銅鐵合金
——新材料技術革命

本刊記者 張小紅｜文

中南大學副校長周科朝曾說，將銅、鐵這兩種古老的金屬結合在一起，有望煥發(fā)新的生機并將產(chǎn)生新的廣泛的應用，銅鐵合金材料將帶來一代材料應用的技術革命。“銅鐵合金”將如何顛覆材料應用現(xiàn)狀甚至引發(fā)技術革命？為什么這種新材料值得關注？帶著諸多疑問，近日，記者采訪了相關單位。

國家大力發(fā)展新基建，對很多新材料而言，是十分難得的機遇。近幾年備受關注的一種新材料——銅鐵合金，自帶優(yōu)勢明顯、應用前景廣闊，且我國在該領域的相關技術在國際上已處于領先地位，使其未來發(fā)展被普遍看好。中南大學副校長周科朝曾說，將銅、鐵這兩種古老的金屬結合在一起，有望煥發(fā)新的生機并將產(chǎn)生新的廣泛的應用，銅鐵合金材料將帶來一代材料應用的技術革命。

“銅鐵合金”將如何顛覆材料應用現(xiàn)狀甚至引發(fā)技術革命？國內(nèi)有哪些單位、企業(yè)已投身于此？他們做出了哪些貢獻？當前時代背景、社會及生產(chǎn)環(huán)境對發(fā)展“銅鐵合金”新材料有什么利弊？為什么這種新材料值得關注？帶著諸多疑問，近日，記者采訪了相關單位。

不同鐵含量銅鐵合金金相組織

抓住時代機遇 “銅鐵合金”引發(fā)關注

業(yè)內(nèi)連續(xù)舉辦的兩次專業(yè)研討會議，使“銅鐵合金”逐漸進入大眾視線。特別是兩次會議的宣傳標題，“銅鐵合金，大有作為”“銅鐵合金，揚帆起航”，醒目又貼切，不僅點明了會議宗旨，也很好地詮釋出了當前市場對“銅鐵合金”新材料的關注與期待。

從工信部的相關舉措和行業(yè)協(xié)會對該新材料技術研發(fā)的肯定中，我們能感受到這份關注。

2020年，工信部委托中國有色金屬工業(yè)協(xié)會開展擴大銅高端材料消費策略研究，經(jīng)多次研討，選擇以銅鐵合金和銅水管為切入點，打造典型示范應用，挖掘銅合金消費潛力。同年，工信部還對新材料應用開展了首批次應用保險補償機制工作，以此拓展產(chǎn)品新應用領域，工信部提出倡議和鼓勵：“希望通過研討會的契機，上下游擴大合作，共同提升銅鐵合金材料發(fā)展水平，為我國有色金屬工業(yè)建設做出貢獻。”

2020年中國銅加工產(chǎn)業(yè)年度大會上，在總結中國銅加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展新勢頭時，中國有色金屬工業(yè)協(xié)會黨委書記葛紅林表示，銅加工行業(yè)科技成果不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)化進程加快，銅鐵合金技術研發(fā)已經(jīng)走在了世界前列。這些肯定的話語給與會的相關企業(yè)帶來了更大的信心與決心。

關注來自國家，更來自企業(yè)。據(jù)中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會介紹，目前在“銅鐵合金”新材料研發(fā)和生產(chǎn)領域比較活躍的企業(yè)、科研機構主要有陜西斯瑞新材料股份有限公司（以下簡稱“陜西斯瑞”）、寧波金田銅業(yè)（集團）股份有限公司（以下簡稱“寧波金田銅業(yè)”）、中色奧博特銅鋁業(yè)有限公司（以下簡稱“中色奧博特”）、中銅華中銅業(yè)有限公司、中南大學、大連理工大學等。

這些企業(yè)和科研機構不僅發(fā)揮各自所長，組成專門的攻關團隊，在不同的細分領域深耕鉆研，實現(xiàn)突破，填補了多項行業(yè)空白，而且，他們之間還積極開展聯(lián)合科技攻關和知識產(chǎn)權分析、研判、申報及保護等工作，定期舉行針對銅鐵合金制備技術、應用場景等的交流研討會，針對相關規(guī)格產(chǎn)品的工程研究，企業(yè)也及時提供專有的檔期和最先進的裝備進行工程化實驗，確保攻關成功。

