陳漢文

(寧波宇能復(fù)合銅帶有限公司，浙江 寧波 315336)

銅-鋼復(fù)合帶材融合了兩種金屬的特點(diǎn)，具有銅的耐腐蝕性、成型性、導(dǎo)電性和美觀的表面等特性，還具有鋼的強(qiáng)度，其良好的綜合性能是單一金屬銅或鋼不可比擬的，不僅強(qiáng)度高，而且具有非常優(yōu)異的深沖壓性能。材料優(yōu)異的柔韌性、耐蝕性及美觀的表面在深沖壓應(yīng)用領(lǐng)域不可多得，可在汽車散熱器水室、門壓花、藝術(shù)品、燈具、制筆、餐廚具及彈殼等領(lǐng)域推廣應(yīng)用[1]。

1 研究背景

人們?yōu)榱耸菇饘俨牧献畲笙薅鹊匕l(fā)揮其所具有的性能，其方法之一就是把性能不同的材料加以組合制成復(fù)合材料，銅-鋼復(fù)合帶材就屬于雙金屬復(fù)合新材料范疇。

兩種金屬的復(fù)合制造方法有熱軋復(fù)合法、冷軋復(fù)合法和爆破復(fù)合板帶法三種方式。熱軋復(fù)合法出現(xiàn)于20世紀(jì)40年代，其產(chǎn)品的精度不高，一般用于坯料的生產(chǎn)；而冷軋復(fù)合法出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代的美國，可以實(shí)現(xiàn)多種金屬組元的結(jié)合，尺寸精度較高，可以生產(chǎn)大重量的帶卷，是目前運(yùn)用最廣泛的方法之一；三是爆破復(fù)合板帶法，起源于美國人Carl的一次爆炸成型試驗(yàn)，爆破復(fù)合法獲得的尺寸精度不高，生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，一般用于金屬復(fù)合比較厚的坯料生產(chǎn)，而且需要通過后續(xù)的熱軋和冷軋才能獲得精良的產(chǎn)品尺寸[2]。

1.1 我國雙金屬復(fù)合技術(shù)發(fā)展概況

我國雙金屬冷軋復(fù)合在上世紀(jì)50年代得到了研究運(yùn)用，主要方法有爆炸焊接復(fù)合、爆炸焊接+軋制復(fù)合法、熱軋復(fù)合法、冷軋復(fù)合法等。主要研究單位有上海鋼鐵研究所、東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、武漢大學(xué)等。但是，對(duì)于銅-鋼復(fù)合軋制法生產(chǎn)工藝直到上世紀(jì)80年代末在東北大學(xué)才有了系統(tǒng)性的研究，并成功實(shí)現(xiàn)了銅-鋼冷軋復(fù)合[2]。

隨著我國汽車、電器、散熱器、建筑、裝飾、飾品、燈具等領(lǐng)域的發(fā)展需要，催生了我國雙金屬復(fù)合板帶材生產(chǎn)的快速發(fā)展，用冷軋復(fù)合法生產(chǎn)銅-鋼復(fù)合帶材，是在順應(yīng)了市場需要的情況下而自主發(fā)展起來的國內(nèi)新材料領(lǐng)域的雙金屬復(fù)合新產(chǎn)品。

1.2 銅-鋼復(fù)合帶材成型原理

銅-鋼復(fù)合帶材成型原理。銅帶與鋼帶經(jīng)過特定的表面處理后，使兩個(gè)被復(fù)合的表面之間變得粗糙，銅帶粗糙度Rz為84～104μm，鋼帶粗糙度Rz為81～101μm。采用單道次大于40%加工率冷復(fù)合軋制，兩種金屬在大軋制壓力作用下，兩個(gè)粗糙表面之間的楔入效應(yīng)(機(jī)械嚙合效應(yīng))[3]使兩者緊密結(jié)合在一起，繼而形成復(fù)合層與基體的一種特殊界面。然后通過熱處理，在界面與復(fù)合層/基體間的金屬銅和鐵原子發(fā)生相互擴(kuò)散，最終達(dá)到兩種金屬接觸面完全冶金結(jié)合，制成一種新型的銅與鋼復(fù)合板帶產(chǎn)品，產(chǎn)品斷面見圖1。

