先端銅合金材料の研究開発動向と課題
銅および銅合金は、重要な用途を持つ主要な材料の一種です。 銅は、その優れた熱伝導性、電気伝導性、延性、耐食性およびその他の特性により、航空宇宙、武器および機器の特定の用途に必要な材料です。 過去 2 年間、製造業界は銅合金の需要の増加を明らかに感じてきました。 新規ユーザーは常に銅合金積層造形アプリケーションを開発しています。 材料も初期の成形しやすい鋳造錫青銅から純銅や高強度・高導電性の各種銅へと移行してきました。 調査レポートによると、世界の銅積層造形市場は、2019 年から 2027 年まで年平均成長率 51% で成長すると予想されています。銅合金印刷にはプロセスと材料の問題がまだ多くありますが、銅には今後の課題が残ることが予想されます。金属積層造形に適しています。 国内外の銅合金材料の応用状況。 ハイテク産業の急速な進歩に伴い、新材料は超高性能、高純度、高反復の方向に開発されています。 関連製品の集積化、高機能化、小型化、信頼性等を提案しています。 より高い要件。 先進的な銅および銅合金は、コア導体材料として、電子情報産業における超大規模集積回路のリードフレーム、電子対策、レーダー、国防機器用の高出力マイクロ波管、高パルス磁場用の導体材料に広く使用されています。 、高速鉄道輸送用の架空線、大電力の周波数変調と速度調整、非同期主電動機のガイドバーとエンドリング、抵抗溶接電極、電池材料、新エネルギー車両用の充電パイル弾性材料、連続鋳造機の結晶化装置および電気真空冶金産業用のデバイス、スイッチ接点ブリッジおよび電気工学用のさまざまなコンポーネント ワイヤなど。現在、多くの有名な外国の積層造形メーカーが自社の製品カタログに銅材料を含めています。 より代表的な例としては、EOS は 2020 年に純粋な Cu と CuCrZr のデータシートを公開し、2021 年には EOS の子会社である 2 種類の材料の AMCM (Additive Manufacturing Customized Machine) バージョンを発売しました。 SLM Solutions は、CuSn10 および CuCrZr の製品データを相次いで発表しました。 同社は2019年に、強度と電気・熱伝導性を兼ね備えたCuNi2SiCr製品を発売した。 金型や電気分野で使用でき、銅合金材料の積層造形における大ヒット製品となっています。 材料メーカーの TLS Technik、m4p、Sandvik、Makin などが、独自の積層造形銅合金製品を発表しています。 現在、積層造形用の銅および銅合金材料は、純 Cu、CuSn10、CuCrZr、および CuNi2SiCr に集中しています。 CuNiSn、CuCr、CuCrNb、CuAlFeNi などの材料にも関連する積層造形の研究と応用がありますが、その応用度は最初の 4 つのカテゴリの製品ほど高くありません。 1. 各種銅合金は銅に元素を添加すると必然的に電気伝導性や熱伝導性が低下するため、銅合金と比較して純銅の利点は電気伝導性と熱伝導性にあります。 純銅は従来の赤色光の波長である1064nmの吸収率が低く、緻密化が難しいため、純銅の印刷は常に課題となっていました。 現在の解決策は、TRUMPF の 515nm 緑色レーザー装置などの短波長レーザーを使用することであり、もう 1 つは、純銅印刷用の 1Kw レーザーを搭載した EOS の AMCM 装置などの出力を高めることです。 どのような装置で印刷を行う場合でも、高密度、あるいは電気・熱伝導率の高い純銅部品を得たい場合、原料粉末は高純度を維持しつつ、緻密化が容易な粉末特性を備えている必要があります。 、合理的な粒度分布や流動性など。 耐久性に優れ、嵩密度が高いのが特徴です。
