Теперь, когда мы закончили классификацию медных сплавов, давайте поговорим о тенденциях развития медных сплавов:
1. Высокая очистка: Основная цель высокой очистки — максимально улучшить электро- и теплопроводность материала. Содержание меди в промышленной меди колеблется от 99,90% до 99,95%, а затем до 99,99% (4N) или даже выше, например, сверхчистая медь, содержащая 99,9999% (6N), и требования к содержанию примесей также более строгие. Например, содержание кислорода (O) снижается с 0.01%~0.{{20}}5% до 0,001%~0,006% и, наконец, до 0,0002%~0,0003%. Минимизировать влияние примесей на электро- и теплопроводность. Типичные области применения включают в себя высокочистую медь для соединительных проводов сетевых передач, высокочистую бескислородную медь для электровакуумных устройств, монокристаллическую медь и сверхчистую медь для точного наведения и высококачественной передачи сигналов, а также сверхпроводников и т. д.
По сравнению с поликристаллической медью предел прочности на разрыв монокристаллической меди снижен на 24,71%, относительное удлинение увеличено в 2,39 раза, усадка поперечного сечения увеличена в 4,14 раза, удельное сопротивление снижено на 31,7%, менее 1,72×10-8Ом·м, содержание кислорода менее 5×10-6, содержание водорода менее 0...5×10-6, а плотность более 8,92 т/м3.
Другая сторона развития материалов из медных сплавов в направлении высокой очистки заключается в том, что в микролегированных медных сплавах матрица медного сплава должна быть высокоочищенной, чтобы гарантировать, что материал имеет более высокие комплексные характеристики.
2. Микролегирование: Цель микролегирования — пожертвовать наименьшей электро- и теплопроводностью в обмен на другие свойства, такие как значительное увеличение прочности. Например, добавление около 0.1% железа (Fe), магния (Mg), теллура (Te), кремния (Si), серебра (Ag), титана (Ti), хрома (Cr) или циркония (Zr), редкоземельных элементов и т. д. может улучшить его прочность, твердость, температуру размягчения или обрабатываемость. Микролегированная медь является одной из горячих тем в современной разработке материалов из медных сплавов. Кислород-стойкая медь и высокопрочные и высокопроводящие медные сплавы являются основными микролегированными медями.
Концепция кислородсодержащей меди заключается в том, что по сравнению с бескислородной медью ее содержание меди составляет более 99,90%, что эквивалентно обычной чистой меди, но ее содержание кислорода контролируется на уровне 0.005%~0,02%, а проводимость может быть выше 100%IACS. Это связано с тем, что правильное количество кислорода играет определенную окислительную и химическую роль в примесных элементах между кристаллами, очищая матрицу в определенной степени. Самая большая особенность производства кислородсодержащей меди — это низкая стоимость ее сырья. Низкосортные медные отходы используются для производства кислородсодержащих медных материалов с высокой электро- и теплопроводностью.
Высокопрочные и высокопроводящие медные сплавы были одобрены работниками материаловедения и технологий по всему миру из-за их хороших комплексных характеристик. Они являются самым быстрорастущим типом медных сплавов в последние годы. Элементы, добавляемые путем микролегирования, в основном: P, Fe, Cr, Zr, Ni, Si, Ag, Sn, Al и т. д. Представительными системами сплавов являются в основном Cu-P, система Cu-Fe-P, система Cu-Ni-Si, Cu-Cr, система Cu-Cr-Zr, Cu-Ag, Cu-Ag–Cr, система Cu-Ag-Zr, система Cu-Sn и т. д., а также различные системы редкоземельных сплавов. Сумма содержания других компонентов в сплаве может составлять не менее 0.01%~0,1%, а максимум обычно не превышает 3%. Их общей особенностью является то, что материал обладает высокой прочностью и высокой проводимостью.