將關注變成行動 行業(yè)取得多項突破

以當前對銅鐵合金新材料產(chǎn)品的研究成果看，國內(nèi)企業(yè)各有所長、各有所獲。

陜西斯瑞專門成立了由董事長王文斌為帶頭人共計12人的銅鐵合金研發(fā)團隊，在銅鐵合金的原料選材、成分配比、熔煉特性、凝固特性、塑性變形等方面進行了深入的研究，突破了銅鐵合金工業(yè)化生產(chǎn)的技術瓶頸。具體地說，陜西斯瑞在銅鐵中間合金的制備、高鐵含量銅鐵合金半連續(xù)鑄造坯錠的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方面取得了實質(zhì)性突破，已經(jīng)能夠批量地供應各種規(guī)格和各種鐵含量的銅鐵中間合金、銅鐵合金大規(guī)格坯錠等。

寧波金田銅業(yè)最大的貢獻是率先突破了產(chǎn)業(yè)化坯料的中間合金和熔鑄技術瓶頸，能夠向用戶提供需求產(chǎn)品，并率先投入“粉末冶金+壓延加工”全新工藝技術的開發(fā)。具體地說，寧波金田銅業(yè)在部分區(qū)間鐵含量的銅鐵合金水平連鑄、銅鐵合金帶材和線材的產(chǎn)業(yè)化制備技術、高鐵含量銅鐵合金板帶粉末軋制技術等方面取得了突破，可以進行批量供貨。

中色奧博特在部分區(qū)間鐵含量的銅鐵合金的箔材產(chǎn)業(yè)化制備技術方面取得了實質(zhì)性突破，可以批量生產(chǎn)12μm級以下厚度的銅鐵合金箔材，為合金在OLED、5G通信等領域的應用打下了堅實的基礎。

與此同時，從2016年陸續(xù)開展科研工作以來，這些企業(yè)與國內(nèi)外相關用戶及潛在用戶均進行了廣泛的溝通和接觸，為合金的產(chǎn)業(yè)化制備奠定了技術和市場基礎。

科研機構則更多在理論研究方面發(fā)力，中南大學等在銅鐵合金的中間合金制備技術、銅鐵合金形變熱處理技術、銅鐵合金的微觀組織結構和力學物理性能之間的關聯(lián)關系等方面，進行了系統(tǒng)深入的研究，同時，在線徑20μm以內(nèi)的部分區(qū)間鐵含量的銅鐵合金超細絲的制備技術和銅鐵合金超細粉末制備技術方面取得了實質(zhì)性的突破；開展了相關合金電磁屏蔽和醫(yī)學特性的研究工作，為合金在高保真、寬頻電磁屏蔽、生物醫(yī)學、電子通信和熱管理系統(tǒng)等的應用奠定了基礎。

“可以這樣說，寧波金田銅業(yè)、陜西斯瑞是國內(nèi)高鐵含量銅鐵合金材料產(chǎn)品開發(fā)的先行者，中南大學是基礎研究的合作者。他們看好這種新材料的潛力與前景，達成共識要把它作為‘一項事業(yè)’來做，為此，于2020年年初成立了‘緊密合作推動體’，不惜資金和人力的投入，除了日常研究，還積極通過舉辦研討會、參加展覽會等方式，推廣銅鐵合金新材料?！辈稍L時，中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會副理事長、秘書長章吉林告訴記者。他還補充道：“企業(yè)和科研機構在銅鐵合金新材料的研發(fā)、制造、市場推廣等方面做了大量工作，在他們的努力下，無論是在理論研究方面，行業(yè)標準、專利申請方面，還是在熔煉技術、軋制成型技術、拉拔技術、制粉技術等方面，近年來均取得了明顯的進步?！?/p>

參觀寧波金田銅板帶生產(chǎn)現(xiàn)場

寧波金田銅板帶生產(chǎn)現(xiàn)場

銅鐵合金具有獨特“魅力”

高鐵含量銅鐵合金是以銅為基添加鐵元素的銅合金體系，以一定比例構成的銅鐵合金，兼?zhèn)溷~的高導電率、導熱率和鐵的高導磁率，是一種典型的結構功能一體化的復合材料。

