铜是一种古老而又现代的金属,在人类社会生活中应用极为广泛.铜具有的独特性质：优良的导电性、导热性、抑菌性、耐腐蚀性、可成型性、易于制成合金、可循环利用和美学外观等,使铜成为人类文明和发展进程中密不可分的一部分.目前为止,似乎还没有一种单质或合金态金属能像铜一样具有如此众多的实用特性.

铜的这些独特性质,通过科学研究,经过加工制成各种品种、规格的铜及铜合金材,广泛应用于电线电缆、电子电气、空调冷冻、交通运输和新能源等领域.

从世界范围看,应用铜和铜合金材主要性能的占比约为:导电性64%,耐蚀性23%,强度12%,装饰性1%.全球每年约2 200万t铜的终端用途为:电力线缆16%、建筑线缆13%、磁力线缆11%、铜管9%、合金棒7%、设备7%、铸件7%、铜6%、合金板材6%、汽车3%、裸线3%、电子/数据3%以及其他9%^[1].

目前,世界铜材的发展以美、日、德等铜加工发达国家为代表.铜加工企业在20世纪末期已基本完成了优胜劣汰、兼并重组的整合进程,建立了跨国集团并进行全球化经营.

中国是世界铜材生产和消费大国.2009年以来,铜材产能产量增速至今未减,年均增长率约达7%^[2].据有关部门统计,中国铜材产量2012年为1 101.37万t,2013年1—10月为1 194.90万t,同比增长22.31%,2013年底达1 200万t.在国家整体下调经济增长速度的形势下,铜材产量仍依惯性有较高增长.尽管如此,国产铜材仍不能满足国内市场,尤其是高技术产业的需求,每年需耗巨额外汇进口.2012年,我国进口铜材66.86万t,其中:箔材27.58万t、板带材12.47万t、丝材17.11万t和管材1.95万t.诚然,我国铜材亦有出口,2012年出口量为49.31万t,其中:箔材18.92万t、管材16.18万t、板带材2.73万t和丝材1.83万t.我国出口的箔材为电解铜箔,内外螺纹精密铜管是主要的管材出口品种,而进口的箔材为压延铜箔和高精电解铜箔,进口的板带材为高精铜板带.要提及的是:铜材吨产品出口创汇和吨产品进口耗汇相差很大.以电子铜箔产品为例,吨出口创汇6 860美元,吨进口耗汇11 780美元,均价差额4 920美元.

我国进口的铜材均为高性能铜材.这一现实表明:我国虽为铜材生产大国,但并非铜材强国.努力发展高端铜材,尽快改变铜材不适应市场需求和高端铜材主要依赖进口的局面,是摆在铜加工产业和科技工作者面前的一项重要任务.

电线电缆的主要功能是电能传送、信息传递以及电磁能量的转换.电线电缆中绝大多数的导电线芯和大部分电缆的护套都是由铜和铝等导电金属材料制成,其中铜是最主要的导电金属.数据/信号传输的铜线缆具有更宽的宽带以及更低的能耗,更易于安装和连接.铜还能共用一根线缆传输电力和数据,从而简化数字娱乐、通信、计算、安全设备与高速网络的连接.电线电缆行业的铜消耗量占铜总消耗量的64%左右.与电线电缆行业相关的铜和铜合金材制品主要包括铜杆、铜线、铜带、铜铝、铜钢双金属线和型(排)材等,这些铜材广泛用于电线电缆、电力电缆、通信电缆(包括光纤电缆)以及绕组线等线缆制造.

电线电缆领域应用的高端铜材主要是:电缆铠装用厚度及宽度偏差小、卷重大和导电率高的纯铜带(俗称“电缆带”);护套用高强度复杂黄铜带;高铁线路用铜银、铜锡银、铜镉、铜铬锆、铜镁合金接触线及铜包钢复合接触线.

电子、电气领域应用的高端铜材包括:电真空器件用高纯无氧铜和弥散强化无氧铜和挠性印刷电路板等用压延铜箔;集成电路引线框架用铜合金带(Cu-Fe-P系列高导电铜合金、中导电中强度铜合金,Cu-Ni-Si系列、Cu-Cr-Zr系列固溶时效强化型铜合金.后者强度≥600 MPa,导电率≥80%IACS,满足超大、甚大规模集成电路发展需求)^[3].

良好的耐海水腐蚀性能使许多铜合金成为船舶制造的标准材料.

