文／浙江兆隆合金股份有限公司 陈汉文／

0 前言

铜-钢复合新材料融合了铜与钢两种金属的特点，不仅具有良好的导电性、可塑性、耐蚀性、焊接性、表面再加工性（上釉或镀铬）和美观的表面等特性,同时具有钢的高强度，其良好综合性能是单一金属铜或钢不可比拟的，是一种新型的功能性应用材料。因其具有节省大量稀缺有色金属资源，降低应用企业制造成本的特性越来越受到应用领域的青睐，广泛用于电子、电器、建筑、五金、灯具及饰品行业，同于替代钢电镀件性能不足以满足某些要求、纯铜花费昂贵或不具备良好加工性能的领域。

在近期发布的中国电器工业协会标准CEEIA B222-2013《电工用铜-钢复合薄板和带》中，铜-钢复合板带产品包覆率为10/80/10%（铜含量18.65%）时，软态导电率IACS达到27.6%，高于铜合金H65导电率指标。因此，铜-钢新型复合材料是将电流及电子移动的集肤效应很巧妙地应用在导电材料上一个典型实例，其表面覆层铜就可以满足导电的基本需求，而中间的基层钢又能够达到支撑的强度需要。交变电流的集肤效应从电流及电子移动的技术角度诠释了铜钢复合材料用于电连接件产品的可信性。

1 铜钢复合材料国内外发展概况

1.1 发展背景[1]

铜-钢复合带材属于双金属复合新材料领域范畴，两种金属的复合制造方法出现与20世纪40年代。双金属的复合制造方法有爆炸复合法、热轧复合法和冷轧复合法三种方式。爆炸复合法所获得的尺寸精度极低，无法形成连续生产，且生产环境极不安全，现基本被淘汰；热轧复合法出现于20世纪中期，该工艺制成的产品精度低，一般仅用于坯料生产，而且能耗极高，污染大；冷轧复合法的应用出现于 20世纪50年代的美国，此工艺可实现多种金属的复合，生产的产品尺寸精度高，表面质量好，能根据需要获得非常广泛的综合机械性能，并且可连续生产，是目前国外运用最广泛的双金属复合工艺[1]。

我国双金属冷轧复合法实验室曾有过研究，但一直未在生产领域得到应用。近十年来随着我国工业化进程的不断深入，建筑、装饰、饰品、电器元件、电子连接件、散热器领域的需求发生了很大的变化。一方面，在材料的品质上对金属材料的要求也不仅仅局限于单一金属的功能要求，而是要求向外观美化、高强度、良好的导热性、热稳定性、可塑性等综合性更好的功能性材料发展；另一方面，随着世界制造业重心的转移，我国近十年对有色金属带材的需求迅速增长，但矿石资源极其漫长的再生周期严重制约了有色金属的随意性供应，导致有色金属资源日趋匮乏，铜及铜合金带材价格上涨，使得下游企业的生产成本相应提高。需要有价格相对低廉又能够保证原有使用性能的材料来满足市场的快速发展。而且，随着科技的发展，应用领域对金属材料的要求向外观、导电、导热、强度、塑性等综合性能兼优方面发展。

因此，多金属复合新材料的研究和开发应用日趋重要。也催生了铜-钢双金属复合板带材料的生产发展。兆隆合金股份有限公司研发生产的铜-钢复合（板带）新材料恰好是顺应了市场的需要而发展起来的国内新材料领域的金属复合新产品。

1.2 市场应用[6]

在电子零部件、低压电器、继电器、断路器、电连接器行业中，铜-钢复合板带材料对于纯铜应用领域存在互补性。使用铜-钢复合板带材料不仅可以为下游企业和终端消费者节省费用，而且还可以为国家节约大量宝贵的铜资源。铜-钢复合板带材料融合了两种金属的特点，具有铜金属耐腐蚀性、成型性、导电性和美观的表面等特性，还具有钢良好的强度，其良好综合性能是单一金属铜或钢不可比拟的，在电子、电器、汽车电器的电连接件领域是一种可供选择的功能性优异的新型材料。

随着中国经济快速发展，特别是汽车、电子、电力、通讯等行业的发展，带动国内铜板带的消费在不断上升，据统计数据表明见表1，2013年高精度板带预计产能将达到85万吨、产量70万吨、需求155万吨、缺口85万吨。

目前，国内9家主要铜板带材企业的总产能为83.3万吨，2013年的预计高精度铜板带产量为50万吨，远不能满足国内高精度铜板带消费的增长需求。但高端产品仍然依赖进口；以2013年高精度板带消费量155万吨计，如果20%铜钢复合带材弥补国内高精度铜板带消费缺口，预测年使用量在31万吨左右。

2 电工行业协会标准制定概述

2.1 铜在电子工业中的应用

具有中等和较高强度的铜及铜合金，其导电导热性好，加工、钎焊和耐蚀性能优良，目前在电子工业中的微电子和半导体集成电路中作为引线框架，在集成封装电路中既是引线又是支撑骨架。随着互联网的发展，铜仍然是最终用户端使用的优选传导体；而且各种局部网络、计算机及其它硬件，特别是连接件等，都需要用铜及铜合金。弹性元件、接插件及引线框架用铜带室温技术性能见表2[3]-[5]。