1-銅層；2-鋼層

銅-鋼復(fù)合的結(jié)合機(jī)理。兩種金屬在復(fù)合軋制過程中，裂口機(jī)制和嵌合機(jī)制均起著重要的作用，是金屬復(fù)合機(jī)械嚙合的主要原因，能量理論的作用也是必不可少的原因之一。通過SEM圖2 的a～e可以明顯看出，擴(kuò)散退火使銅/鋼復(fù)合界面通過原子擴(kuò)散形成冶金結(jié)合，隨著退火溫度的升高，擴(kuò)散層的原子分布峰值增大，擴(kuò)散層厚度也隨之增加。退火后經(jīng)二次軋制的復(fù)合界面的原子擴(kuò)散峰值也隨加工率的增加而增加。

圖2 銅-鋼復(fù)合界面LScanVer

2 國內(nèi)銅鋼復(fù)合材料加工技術(shù)狀況

2.1 加工關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

目前，我國銅-鋼復(fù)合帶材在冷軋復(fù)合法制造生產(chǎn)及工藝技術(shù)方面，已取得突破，形成了獨(dú)特的核心技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)，產(chǎn)品填補(bǔ)了國內(nèi)空白。形成了銅-鋼連續(xù)復(fù)合軋機(jī)設(shè)備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了銅/鋼兩種材料多層冷軋復(fù)合；原子擴(kuò)散退火技術(shù)的研究成功，實(shí)現(xiàn)了銅-鋼復(fù)合界面的冶金結(jié)合，確保了產(chǎn)品性能穩(wěn)定及兩種材料的復(fù)合強(qiáng)度，整體生產(chǎn)技術(shù)具有短流程、連續(xù)化、環(huán)保節(jié)能等特點(diǎn)。

核心技術(shù)。銅帶與鋼帶經(jīng)過一定的表面處理后，通過單道次大加工率壓下冷加工軋制復(fù)合，使兩者緊密結(jié)合在一起，然后通過擴(kuò)散熱處理，使兩種金屬接觸面冶金結(jié)合，制成一種新型的銅-鋼合金復(fù)合帶材。

創(chuàng)新點(diǎn)。采用常溫大加工率冷復(fù)合技術(shù)和特殊的擴(kuò)散爐退火工藝，使兩種不同的金屬材料達(dá)到完全冶金結(jié)合，形成了復(fù)合強(qiáng)度高和多種特性的復(fù)合金屬材料，具有強(qiáng)度高、優(yōu)良的導(dǎo)電性、耐熱性、熱穩(wěn)定性、可塑性、耐蝕性和美觀的表面等綜合特性。較好解決了熱軋復(fù)合、爆破復(fù)合技術(shù)等產(chǎn)品普遍存在的復(fù)合帶材尺寸精度低、結(jié)合牢度差、表面粗糙、氧化嚴(yán)重、帶材幅寬窄等缺陷。

目前，我國銅-鋼復(fù)合帶材的加工生產(chǎn)已具備了以下技術(shù)特點(diǎn)：

(1) 大加工率冷軋復(fù)合。將鋼帶和銅帶表面毛化處理后，采用>40%單道次加工率，冷加工壓下軋制成結(jié)合在一起的大卷重銅-鋼復(fù)合帶材；

(2) 特殊擴(kuò)散退火。對(duì)復(fù)合后的帶材通過高溫?cái)U(kuò)散退火，確保鋼-銅復(fù)合帶材層與層之間的原子間相互滲透而達(dá)到完全冶金結(jié)合；

(3) 精加工處理。通過精軋、精整等加工后使復(fù)合帶材的厚度公差、板形、物理性能和表面完全達(dá)到高精度銅帶的質(zhì)量要求；

(4) 復(fù)合尺寸規(guī)格與高精度銅帶650mm寬度生產(chǎn)系列相當(dāng)，帶材單一卷重可達(dá)14000kg，生產(chǎn)效率、成材率及產(chǎn)業(yè)化程度較高。

2.2 產(chǎn)品技術(shù)水平

銅-鋼復(fù)合帶材產(chǎn)品特點(diǎn)：

(1)尺寸精度高、帶材卷重大、寬度和外觀質(zhì)量與純銅及黃銅帶相當(dāng)；

(2)具有純銅及銅合金的表面金屬光澤和良好的表面再加工性(上釉或鍍鉻)；

(3)在彎曲、折邊、卷邊、沖壓、成型、型壓、拉伸、深沖等工藝加工過程中，帶材斷面不會(huì)產(chǎn)生銅-鋼分層和表面裂紋現(xiàn)象，具有良好的可塑性和高結(jié)合強(qiáng)度；