在镍为主要合金元素的铜合金(白铜)基础上,加入锌、锰、铝和铁等制成的锌白铜、锰白铜、铝白铜和铁白铜材料,具有较高的力学性能、优良的耐腐蚀性能和抗氧化性能.在大气、淡水和海水中有很高的耐蚀性,在碱性盐溶液和有机化合物溶液中的耐蚀性也很好,卤素和CO₂在室温下对白铜几乎不起作用.用白铜合金制造的耐蚀导管等,被大量应用于舰船上,特别是用于大型军舰和大吨位船舶使用的大口径薄壁海水管道的制造.

在汽车制造方面,铜及铜合金用于散热器、制动系统管路、液压装置、齿轮、轴承、刹车摩擦片、配电和电力系统、垫圈以及各种接头、配件和饰件等.变速器同步器是各类汽车变速的关键部件,其齿环材料多采用高强度、耐磨的复杂黄铜合金(Cu-Mn-Si系列多元复杂黄铜、Cu-Al系列复杂铝黄铜).该类合金具有高的耐磨、耐蚀和耐冲击能力,热塑性优良,易于切削加工.近年来,QSn6.5-0.1、QSn8-0.3等锡青铜以及部分高性能铜合金(如C19400、C10500)被逐步应用于高端汽车的电器、电子系统.

太阳能光伏铜带是太阳能光伏电池组件所需的导电、导热材料,要有良好的导电、导热性能,较小的宽度、厚度偏差,表面平整光洁且易于涂覆处理(光伏铜带镀锡、光热铜带镀黑铬).

空调器和冷冻机的控温作用主要通过热交换器铜管的蒸发及冷凝作用实现.热交换传热管的尺寸和传热性能,在很大程度上决定了空调机和制冷装置的效能和小型化.空调器和冷冻机采用的铜管是高导热性异型管.利用铜优良的导热特性和良好的加工性能,开发和生产带有内槽和高翅片的散热管,用于空调器、冷冻机、化工及余热口收集装置的热交换器制造,可使新型热交换器的总热传导数大幅提高,是釆用光铜管的2～3倍,采用低翅铜管的1.2～1.3倍.

除了上述传统应用领域,一些新兴应用领域也将为高端铜材打开全新的市场,每个领域也都需要改进和开发新的以铜为基础的技术,制备符合使用要求的铜材.

太阳能光伏系统需要铜材来传输电力、接地、制造开关和控制系统元件.海底系统也得益于铜合金对生物淤积和腐蚀的耐受力.铜与相应材料(PCM)的组合已经证明能够提升太阳能发电系统的导电能力.

海洋水产养殖铜合金网箱能够解决捕鱼业面临的重大问题.使用合成材料和抗淤积涂层制造的传统网箱,在使用数月后会覆盖海洋生物;而铜合金网箱使用多年后也不会产生淤积,无需清理或更换,使鱼类更健康,从而提高鱼的生长速度.另外,铜合金结构的强度和刚度也足以有效防止捕食者的进攻和鱼群的逃跑.

铜接触表面能够抑制有害微生物的生长,同时减少病毒传播的机会.在保健机构和公共场所,经常接触人体的医疗设备用铜表面能够抵抗细菌,减少医院传染,包括危险的抗药性生物传染.此外,铜还能防止霉菌在加热、通风和空调系统中产生气味,影响空气质量和系统效率.

汽车电力驱动系统正朝着高端工艺、紧凑和高效的方向发展.电力驱动系统的电池、电气控制、再充电插头和引脚、电机和热管理系统等均用到铜材.电动汽车充电系统需要电力设施进行变革,铜材的使用将有益于此.

地震会损坏建筑、内部设施以及使用者.使用铜基装置,可以隔离建筑结构与地面的移动,或吸收地震能量,限制建筑物的移动,从而控制上述危害.这一新的应用领域利用了超高弹性铜合金以及精炼铜的塑性变形性能.

在传统铜及铜合金材技术体系的基础上,发展高端铜材的技术途径主要有高纯化、微合金化、复杂多元合金化、材料复合化和新型加工技术等五个方面^[4].

