鐘海燕，袁孚勝

（1.江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西南昌 330095；2.中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

1 概述

高強(qiáng)高導(dǎo)銅鉻鋯合金因其強(qiáng)度高、電導(dǎo)率高的特性，被廣泛應(yīng)用于電子、電力、航母及艦船、交通、機(jī)械、航空航天、國(guó)防等工業(yè)領(lǐng)域，如電氣化鐵路接觸導(dǎo)線（電車線）、集成電路的引線框架、各類點(diǎn)焊、滾焊機(jī)的電極、高端連接器材料、觸頭材料、電樞、電動(dòng)工具的換相器、大型高速渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條及端環(huán)、高速列車異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)襯、電廠鍋爐內(nèi)噴射式點(diǎn)火噴孔、氣割機(jī)噴嘴、航母及艦船和航天器導(dǎo)電部件、軍事裝備的通訊導(dǎo)電電纜等[1-2]。

2 高強(qiáng)高導(dǎo)銅鉻鋯合金的市場(chǎng)現(xiàn)狀

銅鉻鋯合金具有高的強(qiáng)度和優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，被廣泛用于高強(qiáng)、高導(dǎo)領(lǐng)域，如銅鉻鋯合金每年在自動(dòng)化要求高的電阻焊電極、汽車及輪船在其生存的焊接工序中等方面的需求量驚人。以吉利汽車和奇瑞汽車公司為例，每輛汽車的白車（車身骨架）焊點(diǎn)達(dá)3 000～5 000個(gè)，必須采用自動(dòng)電阻焊點(diǎn)焊焊接，其每年消耗的銅鉻鋯電阻焊電極達(dá)到2 500 t。而全國(guó)的小汽車、貨車、商務(wù)車、面包、客車等汽車生產(chǎn)廠商多達(dá)數(shù)十家，每年需求數(shù)萬(wàn)噸，銅鉻鋯合金電阻焊電極的市場(chǎng)價(jià)格約為10萬(wàn)元/t。因此，光電阻焊電極領(lǐng)域每年就有數(shù)十億的市場(chǎng)。另外，銅鉻鋯合金用于強(qiáng)磁體用導(dǎo)電銅材、連鑄結(jié)晶器銅材、塑料模具等，其每年市場(chǎng)總和將高達(dá)數(shù)十億甚至數(shù)百億元。因此，銅鉻鋯合金在民用領(lǐng)域的市場(chǎng)需求極為廣闊[3]。

2.1 電阻焊電極材料

我國(guó)電阻焊電極產(chǎn)品市場(chǎng)主要分布在華南、中南、華北等地區(qū)。其中，華南地區(qū)占據(jù)我國(guó)市場(chǎng)的70%。隨著航空航天、電子、汽車、家用電器等工業(yè)的發(fā)展，電阻焊受到廣泛的重視。同時(shí)，對(duì)電阻焊的質(zhì)量也提出了更高的要求。銅鉻鋯合金電極的使用壽命長(zhǎng)、對(duì)被焊接材料不產(chǎn)生污染、焊接質(zhì)量好、成本低、提高生產(chǎn)率。

20世紀(jì)70年代，我國(guó)成功研制出性能優(yōu)異的新型銅鉻鋯合金電極材料。通過(guò)不斷地生產(chǎn)與應(yīng)用，該材料已成為我國(guó)目前電阻焊行業(yè)應(yīng)用廣泛的一種新型銅鉻鋯合金電極材料。該材料不僅用于不銹鋼或耐熱鋼的焊接，還用于低碳鋼的焊接，同時(shí)比普通鉻鋁鎂青銅材料的使用壽命高3倍以上，并且焊接質(zhì)量?jī)?yōu)于鉻鋁鎂青銅。因而，目前市場(chǎng)上鉻鋁鎂青銅逐漸被新型銅鉻鋯合金取代作為電阻焊電極材料。

2.2 模具材料

相比于鈹銅合金模具材料，新型銅鉻鋯合金材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、耐磨抗爆性、硬度等綜合性能，價(jià)格便宜、生產(chǎn)環(huán)境好，并且在模具行業(yè)已替代鈹銅合金，如水暖模具、鞋底模具、接插件模具、光潔度高的塑膠模具等。

在全世界制造業(yè)飛速發(fā)展的環(huán)境下，我國(guó)模具產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)模具產(chǎn)業(yè)不僅規(guī)模大，產(chǎn)品種類不斷豐富、檔次不斷提升，已成為全世界模具制造大國(guó)。當(dāng)前，我國(guó)高水平的大型、精密、復(fù)雜、長(zhǎng)壽命模具占比高達(dá)40%以上，例如長(zhǎng)度超過(guò)3 m的大型級(jí)進(jìn)模具、B級(jí)車整車模具，加工精度達(dá)到0.5 μm的精密模具；2 000～2 500次/min以上的高速?zèng)_床上使用的精密級(jí)進(jìn)模具；精度達(dá)到了微米級(jí)的塑料模具，能有效滿足高速發(fā)展的IT產(chǎn)業(yè)的要求。同時(shí)，我國(guó)能生產(chǎn)輪胎活絡(luò)模具最大規(guī)格單套質(zhì)量120 t、直徑4 m。當(dāng)前模具制造業(yè)穩(wěn)定發(fā)展，特別是優(yōu)質(zhì)高效的精密模具的市場(chǎng)需求量將不斷增加，預(yù)計(jì)在我國(guó)“十三五”期間，模具制造業(yè)的產(chǎn)值將突破2 600億元。

