专家谈：高强高导新型铜合金的应用及发展趋势【SMM铜峰会】

在由上海有色网（SMM）和山东恒邦冶炼股份有限公司联合举办的2024（第十九届）SMM铜业大会暨铜产业博览会——电工输配电论坛上，中南大学教授/博导龚深对高强高导新型铜合金的应用基础研究进行了解读。

铜合金加工产量分布

一、2023年全国铜加工产量分布

铜材产品质量及竞争力

产品质量与国际接轨，综合实力强：质量好，主要产品质量标准与国际接轨；产业链完整，各种铜材产品均可自主生产；实现净出口逐年扩大，国际竞争力增强；配套协作完善，供应链优势明显。

高性能铜合金设计

设计原则

调整材料成分：即在铜中添加合金元素，提高材料的性能，即研究开发新型铜合金材料；热处理调整组织结构：进行合理的热处理，调整材料的组织结构，提高材料的性能；素化设计+特种加工技术：通过加工工艺而不是添加合金元素；直接保值回收利用：如涂层元素为有效合金化元素，C18045。

其还对设计方法进行了介绍。

集成电路引线框架用铜合金

集成电路引线框架用铜合金

引线框架铜合金的主要功能是为芯片提供机械支撑的载体，并作为导电和导热介质，一方面连接芯片/器件电路而形成电信号通路，另一方面与封装外壳一同向外散发热量而形成散热通路。

集成电路的发展趋势：由小规模发展到中规模、大规模、超大规模、特大规模，最后发展到及大规模。

引线框架：是芯片的载体，是集成电路的重要组成部分。

引线框架发展: 多脚化、高密度化、超薄、微型化引线框架用材料：高强高弹、高导、高抗软化温度、高精度、高表面质量

引线框架加工方式：由传统物理冲压成向蚀刻成形转变

服役条件：集成电路向高集成化、高流通能力、高可靠性发展，布线更加细微化。

蚀刻框架铜合金的主要性能要求

其从组织结构特征、本征性能、形位公差、后加工性能、镀覆性能等对蚀刻框架铜合金的主要性能要求进行了阐述。

集成电路引线框架用铜合金残余应力调控

在带材加工过程中，不均匀变形是一定存在的，如何在轧制过程中控制宏观板形是蚀刻型铜带加工技术的核心之一。

带材后处理过程如何更好地改善板形，消减残余应力及改善残余应力分布的不均匀是蚀刻型铜带管家加工技术之一。

一次凝固组织亚微米化控制和析出相纳米弥散化控制技术是实现蚀刻后低毛刺、凸起和良好弯折性能的关键。

带材的残余应力控制关键技术。

通过调整冷轧过程中轧辊凹凸度、辊表面质量、拉弯矫+退火过程等的协同调控，改善带材残余应力,刻蚀性能和离线形位公差。

C194引线框架材料（Cu-Fe-P合金，综合性能高）、高强高导型合金（以Cu-Cr-Zr合金为代表）、高强中导型合金（以Cu-Ni-（Co）-Si合金为代表）等几种的引线框架材料的性能。

Cu-Cr-Zr合金大规格坯锭非真空熔炼

问题：Zr易氧化造渣、与于炉衬材料反应等，成分稳定控制困难。

措施：熔体预处理、铜-锆中间合金添加、拉铸工艺的调控、渣-气联合保护、浇管和流道设计与保护。

其还介绍了CuCr系合金的时效析出特性、C7025合金的加工工艺流程、C7025 合金典型加工工艺参数、Ni与Si的变化对性能影响、合金的相变等内容。

印制线路板和IGBT用压延铜箔

印制电路板覆铜板用高性能铜箔

印制电路板（PrintedCircuitBoard，PCB），PCB是支撑5G技术发展的关键零部件。是每个电子产品承载的系统合集。PCB主要由绝缘基材与导体两类材料构成，在电子设备中起到支撑、互联的作用，称为“电子产品之母”。

覆铜板（CopperCladLaminate，CCL），是制造印刷电路板（PCB）的核心基材。覆铜板占整个PCB生产成本的30%-40%。担负着（PCB）导电、支撑等功能。