高纯化的主要目的在于尽可能地提高铜材的导电、导热性能.工业用铜的质量分数一般为99.90%～99.95%.铜的质量分数提高到99.99%(4N),甚至99.999 9%(6N)的超纯铜,铜中杂质含量要求就更严格.如铜中氧的质量分数从0.01%～0.05%降低到0.001%～0.005%,直至0.000 02%～0.000 03%,最大限度地减少了杂质氧对铜导电、导热性能的影响.典型的高纯铜产品有:网络传输连接导线用高纯铜、电真空器件用高纯无氧铜、超导体用单晶铜和超纯铜.与多晶铜相比,单晶铜的电阻率降低了31.7%(≤1.72×10^-8 Ω·m),氧的质量分数＜5×10^-4%,氢的质量分数＜0.5×10^-4%,密度＞8.92 g/cm³,强度下降24.71%,伸长率增加2.39倍,断面收缩率增加4.14倍.

微合金化的目的是以牺牲最小的导电、导热性能,换取其他性能的明显提升.在纯铜中加入质量分数0.1%左右的铁、镁、碲、硅、银、钛、铬、锆或稀土元素,可提高铜合金材料的强度、硬度和抗软化温度等.有氧韧铜和高强高导铜合金是最主要的微合金化铜及铜合金.

有氧韧铜是相对于无氧铜而言的,其铜的质量分数为99.90%以上,与一般纯铜一致,氧的质量分数控制在0.005%～0.020%,实现导电率100%IACS.

高强高导铜合金因其良好的综合性能,受到世界各国材料科技工作者的青睐,是近年来发展最快的一类新型铜合金.其微合金化加入的元素主要有磷、铁、铬、锆、镍、硅、银、锡和铝等,代表性合金体系主要有Cu-P、Cu-Fe-P、Cu-Ni-Si、Cu-Cr/Cu-Cr-Zr、Cu-Ag/Cu-Ag-Cr/Cu-Ag-Zr、Cu-Sn,以及加入稀土的铜合金.微合金化铜合金的其他组元的质量分数总和一般为0.1%～3.0%.

为进一步改善铜和铜合金的强度、耐蚀性、耐磨性及其他性能,或者为了满足某些特殊应用要求,在现有青铜、黄铜和白铜等合金的基础上,添加多种组元,实现材料的高弹性、高耐磨、高耐蚀和易切削等性能.4个或4个以上的多组元合金化成为铜合金开发的另一个热门课题.典型的多元复杂铜合金有:多元锰黄铜、硅锰黄铜、加硼锡黄铜和无铅易切削铜合金等.这些多元复杂铜合金的共同特点是强度高(材料的抗拉强度达600～700 MPa)、韧性好.这类铜材常用于制造汽车同步器齿环、高压油泵摩擦副或电极铜楔,其使用寿命比普通铜材高.

近年来,随着人们环保意识的增强,铜合金制品中的铅、铍、镉和砷等元素受到关注,涉及应用铜材的制品包括:食品器械、卫浴器具和饮水管道等.从而导致了无铅易切削黄铜和无铍高弹性铜合金和无砷耐蚀铜合金等环保型铜合金材料的开发热潮.

铜合金材料强化的主要方式,一是引入合金元素强化铜基体形成合金,二是引入第二强化相形成复合材料.弥散强化无氧铜是典型的人工复合材料,常用的弥散强化质点包括Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、Y₂O₃和ThO₂等.人工复合材料制备方法,是指人为地向铜中加入第二相颗粒、晶须或纤维对铜基体进行强化.质量分数为0.01%～1.00%的第二相组分,对铜基体的强化作用已十分明显,尤其是大幅提升材料的高温强度.如Cu-0.5%Al₂O₃(质量分数)合金的抗拉强度达500～800 MPa,导电率达85 %IACS以上,经过900℃烧氢后的强度仍可达200～400 MPa.

另一类发展较快的铜材是铜基原位复合材料(自生复合材料).铜基原位复合材料是指在铜基体中,通过元素之间或元素与化合物之间发生放热反应生成增强体的一类复合材料.这类复合材料中的增强体没有界面污染,与基体有良好的界面相容性,与传统的人工外加增强体复合材料相比,其强度有大幅提高,同时保持较好的韧性和良好的高温性能.如Cu-20%Nb(体积分数)复合材料具有近2 000 MPa的强度;Cu-18%Nb(质量分数)复合材料的导电率为67 %IACS,抗拉强度达1 450 MPa.其他如Cu-Fe、Cu-Ta系复合材料也具有较高的室温强度和高温强度,通常室温强度可达800～1 500 MPa.

铜及铜合金材料的制备工艺、铜合金的成分和结构、铜合金的性质,是决定铜及铜合金使用性能的三大基本要素.新型制备工艺的研究是目前铜加工研究开发机构和企业重点关注的内容.新型加工方式的开发和应用,既对铜及铜合金新材料的研究开发、应用和产业化有重要作用,同时也可以有效地改进和提高传统铜合金材料的使用性能,对传统铜合金材料的升级起引领作用.铜及铜合金加工领域的新型加工方式主要包括:短流程加工技术、复合强化技术和快速凝固技术等.

