铜钢复合材料的应用与生产综述

铜/钢复合材料的应用与生产综述

0 引言

为了使金属材料最大限度地发挥出其所具有的性能，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。

金属复合板的研究最早是美国于1860年开始的，工业性生产始于20世纪30年代。当时美国为了降低成本，提高强度，开始了镍复合钢板的生产，其后不断进行了旨在提高结合性能的制造技术开发。20世纪30年代，苏联也对铝、锡、钢等金属与合金的复合材料进行了初步研究，所采用的生产工艺主要有轧制法、铸造法、爆炸法、扩散焊接法等。其中，对冷轧复合法的工艺及力学性能研究较为深入，试生产了08F钢基体上复合18-8型不锈钢的三层耐蚀复合板。20世纪50-60年代，英国伯明翰大学等单位对固相复合进行了较为系统的研究，取得了很大成就。日本在复合材料方面的研究虽较晚，但进步迅速，近年来成为从事金属复合材料研究最多的国家之一。我国的复合板研究始于20世纪60年代初，主要方法有爆炸焊接、爆炸焊接+轧制、热轧、冷轧等，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。

铜/钢复合材料（在钢表面复合铜或铜合金）由于具有防腐蚀、抗磨损、导电导热性优良、美观、成本低等优点, 在军工、电子、造币、炊具及建筑装饰等领域有着广阔的应用前景, 其研究也越来越引起国内外的关注。本文主要介绍铜/钢复合材料的应用、生产方法的新进展。

1 铜/钢复合材料的应用

1.1 民用方面

铜/钢复合材料在民用方面的应用主要体现在炊具及建筑装饰领域。为了保护食品, 日常使用不锈钢锅, 但不锈钢锅导热不良, 加热时容易产生局部高温而粘底, 通过复一层高导热材料铜制成铜/钢复合材料可很好地解决这个问题。在建筑装饰领域使用铜/钢复合材料代替铜及铜合金做屋顶、门窗的框架及屋顶的气窗等, 不仅庄严美观, 而且强度高, 成本低；同时，由于内层的钢板导热率较低, 因此可使用较小的烙铁以较低的温度进行焊接, 进而可缩短焊接时间。此外, 还使用钢复黄铜H62或H68制做标牌、扶手、家具等。

1.2 电子与电气方面

在电子与电气方面广泛使用铜/钢复合材料代替传统的铜及铜合金制造电子器件, 如导电弹簧一般由磷青铜和铍青铜制造, 成本高且弹性性能随导电率的升高而下降, 用以高碳钢作芯体的铜包钢线来代替, 不仅同时具备了良好的导电和弹性性能, 而且成本低。铠装电缆过去一直用铜或铜合金制造, 现在用复铜不锈钢制造, 不但保证了导电性和耐蚀性,而且提高了强度, 减小了厚度。

由铜包钢线制成的绳索已成功地应用在铁路电气化方面, 它们取代至今使用的铜、铜镉及铜镁合金后获得了良好的效果。用铜包钢线作内导体的同轴电缆具有良好的自支承性和接线性能, 在大跨距布线的场合更具有其独特的优势。

1.3 军工方面

某发射器由20钢圆筒和黄铜HPb59-1导轨组成, 由于这两种材料之间难以焊接, 故只能铆接, 因此铆接处常

因密封不好而漏水。采用复合材料, 导轨与钢筒之间可用间断点焊来代替铆接, 这不仅解决了漏水问题, 还简化了制造工艺, 降低了成本。使用体积比为15：80：5的铜/钢/铜复合材料代替弹壳黄铜做炮弹, 不仅经济, 且其弹道性能优越。

1.4 其他方面

由于兼备铜和钢的优异性能, 铜/钢复合材料还广泛应用于其它领域, 如在汽车工业中, 使用铜/钢复合材料制造热交换器、同步器锥环、减速机蜗轮、轴瓦等；在冶金工业中, 使用铜/钢复合材料作电镀技术用电极、放电用加工电极、接地棒等；由于黄铜与硫化橡胶有优异的粘结力, 因此复黄铜钢丝被大量应用于橡胶工业作子午线轮胎帘线。

2 铜/钢复合材料的生产方法

2.1 铜/钢复合板带材生产方法

（1）热轧复合法

热轧复合法出现于20世纪40年代, 其基本原理是, 在一定的温度和轧机的强大压力作用下实现异种材料的冶金结合。

热轧复合时, 覆层和基层金属坯料的表面要处理干净, 为防止加热过程中界面氧化, 组装的坯料要制成密闭式结构, 常用的密闭方法有焊接和真空两种。焊接密闭法是把组装好的复合坯料四周焊接后再进行加热轧制复合真空密闭法有两种方式, 一是真空加热真空轧制复合, 二是先把组合坯料在真空状态下扩散结合, 然后进行常规的加热轧制复合。

热轧复合时界面容易结合, 但必需注意加热温度和保温时间的控制, 以防有害金属化合物的生成。对于在高温时易产生相互扩散并形成有害金属化合物的复合组元, 可在组元间加中间衬箔, 如在用热轧复合法生产钢/铜镍复合板时, 为防止C、Fe向铜合金中扩散及Cu、Ni向钢中扩散, 可在钢板和铜镍合金板之间加入镍箔。

