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接地五金件銅鋼復合材料的應用與生產
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銅/鋼復合材料的應用與生產綜述鋼復合材料的應用與生產綜述0引言為了使金屬材料最大限度地發揮出其所具有的性能，其方法之一就是把性能不同的材料加以組合制成復合材料。金屬復合板的研究最早是美國于1860年開始的，工業性生產始于20世紀30年代。當時美國為了降低成本，提高強度，開始了鎳復合鋼板的生產，其后不斷進行了旨在提高結合性能的制造技術開發。20世紀30年代，蘇聯也對鋁、錫、鋼等金屬與合金的復合材料進行了初步研究，所采用的生產工藝主要有軋制法、鑄造法、爆炸法、擴散焊接法等。其中，對冷軋復合法的工藝及力學性能研究較為深入，試生產了08F鋼基體上復合18-8型不銹鋼的三層耐蝕復合板。20世紀50-60年代，英國伯明翰大學等單位對固相復合進行了較為系統的研究，取得了很大成就。日本在復合材料方面的研究雖較晚，但進步迅速，近年來成為從事金屬復合材料研究最多的國家之一。我國的復合板研究始于20世紀60年代初，主要方法有爆炸焊接、爆炸焊接+軋制、熱軋、冷軋等，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。銅/鋼復合材料（在鋼表面復合銅或銅合金）由于具有防腐蝕、抗磨損、導電導熱性優良、美觀、成本低等優點,在軍工、電子、造幣、炊具及建筑裝飾等領域有著廣闊的應用前景,其研究也越來越引起國內外的關注。本文主要介紹銅/鋼復合材料的應用、生產方法的新進展。1銅/鋼復合材料的應用鋼復合材料的應用1.1民用方面銅/鋼復合材料在民用方面的應用主要體現在炊具及建筑裝飾領域。為了保護食品,日常使用不銹鋼鍋,但不銹鋼鍋導熱不良,加熱時容易產生局部高溫而粘底,通過復一層高導熱材料銅制成銅/鋼復合材料可很好地解決這個問題。在建筑裝飾領域使用銅/鋼復合材料代替銅及銅合金做屋頂、門窗的框架及屋頂的氣窗等,不僅莊嚴美觀,而且強度高,成本低；同時，由于內層的鋼板導熱率較低,因此可使用較小的烙鐵以較低的溫度進行焊接,進而可縮短焊接時間。此外,還使用鋼復黃銅H62或H68制做標牌、扶手、家具等。1.2電子與電氣方面在電子與電氣方面廣泛使用銅/鋼復合材料代替傳統的銅及銅合金制造電子器件,如導電彈簧一般由磷青銅和鈹青銅制造,成本高且彈性性能隨導電率的升高而下降,用以高碳鋼作芯體的銅包鋼線來代替,不僅同時具備了良好的導電和彈性性能,而且成本低。鎧裝電纜過去一直用銅或銅合金制造,現在用復銅不銹鋼制造,不但保證了導電性和耐蝕性,而且提高了強度,減小了厚度。由銅包鋼線制成的繩索已成功地應用在鐵路電氣化方面,它們取代至今使用的銅、銅鎘及銅鎂合金后獲得了良好的效果。用銅包鋼線作內導體的同軸電纜具有良好的自支承性和接線性能,在大跨距布線的場合更具有其獨特的優勢。1.3軍工方面某發射器由20鋼圓筒和黃銅HPb59-1導軌組成,由于這兩種材料之間難以焊接,故只能鉚接,因此鉚接處常因密封不好而漏水。采用復合材料,導軌與鋼筒之間可用間斷點焊來代替鉚接,這不僅解決了漏水問題,還簡化了制造工藝,降低了成本。使用體積比為15：80：5的銅/鋼/銅復合材料代替彈殼黃銅做炮彈,不僅經濟,且其彈道性能優越。1.4其他方面由于兼備銅和鋼的優異性能,銅/鋼復合材料還廣泛應用于其它領域,如在汽車工業中,使用銅/鋼復合材料制造熱交換器、同步器錐環、減速機蝸輪、軸瓦等；在冶金工業中,使用銅/鋼復合材料作電鍍技術用電極、放電用加工電極、接地棒等；由于黃銅與硫化橡膠有優異的粘結力,因此復黃銅鋼絲被大量應用于橡膠工業作子午線輪胎簾線。