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user: 2. 铜/钢复合材料的制备工艺 2.1. 固-液相复合法 2.1.1. 浇铸复合法 浇铸复合法是指将基体钢板表面预热到一定温度后，放入铸模型腔内，再向型腔内浇铸铜熔液，或是将处理后的钢板直接浸入装满铜液的铸模型腔内，冷却凝固后形成复合材料的工艺。 文献 [ 5 ] 中采用浇铸复合法制取了高强铜/钢双金属复合导板。首先将基体钢板表面打磨、酸洗、水洗、电刷镀铜、涂上抗氧化剂，干燥之后加热到200℃~300℃；再按合金成分配置好铜合金，将基体钢板放入熔化好的铜液(1100℃~1150℃)中浸泡60~120 s，取出后立即放置在预热到250℃左右的金属型中，迅速将熔化好的铜合金液在1250℃~1350℃温度下浇铸到处理好的基体钢板表面，凝固后经后续机械加工制得高强铜/钢双金属复合导板。 浇铸复合法不需要高强度的设备及模具，工艺较为简单，可用于制作大、中型冲压、挤压模具不同形状的导向零件。其缺点是成型后的材料需要再进行机械加工，生产周期较长。 2.1.2. 离心铸造法 离心铸造法是借助于离心力的作用，使熔融的铜或铜合金液附着在旋转的钢型壳中，金属液经激冷作用快速冷却后与钢板牢固地结合在一起的工艺。其制备工艺如图1。 图1. 离心铸造法制取铜/钢复合材料示意图 离心铸造法制备铜/钢复合材料时，首先要对钢套表面进行酸洗、碱洗和水洗，预热后涂上一层硼砂，目的是防止钢套表面被再次氧化，并增加铜液与钢基体表面的润湿性，浇铸前还要进行净化处理并烘干。文献 [ 6 ] 详细描述和总结了离心铸造法制备复合材料工艺，硼砂的熔化温度控制在980℃~1000℃，清洗后的钢壳预热到700℃~800℃后，浸入硼砂待10~30 s取出，最终制得的复合材料界面组织致密，综合力学性能较高。 采用离心铸造法制备铜/钢复合材料时，影响复合材料质量的因素有很多，其中最主要的是离心机的转速、浇注温度、浇注时间，将这些因素综合考虑，协调各种因素的影响，可以显著提高产品的性能。用此方法制备的铜/钢复合材料界面组织致密，综合力学性能较高，成本较低，可以进行批量生产，但是该方法存在表面进行机械加工等问题，还需要深入的探索。 2.1.3. 连铸连轧复合法 连铸连轧复合法是将高温铜液浇铸在待复合的钢板上，在液态金属还处于熔融状态时与基体金属一起在轧机上连续轧制，依靠液态金属的高温扩散和轧机的轧制力形成复合材料的工艺。其制备工艺如图2。 图2. 连铸连轧复合铜/钢复合材料示意图 王华 [ 7 ] 对铜/钢复合材料连铸连轧工艺进行了深入研究，轧辊材料选用镍基耐热铸铁，在铸轧过程中，凝固区金属剧烈冷却，凝固速度可达102℃/S左右，其研究表明，铜合金与钢板压下率 ≥ 40%，铸轧速度为8 m/min时，能确保两金属较好的复合，轧制出的复合板带的组织性能最好。魏伟 [ 8 ] 研究了铜/钢双金属板异步轧制复合工艺对轧后界面形貌的影响，轧制后的界面两侧元素互扩散范围在6~8 μm之间，经600℃退火处理后，界面扩散层平均宽度可达到15 μm左右。 采用连铸连轧复合工艺生产的复合板材组织还不稳定，成分也不均匀，可以再进行600℃以上的扩散退火处理，可以有效地控制界面处的扩散、溶解等反应，最终得到过渡层组织均匀的复合材料 [ 9 ] 。该方法主要用来生产板材和型材，制备过程可以对金属液进行回收利用，避免了金属的浪费，并且容易实现自动化生产。 2.2. 固-固相复合法 2.2.1. 爆炸复合法 爆炸复合法是指利用在待复合金属上的炸药爆炸瞬间产生的超强冲击力，使得两金属板在瞬间产生高速碰撞，暴露出的新鲜干净金属表面形成了直接接触，结合形成复合材料的工艺。其制备工艺示意如图3。 图3. 爆炸复合铜/钢复合材料示意图 车宇峰 [ 10 ] 成功实验了大面积T2铜板与Q235B钢板的爆炸复合，图4为Quanta 250型扫描电子显微镜拍摄的爆炸复合界面，在炸药爆炸能量的作用下，复合界面实现冶金结合，呈波浪状。