铜-钢复合带材在深冲压领域的应用

2014-04-10陈汉文

有色金属加工 2014年6期

陈汉文

(宁波宇能复合铜带有限公司，浙江宁波 315336)

铜-钢复合带材融合了两种金属的特点，具有铜的耐腐蚀性、成型性、导电性和美观的表面等特性，还具有钢的强度，其良好的综合性能是单一金属铜或钢不可比拟的，不仅强度高，而且具有非常优异的深冲压性能。材料优异的柔韧性、耐蚀性及美观的表面在深冲压应用领域不可多得，可在汽车散热器水室、门压花、艺术品、灯具、制笔、餐厨具及弹壳等领域推广应用[1]。

1 研究背景

人们为了使金属材料最大限度地发挥其所具有的性能，其方法之一就是把性能不同的材料加以组合制成复合材料，铜-钢复合带材就属于双金属复合新材料范畴。

两种金属的复合制造方法有热轧复合法、冷轧复合法和爆破复合板带法三种方式。热轧复合法出现于20世纪40年代，其产品的精度不高，一般用于坯料的生产；而冷轧复合法出现于20世纪50年代的美国，可以实现多种金属组元的结合，尺寸精度较高，可以生产大重量的带卷，是目前运用最广泛的方法之一；三是爆破复合板带法，起源于美国人Carl的一次爆炸成型试验，爆破复合法获得的尺寸精度不高，生产现场环境比较恶劣，一般用于金属复合比较厚的坯料生产，而且需要通过后续的热轧和冷轧才能获得精良的产品尺寸[2]。

1.1 我国双金属复合技术发展概况

我国双金属冷轧复合在上世纪50年代得到了研究运用，主要方法有爆炸焊接复合、爆炸焊接+轧制复合法、热轧复合法、冷轧复合法等。主要研究单位有上海钢铁研究所、东北大学、北京科技大学、武汉大学等。但是，对于铜-钢复合轧制法生产工艺直到上世纪80年代末在东北大学才有了系统性的研究，并成功实现了铜-钢冷轧复合[2]。

随着我国汽车、电器、散热器、建筑、装饰、饰品、灯具等领域的发展需要，催生了我国双金属复合板带材生产的快速发展，用冷轧复合法生产铜-钢复合带材，是在顺应了市场需要的情况下而自主发展起来的国内新材料领域的双金属复合新产品。

1.2 铜-钢复合带材成型原理

铜-钢复合带材成型原理。铜带与钢带经过特定的表面处理后，使两个被复合的表面之间变得粗糙，铜带粗糙度Rz为84～104μm，钢带粗糙度Rz为81～101μm。采用单道次大于40%加工率冷复合轧制，两种金属在大轧制压力作用下，两个粗糙表面之间的楔入效应(机械啮合效应)[3]使两者紧密结合在一起，继而形成复合层与基体的一种特殊界面。然后通过热处理，在界面与复合层/基体间的金属铜和铁原子发生相互扩散，最终达到两种金属接触面完全冶金结合，制成一种新型的铜与钢复合板带产品，产品断面见图1。

1-铜层；2-钢层

铜-钢复合的结合机理。两种金属在复合轧制过程中，裂口机制和嵌合机制均起着重要的作用，是金属复合机械啮合的主要原因，能量理论的作用也是必不可少的原因之一。通过SEM图2 的a～e可以明显看出，扩散退火使铜/钢复合界面通过原子扩散形成冶金结合，随着退火温度的升高，扩散层的原子分布峰值增大，扩散层厚度也随之增加。退火后经二次轧制的复合界面的原子扩散峰值也随加工率的增加而增加。

图2 铜-钢复合界面LScanVer

2 国内铜钢复合材料加工技术状况

2.1 加工关键技术及创新点

目前，我国铜-钢复合带材在冷轧复合法制造生产及工艺技术方面，已取得突破，形成了独特的核心技术和创新点，产品填补了国内空白。形成了铜-钢连续复合轧机设备技术，实现了铜/钢两种材料多层冷轧复合；原子扩散退火技术的研究成功，实现了铜-钢复合界面的冶金结合，确保了产品性能稳定及两种材料的复合强度，整体生产技术具有短流程、连续化、环保节能等特点。

核心技术。铜带与钢带经过一定的表面处理后，通过单道次大加工率压下冷加工轧制复合，使两者紧密结合在一起，然后通过扩散热处理，使两种金属接触面冶金结合，制成一种新型的铜-钢合金复合带材。

创新点。采用常温大加工率冷复合技术和特殊的扩散炉退火工艺，使两种不同的金属材料达到完全冶金结合，形成了复合强度高和多种特性的复合金属材料，具有强度高、优良的导电性、耐热性、热稳定性、可塑性、耐蚀性和美观的表面等综合特性。较好解决了热轧复合、爆破复合技术等产品普遍存在的复合带材尺寸精度低、结合牢度差、表面粗糙、氧化严重、带材幅宽窄等缺陷。