由于铜资源短缺,价格久高不下,加之铜材生产工艺技术和装备比较落后,加工成材率偏低,导致铜材生产成本较高,铜材产品价贵,造成不少下游产业寻求替代材料.然而,现阶段铜材的被替代是非常有限的.因此,大力开发和推广应用短流程工艺技术,是铜加工产业发展趋势的特征之一.它有助于降低铜材的制造成本,提高产品的市场竞争力.

熔炼铸锭热加工冷加工是传统经典的三段式铜材加工工艺路线.熔铸、坯锭加热和热加工工序的设备投资大,工序能耗高,环境污染较重,工序成本占加工总成本的比例很高.

铜加工短流程工艺路线的核心是采用连续铸造或连铸连轧的方式直接生产用于冷加工的坯料(包括板带材的带坯、实心盘圆或空心管坯),替代传统工艺中的立式铸造加热热加工工序,实现节能、减污、提高成品率和生产效率的目标.铜加工短流程工艺是确保产品质量、环境友好、节省能源和减少建设投资的创新工艺.发展短流程工艺是铜加工业的重要技术发展方向.

铜加工短流程工艺最成功的范例是美国最先兴起的铜线杆连铸连轧工艺和中国的内螺纹空调铜管铸轧生产技术.当前,铜加工短流程工艺正在国内迅速发展并产业化.目前国内应用的铜加工短流程生产工艺还有:

(1) 上引法连续铸造技术.除用于无氧铜或纯铜坯料生产外,已拓展到低合金(银铜、镁铜等)产品的生产.

(2) 水平连续铸造技术.可生产带卷坯料和棒、型、线材坯料.连铸品种包括锡磷青铜、锌白铜、黄铜带坯及其棒、管坯.采用潜流联体炉为主的水平连铸机列可以生产无氧或低氧铜带坯.采用电磁搅拌技术后,带坯结晶组织改善,表面质量提高,石墨结晶器使用寿命延长.

(3) 连续挤压技术.在上世纪70年代被提出后,其中的Conform连续挤压法是目前应用最广、工业化程度最高的连续挤压方法.近年来,国内的大学、研究机构、设备制造单位与铜加工企业合作,进一步发展了连续挤压技术,特别是实现了扩展连续挤压的技术创新,形成了以上引法铜线杆为坯料的铜及铜合金棒、型、线材及带坯生产新技术.目前,中国铜加工连续挤压技术和装备的应用为世界领先.

(4) 管材盘管式生产法.该生产法已成为我国铜管材的代表性先进技术,其中空调器用高效散热内螺纹铜管生产技术已走在世界前列.国内铜盘管生产技术的特点是管坯生产方式的多样化,有大锭热挤压-高速轧管法、水平连铸-行星轧制法和上铸(又称上引)-轧管法.这三种方法均已产业化,可适应不同的投资和生产规模.

根据各成分在复合材料中的分布不同,复合材料分为层状复合材料和分散复合材料.

层状复合材料是各组元材料自成一个或几个整体,组元之间以界面接合方式复合成一体的材料,因而也称接合性复合材料.传统的层状复合材料有铜-铜合金、铜-银、铜-铝、铜-铁以及铜与其他非金属材料(陶瓷、有机高分子材料等)复合的材料.材料形态有铜板带材的层层复合、铜管棒材的包覆等.早期的铜基复合材料主要采用层状复合技术,用不同厚度的纯铜与锡青铜或者银与锡青铜板材,通过爆炸方式将两者复合成一体,形成层状复合板坯,然后轧制加工成复合带材产品.这样的铜复合材料利用了基体(材料的较厚部分)的强度,同时获得了较好的导电性能(材料的较薄部分).但此种复合加工方式的生产效率较低,产品质量较差,材料卷重受到较大限制;而且复合过程危险性大,操作人员安全难以保障,已基本退出了历史舞台.后期的铜基复合材料主要采用冷压延复合方式进行(简称“冷复”),即采用大加工率的压延(轧制)方法,将两种不同厚度的材料复合在一起,然后进行后续加工制成带材成品.复合轧制前,基材表面需经清洗处理,复合后进行高温扩散退火,三个工序在线链接,形成现今铜基复合材料的板带式冷复合生产线.

