高强高导电铜合金现状.docx
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高强高导电铜合金现状
高强高导电铜合金国内市场现状
特种铜合金由于其具高强度、高导电、高导热、软化温度高等特点，被广泛应用于：
电极焊电极、电气工程行程开关触桥、连铸机结晶器内衬、集成电路引线框架、汽轮发电机和风力发电机主轴、槽楔、高速牵引电机端环/导条、电车及高速列车架空导线、CO2焊机导嘴等行业。
近年来，市场的变化发展很大，一方面，一些传统行业市场容易逐渐萎缩，另一方面，一些新兴行业市场容易大幅度增长；但由于国内在这方面无论是在材料研究还是在市场推广方面都严重落后于市场的需求。
因此，绝大部分特种铜合金材料从美国、日本、法国等国家进口，严重制约了国内特种铜合金行业的发展。
下面就当前的市场情况作一些粗浅的分析。
一、传统行业市场容易逐步萎缩
原来电阻焊机行业包括使用电阻焊机的汽车钢圈、空调、电冰箱、自行车等行业，市场容易大幅减少，有的是整个行业不再使用电极材料，只有造船、制桶、锚链、超市货架等行业有一定幅度的增长。
二、汽车、地铁、轻轨、高速铁路等新兴行业市场容量大幅增长
1、汽车行业
⑴铬锆铜电极帽
由于汽车行业均是大工业流水线生产，因此对焊接电极的质量要求较高，目前均采用冷挤压成型、真空退火等先进工艺来确保材料的各项机械物理性能。
随着汽车行业的快速发展，焊接电极帽的使用量也越来越大。
以目前年产600万辆轿车为例，每辆轿车需用5只电极帽，则每年电极帽的用量为3000万只。
目前国内生产厂家只能获得市场的三分之一容量，三分之二市场被外资企业或国外企业控制。
现在该产品的主要技术参数为：
硬度≥HRB85；导电率≥MS/m45；软化温度≥600℃。
同时解决了常规电极容易发热，在焊接时产生“粘”的情况。
由于该产品采用了冷挤压成型工艺，因此，产品生产成本较低，市场前景广阔。
由本人主导的《一种用于焊接汽车镀复层钢板的电极帽的制作方法》2006年11月1日获国家发明专利；专利号为ZL200410041717.7。
⑵铬锆铜电极接杆
由于该产品和电极帽配套使用，因此用量较大，即使以1/40的比例计算，每年也需要75万只，但由于该产品批量较小，加工工艺相对较多，因此增值部分较大，估计市场年用量在4000万元左右。
⑶其它配套件，如电极头、电极座、电极块
由于该产品耗用材料较多，在当前国家重点强调节能环保的前提下,许多公司转而采用降低成本的其它形式,如电极接杆+电极帽（电极头）。
目前估计市场容量为4000万元/年。
⑷焊接用铬锆铜电极臂
在汽车冲压件的焊接过程中，有两种焊接方式：
①机器人自动焊接流水线；
②手工焊接流水线。
在手工焊接流水线上大量采用悬挂式点焊钳进行焊接，因为这种焊接方式成本低、操作方便，对于机器人不能焊接的复杂冲压件，只能采用手工焊接。
预计目前焊钳的市场容量为5000把/年，每把以3500元价格计算为1750万元，由于焊钳往往需来各种附件（如平衡器、同轴电缆、转盘等），每把焊钳实际交付价格近1万元。
焊钳用铬锆铜厚壁管，几年前，我公司也已开发成功。
目前市场容量约为100吨/年，详细生产可参见中国科学金属研究所专利文件。
专利号00123257.6《电阻焊电极臂用特厚壁铬锆铜管的制造方法》
2、地铁、轻轨、高速铁路异步牵引电机用端环、导条
①国内市场
常规铁路牵引电机端环、导条采用纯铜制作，特点是导电率较高，但硬度较差。
由于列车速度越来越快，对牵引电机的要求也日益严苛，因此纯铜材料制作的端环、导条已无法满足高速列车电机的使用要求。
目前国内高速电机无其他厂家生产，主要依靠引进法国阿尔斯通公司、日本车
芝公司技术和材料进行生产。
