高性能铜合金的热处理及其加工技术
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高性能铜合金的热处理及其加工技术
（ ３ 河南科技大学 材料科学与工程学院，河南洛阳，４１ ９ ７０ ）
摘 要： 高强高导的高性能铜合金是一类很有应用潜力的功能材料。 本文叙述了高性能铜合金的基本原理、 热处理方法以及加工技术。对国内外常用的集成电路引线框架 Ｃ ＦＰ和锡磷青铜铜合金板带的热处理和 ｕｅ
目前研制的比较理想的析出强化型铜合金主 要有 Ｃ －ｅＰ Ｃ －ｒ ｒ Ｃ － ｉ ｉ Ｃ －ｒ ｕＦ－， Ｃ－ ， Ｎ － 和 ｕＺ 合金， ｕ Ｚ ｕ Ｓ
如表 ２ 所示： １４高性能铜合金的加工对于高性能时效强化铜 ． 合金， 其型材加工的核心问题是如何在铜合金型材 加工生产线上实现合金的固溶和时效。 固溶和时效 对有色金属零部件来说实施并不困难， 但在有色金 属型材加工中， 尤其是板带和管棒材的加工过程中 实现就有许多困难。 不仅合金的固溶和时效要与金 属的加工工序相适应，还需要有加工设备来保证， 同时还需要两者有很好的协调。 只有这样才能得到 满足性能要求的合金型材， 并且不过多增加加一成 〔
金 （５ １０ ２０ ０ ２ ０ １０ ）
机嘴［ 喷 等－ １ １ ０ １
人们希望能有同时具备高导电和高强度的新 材料， 如微电子工业的发展就要求其引线框架材料 应同时具有高的导电性 （０ Ａ Ｓ ８ ％ Ｃ ）和高的强度 Ｉ
（０ ＭＰ ），而通常导电率大于８ ％ＩＣ ６０ ａ ０ Ａ Ｓ的铜 合金其强度都小于４０ ａ ５ ＭＰ。与此同时，如电阻焊
作者简介： １ ２， 河南新乡人， ， 发表论文 刘平（ ６－男， ９ ） 博导教授， １０ ０ 多篇， Ｉ Ｉ Ｓ 和Ｅ 收录 ８ 多篇。 Ｃ ０ 主要从事铜合金功能材料
的研究 ｅ ａ ： － ｉ ｍ ｌ 资助项目： ６ （ ０Ａ ３１ ０ 和 ８３ ２ ２Ａ ３１ ） 河南省 ０ １ 杰出 创新 人才 基
的弱点也越来越明显。
国外２ 世纪６ 年代起就对高强高导铜合金进 ０ ０ 行了系统研究，开发了一系列产品。目 前，美、日 等发达国家已垄断了大部分国际市场， 并大量向发 展中国家出口。 近儿十年来， 我国铜加＿工业技术 ＿ Ｅ 偏重于仿制和引进。在国际知识产权保护的压力 下，我国高性能铜合金技术市场发展越来
４７７ ５８ ２６９ ６２
紫铜带 紫铜板 青铜带 青铜板
总量
３９８ ６２
４１ ２ ４
９８ ３３
７４ ４２ １８ ５ ８
紫铜 棒
青铜
１３ ２０
引起我国高性能铜合金大量进口的原因主要 有两个。 一方面铜加工的生产需要大的投资， 且需 要一定的规模效益， 同时高性能铜合金的生产具有 较高的技术含量， 市场的准入门槛也较高。 另外我 们国内高性能铜合金的研发滞后， 开发出的产品品 种较少， 产品的性能和质量与国外相比 有较大的差 距，市场的竞争力低。 ，３高性能铜合金的分类及合金化 ． 铜合金的高强度和高导电是相互矛盾的， 很难 兼顾。 铜合金强化的基本思路是在保持高导电率的 基础上尽可能高的提高合金的强度。 通常采用的强 化方式有形变强化、 固溶强化、 弥散强化、 时效强 化、 细晶强化和纤维复合强化等。目 前已经开发出 的高性能铜合金可分为两大类： 高性能时效强化铜 合金和高性能铜基复合材料。 高性能铜基复合材料
ｂｏ ｚ ｒｎ ｅ
铜合金由于具有高的导电性能、 导热性能、 较
高的强度和良 好的耐蚀性能使其成为人类历史上
应用最早的金属， 至今也是应用最广泛的金属材料 之一。 高强高导铜合金是一类具有优 良的综合物理 性能和力学性能的功能材料， 应用于集成电路的引 线框架、 各类点焊、 滚焊机的电极、 触头材料、电 枢、 电动工具的换相器、 大型高速涡轮发电机的转 子导线、 高速电气机车的架空导线、 大力推力火箭 发动机内衬、 电厂锅炉内喷射式点火喷孔以及气割
电极，电气工程开关触桥， 发电机的集电环， 结晶 器内衬， 高速列车接触线材料等也要求其同时具有 高的导电性和高的强度。 传统的铜合金材料己明显
１
《 金属热处理》２０ 年第 ３ 卷增刊 ０５ ０
