銅-鋼復合帶材在深沖壓領域的應用

陳漢文

(寧波宇能復合銅帶有限公司，浙江 寧波 315336)

銅-鋼復合帶材融合了兩種金屬的特點，具有銅的耐腐蝕性、成型性、導電性和美觀的表面等特性，還具有鋼的強度，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用領域不可多得，可在汽車散熱器水室、門壓花、藝術品、燈具、制筆、餐廚具及彈殼等領域推廣應用[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合材料，銅-鋼復合帶材就屬于雙金屬復合新材料范疇。

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

1.1 我國雙金屬復合技術發(fā)展概況

我國雙金屬冷軋復合在上世紀50年代得到了研究運用，主要方法有爆炸焊接復合、爆炸焊接+軋制復合法、熱軋復合法、冷軋復合法等。主要研究單位有上海鋼鐵研究所、東北大學、北京科技大學、武漢大學等。但是，對于銅-鋼復合軋制法生產工藝直到上世紀80年代末在東北大學才有了系統性的研究，并成功實現了銅-鋼冷軋復合[2]。

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

1.2 銅-鋼復合帶材成型原理

銅-鋼復合帶材成型原理。銅帶與鋼帶經過特定的表面處理后，使兩個被復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%加工率冷復合軋制，兩種金屬在大軋制壓力作用下，兩個粗糙表面之間的楔入效應(機械嚙合效應)[3]使兩者緊密結合在一起，繼而形成復合層與基體的一種特殊界面。然后通過熱處理，在界面與復合層/基體間的金屬銅和鐵原子發(fā)生相互擴散，最終達到兩種金屬接觸面完全冶金結合，制成一種新型的銅與鋼復合板帶產品，產品斷面見圖1。

1-銅層；2-鋼層

銅-鋼復合的結合機理。兩種金屬在復合軋制過程中，裂口機制和嵌合機制均起著重要的作用，是金屬復合機械嚙合的主要原因，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，擴散退火使銅/鋼復合界面通過原子擴散形成冶金結合，隨著退火溫度的升高，擴散層的原子分布峰值增大，擴散層厚度也隨之增加。退火后經二次軋制的復合界面的原子擴散峰值也隨加工率的增加而增加。

圖2 銅-鋼復合界面LScanVer

2 國內銅鋼復合材料加工技術狀況

2.1 加工關鍵技術及創(chuàng)新點

目前，我國銅-鋼復合帶材在冷軋復合法制造生產及工藝技術方面，已取得突破，形成了獨特的核心技術和創(chuàng)新點，產品填補了國內空白。形成了銅-鋼連續(xù)復合軋機設備技術，實現了銅/鋼兩種材料多層冷軋復合；原子擴散退火技術的研究成功，實現了銅-鋼復合界面的冶金結合，確保了產品性能穩(wěn)定及兩種材料的復合強度，整體生產技術具有短流程、連續(xù)化、環(huán)保節(jié)能等特點。

核心技術。銅帶與鋼帶經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合，使兩者緊密結合在一起，然后通過擴散熱處理，使兩種金屬接觸面冶金結合，制成一種新型的銅-鋼合金復合帶材。

創(chuàng)新點。采用常溫大加工率冷復合技術和特殊的擴散爐退火工藝，使兩種不同的金屬材料達到完全冶金結合，形成了復合強度高和多種特性的復合金屬材料，具有強度高、優(yōu)良的導電性、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。較好解決了熱軋復合、爆破復合技術等產品普遍存在的復合帶材尺寸精度低、結合牢度差、表面粗糙、氧化嚴重、帶材幅寬窄等缺陷。

目前，我國銅-鋼復合帶材的加工生產已具備了以下技術特點：

(1) 大加工率冷軋復合。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合在一起的大卷重銅-鋼復合帶材；

(2) 特殊擴散退火。對復合后的帶材通過高溫擴散退火，確保鋼-銅復合帶材層與層之間的原子間相互滲透而達到完全冶金結合；

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

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

2.2 產品技術水平

銅-鋼復合帶材產品特點：

(1)尺寸精度高、帶材卷重大、寬度和外觀質量與純銅及黃銅帶相當；

(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，帶材斷面不會產生銅-鋼分層和表面裂紋現象，具有良好的可塑性和高結合強度；