热轧复合法的优点是对轧机的要求不高, 容易得到大张复合板, 缺点是工艺复杂, 产品的厚度及层厚比难以控制, 实际生产中, 常用于生产坯料。

（2）冷轧复合法

20世纪50年代, 美国首先开始冷轧复合法的研究, 并提出了以“表面处理→冷轧复合→扩散退火”为主要过程的三步法生产工艺川。与热轧复合法相比, 冷轧复合时的首道次变形量要更大, 一般要达到60%～70%, 甚至更高, 但冷轧复合法可以实现多种组元的结合, 并且可以生产复合带卷, 尺寸精确, 效率高, 因此是目前应用最广泛的方法之一。

虽然冷轧复合法早在50年代即已用于工业生产, 但在用于铜/钢复合材料的生产时却未获得理想的效果, 其原因是铜及其合金的基体和氧化物都具有良好的塑性, 冷轧复合时, 坯料虽经钢丝刷清理且首道次变形量达到70%, 其表面也不出现裂口, 结果是坯料以原始表面带着薄的氧化膜被挤入钢的裂口与钢复合（进一步增加首道次变形量又受到轧机能力的限制）, 因此结合十分脆弱, 结合强度低且不稳定。80年代末,东北大学对铜/钢冷轧复合工艺进行了系统的研究〕, 提出了异步轧制复合新工艺和在铜及其合金表面电镀双重易复膜冷轧复合新工艺, 在首道次变形量为50%～60%时, 成功地实现了铜/钢冷轧复合。

（3）爆炸复合（—轧制）法

爆炸复合法起源于1944年美国人Carl的一次爆炸成形试验。在那次试验中, Carl偶然观察到弹片粘到钢板上, 从而发现了爆炸焊接这一现象, 但在随后的十多年中, 这一现象并没有引起人们的普遍关注, 直到1957年, Philipchuk才将其推到实用性的研究中去。爆炸复合法的基本原理是, 利用炸药爆炸时产生的高压脉冲载荷实现异种材料的冶金结合。爆炸复合法的突出优点是可使性能相差悬殊的异种材料迅速而经济地结合在一起, 生产产品的品种多、尺寸范围广,其致命弱点是炸药爆炸时所产生的巨大声响和冲击波给人们心理和周围环境带来的刺激和污染。

爆炸复合—轧制法是在爆炸复合法的基础上发展起来的, 是近年来生产铜/钢复合板带材广泛采用的一种方法,其过程是先采用爆炸复合法制取厚的复合板坯, 再根据不同的条件和要求热轧或冷轧到所需的尺寸。沈阳复合材料研究所采用此工艺生产了铜、黄铜、青铜及白铜与钢的复合材料。

2.2 铜/钢复合线材生产方法

（1）机械包覆法

机械包覆法的工艺流程是：钢丝和铜带预处理→铜带螺旋卷绕在钢丝的表面并焊接成铜管→轧制或拉伸到所需的线径。这种方法设备简单、操作方便、易于控制、不污染环境,但须采用高质量的无氧铜带, 加工量大、铜带利用率低、产品成本高, 且难以得到长尺寸的连续制品。

（2）铸轧法

铸轧法的工艺流程是：钢棒准备（加工、清洗），熔铜→浇铸成铜包钢锭→热轧成盘条→拉伸到成品线径。这种方法设备投资大, 线的长度受到限制, 同时由于铸锭的偏心在随后的加工中不能得到纠正, 易导致制品偏心。目前这种方法处于被淘汰的地位。

（3）电镀法

电镀法是利用电解原理在铜盐中给钢丝表面镀上铜。传统电镀法的工艺是：将铜棒加工成螺旋形的线卷→连续不断地输入到电解槽内→一面转动一面电镀铜→根据不同的用途拉伸到预定线径→热处理。近年来这种工艺又有了改进, 新研制的电镀法是在纵型供电旋转卷筒上多级卷绕钢丝, 使钢丝多次通过电镀液而进行多次电镀, 这样可获得高质量的厚铜层。电镀法设备简单, 操作容易, 原材料利用率高,但由于电镀液中含有剧毒的氰化物, 其排放造成了极大的社会公害。多年来, 许多研究者进行了大量的研究以期找到具有氰化物特性的无氰镀铜配方, 但在与基体金属结合方面未取得与氰化物相匹敌的电解液。此外, 电镀法难以获得厚的包复铜层, 成品线的直径一般在2mm以下。

（4）挤压法

挤压法的过程示意图如图1。具体过程是芯材钢线经表面处理后, 进行预先热处理, 在模具出口处对钢线施以张力, 以使铜与钢因磨擦压接而复合。应用挤压法获得的铜层厚度可从相当于镀层厚度到几毫米, 形状可以是异形断面。但挤压复合时因为产生坯料和芯线间的相对滑移, 所以若复合比确定不当, 容易造成芯线或外包层的断裂。此外, 为了保持复合比, 芯材和坯料要同时变形, 变形量最好近似, 同时对芯线的供给方法要加以研究。近年来多采用静液挤压法, 主要流程是：铜管坯和钢锭表面预处理→组装焊接成复合坯料→静液挤压→拉伸或轧制到成品