由于国外技术的垄断，严重制约了我国铁路行业的发展，我公司受上海南洋电机厂、铁道部北车集团永济电机厂委托，成功实现了端环、导条项目的国产化。
目前已申请了国家发明专利，专利号：
端环：
200710020296.3；导条：
200710020295.9。
并成功获得了2008年度国家科技部科技型中小企业技术创新基金项目，立项代码：
08C26213200592。
该产品具体硬度、抗拉强度、屈服强度、软化温度高、导电率好、合金晶粒细化等特点，经法国阿尔斯通检测，各项技术均达到规定的要求，在上海南洋电机有限公司、北车集团永济电机厂实际使用后，效果良好。
随着全国铁路的全面提速，对高速牵引电机的需求量将大幅增加，同时对电机用端环、导条的需求量也将大幅增加。
按保守估计，电机端环、导条的需求量将达4000套/年，价值5000万元。
由于端环、导条目前国内无其它生产厂家，因此利润较高。
②国外市场
目前，美国GE公司、印度LAUUBBAIAMICHANDLIMIIED公司、法国ALSTOM公司也向我公司订购高速电机端环、导条。
由于铁路高速化已成为铁路行业发展的一大趋势，同时，该行业在国外因为有环保法律、法规的限制，生产成本较高，而我国该产品的生产工艺已成熟，并且也没有这类限制，因此，具有良好的竞争优势，大批量出口的市场前景乐观。
③电车、高速列车架空导线
高速电气化铁路提速的关键就是提高接触导线的波动传播速度，以提高接触网的稳定性，改善受流质量，这样必须增大接触电线的架线张力或降低线密度。
接触线允许使用的架线张力与拉断力有关；而靠增加接触线的面积以增加拉断力，并不能降低β值（行车速度与波动传播速度之比）。
所以铁路提速的根本是必须提高接触线的抗拉强度。
高速列车电力牵引用接触线是通过与电力机车受电弓滑板滑动摩擦直接触向电力机车输送电流的导线。
它除正常磨耗外，还会受非正常的机械冲击负荷、焦耳热效应、摩擦生热和故障大电流的影响而发生各种弓网故障，甚至出现拉断或者熔断事故。
因而要求接触线同时具有较高的抗软化温度。
我国铁路广深线、京郑线都大量或全部使用了法国和德国产品。
法国在时速300~350km的接触网中采用锡铜-120接触线，德国在时速300km的接触网中使用了GT-CSD-110铜包钢接触线，而其他的高速铁路上多采用银铜合金接触线，上述国家铁路所采用的接触线材料，虽然都各有优点，但存在的严重问题是导电性好的材料其强度不高，合金的综合性能不理想，国外已有厂家在研发Cucrzr,CuNisicr铜合金导线，并获得了重要突破，特别是Cucrzr合金，由于其既有较高的硬度，又有良好的导电性能，抗拉强度和耐高温性能，成为未来高速铁路架空导线的首选材料。
但目前该材料在生产上还缺乏大型的设备，要实现大规模生产尚需时日。
目前江苏大学材料学院赵国平博士已在研究铬锆铜连铸生产工艺，一旦成功，将为铬锆铜架空导线的大规模生产扫清障碍。
接触线的具体技术要求如下（银铜）：
1、抗拉强度高，综拉断力≥40KN
2、高导电率：
IAES≥95%
3、耐磨性好，使用寿命≥20年
4、耐热性好，软化温度≥300℃
5、抗大气腐蚀性好
6、线膨胀系数小
由于铬锆铜材料其具有高强度、高导电、高耐火温度等特性，因此，成为高速铁路接触线的首选材料，同时镁铜、铬铜、银铜材料也是接触线的重要选择。
目前，中国生产接触线的厂家由于冶炼设备和技术落后，还不能生产出合格的高强高导铜合金接触线。
2010年京沪高速铁路的动工建设，造就了一万亿元的市场机会，CuCrZr系铜合金接触线年需求量将达万吨，年产值近10亿元，因此，市场前景十分广阔，谁抢先占领市场，谁就掌握了行业发展的方向，成为行业的领头羊。
附：
京沪高速列车接触线性能要求
序号
性能
参数
1
架线张力/KW
25～30
2
线密度/Kg.m-1
1.1～1.2
3