2.3 集成電路等引線框架材料

集成電路和半導(dǎo)體分立器件的生產(chǎn)制造需要大量引線框架銅帶。隨著世界科技信息的快速發(fā)展和進(jìn)步，大規(guī)模及超大規(guī)模的集成電路是未來(lái)發(fā)展的方向，對(duì)引線框架銅合金材料提出了更高更優(yōu)的性能要求，如強(qiáng)度要達(dá)到550~600 MPa、導(dǎo)電率達(dá)到75%~80%IACS。而要實(shí)現(xiàn)上述性能要求，此類高性能銅合金中的Cu-Cr-Zr系合金是最理想的銅合金材料。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2015年國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)量達(dá)800億塊，滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)61%的需求。按平均每1億塊集成電路約需銅合金材料100～220 t計(jì)算，2016 年銅合金需求量達(dá)到 12×104～130×104t，預(yù)計(jì)“十三五”期間需求量仍將高速增長(zhǎng)，其產(chǎn)值將超過(guò)1 600億元。

2.4 高速電氣化鐵路用接觸線材料

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)規(guī)模的不斷增加，其中電氣化鐵路的比重不斷增加，從而將大幅度增加我國(guó)接觸網(wǎng)導(dǎo)線材料的消耗量。另外，我國(guó)電氣化鐵路正向高速重載方向發(fā)展，對(duì)接觸導(dǎo)線的力學(xué)性能及導(dǎo)電性能均提出了更高的要求[4]。高速鐵路用架空導(dǎo)線不同一般的架空輸送電線，它要在長(zhǎng)期承受較大懸掛張力條件下經(jīng)受電弓滑板損耗向機(jī)車供電。除正常的損耗外，還常常受到非正常的機(jī)械沖擊和事故大電流的影響。高速摩擦產(chǎn)生的火花或大電流會(huì)使架空導(dǎo)線的局部產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，高溫必然會(huì)產(chǎn)生架空導(dǎo)線金屬的軟化，在大張力下，架空導(dǎo)線有可能被拉斷而造成事故。架空導(dǎo)線的波動(dòng)傳播速度決定了機(jī)車的最高運(yùn)行速度。根據(jù)電氣化列車實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)列車的運(yùn)行速度在波動(dòng)傳播速度的70%以下時(shí)，可以達(dá)到穩(wěn)定的受流狀態(tài)。電力機(jī)車受電弓沿架空導(dǎo)線高速滑動(dòng)時(shí)，引起界面出現(xiàn)上下振動(dòng)的橫波，其波動(dòng)傳播速度與架空導(dǎo)線的架線張力和線密度（單位長(zhǎng)度的質(zhì)量）有關(guān)。要提高架空導(dǎo)線的波動(dòng)傳播速度，一個(gè)重要的方面就是加大架空導(dǎo)線的架線張力，以保證架空導(dǎo)線與受電弓接觸時(shí)不晃動(dòng)。而要獲得大張力，就要求架空導(dǎo)線有足夠的強(qiáng)度。因此，電氣化鐵路架空導(dǎo)線，特別是應(yīng)用于中高速的架空導(dǎo)線，應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性，足夠的強(qiáng)度、耐磨性和高溫抗軟化性能。

Cu-Cr-Zr系合金以及多元微合金化銅合金架空導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率分別為550 MPa和78%IACS左右，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，足夠的強(qiáng)度、耐磨性和高溫抗軟化性能。該銅合金系特別適用于中高速鐵路架空導(dǎo)線材料，由于它的導(dǎo)電率較高，能耗低，運(yùn)營(yíng)成本低，隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，其市場(chǎng)前景非常廣闊。因此，這一領(lǐng)域的研究與產(chǎn)業(yè)化將是我國(guó)電氣化鐵道用架空導(dǎo)線發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2.5 銅鉻鋯結(jié)晶器材料

近年來(lái)隨著鋼鐵及有色金屬加工企業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)結(jié)晶器的導(dǎo)熱及耐熱等性能要求更高，傳統(tǒng)T2和TP2材料制成的結(jié)晶器已無(wú)法完全滿足要求。而銅鉻鋯合金是一種高強(qiáng)高導(dǎo)合金，它具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。同時(shí)，在相對(duì)較高的溫度環(huán)境下仍然具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。由于其生產(chǎn)制造工藝成熟，因此是一種非常理想的結(jié)晶器替代材料。目前年需求量在4 500 t左右，今后隨著上述行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展其需求量會(huì)不斷增加。

