銅鋼復合材料生產工藝及軍工應用前景

李仲華

一、簡介

金屬復合材料技術可以發(fā)揮組元材料各自的優(yōu)勢,實現各組元材料資源的最優(yōu)配置,節(jié)約貴重金屬材料,實現單一金屬不能滿足的性能要求, 它既可以替代進口并填補國內空白，又具有廣闊應用范圍，具有很好的經濟效益和社會效益。

因使用需要，槍炮彈殼應該使用銅板或銅包鋼板沖壓而成。相比于鋼，銅屬于相對緊缺和貴重資源，所以目前世界上大多數國家采用銅鋼復合材料制造彈殼。

銅鋼復合可以通過多種工藝手段獲得：

1、熱浸鍍銅復合法。

2、熱滲銅復合法。

3、銅-鋼爆炸復合法

4、銅-鋼帶軋制復合法。

5、銅粉末-鋼帶軋制復合法。

二、工藝比較與分析

1、熱浸鍍銅工藝

熱浸鍍銅是將鋼板（帶）熱浸在銅液中，使鋼板（帶）表面附著厚度40-150μm金屬銅或銅合金；熱浸鍍銅的銅鋼復合材料其表面復合的銅層厚度受到限制，一次性熱浸鍍的復合銅層厚度不超過150μm，如果工藝不嚴格，表面容易出現針孔，水紋、氣泡、浮,渣、沙眼等情況，影響其耐腐蝕性，因此必須增加封孔工藝。該工藝容易產生脆性化合物，對變形處理不利。

2、熱滲銅工藝

該工藝是將鋼（鐵）工件用含銅粉的滲劑埋起來，在一定溫度下經過較長時間使銅滲入鋼件表面；熱滲銅使銅鋼復合材料表面出現脆性金屬間化合物，影響產品的機械性能，熱滲銅工件外表層含銅量一般不大于30%,此工藝方法只適合鑄鋼件或鑄鐵件及滲銅后不再變形的工件，不適用變形材料。

3、爆炸復合工藝

爆炸復合工藝包括單一爆炸復合和爆炸+軋制復合兩種方法。該工藝是將金屬銅或銅合金板帶與鋼板（帶）通過爆炸或爆炸+軋制復合。

銅鋼爆炸復合法是一種最成熟的生產工藝，建國后我國在寶雞等地已建成多條生產線。該復合法存在以下幾個重大缺陷：只能單張板生產，且每次只能單面復合，生產效率極低；帶來嚴重環(huán)境污染；表面復合層厚度較厚，一般復合層厚度不低于1.5毫米，生產成本高。

4、層狀（板與板）軋制復合

層狀軋制銅鋼復合只適用于薄板帶生產，不適于中厚板帶生產。因為中厚板的銅鋼復合需要極大的軋制力，需大型軋機。

需要說明的是無論是爆炸復合還是層狀軋制復合，都不可能使銅板和鋼板達到100%的面復合。因此復合界面不可避免的存有間隙，使用一段時間，復合界面常要發(fā)生分離現象。

銅鋼帶軋制復合法存在著諸多目前沒法解決的工藝難題，最基本的就是銅鋼壓延系數差別巨大，軋制工藝困難，業(yè)內采取了很多辦法，效果仍然不理想。

針對以上現實情況，北京中冶設備研究設計總院有限公司組織專家與山東某企業(yè)聯合開發(fā)了一套銅粉末-鋼板軋制工藝，經過幾年的探索和改進，取得了理想的成果，本文重點就銅粉末-鋼板軋制工藝和設備進行介紹。

三、銅粉末鋼板復合軋制工藝流程

鋼板開卷——拋丸除銹——復合軋制——燒結——退火——平整——光面軋制——拋光——卷取——入庫，工藝流程的重點在于復合軋制。

金屬粉末軋制生產銅鋼復合板，是將銅金屬粉末和鋼板一起送入兩軋輥之間，通過軋輥的轉動，軋制成復合板（帶）材。復合板的基體是鋼（普碳鋼，碳鋼，不銹鋼），表面復合層是銅或銅合金。表面復合層的成份可按不同用途進行調配，靈活性高，不依賴于現行銅合金牌號。如耐磨的表面復合層可以很容易的加入耐磨的非金屬粉末，通過軋制制備出表面耐磨的復合板。