純銅粉の調製に関しては、高い真球度を維持しながら材料の高純度を維持することが目標です。 2. CuSn10 CuSn10 は、成形が容易な鋳造錫青銅の一種です。 銅素材を使用した多くのモデルや工芸品では、印刷に CuSn10 素材が使用されています。
CuSn10合金は強度と耐久性が高く、耐摩耗性、耐食性に優れており、ブレードやギアなどの耐摩耗部品の製造に使用されます。 ただし、CuSn10 の電気伝導率と熱伝導率は高くないため、一般に電気伝導率や熱伝導率の要件には使用されません。 CuSn10 は、現在の積層造形銅合金材料の中で従来品です。 3. CuCrZr ロケット エンジンは銅合金の典型的な応用シナリオです。 エンジンのライニングおよび関連部品の材料要件は非常に高くなります。 一方で、燃焼室内の燃焼温度は非常に高温（3000度以上）となります。 一方で、高温・高圧・高速ガスは材料に強い侵食を与えます。 CuCr 合金は代表的な析出強化銅合金です。 Ｚｒ元素の添加により、Ｃｒ相の析出が促進され、析出相の分布が改善される。 同時に、ZrとCuによって形成された銅-ジルコニウム化合物は析出強化の役割を果たすことができます。 したがって、CuCrZr合金の機構は優れた性能を有しており、ロケットエンジン部品の製造に使用できます。 近年、国内の航空宇宙部門はロケットエンジンの推力室部品の積層造形に関する多くの研究開発作業を実施しており、CuCrZr が現在のオプション材料となっています。
エンジン部品用の Rockets 銅合金材料は現在も更新され、反復されていることに言及する価値があります。 CuZr、CuCr、CuAgZr、CuCrNb、その他の材料、特に GRcop-42 (Cu-4Cr-2Nb at %) は研究に応用されており、ロケット エンジンの燃焼室をアップグレードすることが期待されています素材を新たなレベルへ。 4. CuNi2SiCrSLM Solutions は、2019 年に CuNi2SiCr 銅合金材料製品を発売しました。この材料は、高強度であり、導電率と熱伝導率のバランスの取れた組み合わせを備えた熱処理可能な硬化可能な合金です。 同時に、この合金にはニッケルとシリコン成分が含まれており、高い耐食性と耐摩耗性を備えています。 CuNi2SiCr 自体は新しい成分ではありません。 この材料は米国規格の C18000 合金に相当します。 SLM Solutions は、この材料を積層造形に使用することに率先して取り組み、材料の特定とパラメータの検証作業を実施し、積層造形銅合金ファミリーに重要なメンバーを追加しました。 。 熱処理後のCuNi2SiCrの強度は、CuCrZrや他の材料に比べて大幅に高くなります。 同時に、一定の熱伝導率と電気伝導率を維持することができます。 すでに一部の金型製造要件と導電性部品要件を満たしているため、金型および電気分野で重要な用途が期待されます。 我が国の先端銅合金材料の研究開発動向と課題 （１）技術研究開発の動向 近年、我が国の高性能銅合金の全体的なレベルとその製造技術は大きく進歩しており、高性能銅合金の種類は独立した知的財産権を持つ製品は増え続けています。 、銅合金材料加工の設置レベルは国際先進レベルに近いです。 先進的な銅合金材料の研究開発と工業化の発展傾向は次のような特徴を示しています。 (1) 単一性能要件から多機能要件へ。 たとえば、高い熱伝導率と高い電磁シールド特性を備えた銅ベースの材料は、パルス強磁場システムや粒子加速電磁送信機などの高精度分野における導体材料の需要を満たす必要があります。 時速 380 km の高速鉄道送電網の架線は、高い導電性に加えて、より高い強度、耐摩耗性、耐疲労性も備えている必要があります。 超大規模集積回路用の銅合金には、高強度、高導電性、耐熱性、耐屈曲性、エッチング容易性などの特性が求められます。 (2) 銅加工材料は、薄く、細く、長く、高精度の方向に発展しています。 極細線、極薄帯、薄肉チューブ、超長チューブ、超長帯、ネジ管、異形チューブ、異形ロッド、異形ストリップなどの製品需要. が増え続けています。 例えば、リードフレームは多ピン化、高密度化、極薄化、小型化の開発トレンドを反映しています。 (3) 銅の高純度化。 材料の電気伝導率と熱伝導率を最大化するために、工業用銅の銅含有量は 99.9% から 99.95%、さらに 99.99% 以上に増加しました。 99.999 9% の銅を含む超純銅は、電気伝導率と熱伝導率に対する不純物の影響を最小限に抑えます。 (4) 複合材料。 単一材料の強化方法では可能性が限られているため、複合方法を使用して銅材料の総合的な性能をさらに向上させることが研究の注目のスポットとなっています。 例えば、銅合金に第二相の粒子、ウィスカー、または繊維を添加して銅マトリックスを複合的に強化し、新しい多機能銅ベースの複合材料を開発することは、高性能銅合金の設計理論と高機能銅合金の実用化にとって非常に重要です。技術分野。 価値。 (2) 直面する問題点 我が国は銅合金材料の世界最大の生産国ではあるが、銅合金材料に関しては未だ強い国ではない。 私の国は、航空宇宙、電子情報、海洋工学、ハイエンド機器などの多くのハイテク分野で緊急に必要とされている高性能銅合金を依然として輸入に大きく依存しています。 銅合金素材の生産会社が多く、産業集中度が低く、製品競争力が弱く、業界利益も乏しい。 、ハイテク産業の発展を支援することができません。 銅合金素材業界の主な課題は以下のとおりです。 (1) 高性能銅合金材料の種類やグレードは少ない。 一部の高性能銅合金の総合的な性能は、一般に同様の輸入製品よりも低くなります。 たとえば、独自に開発、製造されたCu-Ni-SiおよびCu-Cr-Zrリードフレームストリップのグレードは非常に低いです。 少し。 (2) 大型で高品質な銅合金製品の安定生産能力の向上が急務である。 たとえば、高精度弾性銅合金ストリップ製品の性能安定性、表面品質、および総合的な完成品における画期的な進歩が依然として必要とされています。 (3) 高性能銅合金の加工プロセスは、多大な環境汚染と深刻な資源の浪費を引き起こします。 高効率かつ短工程での製造技術はまだ成熟しておらず、製品の品質と性能を向上させる必要があります。 (4) 一部のハイエンド生産装置には独立した製造技術が不足しているため、新製品の開発が制限されています。 例えば、高精度の箔製造設備のほとんどは輸入に依存しています。 (5) 一部の高級銅合金材料には、独自の知的財産権や公的研究開発プラットフォームが存在せず、材料特性、生産技術、規格、仕様に関するデータベースの構築が遅れています。 (6) 超高純度、超低酸素量の無酸素銅の大型均質化製造技術や、高精度、大径、長寿命の耐食性銅の製造技術は、まだまだ改良が必要である。耐性のある白銅はさらに突破する必要があります。 最後に、チタン、アルミニウム、高温合金などの製品と比較すると、銅および銅合金の積層造形はまだ成熟していません。 EOS は、2019 年から材料製品に対して Technology Readiness Level (TRL) に似た概念を導入しました。現在、2 種類の銅材料が検証レベルであるレベル 3 としてマークされていますが、IN718 や AlSi10Mg などの製品は一般的にレベル {{ 86}}。 現段階では、積層造形はモデルの検証から製品の製造へと徐々に移行しています。 積層造形材料は、用途に基づいて材料を選択または設計する段階に入ります。 銅および銅合金材料の更新がより明白になります。 プロセスと材料の継続的な進歩により、銅材料の積層造形アプリケーションが新たなレベルに引き上げられることが予測されます。 (素材所有者オンライン)