2銅/鋼復合材料的生產方法鋼復合材料的生產方法2.1銅/鋼復合板帶材生產方法鋼復合板帶材生產方法（1）熱軋復合法）熱軋復合法出現于20世紀40年代,其基本原理是,在一定的溫度和軋機的強大壓力作用下實現異種材料的冶金結合。熱軋復合時,覆層和基層金屬坯料的表面要處理干凈,為防止加熱過程中界面氧化,組裝的坯料要制成密閉式結構,常用的密閉方法有焊接和真空兩種。焊接密閉法是把組裝好的復合坯料四周焊接后再進行加熱軋制復合真空密閉法有兩種方式,一是真空加熱真空軋制復合,二是先把組合坯料在真空狀態下擴散結合,然后進行常規的加熱軋制復合。熱軋復合時界面容易結合,但必需注意加熱溫度和保溫時間的控制,以防有害金屬化合物的生成。對于在高溫時易產生相互擴散并形成有害金屬化合物的復合組元,可在組元間加中間襯箔,如在用熱軋復合法生產鋼/銅鎳復合板時,為防止C、Fe向銅合金中擴散及Cu、Ni向鋼中擴散,可在鋼板和銅鎳合金板之間加入鎳箔。熱軋復合法的優點是對軋機的要求不高,容易得到大張復合板,缺點是工藝復雜,產品的厚度及層厚比難以控制,實際生產中,常用于生產坯料。（2）冷軋復合法）20世紀50年代,美國首先開始冷軋復合法的研究,并提出了以“表面處理→冷軋復合→擴散退火”為主要過程的三步法生產工藝川。與熱軋復合法相比,冷軋復合時的首道次變形量要更大,一般要達到60%～70%,甚至更高,但冷軋復合法可以實現多種組元的結合,并且可以生產復合帶卷,尺寸精確,效率高,因此是目前應用最廣泛的方法之一。雖然冷軋復合法早在50年代即已用于工業生產,但在用于銅/鋼復合材料的生產時卻未獲得理想的效果,其原因是銅及其合金的基體和氧化物都具有良好的塑性,冷軋復合時,坯料雖經鋼絲刷清理且首道次變形量達到70%,其表面也不出現裂口,結果是坯料以原始表面帶著薄的氧化膜被擠入鋼的裂口與鋼復合（進一步增加首道次變形量又受到軋機能力的限制）,因此結合十分脆弱,結合強度低且不穩定。80年代末,東北大學對銅/鋼冷軋復合工藝進行了系統的研究〕提出了異步軋制復合新工藝和在銅及其合金表面電鍍雙重易復膜冷軋復合新工藝,在首道次,變形量為50%～60%時,成功地實現了銅/鋼冷軋復合。（3）爆炸復合（—軋制）法）爆炸復合（軋制）爆炸復合法起源于1944年美國人Carl的一次爆炸成形試驗。在那次試驗中,Carl偶然觀察到彈片粘到鋼板上,從而發現了爆炸焊接這一現象,但在隨后的十多年中,這一現象并沒有引起人們的普遍關注,直到1957年,Philipchuk才將其推到實用性的研究中去。爆炸復合法的基本原理是,利用炸藥爆炸時產生的高壓脈沖載荷實現異種材料的冶金結合。爆炸復合法的突出優點是可使性能相差懸殊的異種材料迅速而經濟地結合在一起,生產產品的品種多、尺寸范圍廣,其致命弱點是炸藥爆炸時所產生的巨大聲響和沖擊波給人們心理和周圍環境帶來的刺激和污染。爆炸復合—軋制法是在爆炸復合法的基礎上發展起來的,是近年來生產銅/鋼復合板帶材廣泛采用的一種方法,其過程是先采用爆炸復合法制取厚的復合板坯,再根據不同的條件和要求熱軋或冷軋到所需的尺寸。沈陽復合材料研究所采用此工藝生產了銅、黃銅、青銅及白銅與鋼的復合材料。2.2銅/鋼復合線材生產方法鋼復合線材生產方法（1）機械包覆法）機械包覆法的工藝流程是：鋼絲和銅帶預處理→銅帶螺旋卷繞在鋼絲的表面并焊接成銅管→軋制或拉伸到所需的線徑。這種方法設備簡單、操作方便、易于控制、不污染環境,但須采用高質量的無氧銅帶,加工量大、銅帶利用率低、產品成本高,且難以得到長尺寸的連續制品。（2）鑄軋法）鑄軋法的工藝流程是：鋼棒準備（加工、清洗），熔銅→澆鑄成銅包鋼錠→熱軋成盤條→拉伸到成品線徑。這種方法設備投資大,線的長度受到限制,同時由于鑄錠的偏心在隨后的加工中不能得到糾正,易導致制品偏心。目前這種方法處于被淘汰的地位。