铜钢复合材料生产工艺及军工应用前景

李仲华

一、简介

金属复合材料技术可以发挥组元材料各自的优势,实现各组元材料资源的最优配置,节约贵重金属材料,实现单一金属不能满足的性能要求, 它既可以替代进口并填补国内空白，又具有广阔应用范围，具有很好的经济效益和社会效益。

因使用需要，枪炮弹壳应该使用铜板或铜包钢板冲压而成。相比于钢，铜属于相对紧缺和贵重资源，所以目前世界上大多数国家采用铜钢复合材料制造弹壳。

铜钢复合可以通过多种工艺手段获得：

1、热浸镀铜复合法。

2、热渗铜复合法。

3、铜-钢爆炸复合法

4、铜-钢带轧制复合法。

5、铜粉末-钢带轧制复合法。

二、工艺比较与分析

1、热浸镀铜工艺

热浸镀铜是将钢板（带）热浸在铜液中，使钢板（带）表面附着厚度40-150μm金属铜或铜合金；热浸镀铜的铜钢复合材料其表面复合的铜层厚度受到限制，一次性热浸镀的复合铜层厚度不超过150μm，如果工艺不严格，表面容易出现针孔，水纹、气泡、浮,渣、沙眼等情况，影响其耐腐蚀性，因此必须增加封孔工艺。该工艺容易产生脆性化合物，对变形处理不利。

2、热渗铜工艺

该工艺是将钢（铁）工件用含铜粉的渗剂埋起来，在一定温度下经过较长时间使铜渗入钢件表面；热渗铜使铜钢复合材料表面出现脆性金属间化合物，影响产品的机械性能，热渗铜工件外表层含铜量一般不大于30%,此工艺方法只适合铸钢件或铸铁件及渗铜后不再变形的工件，不适用变形材料。

3、爆炸复合工艺

爆炸复合工艺包括单一爆炸复合和爆炸+轧制复合两种方法。该工艺是将金属铜或铜合金板带与钢板（带）通过爆炸或爆炸+轧制复合。

铜钢爆炸复合法是一种最成熟的生产工艺，建国后我国在宝鸡等地已建成多条生产线。该复合法存在以下几个重大缺陷：只能单张板生产，且每次只能单面复合，生产效率极低；带来严重环境污染；表面复合层厚度较厚，一般复合层厚度不低于1.5毫米，生产成本高。

4、层状（板与板）轧制复合

层状轧制铜钢复合只适用于薄板带生产，不适于中厚板带生产。因为中厚板的铜钢复合需要极大的轧制力，需大型轧机。

需要说明的是无论是爆炸复合还是层状轧制复合，都不可能使铜板和钢板达到100%的面复合。因此复合界面不可避免的存有间隙，使用一段时间，复合界面常要发生分离现象。

铜钢带轧制复合法存在着诸多目前没法解决的工艺难题，最基本的就是铜钢压延系数差别巨大，轧制工艺困难，业内采取了很多办法，效果仍然不理想。

针对以上现实情况，北京中冶设备研究设计总院有限公司组织专家与山东某企业联合开发了一套铜粉末-钢板轧制工艺，经过几年的探索和改进，取得了理想的成果，本文重点就铜粉末-钢板轧制工艺和设备进行介绍。

三、铜粉末钢板复合轧制工艺流程

钢板开卷——抛丸除锈——复合轧制——烧结——退火——平整——光面轧制——抛光——卷取——入库，工艺流程的重点在于复合轧制。

金属粉末轧制生产铜钢复合板，是将铜金属粉末和钢板一起送入两轧辊之间，通过轧辊的转动，轧制成复合板（带）材。复合板的基体是钢（普碳钢，碳钢，不锈钢），表面复合层是铜或铜合金。表面复合层的成份可按不同用途进行调配，灵活性高，不依赖于现行铜合金牌号。如耐磨的表面复合层可以很容易的加入耐磨的非金属粉末，通过轧制制备出表面耐磨的复合板。

（一）工艺技术、产品要求（产品规格）

1、轧机形式：全液压四重不可逆式1450mm冷轧机

轧辊尺寸：工作辊：Φ360/Φ340mm×1500mm

支承辊：Φ860/Φ840mm×1450mm

最大轧制速度：25m/min

穿带速度：18m/min

压下率：20%～50%

前滑值：0～15%

压上形式：液压压上

轧制力：最大800吨

2. 轧制材料：铜钢复合材料

3. 来料规格

宽度：600～1260mm

厚度：1,5-6mm

卷重：8000kg

卷材内径：Φ510mm（不带套筒时）；

Φ505mm（带套筒时指套筒内径）

卷材最大外径：Φ1800mm

4. 成品规格

宽度：520-1200mm（切边）

（当轧制出口板厚为3.5mm以下时，可根据产品品种考虑切边）

厚度：0.15mm-4.0mm

卷材最大卷重：8000kg（不切边）

5.轧制速度

轧辊线速度：Max25m/min

速度变化率：±0.2%（在最大速度匀速时）。

（二）铜金属粉末+钢板轧制复合技术的主要特点

1、铜钢复合板的主要功能是防腐蚀，因此铜包覆层的厚度，没有必要很厚，防腐蚀层的厚度一般在0.1～0.3mm就足以满足各种工况的需求。铜钢复合板的基体板的厚度可是薄板（带），也可是中厚板。复合层的厚度可在0.05-2.0 mm 之间按需要控制。

2、铜金属粉末+钢板轧制复合，复合层铜或铜合金与钢的结合强度高，表面密度大，光洁，没有针孔等缺陷;可以深度变形;铜粉末与基体钢板在轧制过程中达到100%的面结合，复合界面没有间隙，也不会产生层状结合时的弹性回复现象，完全消除了基体与复合层结合界面的开裂现象。

3、铜金属粉末+钢板轧制复合可以很容易的实现温控轧制，提高界面结合强度，降低轧制力。

4、铜金属粉末+钢板轧制复合技术，铜合金粉末可按不同的工况需要配制，也可按对塑性不同的要求，在设备不变动的情况下，变化工艺参数，有效控制复合板的延伸率。

5、铜金属粉末+钢板轧制复合技术易于控制复合界面脆性化合物产生的数量，提高抗弯性能和深加工性能。

6、铜金属粉末+钢板轧制复合生产效率高，同样的投资规模，产量是层状复合技术、爆炸复合技术的几倍、十几倍。且一条生产线既可生产复合薄板（带），也可生产中厚复合板。

7、该技术易于掌握，生产过程安全可靠。该技术的工艺过程，不产生垃圾，没有任何污染。

（三）存在问题

由于铜、钢熔点差别较大（400°C），该产品不适合于进行火焰切割，也不适合于热焊接；目前工艺只能实现钢板腹面的复合，钢板侧边复合难以实现。有待于针对上述两个问题继续攻关，取得行之有效的解决方案。

四、产品检验及应用前景

2009年10月，将产品送到山东某军工企业进行试用。使用过程中，对产品的耐冲压、耐锻压、耐折弯等金属加工指标进行了反复的试验，结果显示性能优良。现在该企业在生产中主要采用铜粉末—钢板复合材料，生产出来的弹壳完全满足要求。

由于异质金属复合材料的性能功能化和较低的成本及应用范围广泛，提高了传统金属材料的发展潜力，铜钢复合材料已经成为我们国家近期产业化的发展重点。相信随着该工艺侧边复合及耐热金加工方案的实现，必将开拓新材料领域的广阔空间，在国防、化工、电力等特殊行业发挥巨大的作用。