不适应这种发展的需要，于是人们通过各种方法， 如铜包钢或钢包铜等方法； 或开发新的材料， 如纤 维强化形变铜基原位复合材料等， 使铜合金同时具 备高的强度和高的导电性， 当然在诸多方法中最理 想的方法还是提高铜合金自身的强度。 我们把同时具有高导电性和高强度的铜合金 称为高性能铜合金。 前世界各国都在致力于高性 目 能铜合金的研究与开发， 己经开发上百个系列的高 性能铜合金产品，而我国则刚刚起步。 １２国内外高性能铜合金的生产和应用现状表 １ ． 是我国高性能铜合金的进出口 情况。由表 １ 可见， 我国的高精度高性能铜合金大量依赖进口。 在进口 铜材产品中，主要是以板带产品增长的速度最快， ２０ 年进口量达到 ２．万吨，同比增长 １． ０３ ３ ７ ７ ％， ５ 进口 产品主要为电子引线框架材料、变压器铜带、 高精度锡磷铜带和无氧铜带等高端产品。
越艰难。 因此， 结合我国资源的特点， 逐步建立高 性能铜合金体系、 研究性能优异、 有我们自己知识 产权的高性能铜合金，具有战略意义和现实意义。 本文详尽地阐述了研究和开发高性能铜合金的基 本原理、 热处理方法以及加工技术， 以期对今后我 国的铜加工产业提供借鉴。
１高性能铜合金开发及加工特点
１ｔ现代工业发展对铜合金性能的要求 ． 铜合金由于其高的导电性和导热性在诸多行 业得到广泛使用。电子工业的迅速发展， 对铜合金 材料的性能要求也越来越高， 铜合金材料强度不高
对于固溶度随温度降低而减小的合金， 当合金
元素含量超过一定限度后，将其加热至固溶线以 上， 快速冷却获得过饱和固溶体， 导电性恶化。 经 时效处理后， 过饱和固溶体发生分解， 大部分的合 金元素又从固溶体中析出，形成弥散分布的沉淀
相， 而使合金强化。同时由于合金元素的析出， 合
总量
２７７ ３２６
ＬＵ ｇ Ｉ Ｐｎ ｉ
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刘 平
加工 技术进 行重点阐 探讨了 速铁 述； 高 路接触线 性能 用高 铜合金 棒材的 制备方 分 少连 连轧是 法， 析指 铸
高性能接触线生产的有效方法。 关键词：高性能铜合金；加工技术；接触线；引线框架；Ｃ ＦＰ ｕｅ 合金；锡磷青铜 中图分类号：Ｔ １６ ； ４； １． Ｇ ． Ｔ １４Ｔ １ ２ ４ １ Ｇ Ｇ ３ 文献标识码：Ａ
复合强化铜基复合材料； 高性能时效强化铜合金有 Ｃ －ｒ Ｃ －ｒ Ｃ －ｄ Ｃ －ｉ Ｃ －ｅ ｕ 系、 ｕ 系、 ｕ 系、 ｕ 系、 ｕＦ系、 Ｚ Ｃ Ｃ Ｎ
Ｃ－ｇ 和Ｃ－ｂ ｕ 系 ｕ 系等合 采用时 化 变 Ｍ Ｎ 金。 效强 和形
强化相结合的方法能够达到比较理想的效果， 下面 主要介绍高性能时效强化铜合金的合金化原理。
本。
（ 金属热处理》２０ 年第 ３ 卷增刊 ０５ ０
表２析出 强化型铜合金性能Ａ ＞ｔ － ｓ ｏ
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表 １高性能铜合金进出口情况
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３８７ ０３
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２
金的导电性也得到很大的恢复。 合金强度的高低主要取决于析出相的的种类、 数量、 分布、 大小、 形态等因素， 而合金导电率的 高低主要取决于合金元素的类型、 合金元素对导电 率的影响以及合金元素在室温下的平衡溶解度等 因素。 在对高性能铜合金成分设计和热处理时， 要 合理设计合金成分， 并控制随后的热处理过程中析 出相的种类、 数量、分布、 大小、形态， 尽量降低 合金元素在基体内的残留量， 最大限度的提高合金 的强度和导电性。 对该类时效强化铜合金的合金系确定时， 选用 的合金元素应满足： 首先这些合金元素固溶于基体 铜中， 对铜基体的导电 性影响要小； 其次在高温和 低温时合金元素在铜基体中的溶解度相差较大， 以 产生足够的弥散相； 另外在时效析出过程中， 析出 相弥散分布并与基体保持一定的共格关系， 且析出 相具有较高稳定性，高温下不易发生长大和粗化。