3. Комплексное многоэлементное легирование: Для дальнейшего улучшения прочности, коррозионной стойкости, износостойкости и других свойств меди и ее сплавов или для соответствия определенным специальным требованиям к применению к существующей бронзе и латуни добавляются несколько компонентов, таких как пятиэлементные и шестиэлементные, для достижения различных функций, таких как высокая эластичность, высокая износостойкость, высокая коррозионная стойкость и легкая резка. Многоэлементное (четырех или более компонентов) легирование стало еще одной горячей темой в разработке медных сплавов, и новые сложные сплавы появляются бесконечным потоком. Типичные сплавы включают многоэлементную марганцевую латунь, кремний-марганцевую латунь, бор-оловянную латунь, бессвинцовые легкообрабатываемые медные сплавы и т. д. Их общими характеристиками являются высокая прочность и ударная вязкость, а предел прочности на разрыв обычно может достигать 600~70{{30}}МПа или более. Например, новая марганцевая латунь HMn59-2-1-0.5 (Cu: 58%~59%, Mn: 1,8%~2,2%, Al: 1,4%~1,7%, Fe: 0.36%~0.65%, Si: 0.6%~0.9%, Sn: 0.1%~0.4%, Pb: 0.3%~0.6%, Zn остальное) имеет прочность контрольной трубки более 6{{60}}0МПа, удлинение более 2{{70}}% и твердость HB более 180. Алюминиевая латунь HAl64-5-4-2 (Cu: 63,5%~65,5%, Al: 4,5%~6.0%, Mn: 3.0%~5,0%, Fe: 2,0%~3,0%, Pb: 0,2%~1,0%, Zn остальное), ее прочность достигает более 750 МПа, твердость HB превышает 220. Новая алюминиевая бронза QAl9-5-1-1 (Cu: остаток, Al: 8,0%~10,0%, Ni: 4,0%~6,0%, Mn: 0,5%~1,5%, Fe: 0,5%~1,5%), ее прочность составляет 650 МПа, предел текучести достигает 400 МПа, относительное удлинение достигает более 14%. Из этих материалов изготавливают зубчатые кольца синхронизаторов автомобилей, пары трения насосов высокого давления или медные клинья электродов, а их срок службы в один или несколько раз превышает срок службы обычной латуни или бронзы.
В последние годы, с повышением уровня экологической сознательности людей, охрана окружающей среды стала темой развития мировой цивилизации. Люди все больше беспокоятся о влиянии таких вредных элементов, как свинец, бериллий, кадмий и мышьяк. Разработка экологически чистых медных сплавов, таких как бессвинцовая автоматная латунь, бесбериллийный высокоэластичный медный сплав и бесмышьяковый коррозионно-стойкий медный сплав, стала одним из важных направлений развития медных сплавов.
4. Композитные материалы: Существует два основных способа изготовления материалов из медных сплавов: один заключается в введении легирующих элементов для укрепления медной матрицы с образованием сплава; другой заключается в введении второй упрочняющей фазы для образования композитного материала. Например, дисперсионно-упрочненная бескислородная медь является типичным искусственным композитным материалом, и обычно используемые дисперсные частицы включают Al2O3, ZrO2, Y2O3, ThO2 и т. д. Метод искусственного композитного материала заключается в искусственном добавлении частиц второй фазы, усов или волокон к меди для укрепления медной матрицы и введении равномерно распределенных, мелких и термически стабильных частиц оксида в медную матрицу для укрепления меди с получением материала. Компонент второй фазы обычно составляет менее 1% или даже ниже до 0.01%, но упрочняющий эффект на материал очень очевиден, особенно значительно улучшая высокотемпературную прочность материала. Например, Cu-2.5%TiB2 (объемная доля), проводимость составляет 76%LACS, а предел прочности на разрыв составляет 675 МПа; сплавы серии Cu-0.5%Al2O3 (массовая доля), парниковая прочность материала может достигать 500~800 МПа, проводимость может достигать более 85%LACS, а прочность материала после сжигания водорода при 900 градусах по-прежнему достигает 200~400 МПа.
Другой тип быстро развивающихся композитных материалов — это композитные материалы in-situ (автогенные композитные материалы). Композитные материалы in-situ относятся к типу композитных материалов, в которых армирование создается в медной матрице посредством экзотермических реакций между элементами или между элементами и соединениями. Армирование в этом типе композитного материала не имеет загрязнения интерфейса и имеет хорошую совместимость интерфейса с матрицей. По сравнению с традиционными композитными материалами с искусственным внешним армированием их прочность значительно улучшена, при этом сохраняется хорошая ударная вязкость и хорошие высокотемпературные характеристики. Например, композитные материалы Cu-20%Nb (объемная доля) имеют чрезвычайно высокую прочность на разрыв, близкую к 2000 Па; Cu-18% (массовая доля) имеет проводимость 66,6%LACS и прочность на разрыв 1450 МПа. Другие композитные материалы, такие как Cu-Fe и Cu-Ta, также имеют высокую прочность при комнатной температуре и прочность при высокой температуре, а прочность материалов обычно может достигать 800~1500 МПа.