目前，我国铜-钢复合带材的加工生产已具备了以下技术特点：

(1) 大加工率冷轧复合。将钢带和铜带表面毛化处理后，采用>40%单道次加工率，冷加工压下轧制成结合在一起的大卷重铜-钢复合带材；

(2) 特殊扩散退火。对复合后的带材通过高温扩散退火，确保钢-铜复合带材层与层之间的原子间相互渗透而达到完全冶金结合；

(3) 精加工处理。通过精轧、精整等加工后使复合带材的厚度公差、板形、物理性能和表面完全达到高精度铜带的质量要求；

(4) 复合尺寸规格与高精度铜带650mm宽度生产系列相当，带材单一卷重可达14000kg，生产效率、成材率及产业化程度较高。

2.2 产品技术水平

铜-钢复合带材产品特点：

(1)尺寸精度高、带材卷重大、宽度和外观质量与纯铜及黄铜带相当；

(2)具有纯铜及铜合金的表面金属光泽和良好的表面再加工性(上釉或镀铬)；

(3)在弯曲、折边、卷边、冲压、成型、型压、拉伸、深冲等工艺加工过程中，带材断面不会产生铜-钢分层和表面裂纹现象，具有良好的可塑性和高结合强度；

(4)具有强度高、良好导电性、耐热性、热稳定性、可塑性、耐蚀性和耐磨性能；

由于铜-钢复合带材所具有的综合特性，与单一金属铜、钢的性能比较来看，铜-钢复合新材料带材产品的技术性能超过单一金属铜和钢，是一种不可多得的双金属复合功能性新材料。

2.3 主要技术指标

表1、表2是国内某公司针对深冲压领域应用的铜-钢复合带材研发的产品主要技术要求指标。由于铜-钢复合材料是以钢为基材，铜及铜合金为表面覆层，其产品的力学性能以钢为主，通过在基材表面复合上铜及铜合金之后，使材料的综合性能更加显现出来，不仅强度高，塑性也得到改善。作为深冲压要求的产品，其超深冲级别S3的断后伸长率可以达到45%～50%，抗拉强度290～340MPa，是优异的深拉伸材料。

表1 深冲压用铜-钢复合带材的牌号、状态、规格

注：牌号中“/”上方代码代表符合国标的覆层铜牌号，下方是代码代表符合国标的基材钢牌号。

3 深冲压应用领域

3.1 金属深拉伸应用

金属深拉伸即金属深冲成型，将平的金属板材通过上下凹凸模具将其压入到模具型腔中的冷拉成形过程，其拉伸变形的深度可以超过其坯料的原始直径。金属的深拉伸技术在各行各业的深冲压制造生产过程中应用非常广泛，可应用于汽车、建筑、制笔、艺术、灯具、餐厨具、军工等领域。

3.2 军工应用

通常认为铜是制造弹壳和弹头被甲最理想的材料。但采用黄铜材料制造枪弹不够经济。采用H90(或H70、H65)黄铜与碳素钢大加工率冷轧复合制造的铜-钢复合带材，其表面采用4%(单面)黄铜金属材料，完全可以满足弹壳和弹头被甲制造(良好的深冲性)和发射容易嵌入膛线、气密性好、不伤膛线的要求(良好的耐热性、耐磨性、阻力小)，不易生锈便于存放(耐蚀性)；钢质的基材既降低了制造成本，又保证了弹壳和弹头被甲的强度使射程更远。因此，铜-钢复合板带是非常适合制造枪弹的用材。

我国军工枪弹制造用的铜-钢复合板材，早在上世纪90年代就已经得到了应用，并由兵器工业部发布了WJ643-94《枪弹用覆铜钢片规范》标准。枪弹用的铜-钢复合带材通常采用H90(或H70、H65)黄铜与优质碳素钢(F11或 F18)双面复合，厚度0.33～3.6 mm软态产品。

表2 深冲压用铜-钢复合带材室温力学性能

注：S1-深冲压级别；S2-特深冲压级别；S3-超深冲压级别。

3.3 散热器应用市场

在汽车制造领域，高档轿车的发动机散热器主室和重卡、中卡/轻卡、客车的水箱主室材料一般用铜合金。如果表面采用12%～15%的H65黄铜与碳素钢双面复合材料，用0.6～0.8mm厚度带材软态产品制造重卡、中卡/轻卡、客车的散热器水室，不仅保持了铜合金表面的耐蚀性，同时还提高了散热器水室的强度，相对降低水室的重量，使用寿命与铜合金相当，具有较好的性价比。

据中国汽车工业协会公布[4]，2012年，全国汽车产销1927.18万辆和1930.64万辆，其中重卡64.22万辆，中卡/轻卡191．87万辆，客车42．55万辆，水箱主室每个以平均30kg计，需要消耗铜合金约8.96万t；2013年汽车产量2053万辆，其中重卡70万辆，中卡/轻卡196万辆，客车51万辆，其发动机散热器水室消耗铜合金约9.66万t。如果以20%铜-钢复合带材节铜应用于重卡、中卡/轻卡及客车的水箱主室制造，每年可用铜合金约2万t。

3.4 其他领域

采用10%～12%的紫铜(T2)或黄铜(H65)与钢复合生产的深冲压带材产品，0.2～0.6mm厚度的铜-钢复合带材用于制作饰品、灯具、制笔及高档餐具，不尽使其保持了铜及铜合金丰富的色彩，还可随意处理成各种需要的表面颜色，同时也降低了制作成本，性价比很高，是制作饰品、灯具、制笔及高档餐具理想的材料。

3.5 需求及经济效益预测

2013年高精度铜带消费市场的年需求量约155万t，产量70t，消费缺口85万t。如果仅以5%～10%的铜-钢复合带材进入传统深拉伸消费市场，年需求亦将达到7.5～15万t。预测以钢节铜可以给国内生产企业带来的经济效益及利税情况见表3[1]。

表3 深冲压领域铜-钢复合带应用的国内经济效益预测

4 产品标准化

铜-钢复合带的研制生产是近几年在国内金属复合板带材料领域出现的新生力量，深冲压用铜-钢复合带在我国没有规范的专用产品标准可依，目前基本采用钢带或铜带的产品标准；而且，在深冲压应用领域目前没有可以直接借鉴的国外标准，不利于深拉伸铜-钢复合带在此领域的市场应用推广以及标准化生产，需要加快产品标准化的进程。