2.2 铜-钢复合板带的技术指标

铜钢复合板带的截面如图1所示。

表3、4是CEEIA B222-2013《电工用铜-钢复合薄板和带》标准的技术指标，对比表2不难看出：铜钢复合板带物理性能、加工状态与弹性元件、接插件及引线框架用铜带的技术要求相似；力学性能亦具有相同的性能指标；尺寸规格基本包含其中。

作为导电用的结构性功能材料，铜钢复合板带材基本具备其性能的要求。

2.3 铜-钢复合板带的导电性能与铜层重量比的关系

从图2得知：铜钢复合板带的导电率随覆层铜重量比的增加而上升，导电率基本维持在20%以上，可以满足作为电连接结构件的技术要求。

2.4 铜-钢复合板带的导电应用

图1 铜钢复合板带的截面

由于交变电流通过导体时的电流将趋于导体表面流过的集肤效应，电流以较高的频率在导体中传导时，会聚集于导体表层，而非平均分布于整个导体的截面积中，频率越高，集肤效应越显著。所以，绝大部分的电流在导电材料的表面上传递[2]。传统上采用的导电带材料是铜，铜的导电性能非常优秀，如仅满足导电需要，导电材料的截面积无需很大；但是，一般导电的联接件还需要有一定的强度，所以根据导电的需求来确定铜带材的厚度，同时铜的强度在高温下会相对降低，为了支撑的需要使得采用的联接件截面积远远大于导电需要的面积。

表1 我国2011～2013年高精度铜板带产能、产量、消费量、缺口统计状况

表2 弹性元件、接插件及引线框架用铜带室温技术性能

表3 铜钢复合板带室温力学性能

表4 铜钢复合板带室温电性能

图4 铜层重量比与导电率的关系

经检测，包覆率为10/80/10(铜含量18.65%）铜-钢复合带，M 状态的导电率IACS达到27.6%，高于铜合金H65的导电率（26.8%）指标；包覆率为（10/80/10）铜-钢复合带的特硬和弹硬状态的电导率IACS达到24%，高于铜合金高性能弹性材料的电导率IACS大于20%的要求。所以，铜-钢新型复合材料是将电流及电子移动的集肤效应很巧妙地应用在导电材料上一个典型实例，交变电流的集肤效应从电流及电子移动的技术角度诠释了铜-钢复合材料用于电连接件产品的可信性。

经检测统计分析表明，铜-钢复合板带的导电率随覆层铜（重量比）的增加而上升，覆铜层（重量比）达到10%时，导电率IACS基本维持在20%以上，可以满足作为电连接结构件的技术要求。利用集肤效应，在电连接件、弹性元件、引线框架材料，用铜-钢复合板带新材料应该是一个能够利用的极佳选择。铜-钢复合带材表面的铜层可以满足电连接器结构件、电子连接件的导电性能需要，中间的钢层又起到了足够的强度支撑作用。用铜-钢复合板带材料制作的电工元器件和配件强度更高，因此可在电工领域的许多场合使用。该领域内的低压电器、断路器、接插件、弹性元件、接线端子、电缆护套等部件已经广泛使用铜-钢复合板带材料替代纯铜，目前普遍采用0.2～2.0mm厚规格紫铜表面的铜-钢复合板带材料。

2.5 协会标准制定的意义

CEEIA B222-2013标准的制定，可有效缩短我国铜-钢复合板带产品质量标准化进程，促进我国金属复合板带新材料产品有序化生产、产业进步和优化布局，有利于扩大开拓国内外应用市场。为电工领域用导电材料提供了一种新型的导电功能性材料，以及行业结构优化提升、积极培育和发展具有国际竞争新优势的新材料产业，提供了必要的技术支撑和标准化平台。

随着全球金属资源的减少，全人类都迫切需要寻找节约资源的材料。铜-钢复合新材料由于其不仅具备铜良好的导电性、可塑性、耐蚀性、焊接性、表面再加工性（上釉或镀铬）和美观的表面等特性，又具备钢的强度等特性，同时又能节省大量稀缺有色金属资源，降低应用生产企业制造成本。铜钢复合带材将成为金属材料为下游制造产业提供一种新的功能性新材料选择。

3 技术要点

本标准参照ASTM B694－2010《电缆护套用铜、铜合金、铜包青铜(CCB)、铜包不锈钢（CCS）、铜包合金钢（CAS）薄板和带材》、ASTM B888－2010《电连接器或弹性元件用铜合金带材》、GB/T 11091-2005《电缆用铜带》、GB/T 17793-2010《加工铜及铜合金板带材外形尺寸及允许偏差》、GB/T 26007-2010《弹性元件和接插件用铜带》以及相关方法标准：YS/T 745.1-2010《铜阳极泥化学分析方法 第1部分 铜量的测定 碘量法》标准的相应部分进行制定。