(4)具有強度高、良好導電性、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-鋼復合新材料帶材產品的技術性能超過單一金屬銅和鋼，是一種不可多得的雙金屬復合功能性新材料。

2.3 主要技術指標

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

表1 深沖壓用銅-鋼復合帶材的牌號、狀態(tài)、規(guī)格

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

3 深沖壓應用領域

3.1 金屬深拉伸應用

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。金屬的深拉伸技術在各行各業(yè)的深沖壓制造生產過程中應用非常廣泛，可應用于汽車、建筑、制筆、藝術、燈具、餐廚具、軍工等領域。

3.2 軍工應用

通常認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濟。采用H90(或H70、H65)黃銅與碳素鋼大加工率冷軋復合制造的銅-鋼復合帶材，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)；鋼質的基材既降低了制造成本，又保證了彈殼和彈頭被甲的強度使射程更遠。因此，銅-鋼復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-鋼復合板材，早在上世紀90年代就已經得到了應用，并由兵器工業(yè)部發(fā)布了WJ643-94《槍彈用覆銅鋼片規(guī)范》標準。槍彈用的銅-鋼復合帶材通常采用H90(或H70、H65)黃銅與優(yōu)質碳素鋼(F11或 F18)雙面復合，厚度0.33～3.6 mm軟態(tài)產品。

表2 深沖壓用銅-鋼復合帶材室溫力學性能

注：S1-深沖壓級別；S2-特深沖壓級別；S3-超深沖壓級別。

3.3 散熱器應用市場

在汽車制造領域，高檔轎車的發(fā)動機散熱器主室和重卡、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合材料，用0.6～0.8mm厚度帶材軟態(tài)產品制造重卡、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，同時還提高了散熱器水室的強度，相對降低水室的重量，使用壽命與銅合金相當，具有較好的性價比。

據中國汽車工業(yè)協會公布[4]，2012年，全國汽車產銷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，水箱主室每個以平均30kg計，需要消耗銅合金約8.96萬t；2013年汽車產量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)動機散熱器水室消耗銅合金約9.66萬t。如果以20%銅-鋼復合帶材節(jié)銅應用于重卡、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 其他領域

采用10%～12%的紫銅(T2)或黃銅(H65)與鋼復合生產的深沖壓帶材產品，0.2～0.6mm厚度的銅-鋼復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，同時也降低了制作成本，性價比很高，是制作飾品、燈具、制筆及高檔餐具理想的材料。

3.5 需求及經濟效益預測

2013年高精度銅帶消費市場的年需求量約155萬t，產量70t，消費缺口85萬t。如果僅以5%～10%的銅-鋼復合帶材進入傳統深拉伸消費市場，年需求亦將達到7.5～15萬t。預測以鋼節(jié)銅可以給國內生產企業(yè)帶來的經濟效益及利稅情況見表3[1]。

表3 深沖壓領域銅-鋼復合帶應用的國內經濟效益預測

4 產品標準化

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

5 結論

(1)目前，我國銅-鋼復合帶材在冷軋復合法制造生產及工藝技術方面，已形成了核心技術和創(chuàng)新點，其產品填補了國內空白，正向產業(yè)化生產邁進；

(2)銅-鋼復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品，其超深沖級別S3的斷后伸長率可以達到45%～50%，抗拉強度290～340MPa，是優(yōu)異的深沖壓材料；

(3)在汽車發(fā)動機散熱器、門壓花、制筆、藝術、燈具、餐廚具、軍工等均是傳統的制造領域，每年的銅帶消費量巨大。如果僅以5%～10%的銅-鋼復合帶材進入傳統深沖壓消費市場，年需求亦將達到7.5～15萬t，銅-鋼復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部資料.

[2] 李寶錦等.銅鋼復合材料的研究及應用[J].材料導報 2002，16(2)：22～24

[3] (美)鄒祖諱主編 吳人杰等譯 材料科學叢書(第13卷)復合材料的結構與性能 [M]. 科學出版社 1999，P120

[4] 2013年中國汽車市場形勢分析與預測[EB/OL].百度文庫