抗拉强度/MPa
600～700
4
拉断力/KN
70～80
5
导电率IAES%
80～95
6
高温抗拉强度下降率%
10
7
耐磨和耐腐蚀性
与铜接触线相当
高速列车接触线的材质必须满足高强度、高导电、高抗软化性和耐磨性等性能。
铜合金以其优异的性能，在电气铁路接触网中占主导地位，具有广阔的市场前景。
三、汽轮发电机用特种铜合金（镍硅铬、锆铜、铍镍铜）
目前，我国各大型电机制造厂家为了提高汽轮发电机的平衡运行能力和保证发电机负序电流造成温度的安全可靠性，对所选用的主轴、转子槽楔材料要求必须有较高的导电性和具备很高的常温和高温机械性能。
我公司受上海汽轮发电机有限公司（原上海电机厂）委托，参照了美国西屋公司技术条件，为30万千瓦汽轮发电机主轴，转槽楔开发了镍硅铬铜、锆铜、铍镍铜等特种合金材料，替代了国外同类进口产品。
1、镍硅铬铜
常规汽轮发电机转子槽楔用紫铜材料加工，它虽然具有导电性能较好的优点，但强度较低，使用效果差、寿命短。
我公司结合自身的生产经验，自主研发了高强度、中导电的新型铜合金材料——镍硅铬铜，完全达到产品规定的各项技术要求。
目前其性能指标稳定，数值如下：
抗拉强度RM≥720MPa
屈服强度RP0.2≥630Mpa
延伸率≥16%
硬度HRB≥95
导电率MS/M≥24
由于材料具有上述的优异性能，同时还可以作为电阻焊机导电轴、点焊电极使用。
目前预计年用量不少于200吨。
2、锆铜
锆铜是我公司为上海汽轮电机有限公司开发的另一个新产品，它主要用于汽轮发电机的主轴，主要技术指标如下：
硬度HRB≥70
导电率MS/M≥50
抗拉强度RM≥315MPa
屈服强度RP0.2≥275MPa
延伸率≥12%
同时锆铜由于具有超高的导电率，被广泛应用于电阻焊铝合金产品的焊接，目前市场年容量估计2000万元。
3、铍镍铜
由于其高硬度、中导电、耐高温的特性，该产品被广泛应用于电阻焊凸焊电极、汽轮发电机槽楔、炼钢炉结晶器用平板、低压电器开发弹性触头、塑料玩具冲压模具等行业。
主要技术性能如下：
硬度HRB≥95
导电率MS/m≥32
软化温度≥650℃
抗拉强度RM≥720MPa
屈服强度RP0.2≥630MPa
该产品由于其具有优异的技术性能，将逐步被许多新兴产业所使用，市场前景不可估量。
四、集成电路引线框架
集成电路（IC）由芯片、引线框架和塑封3个部分组成。
引线框架作为IC部分必须具有如下特性：
抗拉强度抗拉强度RM≥600MPa
导电率≥80IACS%
抗软化温度≥800K（或较高的导热性）
铜合金材料以其优良的性能、低廉的价格而被广泛用IC作引线框架材料。
目前，占集成电路市场份额的80%以上，我国每年需要铜合金框架铜带100～115万吨，但大部分仍需进口。
因此，该产品的研究开发刻不容缓。
根据引线框架材料的技术要求和目前国外实际使用性能较好的材料是CuNiSi和CuCrZr合金。
经实验论证，镍硅铜成份控制在：
Ni3.2,Si0.75范围。
工艺路线为：
900℃×2h固溶处理+70%冷变形+500℃×4h时效
CuNiCr合金的性能可望达到超大规模集成电路所需理想的技术指标：
硬度≥96HRB；抗拉强度RM≥800Mpa；导电率≥50%IACS
CuCrZr合金具有高强度和良好的导电性能，是目前研制出的唯一能够满足超大规模集成电路性能要求的高强高导引线框架材料。
Cr和Zr在铜基合金中起固溶强化与时效硬化作用；时效处理后Zr与Cu结合形成大量细小的均匀分布的Cu3Zr析出粒子，可阻碍位错的爬升，滑移和晶界迁移，进一步提升了合金的综合性能。
日本利用其开发出的非真空生产技术成功地研制出几种高强高导CuCrZr系引线框架材料，并已形成产业化、规模化生产，具有代表性的合金是NK120及三菱公司的OMCL-1.
