高强高导铜合金引线框材料发展的重要因素因此，发展非真空熔炼技 术，对降低生产成本，提高生产效率，有很大的促进作用〔也在Cu-Cr-Zr合金 中，Cr与Zr的熔点比Cu高约800C,造成熔炼控制困难Zr元素与氧的亲和 力大，且Cr与Zr的密度比Cu小，在合金熔炼时漂浮于铜液表面，极易被氧化, 导致熔体氧化烧损严重，合金成分的控制非常难。

因此，Cu-Cr-Zr合金在大气条 件下的熔炼一直是重大的技术难题蔡薇等⑴］在大气条件下用高频感应炉熔炼 Cu-Cr-Zr合金，熔炼温度1300〜135OC, Cr与Zr分别用中间合金Cu-Cr和Cu-Zr 的方式加入，采用石墨作为覆盖剂，浇注温度1150〜1200,获得的铸锭化学成分 合格，杂质元素含量很低，抗拉强度达到了 230MPa,延伸率约为31%,电导率 达到50%IACS； x射线衍射证实，合金元素Cr以单质形式存在，而Zr与Cu形 成了化合物，分布在Cu晶粒内和晶界上，起到了强化作用；用此锭作为引线框 材料完全能满足其高强高导电性能的要求翁远辉等〔⑵研究了在非真空条件下, Cu-Cr-Zr合金的熔炼过程中，不同覆盖剂对，Cr、Zr元素收得率的影响结果表 明：使用木炭和鳞片石墨复合覆盖剂可以使的Cr的收得率稳定在94%〜96%, Zr 的收得率为51 %〜60%快速凝固技术可以使Cr和Zr在铜中的固溶度极限大大提高，进而增加了时 效处理后铜基体中强化相的含量，并使沉淀相进一步弥散、均匀分布，细化合金 组织，从而使合金获得了强度与导电性的良好结合快速凝固技术的发展为Cu-Cr-Zr高强高导铜合金的制备提供了新思路、新途径。

Tenwick等人"用快 速凝固法制备Cu-Cr和Cu-Zr合金，研究发现，Zr的固溶度由平衡的0.1%提高 到1.3%； Cr的固溶度由平衡的0.8%提高到3.3%O时效处理后，Cu-1.33%Zr合 金的峰值硬度达到340HV； Cu-3.3%Cr合金的峰值硬度达到400HV两者的硬 度值都是常规合金的三倍，两者的电导率分别为40%IACS和50%IACSo3 Cu-Cr-Zr合金的热处理工艺适当的热处理工艺可以进一步提升高强高导铜合金的综合性能Cu-Cr-Zr 合金作为典型的时效强化铜合金,通常采用的热处理工艺为固溶处理+时效处理 合金元素在固溶过程中大量溶入晶体中，形成过饱和固溶体，造成晶格畸变，对 电子的散射作用加剧，电导率下降经时效处理后，过饱和固溶体分解，合金元 素以沉淀相形式从固溶体中析出，在基体中形成弥散分布的沉淀相，形成时效强 化，同时过饱和固溶体的分解，使合金的导电性迅速提高，从而实现在保持较高 导电率的前提下，提高合金的强度但是，Cr与Zr在铜中的固溶度很小，室温 下Cr为0.65%, Zr只有0.11%,沉淀相的析出有限，其弥散强化的效果不能得 到充分发挥，因此常规固溶和时效处理对合金性能的提高有限。

为此，人们进行 了许多热处理工艺上的尝试与改进目前，工业上普遍采用形变热处理，其工艺为固溶+冷变形+时效+冷加工， 固溶与时效之间的冷变形是为了造成位错、空位等缺陷，以增加时效的形变率， 使合金在时效中形成高度弥散的Cr粒子与Cu3Cr粒子等沉淀组织以强化合金， 时效之后冷加工则是进一步用加工硬化来强化合金宋练鹏等［向研究了固溶+时 效和固溶+冷轧变形+时效两种工艺条件下Cu-Cr-Zr-Mg合金组织和性能的变化 结果表明，固溶后时效，固溶体分解析出单质Cr粒子，合金有很强的时效强化 效果；固溶+冷轧变形+时效，除时效析出外，固溶体基体上还存在位错亚结构, 合金的硬度、强度大幅度提高，电导率仍保持在较高的水平，但合金的塑性明显 降低在同样的时效工艺下，固溶和40%的冷轧变形使合金的硬度、抗拉强度、 屈服强度和电导率分别提高了 42.5%,47.7%,87.7%和6%,但延伸率下降了 62% 苏娟华等回在一级形变时•效的基础上，探讨了引线框架Cu-Cr-Zr-Mg合金固溶后 二级变形时效工艺对合金硬度和电导率等性能的影响规律结果表明，采用二级 变形时效所获带材具有高硬度、强度、电导率和软化温度，分别可达190HV、600MPa、47.6S/m和560C。

二级时效过程中析出的弥散质点对切复与再结晶的 阻碍作用强烈，使合金具有很高的软化温度析出相与冷变形过程中产生的位错 交互作用，使析出相不仅阻碍位错的运动而且沿密集且分布均匀的位错快速析 出，促进合金强度和导电性的提高4结束语尽管Cu-Cr-Zr高强高导铜合金的研究成果已有很多，并在工业生产中得到 了广泛应用，但仍存在尚待解决的问题有待进一步研究1 单一添加合金化元素对合金性能的提高有限，应加大对第四及第四以上添加组 元的种类及其在合金中的存在形式与作用机理的理论研究，使Cu-Cr-Zr合金向 多元微合金化和多相强化方向发展1 解决Cu-Cr-Zr合金在大气条件下熔炼易烧损的问题，为此可以从改良覆盖剂 的方向着手，开发新型复合覆盖剂1 快速凝固技术具有增大合金元素的固溶度，细化晶粒尺寸，降低成分偏析等优 点，为高强高导铜合金的发展提供新途径参考文献[1] 尹志民，张生龙.高强高铜合金研究热点及发展趋势[J].矿冶工程,2002, 22(2)： 124-126[2] 方善锋，汪明朴，程建奕，李周.高强高导Cu-Cr-Zr系合金材料的研究进展[J].材料导 报，2003, 17(9)：。