電工用銅鋼復(fù)合薄板和帶在電器產(chǎn)品中的應(yīng)用

文／浙江兆隆合金股份有限公司 陳漢文／

0 前言

銅-鋼復(fù)合新材料融合了銅與鋼兩種金屬的特點(diǎn)，不僅具有良好的導(dǎo)電性、可塑性、耐蝕性、焊接性、表面再加工性（上釉或鍍鉻）和美觀的表面等特性,同時具有鋼的高強(qiáng)度，其良好綜合性能是單一金屬銅或鋼不可比擬的，是一種新型的功能性應(yīng)用材料。因其具有節(jié)省大量稀缺有色金屬資源，降低應(yīng)用企業(yè)制造成本的特性越來越受到應(yīng)用領(lǐng)域的青睞，廣泛用于電子、電器、建筑、五金、燈具及飾品行業(yè)，同于替代鋼電鍍件性能不足以滿足某些要求、純銅花費(fèi)昂貴或不具備良好加工性能的領(lǐng)域。

在近期發(fā)布的中國電器工業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)CEEIA B222-2013《電工用銅-鋼復(fù)合薄板和帶》中，銅-鋼復(fù)合板帶產(chǎn)品包覆率為10/80/10%（銅含量18.65%）時，軟態(tài)導(dǎo)電率IACS達(dá)到27.6%，高于銅合金H65導(dǎo)電率指標(biāo)。因此，銅-鋼新型復(fù)合材料是將電流及電子移動的集膚效應(yīng)很巧妙地應(yīng)用在導(dǎo)電材料上一個典型實(shí)例，其表面覆層銅就可以滿足導(dǎo)電的基本需求，而中間的基層鋼又能夠達(dá)到支撐的強(qiáng)度需要。交變電流的集膚效應(yīng)從電流及電子移動的技術(shù)角度詮釋了銅鋼復(fù)合材料用于電連接件產(chǎn)品的可信性。

1 銅鋼復(fù)合材料國內(nèi)外發(fā)展概況

1.1 發(fā)展背景[1]

銅-鋼復(fù)合帶材屬于雙金屬復(fù)合新材料領(lǐng)域范疇，兩種金屬的復(fù)合制造方法出現(xiàn)與20世紀(jì)40年代。雙金屬的復(fù)合制造方法有爆炸復(fù)合法、熱軋復(fù)合法和冷軋復(fù)合法三種方式。爆炸復(fù)合法所獲得的尺寸精度極低，無法形成連續(xù)生產(chǎn)，且生產(chǎn)環(huán)境極不安全，現(xiàn)基本被淘汰；熱軋復(fù)合法出現(xiàn)于20世紀(jì)中期，該工藝制成的產(chǎn)品精度低，一般僅用于坯料生產(chǎn)，而且能耗極高，污染大；冷軋復(fù)合法的應(yīng)用出現(xiàn)于 20世紀(jì)50年代的美國，此工藝可實(shí)現(xiàn)多種金屬的復(fù)合，生產(chǎn)的產(chǎn)品尺寸精度高，表面質(zhì)量好，能根據(jù)需要獲得非常廣泛的綜合機(jī)械性能，并且可連續(xù)生產(chǎn)，是目前國外運(yùn)用最廣泛的雙金屬復(fù)合工藝[1]。

我國雙金屬冷軋復(fù)合法實(shí)驗(yàn)室曾有過研究，但一直未在生產(chǎn)領(lǐng)域得到應(yīng)用。近十年來隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷深入，建筑、裝飾、飾品、電器元件、電子連接件、散熱器領(lǐng)域的需求發(fā)生了很大的變化。一方面，在材料的品質(zhì)上對金屬材料的要求也不僅僅局限于單一金屬的功能要求，而是要求向外觀美化、高強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱性、熱穩(wěn)定性、可塑性等綜合性更好的功能性材料發(fā)展；另一方面，隨著世界制造業(yè)重心的轉(zhuǎn)移，我國近十年對有色金屬帶材的需求迅速增長，但礦石資源極其漫長的再生周期嚴(yán)重制約了有色金屬的隨意性供應(yīng)，導(dǎo)致有色金屬資源日趨匱乏，銅及銅合金帶材價格上漲，使得下游企業(yè)的生產(chǎn)成本相應(yīng)提高。需要有價格相對低廉又能夠保證原有使用性能的材料來滿足市場的快速發(fā)展。而且，隨著科技的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)饘俨牧系囊笙蛲庥^、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、強(qiáng)度、塑性等綜合性能兼優(yōu)方面發(fā)展。