铜箔：是制造覆铜板的关键材料，要求有较高的导电率及良好的焊接性。并且铜箔表面不得有划痕、砂眼和皱褶铜箔。越薄，越容易蚀刻，越适合于制造线路复杂的高密度的印制板。

铜箔：分为压延铜箔和电解铜箔

5G对铜箔材料的具体要求：细线路/弯折优异，再结晶温度低；介电常数和介电损耗要小；电磁波覆盖能力较差，材料电磁屏蔽能力要强；覆铜板向多层数方向发展，箔料的厚度更薄，弯折性能更高；基于趋肤效应，高频下趋肤深度变浅，导致通流截面积变小，交流电阻增加（10GHz下趋肤电阻率是1GHz的3倍），要求铜箔粗糙度越低越好,粗糙度越小，介电损耗越小。

压延铜箔与电解铜箔特性比较

压延铜箔

压延铜箔：智能穿戴、5G&6G 高速通信、新能源汽车、VR/AR、AI 等行业。

压延铜箔的传输性能及柔韧性（挠性）的要求。

铜基体中达到一定的氧含量时，表面缺陷和粗糙度更低，更加适合更高频率信号的传输。

高速通信用高挠曲性富氧铜压延箔产品制备的关键是高品质富氧铜箔母材的生产。

氧在固态铜中的最大固溶度约80ppm，超过80ppm，氧均以Cu2O 形式存在。氧含量超过一定量后以Cu+Cu2O 的形态分布于晶界，氧含量达到共晶体成分点0.39wt%时全部为共晶组织。

铜液中的氢和氧的溶解量成反比，随着氧溶解量增加氢的溶解量降低，因此，富氧铜锭制备时，必须严格控制氢的吸入，以防止铸锭中产生气孔等缺陷，进而导致箔材中的针孔缺陷。

其还对影响氧含量的因素、调控氧含量的工艺参数、微量元素在合金中微观作用机制、铜箔轧制工艺控制等进行了介绍。

新型压延铜合金箔

有氧铜箔，氧含量在150-500PPM，又称为轫铜铜箔，强度高,表面质量好。

无氧铜箔，各杂质元素越低越好，导电率可达101-103%IACS,强度低，韧性好。

IGBT用铜箔

其对GBT用高耐热无氧铜制备技术（DBC）进行了阐述。

新能源汽车用铜合金

新能源汽车用铜合金

传统汽车内燃机用铜23kg，混合电动汽车用铜40kg，插电混合电动汽车用铜60kg，纯电动汽车用铜111kg，纯电动公交车，根据电池容量大小用铜量位于224-369kg 区间；

根据IDTechEx 数据，新能源汽车用铜量中：电池占比约48%，电机占比约12%，高压线束占比约6%，低压线束占比约28%，其他占比6%；

每辆新能源汽车低压线束用铜量为约23kg，高压线束用铜为约5kg。低压线束系统中，低压线缆（一般采用无氧铜丝）用铜占比约85%，低压连接器（一般采用紫铜带、C192等）用铜量占比约15%。

高压线束系统中，高压线缆（采用退火纯铜）铜量占比约75%，高压连接器（采用磷青铜、铍青铜、铜铬锆、铜镍硅、C194等铜合金）用铜量占比约15%；经测算，单车低压线缆用铜量约19.8kg，单车低压连接器用铜量约3.49kg，单车高压线缆用铜量约3.7kg，单车高压连接器用铜量约0.75kg。

驱动电机用铜杆

驱动电机：单车铜杆用量为约14公斤

驱动电机是电动汽车的动力来源，关键部件是定子和转子。

永磁同步电机和交流异步电机已成为乘用车领域主流选择。

永磁同步电机本身具有转矩密度、功率密度、效率较高、调速性能好等优点，永磁同步电机在国内驱动电机市场中份超94%。

2021年来特斯拉、广汽换装扁线电机，比亚迪DMI全系采用扁线电机，上汽、长城的新车型也纷纷转为扁线电机，占有率已超过23.9%。

国内生产企业有精达股份、金杯电工、金田铜业和长城科技等。

采用无氧铜杆（氧含量低于10ppm）加工，大部分无氧铜杆为外购。

高纯度、优异的导电性、导热性、切削加工性能和良好的焊接性能，无“氢病”或少“氢病”。

新能源汽车连接器端子用铜合金

汽车连接器是各个电子系统连接的信号枢纽，应用于各子系统中，包括动力系统、车身系统、信息控制系统、安全系统、车载设备等方面。传统燃油车单车所用连接器数量约为500个，而新能源汽车单车将运用800-1000个连接器，在新能源整车中成本占比达到45%-65%。