应用范围规定：“适用于电工元器件如断路器及接插件等，作为电连接器和配件用的铜-钢复合带，其他使用场合可参照现有规定进行”。

3.1 术语

由于金属复合材料与单一金属的不同，本标准对铜-钢复合的相关技术术语进行了规范性描述，为后面标准内容的编制进行了技术铺垫。如：牌号的制定采用了“覆层金属牌号+/+基材金属牌号”的顺序组成的表示方式，很直观地体现了铜钢复合板带的覆层铜和基材钢各自的牌号；包覆率直接采用ASTM B694的表示方式“××/××/××%”，直观、明了地把铜-钢复合板带的包覆率表述出来。

3.2 牌号、状态、规格、包覆率

牌号、状态、规格、包覆率依据电连接的使用强度和导电要求进行编制，产品牌号规定了T2/Q195、TU1/Q195、T2/Q460、TU1/Q460四个牌号；状态参照GB/T 26007标准，规定了软（O61）、1/8硬（H00 O80）、1/4硬（H01 O81）、1/2硬（H02 O82）、3/4硬（H03）、硬（H04）特硬（H06）、弹硬（H08）8个状态；规格范围0.2～2.0×20～600mm；覆层厚度及包覆率（重量比）参照ASTM B694标准进行编制，规定了10/80/10%、7.5/85/7.5%、6/88/6%、4/92/4%四个比例；并且，除规定了覆层厚度的金相检测方法外，同时参照YS/T 745.1-2010《铜阳极泥化学分析方法 第1部分 铜量的测定 碘量法》方法标准，增加了包覆率（重量比）中铜含量的检测分析方法内容。

因此，标准规定的产品牌号、状态、规格包覆率所涵盖的范围比较广泛，比ASTM B694标准的适应面更广，更加详细，便于需方选材。可广泛地适应不同电工结构需求的应用。

3.3 尺寸及其偏差

产品的厚度尺寸及其允许偏差根据GB/T 1109、GB/T 17793和GB/T 26007标准，按不同宽度分普通级/高精级，可以最大限度地满足不同结构加工的精度需求；宽度尺寸公差按不同宽度给出，宽度分档更细；侧边弯曲度指标在ASTM B694标准基础上按不同厚度和宽度增加了产品的平直度指标规定，可以最大限度地满足不同结构加工的精度需求，整体上精度指标高于ASTM B694、GB/T 1109、GB/T 17793和GB/T 26007标准的要求。

3.4 物理和工艺性能

产品的室温拉伸试验（抗拉强度、伸长率）参照ASTM B888、 GB/T 26007以及铜-钢复合板带产品的实际检测数据，规定了从软到弹硬8个状态的力学性能指标，广泛适用于不同用途的功能结构场合，比ASTM B694标准的适应面更广泛；规定了弯曲试验检验产品的工艺性能，增加了“需方如有要求，并在合同中注明时，可进行规定弯曲半径的CSC板带弯曲和反复弯断试验。弯曲后肉眼观察弯曲处不应有裂纹，弯断处结合部位状态，不应有分层。”的反复弯断试验来检验产品的复合强度，完善了标准的检验方法内容，而ASTM B694标准无弯曲和结合强度试验规定。

本标准产品规定了不同状态的电性能指标，可以极大地满足不同结构的导电需求，其电性能指标适应面更广泛。

4 创新点

本标准在材料标识方面采用“覆层金属牌号+/+基材金属牌号”顺序组成表示方式，很直观地体现了铜-钢复合板带产品的覆层铜和基材钢各自的牌号；

在产品状态分类方面，按软、1/8硬、1/4硬、1/2硬、3/4硬、硬、特硬、弹硬8个状态，与铜及铜合金的状态及表示方式一致，1/8硬、1/4硬、1/2硬状态规定可以轧制或退火状态供货，补充完善了铜-钢复合材料的供货状态，适应面广。

在测试分析方法方面增加了包覆率（重量比）中铜含量的检测分析方法，填补了厚度小于3mm以上的铜钢复合材料覆层铜含量检测的空白。

符合本标准的材料，其力学性能优于铜及铜合金，同时具有纯铜的外观质感和良好的电性能。与单一金属材料相比，同时具备高强度，良好的导电性、耐热性、热稳定性、可塑性、耐蚀性和美观的表面等综合特性。产品纯铜覆层包覆率低于20%，导电率IACS达到 20%以上，填补了铜-钢复合板带产品纯铜覆层包覆率≤20%的空白。

产品采用扩散退火技术，实现了铜钢界面的冶金复合，确保产品性能稳定；整体技术达到国内领先水平。

参考资料：

[1]李宝锦等.铜钢复合材料的研究及应用[J].材料导报 2002,16（2）：22-24.

[2]粟琼.集肤效应对圆柱导线电阻和电感的影响[J].黔东南民族师范高等专科学校学报 2005,23（3）：9-12.

[3]黄春梅等.GB/T 20254.1－2006引线框架用铜及铜合金带材 第一部分：平带[S].

[4]邵胜忠等.GB/T 26007－2010弹性元件和接插件用铜带[S].

[5]ASTM B888－2010电连接器或弹性元件用铜合金带材[S].

[6]浙江兆隆合金股份有限公司内部资料.