因此，多金屬復(fù)合新材料的研究和開發(fā)應(yīng)用日趨重要。也催生了銅-鋼雙金屬復(fù)合板帶材料的生產(chǎn)發(fā)展。兆隆合金股份有限公司研發(fā)生產(chǎn)的銅-鋼復(fù)合（板帶）新材料恰好是順應(yīng)了市場的需要而發(fā)展起來的國內(nèi)新材料領(lǐng)域的金屬復(fù)合新產(chǎn)品。

1.2 市場應(yīng)用[6]

在電子零部件、低壓電器、繼電器、斷路器、電連接器行業(yè)中，銅-鋼復(fù)合板帶材料對于純銅應(yīng)用領(lǐng)域存在互補(bǔ)性。使用銅-鋼復(fù)合板帶材料不僅可以為下游企業(yè)和終端消費(fèi)者節(jié)省費(fèi)用，而且還可以為國家節(jié)約大量寶貴的銅資源。銅-鋼復(fù)合板帶材料融合了兩種金屬的特點(diǎn)，具有銅金屬耐腐蝕性、成型性、導(dǎo)電性和美觀的表面等特性，還具有鋼良好的強(qiáng)度，其良好綜合性能是單一金屬銅或鋼不可比擬的，在電子、電器、汽車電器的電連接件領(lǐng)域是一種可供選擇的功能性優(yōu)異的新型材料。

隨著中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，特別是汽車、電子、電力、通訊等行業(yè)的發(fā)展，帶動國內(nèi)銅板帶的消費(fèi)在不斷上升，據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明見表1，2013年高精度板帶預(yù)計(jì)產(chǎn)能將達(dá)到85萬噸、產(chǎn)量70萬噸、需求155萬噸、缺口85萬噸。

目前，國內(nèi)9家主要銅板帶材企業(yè)的總產(chǎn)能為83.3萬噸，2013年的預(yù)計(jì)高精度銅板帶產(chǎn)量為50萬噸，遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)高精度銅板帶消費(fèi)的增長需求。但高端產(chǎn)品仍然依賴進(jìn)口；以2013年高精度板帶消費(fèi)量155萬噸計(jì)，如果20%銅鋼復(fù)合帶材彌補(bǔ)國內(nèi)高精度銅板帶消費(fèi)缺口，預(yù)測年使用量在31萬噸左右。

2 電工行業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)制定概述

2.1 銅在電子工業(yè)中的應(yīng)用

具有中等和較高強(qiáng)度的銅及銅合金，其導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，加工、釬焊和耐蝕性能優(yōu)良，目前在電子工業(yè)中的微電子和半導(dǎo)體集成電路中作為引線框架，在集成封裝電路中既是引線又是支撐骨架。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，銅仍然是最終用戶端使用的優(yōu)選傳導(dǎo)體；而且各種局部網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)及其它硬件，特別是連接件等，都需要用銅及銅合金。彈性元件、接插件及引線框架用銅帶室溫技術(shù)性能見表2[3]-[5]。

2.2 銅-鋼復(fù)合板帶的技術(shù)指標(biāo)

銅鋼復(fù)合板帶的截面如圖1所示。

表3、4是CEEIA B222-2013《電工用銅-鋼復(fù)合薄板和帶》標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)，對比表2不難看出：銅鋼復(fù)合板帶物理性能、加工狀態(tài)與彈性元件、接插件及引線框架用銅帶的技術(shù)要求相似；力學(xué)性能亦具有相同的性能指標(biāo)；尺寸規(guī)格基本包含其中。

作為導(dǎo)電用的結(jié)構(gòu)性功能材料，銅鋼復(fù)合板帶材基本具備其性能的要求。

2.3 銅-鋼復(fù)合板帶的導(dǎo)電性能與銅層重量比的關(guān)系

從圖2得知：銅鋼復(fù)合板帶的導(dǎo)電率隨覆層銅重量比的增加而上升，導(dǎo)電率基本維持在20%以上，可以滿足作為電連接結(jié)構(gòu)件的技術(shù)要求。

