铬锆铜合金成型工艺及应用

一、引言

铬锆铜合金是一种添加了铬（Cr）、锆（Zr）等元素的铜基合金，具有高强度、高导电性、良好的抗软化性能和抗腐蚀性等优点，广泛应用于航空航天、电力工程和电子封装等领域。在电力工程领域，常用于制造高速列车的接触线、发电机的转子导线等，以确保电力传输的高效与稳定。基于其良好的导电性和热稳定性，也常在电子封装领域制造集成电路引线框架，保证电子元件的正常工作[1]。

二、铬锆铜合金成型工艺

2.1 真空熔铸

熔铸是铬锆铜合金制备的基础工艺，利用熔炼液态合金的流动性，将熔融金属注入模具型腔，待冷却凝固获得铸锭或毛坯。铬的熔点为1857℃，锆的熔点为1852℃，二者的熔点较高且化学性质活泼，熔炼过程中极易氧化，所以，传统熔炼往往会导致合金元素严重烧损、成分偏析和夹杂物增多等问题，严重影响合金质量。

目前，工业生产中多采用真空感应熔炼或保护气氛熔炼技术。精确控制熔炼环境中的真空度、熔炼温度、保温时间和保护气氛后进行浇注，可有效减少合金元素的氧化与吸气现象，提高合金纯净度。研究表明，运用真空电弧熔炼和水冷坩埚法，并辅以99.99%的高纯氩气，能有效避免金属损耗；以中间合金形式添加锆元素可以使合金成分分布更加均匀；运用石墨坩埚与真空中频感应炉熔炼，经形变热处理后可制备抗拉强度431MPa、导电率 74.3% IACS 的铬锆铜合金[2]。

2.2 粉末冶金

粉末冶金工艺适用于制备高性能或形状复杂的合金制品，尤其适用于对成分均匀性要求极高的应用场景。工艺流程主要包括粉末制备、压制成型、烧结及后续加 烧结是整个过程的关键步骤，其目的是在真空或保护气氛下高温加热使粉末颗粒间形成冶金结合。粉末制备常采用雾化法，如气雾化技术，可获得粒度在50～100μm的复合粉末。压制成型通过模压或冷等静压方式，200～300MPa 压力下可获得致密度大于90%的坯体[3]。

2.3 大塑性变形

大塑性变形技术是一种通过强烈塑性变形使金属材料获得超晶粒甚至纳米晶结构的材料加工技术，能显著改善材料的综合性能。

等径角挤压是通过特殊模具施加纯剪切塑性变形实现材料晶粒细化的大塑性变形技术。研究表明，等径角挤压可制备出直径160 nm 的铬锆铜超细合金，与粗晶铬锆铜相比，500°C 及室温循环加载条件下均能保持结构稳定，疲劳寿命显著提升[4]。

高压扭转是通过在高压环境下施加扭转应力，使材料发生显著塑性变形而细化晶粒的塑性变形方法。研究表明，高压扭转铬锆铜合金，经450°C 时效处理1 小时后强度可提升至 900MPa，电导率达70% IACS，并能有效提升合金的热稳定性[5]。

2.4“固溶-时效”处理

固溶处理的目的是使铬和锆元素充分溶解到铜基体中，形成过饱和固溶体，为后续时效强化奠定基础。固溶处理的工艺参数通常为：温度950-1000℃，保温1-2h，随后进行水淬冷却。固溶温度过低（<900℃）会导致铬和锆元素溶解不充分；温度过高（>1050℃）会造成铜基体晶粒粗大，降低合金的韧性。时效处理是让过饱和固溶体中的合金元素以细小弥散第二相（Cr 粒子、Cr₂Zr 相等）析出，以实现合金强化的关键工艺，通常在450-500℃保温2-4h，随后空冷或炉冷，产生沉淀强化，提升合金强度与硬度，并保障其导电性[6]。

合理的“固溶-时效”工艺是挖掘铬锆铜合金性能潜力的关键环节，通常配合熔铸、锻造、粉末冶金等成型工艺使用。如铸造坯料经“固溶-时效”处理，可消除铸造应力、改善成分偏析，细化第二相粒子；锻造后的合金通过热处理，能进一步调控晶粒尺寸与第二相分布，精准优化性能。

2.5 增材制造

利用高能激光束熔化铬锆铜合金粉末，形成微小熔池并极速凝固，能够获得近净成形、致密度高且形状复杂的金属零件，这就是激光增材制造铬锆铜合金。研究表明，采用激光或电子束粉床熔融等增材制造技术，能够成形致密度近100%的铬锆铜复杂构件。研究表明，激光选区熔化技术（SLM）制备的铜铬锆合金，其相对密度可达到 99.14% 、伸长率可达到 71.7%[7] 。

三、展望

目前，铬锆铜合金挤压成型的研究热点在多学科交叉创新与工程化应用突破。结合熔铸、挤压、轧制和智能制造的交叉创新，智能化控制成型参数和保护气氛，可实现合金晶粒细化和性能提升，既能降低能源消耗和生产成本，又能提高工艺效率和产品质量，将有力推动铬锆铜合金的工业化生产。探索粉末冶金与增材制造技术的有机结合，研究从粉末制备到成品制造的一体化短流程成型技术，缩短生产周期，降低生产成本，提高合金质量，实现工程化应用。

通过持续的技术创新与工艺优化，铬锆铜合金将在更多领域发挥其高强度高导电性的独特优势，推动相关产业实现跨越式发展。

参考文献

[1] 慕思国.高强高导Cu-Cr-Zr系合金制备新工艺及理论研究[D].中南大学，2008.

[2] 李继林. Cu-Cr-Zr系合金成分和加工工艺对组织与性能的影响[D]. 山东大学， 2014.

[3] Dai J， et al. Investigation of the sintering process and high-throughput sample preparation of Cu-Cr-Zr alloy[J]. Materials Letters， 2024， 357： 135805.

[4] Vinogradov A， et al. Structure and properties of ultra-fine grain Cu–Cr–Zr alloy produced by equal-channel angular pressing[J]. Acta Materialia， 2002， 50（7）： 1639.

[5] Sarkeeva E， et al.Influence of Temperature of Severe Plastic Deformation and Aging on Microstructure， Mechanical Properties and Electrical Conductivitiy of the Cu-Cr-Zr Alloy [J]. Defect and Diffusion Forum，2018， 385： 273.

[6] 查俊. 形变及热处理对高强高导Cu-Cr-Zr合金组织与性能的影响[D].长春工业大学，2024.

[7] Wang Q， et al. Effect of process parameters and heat treatment on the microstructure and properties of CuCrZr alloy by selective laser melting. Materials Science and Engineering： A， 2022， 857： 144054.

本文章受到 2025 年大学生创新创业项目“铬锆铜合金挤压工艺及组织性能研究”资助。