(4)具有強(qiáng)度高、良好導(dǎo)電性、耐熱性、熱穩(wěn)定性、可塑性、耐蝕性和耐磨性能；

由于銅-鋼復(fù)合帶材所具有的綜合特性，與單一金屬銅、鋼的性能比較來看，銅-鋼復(fù)合新材料帶材產(chǎn)品的技術(shù)性能超過單一金屬銅和鋼，是一種不可多得的雙金屬復(fù)合功能性新材料。

2.3 主要技術(shù)指標(biāo)

表1、表2是國內(nèi)某公司針對(duì)深沖壓領(lǐng)域應(yīng)用的銅-鋼復(fù)合帶材研發(fā)的產(chǎn)品主要技術(shù)要求指標(biāo)。由于銅-鋼復(fù)合材料是以鋼為基材，銅及銅合金為表面覆層，其產(chǎn)品的力學(xué)性能以鋼為主，通過在基材表面復(fù)合上銅及銅合金之后，使材料的綜合性能更加顯現(xiàn)出來，不僅強(qiáng)度高，塑性也得到改善。作為深沖壓要求的產(chǎn)品，其超深沖級(jí)別S3的斷后伸長率可以達(dá)到45%～50%，抗拉強(qiáng)度290～340MPa，是優(yōu)異的深拉伸材料。

表1 深沖壓用銅-鋼復(fù)合帶材的牌號(hào)、狀態(tài)、規(guī)格

注：牌號(hào)中“/”上方代碼代表符合國標(biāo)的覆層銅牌號(hào)，下方是代碼代表符合國標(biāo)的基材鋼牌號(hào)。

3 深沖壓應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 金屬深拉伸應(yīng)用

金屬深拉伸即金屬深沖成型，將平的金屬板材通過上下凹凸模具將其壓入到模具型腔中的冷拉成形過程，其拉伸變形的深度可以超過其坯料的原始直徑。金屬的深拉伸技術(shù)在各行各業(yè)的深沖壓制造生產(chǎn)過程中應(yīng)用非常廣泛，可應(yīng)用于汽車、建筑、制筆、藝術(shù)、燈具、餐廚具、軍工等領(lǐng)域。

3.2 軍工應(yīng)用

通常認(rèn)為銅是制造彈殼和彈頭被甲最理想的材料。但采用黃銅材料制造槍彈不夠經(jīng)濟(jì)。采用H90(或H70、H65)黃銅與碳素鋼大加工率冷軋復(fù)合制造的銅-鋼復(fù)合帶材，其表面采用4%(單面)黃銅金屬材料，完全可以滿足彈殼和彈頭被甲制造(良好的深沖性)和發(fā)射容易嵌入膛線、氣密性好、不傷膛線的要求(良好的耐熱性、耐磨性、阻力小)，不易生銹便于存放(耐蝕性)；鋼質(zhì)的基材既降低了制造成本，又保證了彈殼和彈頭被甲的強(qiáng)度使射程更遠(yuǎn)。因此，銅-鋼復(fù)合板帶是非常適合制造槍彈的用材。

我國軍工槍彈制造用的銅-鋼復(fù)合板材，早在上世紀(jì)90年代就已經(jīng)得到了應(yīng)用，并由兵器工業(yè)部發(fā)布了WJ643-94《槍彈用覆銅鋼片規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)。槍彈用的銅-鋼復(fù)合帶材通常采用H90(或H70、H65)黃銅與優(yōu)質(zhì)碳素鋼(F11或 F18)雙面復(fù)合，厚度0.33～3.6 mm軟態(tài)產(chǎn)品。

表2 深沖壓用銅-鋼復(fù)合帶材室溫力學(xué)性能

注：S1-深沖壓級(jí)別；S2-特深沖壓級(jí)別；S3-超深沖壓級(jí)別。

3.3 散熱器應(yīng)用市場

在汽車制造領(lǐng)域，高檔轎車的發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器主室和重卡、中卡/輕卡、客車的水箱主室材料一般用銅合金。如果表面采用12%～15%的H65黃銅與碳素鋼雙面復(fù)合材料，用0.6～0.8mm厚度帶材軟態(tài)產(chǎn)品制造重卡、中卡/輕卡、客車的散熱器水室，不僅保持了銅合金表面的耐蝕性，同時(shí)還提高了散熱器水室的強(qiáng)度，相對(duì)降低水室的重量，使用壽命與銅合金相當(dāng)，具有較好的性價(jià)比。