（3）電鍍法）電鍍法是利用電解原理在銅鹽中給鋼絲表面鍍上銅。傳統電鍍法的工藝是：將銅棒加工成螺旋形的線卷→連續不斷地輸入到電解槽內→一面轉動一面電鍍銅→根據不同的用途拉伸到預定線徑→熱處理。近年來這種工藝又有了改進,新研制的電鍍法是在縱型供電旋轉卷筒上多級卷繞鋼絲,使鋼絲多次通過電鍍液而進行多次電鍍,這樣可獲得高質量的厚銅層。電鍍法設備簡單,操作容易,原材料利用率高,但由于電鍍液中含有劇毒的氰化物,其排放造成了極大的社會公害。多年來,許多研究者進行了大量的研究以期找到具有氰化物特性的無氰鍍銅配方,但在與基體金屬結合方面未取得與氰化物相匹敵的電解液。此外,電鍍法難以獲得厚的包復銅層,成品線的直徑一般在2mm以下。（4）擠壓法）擠壓法的過程示意圖如圖1。具體過程是芯材鋼線經表面處理后,進行預先熱處理,在模具出口處對鋼線施以張力,以使銅與鋼因磨擦壓接而復合。應用擠壓法獲得的銅層厚度可從相當于鍍層厚度到幾毫米,形狀可以是異形斷面。但擠壓復合時因為產生坯料和芯線間的相對滑移,所以若復合比確定不當,容易造成芯線或外包層的斷裂。此外,為了保持復合比,芯材和坯料要同時變形,變形量最好近似,同時對芯線的供給方法要加以研究。近年來多采用靜液擠壓法,主要流程是：銅管坯和鋼錠表面預處理→組裝焊接成復合坯料→靜液擠壓→拉伸或軋制到成品 尺寸。靜液擠壓時由于變形均勻,可生產出復合比穩定的制品。3銅鋼復合材料生產方法的新進展3.1高速熱浸鍍法早在1953年,美國通用電器公司（GE公司）就著手開發一種與以往的連續鑄造方法截然不同的無氧銅桿浸漬成形連續鑄造工藝（dipformingprocess，簡稱DEF法），并用10年時間完成了生產鑄棒用的DEF樣機。在此基礎上,瑞士的Battelle研究中心在1978年研究開發了高速熱浸鍍法（highspeedhotdippingprocess,簡稱HSHD法）,之后日本在這方面做了大量的工作。HSHD法的基本過程是：芯線鋼絲以一定的速度連續通過熔融的銅液,經固、液相間的熱交換使銅液凝固在鋼絲上,從而獲得銅包鋼復合坯,再經軋制獲得不同尺寸的成品,如圖2所示。改變鋼絲的預熱溫度、通過時間及銅液的溫度,可獲得不同的包覆比。HSHD法的優點是自動化程度高,可快速連續生產,銅覆層的可控范圍大,并可生產用其它方法不能生產的大線徑銅包鋼線,缺點是工藝難度大。HSHD法的原理與DEF法的原理類似,區別僅在于前者的芯體材料與熔體材料不同,且熔點較高,而后者的芯體材料與熔體材料相同。3.2反向凝固法反向凝固工藝是德國Mannesmann集團和Aachen技術大學在1989年聯合開發的一種薄帶連鑄工藝,示意圖如圖3。其基本過程是：使一定厚度的薄母帶以一定的速度垂直通過一有一定高度和過熱度的金屬熔池,當冷母帶被引入金屬熔池中時,其表面的溫度遠低于金屬液的溫度,因此金屬熔體在母帶上凝固生長。由于凝固層金屬液可以與母帶不同,因而此工藝也適用于生產復合材料。近年來,北京科技大學和東北大學應用此工藝對鋼/不銹鋼及鋼/銅復合材料的生產進行了研究,取得了一定的進展。3.3液固相軋制法液固相軋制法是東北大學在20世紀80年代末著手開發的一種復合新技術,目前已完成了不銹鋼/鋁復合帶材中試生產線的建設及鋼/銅復合帶材的實驗室研究工作,其過程示意圖如圖4。將液態金屬（鋁、銅或它們的合金）連續澆鑄在鋼帶上并使其與固態鋼帶同時進入軋機經受變形,在壓力作用下實現界面的冶金結合。液固相軋制復合技術是以液態金屬快速非平衡凝固及半凝固態直接塑性成形為特征的,能有效地控制異種金屬復雜界面反應如擴散、溶解、新相的生成和生長等的方向和限度,進而可保證復合界面的良好結合。
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