新能源汽车主要由充电和换电两种能源补给模式，这两种补能模式的载体一种是充电桩，另一种是换电站，使用的电连接器与换电连接器均属于高压连接器。与充电桩的充电模式不同，换电是通过集中型充电站对大量电池集中存储充电，在电池配送站内直接完成对电动车进行电池更换。

铜合金应用于连接器端子，约占其总成本的26.4%。电镀材料的选择，以镀金、镀锡、镀镍和镀银等为主。

高铁接触网线用铜合金

高铁接触网线用铜合金

接触网包括接触线、承力索、吊弦等。

接触线是最重要的组成部分，电力机车运行中，其受电弓滑板直接与接触线摩擦并获得电能。

承力索的作用是悬挂接触线，同时承载一定电流来减小牵引网阻抗，降低电压损耗和能耗。

吊弦是连接接触线和承力索的连接线。

贯通地线是将铁路沿线的牵引供电回流、电力供电、信号、通信及其他电子信息系统、各种设备连接在一起的接地导体，形成等电位连接，实现铁路沿线设备的防电磁感应干扰、静电干扰以及防雷电侵入等功能。

震波速度（接触导线波动转播速度）。

可行的措施：提高接触线的抗拉强度保证其在满足安全系数的前提下提高接触线的张力。

高速列车接触线用铜合金要求

电气化铁路接触线国内外研究现状和发展趋势：其从国内外接触导线的主要技术指标比较、几种铜合金接触线的抗拉强度、导电率进行了介绍。此外，日本PHC接触线综合性能优异，对我国技术封锁。未见相关制备技术数据。

其对Cu-Mg接触导线及其生产工艺进行了说明。

探明了Cu-Cr-Zr系合金的强化和耐热机制，解释了Zr元素在合金中的存在形式，及其对纳米Cr强化相形核和长大的影响规律。

提出Cu-Cr系合金多尺度、多维度设计与制备理论框架。

Zr元素易氧化，造渣，易于炉衬材料反应，和熔体微量的氧化物形成络合物，熔体粘度变化，导致连续铸造困难。

合金熔体预处理，铜-锆中间合金添加方式优化，渣-气联合保护，拉铸工艺的调控（核心参数：拉铸温度，拉停比例等），实现CuCrZr合金非真空连铸和大坯锭半连铸。实现Zr的均匀分布：Zr:0.02-0.1wt%。

二次冷轧时效可有效提高合金性能，强度可达620MPa以上，电导率可达82%IACS，软化温度高达550℃。

超高强弹性铜合金

超高强CuNiSn合金的制备工艺流程

Cu-Ni-Sn合金是一种既具有高强度、高韧性又具有优良耐磨和耐蚀性能的铜合金材料：Cu-15Ni-8Sn合金的强度最高可达1350MPa以上，导电率8%IACS；Cu-9Ni-6Sn合金的强度最高可达1000MPa以上，导电率12%IACS。

Cu-Ti合金组织结构与性能

作为超高强弹性铜合金，Cu-Ti系合金具有高弹性、抗疲劳、无磁性、无冲击火花、易电镀和钎焊、耐磨等性能以及优异的弯曲性能(r/t小)；广泛应用于用作传输电力信号的接插件、连接器、开关触片以及弹簧等导电弹性元件。