2.6 高爐銅冷卻壁材料

高爐冷卻壁是高爐內(nèi)襯的重要水冷件，安裝在高爐的爐身、爐腰、爐腹、爐缸等部位，不但承受高溫，還承受爐料的磨損、熔渣的侵蝕和煤氣流的沖刷，必須具備良好的熱強(qiáng)度、耐熱沖擊、抗急冷急熱性等綜合性能。根據(jù)制造材質(zhì)，高爐冷卻壁有鑄鐵冷卻壁、鋼冷卻壁和銅冷卻壁。在上述3種材質(zhì)冷卻壁中，銅冷卻壁冷卻強(qiáng)度最大，能滿足高爐最大熱負(fù)荷的需要[5]。

目前，傳統(tǒng)的灰鑄鐵材質(zhì)的高爐冷卻壁正在逐步被淘汰，現(xiàn)多為球墨鑄鐵材質(zhì)。隨著高爐強(qiáng)化熔煉水平的提高，球墨鑄鐵冷卻壁越來(lái)越難以滿足要求。鑄鋼冷卻壁，由于材質(zhì)與冷卻水管材質(zhì)相近，與球墨鑄鐵冷卻壁相比，具有伸長(zhǎng)率高、抗拉強(qiáng)度大、熔點(diǎn)高、抗熱沖擊性強(qiáng)及整體導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，但由于鋼液溫度高，在澆注、凝固過(guò)程中，冷卻水管很容易發(fā)生變形和熔化穿透。這一難題一直沒(méi)有得到有效解決，使鑄鋼冷卻壁工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用受到一定的影響。

銅冷卻壁自開(kāi)發(fā)至今20余年，已經(jīng)在40余座高爐上使用，這說(shuō)明此項(xiàng)新技術(shù)在生產(chǎn)中得到了充分的考驗(yàn)，已經(jīng)被大家所認(rèn)同。在高爐上試用成功使人們對(duì)銅冷卻壁有了新的認(rèn)識(shí)，在高爐上的使用也從開(kāi)始時(shí)的一段逐步擴(kuò)大到3段、5段，甚至更多，從爐身下部擴(kuò)大到爐腹、爐腰。根據(jù)有關(guān)資料介紹，不萊梅鋼鐵廠2號(hào)高爐（3 550 m3），在大修時(shí)使用了8段銅冷卻壁，除了爐腹、爐腰、爐身各兩段外，爐缸還用了兩段。其中部分銅冷卻壁為上一代使用過(guò)的舊銅冷卻壁，磨損僅為1 mm，經(jīng)清洗后，可重新使用。這些情況說(shuō)明了銅冷卻壁已進(jìn)入普遍推廣階段，使用范圍也在擴(kuò)大，它可以用到第2代爐役上，是一種長(zhǎng)壽的冷卻設(shè)備。銅冷卻壁不僅具有伸長(zhǎng)率高、抗拉強(qiáng)度大、熔點(diǎn)高、抗熱沖擊性強(qiáng)及整體導(dǎo)熱性能好等性能優(yōu)勢(shì)，而且在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以顯著降低煉鐵成本，呈現(xiàn)出極強(qiáng)的應(yīng)用后勁。其中，銅鉻鋯冷卻壁力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能等綜合性能最好，隨著銅冷卻壁的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的加快，成本的不斷降低和技術(shù)的不斷成熟，銅鉻鋯冷卻壁在我國(guó)的使用，特別是在大型高爐上的使用將會(huì)不斷增加。

3 結(jié)束語(yǔ)

高強(qiáng)高導(dǎo)銅鉻鋯合金材料是一類具有綜合性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料和功能材料。該銅合金材料具有高強(qiáng)度高導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，在集成電路引線框架、高速鐵路接觸導(dǎo)線、電子通訊導(dǎo)電元件、大功率接觸器觸頭及電阻焊電極等領(lǐng)域被廣泛使用，尤其在高速鐵路架空導(dǎo)線和遠(yuǎn)程輸電接觸材料方面擁有巨大的市場(chǎng)需求量。通過(guò)上述市場(chǎng)分析，同時(shí)考慮銅鉻鋯合金的其他應(yīng)用領(lǐng)域，以及隨著今后我國(guó)的高鐵技術(shù)出口以及全世界高鐵建設(shè)熱潮的到來(lái)，其市場(chǎng)容量至少在10 000億元以上。據(jù)測(cè)算，高強(qiáng)高導(dǎo)、環(huán)保、銅鉻鋯合金等特殊銅合金材料的年均消費(fèi)量增長(zhǎng)率將保持在16%以上。目前，我國(guó)在開(kāi)發(fā)高強(qiáng)高導(dǎo)銅鉻鋯合金領(lǐng)域，初步形成了完整的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，開(kāi)發(fā)高強(qiáng)高導(dǎo)銅鉻鋯合金材料，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益將非常顯著。