CuCrZr合金如果成份控制在：
Cr0.37;Zr0.06;Mg0.13。
经适当的热处理工艺，技术指标达到：
硬度≥80HRB；抗拉强度RM≥540Mpa；导电率≥80%IACS。
五、炼钢炉用铬锆铜结晶器
常规炼钢炉结晶器用紫铜生产，它具有良好的导热性，但强度较低，耐磨性差，使用寿命太短，产品成本较高，而且经常更换也影响了生产效率。
铬锆铜合金由于其优良的导热性、导电性，良好的塑性和耐腐蚀性，抗变形能力和抗热裂能力较强等特性，成为制作结晶器的理想材料，主要技术落后性能如下：
抗拉强度
≥345
屈服强度
235
延伸率
≥25
硬度
HB≥100
导电率
≥80%
软化温度
≥550℃
Cr:
0.71～0.90Zr:
0.16～0.25
铬锆铜合金因其具有良好的导热性和常温与高温力学性能，具有刚性好、耐磨性能强、不易变形的特点，大大提高了结晶器的过钢量和使用寿命，因此铬锆铜合金将逐步取代原来的普通紫铜及银铜合金材料。
铬锆铜质结晶器具有以下良好的性能：
A，良好的导热性；
B，良好的耐疲劳强度，常温与高温力学性能；
C，刚性好，不易变形；
D，耐磨性能强；适宜于结晶器的苛刻条件；
E，在同等条件，与银铜相比，一次性过钢量可达2倍以上，寿命过钢量达4倍以上，解决了因渗铜而引起的钢坯星状裂纹问题。
铸钢用结晶器有管状，板状形式。
管式结晶器为方形、矩形、圆形，管内腔具有锥度和弧度。
主要生产工艺：
连铸固溶（冷轧或冷锻）时效电镀（镍或铬）时效处理
主要生厂商：
中铝、洛阳铜业有限公司、北京冶金设备研究院第五研究室。
根据宝钢技术中心设备研究所对铬锆铜结晶器铜板的使用考核，长短边铜板的一次平均使用寿命分别达到了402炉和531炉，总使用寿命分别达到了3220炉（边钢量为483000吨）和3451炉，超过了日本进口
同类长短边铜板一次平均使用寿命分别为316炉和417炉，总使用寿命分别为2550炉和2851炉的水平，节约了大量费用。
由于铬锆铜合金具有高的硬度和高的再结晶温度，因此用此合金制造的结晶器寿命比紫铜提高了几倍，应用实例中寿命长达35年以上，可以铸造碳钢、低合金钢、轴承钢、锅炉钢、弹簧钢等牌号钢。
而目前国内许多钢厂由于种种限制，连铸结晶器正在采用紫铜材料，既浪费了大量资源，又增加了生产成本。
六、CO2焊机导电嘴用铬锆铜材料
原来CO2焊机导电嘴均用T2材料生产,由于使用性能较差,成本较高,近年逐步被铬锆铜材料所替代.由于铬锆铜材料硬度较高,在加工导电嘴￠0.8～￠1.2孔的时候,钻头经常断裂,同时加工效率较差,成本较大。
因此，开发生产用加工CO2导电嘴的铬锆铜精密厚壁管具有良好的商机。
目前国内仅有沈阳一家单位专业生产且产品全部销往美国，出口为180元/Kg，该厂每月一至两个集装箱，依然供不应求，国内市场根本无暇顾及。
铬锆铜精密厚壁管的技术条件：
①硬度HRB≥78；导电率MS/m≥43；软化温度≥550
②孔径公差（￠0.8～￠2.0）+0.05～+0.10
③生产工艺:
热挤压固溶冷拨校直真空退火
目前由本人主导的铬锆铜精密厚壁管的开发工作已接近尾声,取得了初步的成功,现已进入产业化阶段.