铜合金发展趋势

铜材减碳加工技术

铜工业碳减排实施路径主要包括：低碳原料应用、低碳工艺推广与开发、低碳能源结构优化等。

（1）低碳原料应用与废旧铜合金的循环利用（城市矿山）

废杂铜的精确分选、废杂铜有害杂质元素的去除与降低技术；废杂铜熔炼过程中的高效造渣剂、精炼剂等的研制；高效熔化炉开发，利用废杂铜实现综合性能好的再生铜合金开发。

开发黄铜、紫铜、引线框架和白铜等重点产品同级回收技术；

建立完善的回收体系，所有铜合金材料服役完毕后均能够进入循环回收体系并进行同级或升级利用。

（2）铜合金绿色智能制造技术

高效低能耗铸造、高效热处理及加工技术。

（1）铜合金多流多头高效熔铸技术和潜液转流铸造技术；

（2）燃烧控制技术、烟气余热利用技术和计算机控制技术。

（3）大规格铸坯高速热变形装备与技术以及强冷塑性变形技术，加大产能，减少材料几何损失。

建立先进短流程生产线，实现高端铜基合金产品,如集成电路引线框架用铜合金板带材、接触网线、键合丝铜合金、微电机超细丝、海洋工程用白铜合金管材等的工业化生产。

建立铜合金制备全流程全耦合仿真模拟技术，实现生产工艺参数的快速优化。形成基于工业物联网的智能生产、物流、仓储技术，实现全产业链智能制造。

（3）铜材设计的数字化技术

合金化数字化技术实现了合金的从成分设计到工艺设计的理性设计以及高效实验。

合金的成分设计是开发的源头，利用热力学、动力学以及相场计算的方法，设计出理论最优的合金成分，并预测合金的目标性能，减少试验试错；

高通量实验技术以最小的成本、最低的能耗实现最大效率的试制，以此确定产品最优成分设计；

利用有限元技术实现熔铸、热处理和加工过程中工装模具的优化设计，生产工艺参数的优化设计，快速且精准确定合金生产工艺。

铜合金加工全流程高效加工技术

铜合金高效熔铸技术：多流多头铸造和潜液转流铸造技术。

节能式步进炉加热技术：通过调节大型铜加工步进炉的步进速度和间距，控制锭坯加热质量，以进一步提高加热效率。

强变形高效热变形技术：燃烧控制技术、烟气余热利用技术等提高热能利用率；大规格铸锭高速变形热轧装备与工艺，实现大产能、低材料几何损的高速变形热加工技术；高速变形提高带坯的终轧温度，减少带坯头尾温差，使带坯性能均匀、稳定，提高冷轧带材的精度和成材率。

强冷塑性变形技术：强变形装备与工艺，实现大压下量冷变形，结合快速退火，实现细晶化合金组织，提高力学性能、综合成材率。

铜材先进短流程加工技术

短流程加工技术是指由液态金属直接凝固、轧制或拉拔等变形的生产方式，综合成材率较传统工艺提高30%左右，能耗为传统工艺70%左右。

基于应用场景的材料设计

微通道换热器，就是通道当量直径在10-1000μm的换热器。与常规换热器相比,微通道换热器不仅体积小换热系数大，换热效率高。铜基微通道换热器技术节能环保效果：

环保优势：制冷剂用量减少达70%；

节能优势：换热效率提高30%以上；

成本优势：减重30%以上，成本降低30%；

比翅片铜管式换热器系统的制冷量提升3.4%，功率降1.4%，能效比提升0.16；制冷剂充注量可减少20%～35%。

铜基复合材料

铜/石墨烯复合材料

石墨烯是已知载流子迁移率最高的材料，其室温迁移率大于150000Cm2/（V·S），为硅的100倍，理论电导率达10×10⁷S/m，比铜（5.7×10⁷）和银（6.3×10⁷）还高。

如果将现有铜材替换成铜/石墨烯复合材料可以将20KW电机铜耗降低12.33%，若将全国的电机都替换为超级铜电机，每年可以节约用电约185亿度。

铜/石墨烯复合材料属于铜的深加工行业，还处于中试的阶段，暂时没有进行市场开发，但是也有小批量的销售。

弥散强化铜

其对弥散强化铜产品性能特点以及工艺流程等进行了讲述。

双金属复合板带制备方法

其从轧制复合法、铜钢复合带材工艺路线、冷轧复合工艺等进行了说明。

》2024SMM第十九届铜业大会暨铜产业博览会专题报道

来源：SMM