據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)公布[4]，2012年，全國汽車產(chǎn)銷1927.18萬輛和1930.64萬輛，其中重卡64.22萬輛，中卡/輕卡191．87萬輛，客車42．55萬輛，水箱主室每個(gè)以平均30kg計(jì)，需要消耗銅合金約8.96萬t；2013年汽車產(chǎn)量2053萬輛，其中重卡70萬輛，中卡/輕卡196萬輛，客車51萬輛，其發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器水室消耗銅合金約9.66萬t。如果以20%銅-鋼復(fù)合帶材節(jié)銅應(yīng)用于重卡、中卡/輕卡及客車的水箱主室制造，每年可用銅合金約2萬t。

3.4 其他領(lǐng)域

采用10%～12%的紫銅(T2)或黃銅(H65)與鋼復(fù)合生產(chǎn)的深沖壓帶材產(chǎn)品，0.2～0.6mm厚度的銅-鋼復(fù)合帶材用于制作飾品、燈具、制筆及高檔餐具，不盡使其保持了銅及銅合金豐富的色彩，還可隨意處理成各種需要的表面顏色，同時(shí)也降低了制作成本，性價(jià)比很高，是制作飾品、燈具、制筆及高檔餐具理想的材料。

3.5 需求及經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

2013年高精度銅帶消費(fèi)市場的年需求量約155萬t，產(chǎn)量70t，消費(fèi)缺口85萬t。如果僅以5%～10%的銅-鋼復(fù)合帶材進(jìn)入傳統(tǒng)深拉伸消費(fèi)市場，年需求亦將達(dá)到7.5～15萬t。預(yù)測以鋼節(jié)銅可以給國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)效益及利稅情況見表3[1]。

表3 深沖壓領(lǐng)域銅-鋼復(fù)合帶應(yīng)用的國內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

4 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化

銅-鋼復(fù)合帶的研制生產(chǎn)是近幾年在國內(nèi)金屬復(fù)合板帶材料領(lǐng)域出現(xiàn)的新生力量，深沖壓用銅-鋼復(fù)合帶在我國沒有規(guī)范的專用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)可依，目前基本采用鋼帶或銅帶的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)；而且，在深沖壓應(yīng)用領(lǐng)域目前沒有可以直接借鑒的國外標(biāo)準(zhǔn)，不利于深拉伸銅-鋼復(fù)合帶在此領(lǐng)域的市場應(yīng)用推廣以及標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，需要加快產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程。

5 結(jié)論

(1)目前，我國銅-鋼復(fù)合帶材在冷軋復(fù)合法制造生產(chǎn)及工藝技術(shù)方面，已形成了核心技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)，其產(chǎn)品填補(bǔ)了國內(nèi)空白，正向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)邁進(jìn)；

(2)銅-鋼復(fù)合帶材的綜合特性超過單一金屬銅和鋼，是一種優(yōu)良的功能性新材料。特別是具有深沖壓性能的產(chǎn)品，其超深沖級(jí)別S3的斷后伸長率可以達(dá)到45%～50%，抗拉強(qiáng)度290～340MPa，是優(yōu)異的深沖壓材料；

(3)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器、門壓花、制筆、藝術(shù)、燈具、餐廚具、軍工等均是傳統(tǒng)的制造領(lǐng)域，每年的銅帶消費(fèi)量巨大。如果僅以5%～10%的銅-鋼復(fù)合帶材進(jìn)入傳統(tǒng)深沖壓消費(fèi)市場，年需求亦將達(dá)到7.5～15萬t，銅-鋼復(fù)合帶材市場需求空間廣闊。

[1] 浙江兆龍合金股份有限公司內(nèi)部資料.

[2] 李寶錦等.銅鋼復(fù)合材料的研究及應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報(bào) 2002，16(2)：22～24

[3] (美)鄒祖諱主編 吳人杰等譯 材料科學(xué)叢書(第13卷)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能 [M]. 科學(xué)出版社 1999，P120

[4] 2013年中國汽車市場形勢分析與預(yù)測[EB/OL].百度文庫