（ ３ 河南科技大学 材料科学与工程学院，河南洛阳，４１ ９ ７０ ）
摘 要： 高强高导的高性能铜合金是一类很有应用潜力的功能材料。 本文叙述了高性能铜合金的基本原理、 热处理方法以及加工技术。对国内外常用的集成电路引线框架 Ｃ ＦＰ和锡磷青铜铜合金板带的热处理和 ｕｅ
目前研制的比较理想的析出强化型铜合金主 要有 Ｃ －ｅＰ Ｃ －ｒ ｒ Ｃ － ｉ ｉ Ｃ －ｒ ｕＦ－， Ｃ－ ， Ｎ － 和 ｕＺ 合金， ｕ Ｚ ｕ Ｓ
如表 ２ 所示： １４高性能铜合金的加工对于高性能时效强化铜 ． 合金， 其型材加工的核心问题是如何在铜合金型材 加工生产线上实现合金的固溶和时效。 固溶和时效 对有色金属零部件来说实施并不困难， 但在有色金 属型材加工中， 尤其是板带和管棒材的加工过程中 实现就有许多困难。 不仅合金的固溶和时效要与金 属的加工工序相适应，还需要有加工设备来保证， 同时还需要两者有很好的协调。 只有这样才能得到 满足性能要求的合金型材， 并且不过多增加加一成 〔
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人们希望能有同时具备高导电和高强度的新 材料， 如微电子工业的发展就要求其引线框架材料 应同时具有高的导电性 （０ Ａ Ｓ ８ ％ Ｃ ）和高的强度 Ｉ
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作者简介： １ ２， 河南新乡人， ， 发表论文 刘平（ ６－男， ９ ） 博导教授， １０ ０ 多篇， Ｉ Ｉ Ｓ 和Ｅ 收录 ８ 多篇。 Ｃ ０ 主要从事铜合金功能材料
的研究 ｅ ａ ： － ｉ ｍ ｌ 资助项目： ６ （ ０Ａ ３１ ０ 和 ８３ ２ ２Ａ ３１ ） 河南省 ０ １ 杰出 创新 人才 基
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国外２ 世纪６ 年代起就对高强高导铜合金进 ０ ０ 行了系统研究，开发了一系列产品。目 前，美、日 等发达国家已垄断了大部分国际市场， 并大量向发 展中国家出口。 近儿十年来， 我国铜加＿工业技术 ＿ Ｅ 偏重于仿制和引进。在国际知识产权保护的压力 下，我国高性能铜合金技术市场发展越来
４７７ ５８ ２６９ ６２
紫铜带 紫铜板 青铜带 青铜板
总量
３９８ ６２
４１ ２ ４
９８ ３３
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紫铜 棒
青铜
１３ ２０
引起我国高性能铜合金大量进口的原因主要 有两个。 一方面铜加工的生产需要大的投资， 且需 要一定的规模效益， 同时高性能铜合金的生产具有 较高的技术含量， 市场的准入门槛也较高。 另外我 们国内高性能铜合金的研发滞后， 开发出的产品品 种较少， 产品的性能和质量与国外相比 有较大的差 距，市场的竞争力低。 ，３高性能铜合金的分类及合金化 ． 铜合金的高强度和高导电是相互矛盾的， 很难 兼顾。 铜合金强化的基本思路是在保持高导电率的 基础上尽可能高的提高合金的强度。 通常采用的强 化方式有形变强化、 固溶强化、 弥散强化、 时效强 化、 细晶强化和纤维复合强化等。目 前已经开发出 的高性能铜合金可分为两大类： 高性能时效强化铜 合金和高性能铜基复合材料。 高性能铜基复合材料
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铜合金由于具有高的导电性能、 导热性能、 较
高的强度和良 好的耐蚀性能使其成为人类历史上
应用最早的金属， 至今也是应用最广泛的金属材料 之一。 高强高导铜合金是一类具有优 良的综合物理 性能和力学性能的功能材料， 应用于集成电路的引 线框架、 各类点焊、 滚焊机的电极、 触头材料、电 枢、 电动工具的换相器、 大型高速涡轮发电机的转 子导线、 高速电气机车的架空导线、 大力推力火箭 发动机内衬、 电厂锅炉内喷射式点火喷孔以及气割
电极，电气工程开关触桥， 发电机的集电环， 结晶 器内衬， 高速列车接触线材料等也要求其同时具有 高的导电性和高的强度。 传统的铜合金材料己明显