2.4 銅-鋼復(fù)合板帶的導(dǎo)電應(yīng)用

圖1 銅鋼復(fù)合板帶的截面

由于交變電流通過導(dǎo)體時的電流將趨于導(dǎo)體表面流過的集膚效應(yīng)，電流以較高的頻率在導(dǎo)體中傳導(dǎo)時，會聚集于導(dǎo)體表層，而非平均分布于整個導(dǎo)體的截面積中，頻率越高，集膚效應(yīng)越顯著。所以，絕大部分的電流在導(dǎo)電材料的表面上傳遞[2]。傳統(tǒng)上采用的導(dǎo)電帶材料是銅，銅的導(dǎo)電性能非常優(yōu)秀，如僅滿足導(dǎo)電需要，導(dǎo)電材料的截面積無需很大；但是，一般導(dǎo)電的聯(lián)接件還需要有一定的強(qiáng)度，所以根據(jù)導(dǎo)電的需求來確定銅帶材的厚度，同時銅的強(qiáng)度在高溫下會相對降低，為了支撐的需要使得采用的聯(lián)接件截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)電需要的面積。

表1 我國2011～2013年高精度銅板帶產(chǎn)能、產(chǎn)量、消費(fèi)量、缺口統(tǒng)計(jì)狀況

表2 彈性元件、接插件及引線框架用銅帶室溫技術(shù)性能

表3 銅鋼復(fù)合板帶室溫力學(xué)性能

表4 銅鋼復(fù)合板帶室溫電性能

圖4 銅層重量比與導(dǎo)電率的關(guān)系

經(jīng)檢測，包覆率為10/80/10(銅含量18.65%）銅-鋼復(fù)合帶，M 狀態(tài)的導(dǎo)電率IACS達(dá)到27.6%，高于銅合金H65的導(dǎo)電率（26.8%）指標(biāo)；包覆率為（10/80/10）銅-鋼復(fù)合帶的特硬和彈硬狀態(tài)的電導(dǎo)率IACS達(dá)到24%，高于銅合金高性能彈性材料的電導(dǎo)率IACS大于20%的要求。所以，銅-鋼新型復(fù)合材料是將電流及電子移動的集膚效應(yīng)很巧妙地應(yīng)用在導(dǎo)電材料上一個典型實(shí)例，交變電流的集膚效應(yīng)從電流及電子移動的技術(shù)角度詮釋了銅-鋼復(fù)合材料用于電連接件產(chǎn)品的可信性。

經(jīng)檢測統(tǒng)計(jì)分析表明，銅-鋼復(fù)合板帶的導(dǎo)電率隨覆層銅（重量比）的增加而上升，覆銅層（重量比）達(dá)到10%時，導(dǎo)電率IACS基本維持在20%以上，可以滿足作為電連接結(jié)構(gòu)件的技術(shù)要求。利用集膚效應(yīng)，在電連接件、彈性元件、引線框架材料，用銅-鋼復(fù)合板帶新材料應(yīng)該是一個能夠利用的極佳選擇。銅-鋼復(fù)合帶材表面的銅層可以滿足電連接器結(jié)構(gòu)件、電子連接件的導(dǎo)電性能需要，中間的鋼層又起到了足夠的強(qiáng)度支撐作用。用銅-鋼復(fù)合板帶材料制作的電工元器件和配件強(qiáng)度更高，因此可在電工領(lǐng)域的許多場合使用。該領(lǐng)域內(nèi)的低壓電器、斷路器、接插件、彈性元件、接線端子、電纜護(hù)套等部件已經(jīng)廣泛使用銅-鋼復(fù)合板帶材料替代純銅，目前普遍采用0.2～2.0mm厚規(guī)格紫銅表面的銅-鋼復(fù)合板帶材料。

2.5 協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)制定的意義

CEEIA B222-2013標(biāo)準(zhǔn)的制定，可有效縮短我國銅-鋼復(fù)合板帶產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，促進(jìn)我國金屬復(fù)合板帶新材料產(chǎn)品有序化生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)進(jìn)步和優(yōu)化布局，有利于擴(kuò)大開拓國內(nèi)外應(yīng)用市場。為電工領(lǐng)域用導(dǎo)電材料提供了一種新型的導(dǎo)電功能性材料，以及行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升、積極培育和發(fā)展具有國際競爭新優(yōu)勢的新材料產(chǎn)業(yè)，提供了必要的技術(shù)支撐和標(biāo)準(zhǔn)化平臺。