车宇峰爆炸复合得到T2板与Q235钢板比例为6/20的铜/钢复合板，进行消应力退火处理后，经检验，复合板整体的拉伸强度为405 MPa，屈服强度为285 MPa，延伸率可达到18.5%，完全符合预期的设计要求。薛治国 [ 11 ] 采用数值模拟的方法，对大面积铜/钢复合板爆炸复合建立有限元模型，设置多组爆炸焊接工艺参数对比及优化。其研究表明，待复合的铜板与钢板厚度比为7/22，炸药高度为78 mm，间隙为14 mm时，复合板的界面结合率可达到100%。 图4. 爆炸复合铜/钢复合界面显微形态 目前，爆炸复合法制备复合材料已经应用比较广泛，可以制备大面积的复合板，生产效率较高。制备出的材料的复合界面能实现良好的冶金结合，界面强度高，可作为铜钢复合冷却壁的基板 [ 12 ] 。爆炸复合法的局限性在于生产时需要专门的爆炸场地，且有一定的危险性。 2.2.2. 轧制复合法 轧制复合法是利用轧机的轧制力，使待复合的铜和钢两种金属的结合表面发生大的形变而破裂出新鲜金属，在压力作用下紧密结合成复合材料的工艺。其工艺示意图如图5。 图5. 轧制复合铜/钢复合材料示意图 根据轧制时的温度，轧制复合法可进一步的分为热轧复合法和冷轧复合法。热轧复合法需要在一定温度下进行，材料加工时除了受到轧机的轧制力外，还能在高温下产生塑性变形，得到界面强度较高的复合材料。冷轧复合法的轧制温度较低，可避免在复合过程出现不利于结合的相变和脆性金属化合物的形成，制得的复合材料性能比较稳定。文献 [ 13 ] 中采用小变形量，并进行多道次的热轧制，总的加工变形量达到90%以上，首次变形量为5.0%左右，加热温度为920℃~950℃，最后制成一定规格的铜/钢复合板材，性能得到提高。陈汉文 [ 14 ] 采用单道次大于40%变形量的冷轧复合法生产了铜/钢复合带材，复合带材中钢为基材，铜及铜合金为表面覆层，保持高强度的同时塑性得以改善，复合材料的断后伸长率为45%~50%，复合界面的抗拉强度达到300 MPa左右。 轧制复合法主要用于制备双金属复合板，热轧对保温设备要求较高，而冷轧对轧机的要求较高，单独的热轧或冷轧制备的复合材料的性能并不理想，与其它复合方式(如：爆炸复合法)结合使用后，生产出的复合材料的性能会显著提高 [ 15 ] 。 2.2.3. 扩散复合法 扩散复合法是指将铜和钢两种金属紧密地贴合，在真空或气氛保护及一定温度和/或压力条件下，保持一段时间，借助接触界面上原子的扩散而制得复合材料的成形方法。其制备工艺如图6。 图6. 扩散复合铜/钢复合材料示意图 文献 [ 16 ] 中采用了真空扩散焊接技术制取了锡青铜和45号钢复合材料。讨论了焊接参数的影响，得出的最佳扩散焊接的工艺是：连接时间为20 min，连接温度为850℃，连接比压力为2.0 MPa，制得的复合材料的界面最高拉伸强度可达180 MPa。王璞 [ 17 ] 对铜/钢双金属棒扩散复合界面的组织、成分和硬度进行了分析。结果表明，通过扩散复合可使铜/钢结合界面形成冶金结合，在950℃下经过16 h的扩散复合后，结合界面的剪切强度已经大于基体铜的剪切强度。 扩散复合法制得的复合材料性能稳定，在保证铜金属耐腐蚀性和导电性的同时，还具有钢良好的强度，能应用于制造叶片、叶轮和许多电子元件。扩散复合的原材料尺寸不受限制，产生的变形量小，自动化生产能力强。但是，该方法生产效率较低，待复合材料的复合表面预处理的要求较高 [ 18 ] 。 相比于固–液复合法，固–固复合法在铜/钢复合材料中的应用更为广泛。固–固复合法的制备工艺较为简单，生产效率较高，制得的复合材料界面结合良好，性能更加稳定。爆炸复合法已经可以批量生产铜钢复合板，制备的材料作为冷却壁基板时可以在保证冷却效率的同时显著提高冷却壁的使用寿命。铜/钢复合材料因其优越的性能已经大量应用在民用和军工方面。