１
《 金属热处理》２０ 年第 ３ 卷增刊 ０５ ０
不适应这种发展的需要，于是人们通过各种方法， 如铜包钢或钢包铜等方法； 或开发新的材料， 如纤 维强化形变铜基原位复合材料等， 使铜合金同时具 备高的强度和高的导电性， 当然在诸多方法中最理 想的方法还是提高铜合金自身的强度。 我们把同时具有高导电性和高强度的铜合金 称为高性能铜合金。 前世界各国都在致力于高性 目 能铜合金的研究与开发， 己经开发上百个系列的高 性能铜合金产品，而我国则刚刚起步。 １２国内外高性能铜合金的生产和应用现状表 １ ． 是我国高性能铜合金的进出口 情况。由表 １ 可见， 我国的高精度高性能铜合金大量依赖进口。 在进口 铜材产品中，主要是以板带产品增长的速度最快， ２０ 年进口量达到 ２．万吨，同比增长 １． ０３ ３ ７ ７ ％， ５ 进口 产品主要为电子引线框架材料、变压器铜带、 高精度锡磷铜带和无氧铜带等高端产品。
越艰难。 因此， 结合我国资源的特点， 逐步建立高 性能铜合金体系、 研究性能优异、 有我们自己知识 产权的高性能铜合金，具有战略意义和现实意义。 本文详尽地阐述了研究和开发高性能铜合金的基 本原理、 热处理方法以及加工技术， 以期对今后我 国的铜加工产业提供借鉴。
１高性能铜合金开发及加工特点
１ｔ现代工业发展对铜合金性能的要求 ． 铜合金由于其高的导电性和导热性在诸多行 业得到广泛使用。电子工业的迅速发展， 对铜合金 材料的性能要求也越来越高， 铜合金材料强度不高
对于固溶度随温度降低而减小的合金， 当合金
元素含量超过一定限度后，将其加热至固溶线以 上， 快速冷却获得过饱和固溶体， 导电性恶化。 经 时效处理后， 过饱和固溶体发生分解， 大部分的合 金元素又从固溶体中析出，形成弥散分布的沉淀
相， 而使合金强化。同时由于合金元素的析出， 合
总量
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高性能接触线生产的有效方法。 关键词：高性能铜合金；加工技术；接触线；引线框架；Ｃ ＦＰ ｕｅ 合金；锡磷青铜 中图分类号：Ｔ １６ ； ４； １． Ｇ ． Ｔ １４Ｔ １ ２ ４ １ Ｇ Ｇ ３ 文献标识码：Ａ
复合强化铜基复合材料； 高性能时效强化铜合金有 Ｃ －ｒ Ｃ －ｒ Ｃ －ｄ Ｃ －ｉ Ｃ －ｅ ｕ 系、 ｕ 系、 ｕ 系、 ｕ 系、 ｕＦ系、 Ｚ Ｃ Ｃ Ｎ
Ｃ－ｇ 和Ｃ－ｂ ｕ 系 ｕ 系等合 采用时 化 变 Ｍ Ｎ 金。 效强 和形
强化相结合的方法能够达到比较理想的效果， 下面 主要介绍高性能时效强化铜合金的合金化原理。
本。
（ 金属热处理》２０ 年第 ３ 卷增刊 ０５ ０
表２析出 强化型铜合金性能Ａ ＞ｔ － ｓ ｏ
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表 １高性能铜合金进出口情况
Ｔｂ １ ｏ ａｄ ｏｔ ｉ ｐ ｐｒ ｃｐｅａｏ ａｌ Ｉｐｒ ｅｐｒｏｈ ｈ ｅ ｐｒ ｙ ｅ ｔ ｍ ｎ ｘ ｆ ｒ ｔ ｏ ｇ ｏ ｙ ｌ ｌ
进口 出口
３８７ ０３
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２
金的导电性也得到很大的恢复。 合金强度的高低主要取决于析出相的的种类、 数量、 分布、 大小、 形态等因素， 而合金导电率的 高低主要取决于合金元素的类型、 合金元素对导电 率的影响以及合金元素在室温下的平衡溶解度等 因素。 在对高性能铜合金成分设计和热处理时， 要 合理设计合金成分， 并控制随后的热处理过程中析 出相的种类、 数量、分布、 大小、形态， 尽量降低 合金元素在基体内的残留量， 最大限度的提高合金 的强度和导电性。 对该类时效强化铜合金的合金系确定时， 选用 的合金元素应满足： 首先这些合金元素固溶于基体 铜中， 对铜基体的导电 性影响要小； 其次在高温和 低温时合金元素在铜基体中的溶解度相差较大， 以 产生足够的弥散相； 另外在时效析出过程中， 析出 相弥散分布并与基体保持一定的共格关系， 且析出 相具有较高稳定性，高温下不易发生长大和粗化。