隨著全球金屬資源的減少，全人類都迫切需要尋找節(jié)約資源的材料。銅-鋼復(fù)合新材料由于其不僅具備銅良好的導(dǎo)電性、可塑性、耐蝕性、焊接性、表面再加工性（上釉或鍍鉻）和美觀的表面等特性，又具備鋼的強(qiáng)度等特性，同時又能節(jié)省大量稀缺有色金屬資源，降低應(yīng)用生產(chǎn)企業(yè)制造成本。銅鋼復(fù)合帶材將成為金屬材料為下游制造產(chǎn)業(yè)提供一種新的功能性新材料選擇。

3 技術(shù)要點(diǎn)

本標(biāo)準(zhǔn)參照ASTM B694－2010《電纜護(hù)套用銅、銅合金、銅包青銅(CCB)、銅包不銹鋼（CCS）、銅包合金鋼（CAS）薄板和帶材》、ASTM B888－2010《電連接器或彈性元件用銅合金帶材》、GB/T 11091-2005《電纜用銅帶》、GB/T 17793-2010《加工銅及銅合金板帶材外形尺寸及允許偏差》、GB/T 26007-2010《彈性元件和接插件用銅帶》以及相關(guān)方法標(biāo)準(zhǔn)：YS/T 745.1-2010《銅陽極泥化學(xué)分析方法 第1部分 銅量的測定 碘量法》標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)部分進(jìn)行制定。

應(yīng)用范圍規(guī)定：“適用于電工元器件如斷路器及接插件等，作為電連接器和配件用的銅-鋼復(fù)合帶，其他使用場合可參照現(xiàn)有規(guī)定進(jìn)行”。

3.1 術(shù)語

由于金屬復(fù)合材料與單一金屬的不同，本標(biāo)準(zhǔn)對銅-鋼復(fù)合的相關(guān)技術(shù)術(shù)語進(jìn)行了規(guī)范性描述，為后面標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的編制進(jìn)行了技術(shù)鋪墊。如：牌號的制定采用了“覆層金屬牌號+/+基材金屬牌號”的順序組成的表示方式，很直觀地體現(xiàn)了銅鋼復(fù)合板帶的覆層銅和基材鋼各自的牌號；包覆率直接采用ASTM B694的表示方式“××/××/××%”，直觀、明了地把銅-鋼復(fù)合板帶的包覆率表述出來。

3.2 牌號、狀態(tài)、規(guī)格、包覆率

牌號、狀態(tài)、規(guī)格、包覆率依據(jù)電連接的使用強(qiáng)度和導(dǎo)電要求進(jìn)行編制，產(chǎn)品牌號規(guī)定了T2/Q195、TU1/Q195、T2/Q460、TU1/Q460四個牌號；狀態(tài)參照GB/T 26007標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了軟（O61）、1/8硬（H00 O80）、1/4硬（H01 O81）、1/2硬（H02 O82）、3/4硬（H03）、硬（H04）特硬（H06）、彈硬（H08）8個狀態(tài)；規(guī)格范圍0.2～2.0×20～600mm；覆層厚度及包覆率（重量比）參照ASTM B694標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編制，規(guī)定了10/80/10%、7.5/85/7.5%、6/88/6%、4/92/4%四個比例；并且，除規(guī)定了覆層厚度的金相檢測方法外，同時參照YS/T 745.1-2010《銅陽極泥化學(xué)分析方法 第1部分 銅量的測定 碘量法》方法標(biāo)準(zhǔn)，增加了包覆率（重量比）中銅含量的檢測分析方法內(nèi)容。

因此，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的產(chǎn)品牌號、狀態(tài)、規(guī)格包覆率所涵蓋的范圍比較廣泛，比ASTM B694標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)面更廣，更加詳細(xì)，便于需方選材。可廣泛地適應(yīng)不同電工結(jié)構(gòu)需求的應(yīng)用。