参考文件、书籍
1、《中国铜合金项目投资前期市场深度调研及投资前景预测报告》
2、《中国紫铜结晶器市场分析报告》
3、《“十一五”期间铜及铜合金材料发展概述》
4、《高强高导CuCrZr系合金的研究进展》
5、《铜合金框架材料的研究》
6、《铜合金专利技术全文光盘系列374项》
7、《中国电力牵引用接触线（电车线）的进展》
8、《国外接触线（电导线）标准译文汇编》
9、《铜合金及其应用》
10、《铍合金材料及其应用前景》
附表①
高强度高导电铜合金国内市场容量估算表
序
号
行业
产品形式
市场发展趋势
原因分析
估计市场容量
1
电阻焊机
电极头/导电轴/电极帽/电极轮/电极块/导电块
大幅
减少
利用了新型节能焊机
1000吨/年
2
汽车钢圈
电极块/导体
大幅
减少
利用了新工艺
轿车采用铝合金钢圈
100吨/年
3
微波炉、空调、冰箱
电极块/电极头
大幅
减少
采用了新工艺
采用了新型节能焊机
100吨/年
4
自行车
电极块
逐步
淘汰
采用了铝合金材料
100吨/年
5
制桶
电极轮/导电轴
略增
石油用量增加
500吨/年
6
锚链行业
电极块
略增
造船行业发展
200吨
7
汽车行业
电极帽/电极块/电极头/电极接杆/电极臂
成倍
增长
汽车产量增加
5万吨
8
造船行业
CO2导电嘴
成倍
增长
造船量增加
1万吨
9
地铁、轻、高速铁路
端环/导条、架空导线
成倍
增长
新兴行业
2万吨
10
集成电路
引线框架
成倍
增长
新兴行业
100万吨
11
炼钢炉
结晶器
成倍
增长
新兴行业
5000吨
12
汽轮电机
转子槽楔/轴
略增
新兴行业
200吨
13
其它行业
一般
100万吨
注：
上述市场容量根据相关资料推算，不尽准确。
附表②
高强度、高导电铜合金投资发展重点
一、材料品种
1、以铬锆铜材料为主导产品，全力提高产品质量，降低生产成本。
2、以铬锆铜材料为主导产品，同时发展其它特种合金材料，如铍镍铜、锆铜、镍硅铬铜等。
二、具体产品
1、以电极帽、端环、导条、电器用接线端子等利润率较高，成品为突破口。
2、以CO2导电嘴用精密铬锆铜管、高速铁路架空导线为新产品研发重点，取得国内市场的领先权和垄断权。
三、产品形式
1、以特殊规格的异形确定自己的优势，如六角棒、梯形棒、板材、铜带为突破口，开拓市场售销新渠道。
2、以铬锆铜材料为主导产品，以加工成品为主营业务，提高利润率。
四、经营策略
1、开始以低价竞争，然后重点提高产品质量，降低生产成本，逐步提高产品价格。
2、重视网络营销，降低经营成本。
五、新产品开发
1、重点搜集国内外新产品信息、资料、技术标准等，利用国内大专院校的科技力量，每年开发2～3个新产品。
2、加强同大专院校的联系，提高公司的科技实力和声誉。
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