采用层状复合方式生产的铜基板带复合材料,主要有铜与铜合金、银与铜或铜合金复合材料,主要应用于有特殊要求的电气触头.层状复合材料的另一用途是制造流通硬币,铜-镍-铜层状复合材料是良好的造币材料.管棒线复合材料则主要采用包覆的方式.例如,在铝质线杆或钢质线杆外包覆一层纯铜带,然后进行拉拔加工制成复合线材,用于通信电缆制作.铜包铝线缆或铜包钢线缆利用“集肤效应”,实现节铜、增强和降本.

分散复合材料是指一种或一种以上的材料(强化相)分散在另一种材料(基体)之中的一类复合材料.根据强化相形态的不同,又细分为颗粒弥散强化复合材料、晶须强化复合材料和纤维强化复合材料.根据强化材料(颗粒或纤维)是被直接加入基体还是在基体中通过反应(化学反应)生成的不同,分为掺入型复合材料(亦称人工复合材料)和原位复合材料(亦称生成复合材料).

快速凝固技术是通过合金熔体的快速冷却(冷却速度≥104～106 K/s)或非均质形核的被抑制形成很大的起始形核过冷度或通过快速移动的温度场作用,使合金发生高生长速率(≥1～100 cm/s)凝固的技术^[5].运用快速凝固技术制备新型铜合金材料,是选用低平衡固溶度的合金元素加入铜基体中,通过快速凝固方式获得过饱和固溶体,然后通过时效处理使合金元素以细小的弥散相均匀析出,使材料强化,导电率提高.快速凝固的铜合金组织结构与常规熔铸的铸锭有明显差异,主要有:(1) 晶粒细化.快速凝固的铸锭晶粒细而均匀,呈微晶状态,晶粒尺寸为0.1～10.0 μ m;(2) 合金元素在铜基体中的固溶度扩展;(3)成分偏析减少.在快速凝固的合金中,可能形成某些亚稳相,同时保留较多的点缺陷.

快速凝固铜合金的组织结构特点为开发新型高性能铜合金材料提供了极具吸引力的新技术.应用快速凝固技术,可以提高某些合金元素在铜基体中的固溶度,时效过程中获得大量细小且均匀的析出相,在形成弥散强化作用的同时,获得更高的导电性能.

铜及铜合金加工材是有色金属材料的重要组成部分,属工业性基础性原材料.高端铜材对传统工业和新兴产业,特别是电子、信息和网络等高技术产业的发展和进步有着十分重要的支撑作用.

根据笔者的肤浅认识,提出以下高端铜材产品技术研发方向建议,供参考.

(1) 开展以降低铜材制造成本为目标的生产工艺技术开发及应用推广.包括:铜废料的回收净化利用技术;高端铜材制备可加入回收铜原料的最大量;发挥铜的卓越性质、满足使用性能要求的铜材最低铜含量范围;采用和改进铜材生产的短流程工艺等.

(2) 提升现有铜材品种的综合性能,实现稳定生产,增加产品技术附加值,提高使用可靠性,扩大产品应用范围.

(3) 研究铜材在先进的大规模、分布式系统中的用途和使用要求.如太阳能集中发电,风能发电,海浪和洋流发电,太阳能光伏发电,余热回收,海水淡化以及地热能设备或接地设备等.

(4) 开发生产适应相关应用领域变化及降低制造成本要求的铜材.如空调系统变化要求的能承受3.86 MPa工作压力和相当于3倍工作压力的爆破压力的黄铜或铜制多孔扁管;用于饮用水的壁厚0.3 mm的铜管;用于太阳能集热部件的厚0.12 mm铜板等.

(5) 开发生产为挠性印刷电路板、新能源(锂离子电池)、电子高频屏蔽以及石墨烯制造配套的高精度宽幅表面处理压延铜箔^[6,7].

(6) 开发高强高导铜材、环保铜材、海洋工程铜材、新一代引线框架铜带及其制备技术.

(7) 开发铜基复合材料制备工艺技术,研制和生产铜基复合材料.

(8) 开发铜及铜合金异型材,满足特殊使用要求,减少终端产品的加工,降低终端产品制造成本,节约昂贵的铜资源.

(9) 探索研发抑菌铜材产品,用于高危环境中接触频繁的表面.

(10) 探索研发高导电性铜材,使导电率提高130%以上,同时保持加工成导线的能力,使其在室温下也可以“超导”.

(11) 调查、探索和研发高技术新兴产业发展提出的高性能铜及铜合金材.