（一）工藝技術、產品要求（產品規(guī)格）

1、軋機形式：全液壓四重不可逆式1450mm冷軋機

軋輥尺寸：工作輥：Φ360/Φ340mm×1500mm

支承輥：Φ860/Φ840mm×1450mm

最大軋制速度：25m/min

穿帶速度：18m/min

壓下率：20%～50%

前滑值：0～15%

壓上形式：液壓壓上

軋制力：最大800噸

2. 軋制材料：銅鋼復合材料

3. 來料規(guī)格

寬度：600～1260mm

厚度：1,5-6mm

卷重：8000kg

卷材內徑：Φ510mm（不帶套筒時）；

Φ505mm（帶套筒時指套筒內徑）

卷材最大外徑：Φ1800mm

4. 成品規(guī)格

寬度：520-1200mm（切邊）

（當軋制出口板厚為3.5mm以下時，可根據產品品種考慮切邊）

厚度：0.15mm-4.0mm

卷材最大卷重：8000kg（不切邊）

5.軋制速度

軋輥線速度：Max25m/min

速度變化率：±0.2%（在最大速度勻速時）。

（二）銅金屬粉末+鋼板軋制復合技術的主要特點

1、銅鋼復合板的主要功能是防腐蝕，因此銅包覆層的厚度，沒有必要很厚，防腐蝕層的厚度一般在0.1～0.3mm就足以滿足各種工況的需求。銅鋼復合板的基體板的厚度可是薄板（帶），也可是中厚板。復合層的厚度可在0.05-2.0 mm 之間按需要控制。

2、銅金屬粉末+鋼板軋制復合，復合層銅或銅合金與鋼的結合強度高，表面密度大，光潔，沒有針孔等缺陷;可以深度變形;銅粉末與基體鋼板在軋制過程中達到100%的面結合，復合界面沒有間隙，也不會產生層狀結合時的彈性回復現象，完全消除了基體與復合層結合界面的開裂現象。

3、銅金屬粉末+鋼板軋制復合可以很容易的實現溫控軋制，提高界面結合強度，降低軋制力。

4、銅金屬粉末+鋼板軋制復合技術，銅合金粉末可按不同的工況需要配制，也可按對塑性不同的要求，在設備不變動的情況下，變化工藝參數，有效控制復合板的延伸率。

5、銅金屬粉末+鋼板軋制復合技術易于控制復合界面脆性化合物產生的數量，提高抗彎性能和深加工性能。

6、銅金屬粉末+鋼板軋制復合生產效率高，同樣的投資規(guī)模，產量是層狀復合技術、爆炸復合技術的幾倍、十幾倍。且一條生產線既可生產復合薄板（帶），也可生產中厚復合板。

7、該技術易于掌握，生產過程安全可靠。該技術的工藝過程，不產生垃圾，沒有任何污染。

（三）存在問題

由于銅、鋼熔點差別較大（400°C），該產品不適合于進行火焰切割，也不適合于熱焊接；目前工藝只能實現鋼板腹面的復合，鋼板側邊復合難以實現。有待于針對上述兩個問題繼續(xù)攻關，取得行之有效的解決方案。

四、產品檢驗及應用前景

2009年10月，將產品送到山東某軍工企業(yè)進行試用。使用過程中，對產品的耐沖壓、耐鍛壓、耐折彎等金屬加工指標進行了反復的試驗，結果顯示性能優(yōu)良。現在該企業(yè)在生產中主要采用銅粉末—鋼板復合材料，生產出來的彈殼完全滿足要求。

由于異質金屬復合材料的性能功能化和較低的成本及應用范圍廣泛，提高了傳統金屬材料的發(fā)展?jié)摿Γ~鋼復合材料已經成為我們國家近期產業(yè)化的發(fā)展重點。相信隨著該工藝側邊復合及耐熱金加工方案的實現，必將開拓新材料領域的廣闊空間，在國防、化工、電力等特殊行業(yè)發(fā)揮巨大的作用。