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、各類點焊、滾焊機(jī)的電極、高端連接器材料、觸頭材料、電樞、電動工具的換相器、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機(jī)轉(zhuǎn)子、大推力火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)襯、電廠鍋爐內(nèi)噴射式點火噴孔、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）焊點達(dá)3000～5000 個，必須采用自動電阻焊點焊焊接，其每年消耗的銅鉻鋯電阻焊電極達(dá)到2500t 。
而全國的小汽車、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)萬噸，銅鉻鋯合金電阻焊電極的市場價格約為10萬元/t 。因此，光電阻焊電極領(lǐng)域每年就有數(shù)十億的市場。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)域的市場需求極為廣闊 [3] 。
2.1 電阻焊電極材料
我國電阻焊電極產(chǎn)品市場主要分布在華南、中南、華北等地區(qū)。 其中，華南地區(qū)占據(jù)我國市場的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，對電阻焊的質(zhì)量也提出了更高的要求。 銅鉻鋯合金電極的使用壽命長、對被焊接材料不產(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，我國成功研制出性能優(yōu)異的新型銅鉻鋯合金電極材料。通過不斷地生產(chǎn)與應(yīng)用，該材料已成為我國目前電阻焊行業(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)量優(yōu)于鉻鋁鎂青銅。因而，目前市場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，我國模具產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，國內(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。 當(dāng)前，我國高水平的大型、精密、復(fù)雜、長壽命模具占比高達(dá) 40% 以上，例如長度超過3m 的大型級進(jìn)模具、 B 級車整車模具，加工精度達(dá)到0.5μm的精密模具； 2000～2500 次 /min 以上的高速沖床上使用的精密級進(jìn)模具； 精度達(dá)到了微米級的塑料模具，能有效滿足高速發(fā)展的 IT 產(chǎn)業(yè)的要求。 同時，我國能生產(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需求量將不斷增加，預(yù)計在我國“十三五”期間，模具制造業(yè)的產(chǎn)值將突破2600 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發(fā)展的方向，對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~ 600MPa 、導(dǎo)電率達(dá)到75%~80% IACS 。 而要實現(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 年國內(nèi)集成電路產(chǎn)量達(dá)800億塊，滿足國內(nèi)市場61% 的需求。 按平均每 1億塊集成電路約需銅合金材料100～220t計算，2016 年銅合金需求量達(dá)到 12×104 ～130×104t ，預(yù)計“十三五”期間需求量仍將高速增長，其產(chǎn)值將超過1600億元。
2.4 高速電氣化鐵路用接觸線材料
隨著我國鐵路建設(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接觸網(wǎng)導(dǎo)線材料的消耗量。另外，我國電氣化鐵路正向高速重載方向發(fā)展，對接觸導(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使架空導(dǎo)線的局部產(chǎn)生瞬時高溫，高溫必然會產(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)線的波動傳播速度決定了機(jī)車的最高運行速度。 根據(jù)電氣化列車實際的運行經(jīng)驗，當(dāng)列車的運行速度在波動傳播速度的 70% 以下
時，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)線高速滑動時，引起界面出現(xiàn)上下振動的橫波，其波動傳播速度與架空導(dǎo)線的架線張力和線密度（單位長度的質(zhì)量）有關(guān)。 要提高架空導(dǎo)線的波動傳播速度，一個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)線與受電弓接觸時不晃動。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，運營成本低，隨著我國高速鐵路的發(fā)展，其市場前景非常廣闊。因此，這一領(lǐng)域的研究與產(chǎn)業(yè)化將是
我國電氣化鐵道用架空導(dǎo)線發(fā)展的必然趨勢。
2.5 銅鉻鋯結(jié)晶器材料
近年來隨著鋼鐵及有色金屬加工企業(yè)的不斷發(fā)展，對結(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，在相對較高的溫度環(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4500 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，具有伸長率高、抗拉強(qiáng)度大、熔點高、抗熱沖擊性強(qiáng)及整體導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點，但由于鋼液溫度高，在澆注、凝固過程中，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。
銅冷卻壁自開發(fā)至今20余年，已經(jīng)在40余座高爐上使用，這說明此項新技術(shù)在生產(chǎn)中得到了充分的考驗，已經(jīng)被大家所認(rèn)同。在高爐上試用成功使人們對銅冷卻壁有了新的認(rèn)識，在高爐上的使用也從開始時的一段逐步擴(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號高爐3550m3），在大修時使用了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的舊銅冷卻壁，磨損僅1mm ，經(jīng)清洗后，可重新使用。這些情況說明了銅冷卻壁已進(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，是一種長壽的冷卻設(shè)備。銅冷卻壁不僅具有伸長率高、抗拉強(qiáng)度大、熔點高、抗熱沖擊性強(qiáng)及整體導(dǎo)熱性能好等性能優(yōu)勢，而且在實際應(yīng)用過程中，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的使用，特別是在大型高爐上的使用將會不斷增加。
3、結(jié)束語
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需求量。通過上述市場分析，同時考慮銅鉻鋯合金的
其他應(yīng)用領(lǐng)域，以及隨著今后我國的高鐵技術(shù)出口以及全世界高鐵建設(shè)熱潮的到來，其市場容量至少在10000 億元以上。 據(jù)測算，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量增長率將保持在 16% 以上。目前，我國在開發(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產(chǎn)權(quán)體系，開發(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)效益和社會效益將非常顯著。
參考文獻(xiàn)
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