3.3 尺寸及其偏差

產(chǎn)品的厚度尺寸及其允許偏差根據(jù)GB/T 1109、GB/T 17793和GB/T 26007標(biāo)準(zhǔn)，按不同寬度分普通級/高精級，可以最大限度地滿足不同結(jié)構(gòu)加工的精度需求；寬度尺寸公差按不同寬度給出，寬度分檔更細(xì)；側(cè)邊彎曲度指標(biāo)在ASTM B694標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上按不同厚度和寬度增加了產(chǎn)品的平直度指標(biāo)規(guī)定，可以最大限度地滿足不同結(jié)構(gòu)加工的精度需求，整體上精度指標(biāo)高于ASTM B694、GB/T 1109、GB/T 17793和GB/T 26007標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.4 物理和工藝性能

產(chǎn)品的室溫拉伸試驗(yàn)（抗拉強(qiáng)度、伸長率）參照ASTM B888、 GB/T 26007以及銅-鋼復(fù)合板帶產(chǎn)品的實(shí)際檢測數(shù)據(jù)，規(guī)定了從軟到彈硬8個狀態(tài)的力學(xué)性能指標(biāo)，廣泛適用于不同用途的功能結(jié)構(gòu)場合，比ASTM B694標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)面更廣泛；規(guī)定了彎曲試驗(yàn)檢驗(yàn)產(chǎn)品的工藝性能，增加了“需方如有要求，并在合同中注明時，可進(jìn)行規(guī)定彎曲半徑的CSC板帶彎曲和反復(fù)彎斷試驗(yàn)。彎曲后肉眼觀察彎曲處不應(yīng)有裂紋，彎斷處結(jié)合部位狀態(tài)，不應(yīng)有分層?！钡姆磸?fù)彎斷試驗(yàn)來檢驗(yàn)產(chǎn)品的復(fù)合強(qiáng)度，完善了標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)方法內(nèi)容，而ASTM B694標(biāo)準(zhǔn)無彎曲和結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)定。

本標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品規(guī)定了不同狀態(tài)的電性能指標(biāo)，可以極大地滿足不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電需求，其電性能指標(biāo)適應(yīng)面更廣泛。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

本標(biāo)準(zhǔn)在材料標(biāo)識方面采用“覆層金屬牌號+/+基材金屬牌號”順序組成表示方式，很直觀地體現(xiàn)了銅-鋼復(fù)合板帶產(chǎn)品的覆層銅和基材鋼各自的牌號；

在產(chǎn)品狀態(tài)分類方面，按軟、1/8硬、1/4硬、1/2硬、3/4硬、硬、特硬、彈硬8個狀態(tài)，與銅及銅合金的狀態(tài)及表示方式一致，1/8硬、1/4硬、1/2硬狀態(tài)規(guī)定可以軋制或退火狀態(tài)供貨，補(bǔ)充完善了銅-鋼復(fù)合材料的供貨狀態(tài)，適應(yīng)面廣。

在測試分析方法方面增加了包覆率（重量比）中銅含量的檢測分析方法，填補(bǔ)了厚度小于3mm以上的銅鋼復(fù)合材料覆層銅含量檢測的空白。

符合本標(biāo)準(zhǔn)的材料，其力學(xué)性能優(yōu)于銅及銅合金，同時具有純銅的外觀質(zhì)感和良好的電性能。與單一金屬材料相比，同時具備高強(qiáng)度，良好的導(dǎo)電性、耐熱性、熱穩(wěn)定性、可塑性、耐蝕性和美觀的表面等綜合特性。產(chǎn)品純銅覆層包覆率低于20%，導(dǎo)電率IACS達(dá)到 20%以上，填補(bǔ)了銅-鋼復(fù)合板帶產(chǎn)品純銅覆層包覆率≤20%的空白。

產(chǎn)品采用擴(kuò)散退火技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了銅鋼界面的冶金復(fù)合，確保產(chǎn)品性能穩(wěn)定；整體技術(shù)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

參考資料：

[1]李寶錦等.銅鋼復(fù)合材料的研究及應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報(bào) 2002,16（2）：22-24.

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[4]邵勝忠等.GB/T 26007－2010彈性元件和接插件用銅帶[S].

[5]ASTM B888－2010電連接器或彈性元件用銅合金帶材[S].

[6]浙江兆隆合金股份有限公司內(nèi)部資料.