銅鐵合金的優(yōu)勢不勝枚舉，從產(chǎn)品性能看，它具有優(yōu)異的機械性能、導電導熱性能和電磁屏蔽性能。如，經(jīng)測試CuFe10的導電性能是現(xiàn)錫磷青銅的4倍、力學性能也高于現(xiàn)錫磷青銅，其具有廣泛替代老體系銅合金的潛質(zhì)。特別是它的寬頻譜的高效電磁屏蔽性能，是其他銅合金無法比擬的。在全世界范圍內(nèi)，汽車、PC、電氣電子機器、產(chǎn)業(yè)機械、機器人控制設備等高端裝備因電磁場影響而產(chǎn)生的很多問題和故障，銅鐵合金可以很容易解決。另有最新研究成果揭示，由于銅鐵合金特殊的電化學特性，其還具有優(yōu)異的抑菌和殺毒功能。

從生產(chǎn)成本看，鐵在金屬原料中是目前最易獲得和最廉價的產(chǎn)品，在當前銅合金體系中高鐵含量銅鐵合金的原料成本是相對較低的。從生產(chǎn)環(huán)節(jié)看，鐵的添加不會產(chǎn)生有害物質(zhì)，回收利用時同樣不存在有害物質(zhì)。

基于上述性能優(yōu)點，專家分析，銅鐵合金產(chǎn)品具有巨大的應用前景。如銅鐵板帶可用于5G手機散熱板、屏蔽罩、大尺寸OLED背板材料、大尺寸LED顯示屏散熱板（在日本已經(jīng)應用）、電連接器接插件、無線充電線路板、空調(diào)冷凝管等；銅鐵合金桿、棒、線、絲材可用于電磁屏蔽線、高保真音頻線、無人機高速電機用電磁屏蔽電線、高壓電纜線、機器人通訊控制線、射頻線、編織電磁屏蔽網(wǎng)/帶、海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱、焊接絲材等；銅鐵合金粉末可用于剎車片、吸波屏蔽涂料、3D打印，醫(yī)用抗菌（如糖尿病傷口愈合）等；銅鐵合金在三相異步電機、注塑模具、電火花加工、電烙鐵頭、電工觸頭等方面也具有潛在的應用前景。

銅鐵球形粉微觀形貌

銅鐵片狀粉微觀形貌

銅鐵合金絲

銅鐵合金粉

陜西斯瑞精加工生產(chǎn)車間

從實驗室到工業(yè)化生產(chǎn)的“一步之遙”走了數(shù)十年

在過去近百年的研究開發(fā)過程中，雖然人們發(fā)現(xiàn)了銅鐵合金具有多種優(yōu)異性能且應用前景廣闊，但由于銅與鐵的兼容性差，液態(tài)的銅和鐵有互不相溶的分離現(xiàn)象，銅鐵合金被稱為金屬材料中的“油”和“水”，因此，一直未能生產(chǎn)出具有真正使用價值的銅鐵合金。然而，世界各地的學者并未停止對銅鐵合金研究的腳步。

世界上對銅鐵合金研究最多的是在日本，已有超過30年的研究經(jīng)驗，主要集中在合金的制備技術和市場應用方面，如新能源汽車配件，活塞頭、電子控制箱電磁屏蔽材料，剎車盤等；新型醫(yī)療機器制造，屏蔽箱體、屏蔽室、衛(wèi)生服等；新一代電子通信領域，通信基站的屏蔽材，熱擴散材料、連接器等；以及各類航空航天用電磁屏蔽線，船舶螺旋槳修理用焊條，散熱模具，放電加工線材等領域。但一直以來，銅鐵合金的工業(yè)化生產(chǎn)并未真正實現(xiàn)。

國內(nèi)對銅鐵合金的研究起步較晚，最初主要集中在大學院校，如大連鐵道學院對Cu-20%Fe原位復合材料的研究，重慶理工大學對高強高導Cu-Fe合金的研究進展，上海理工大學對不同成分銅鐵合金組織與性能變化研究，浙江大學對銅鐵合金均勻化熱處理的研究，中南大學對銅鐵合金制造、組織性能演變的研究等等，大多停留在實驗室階段。

直到有了企業(yè)的積極參與后，銅鐵合金的命運才發(fā)生真正的改變。

陜西斯瑞自2016年開始調(diào)研銅鐵合金，到2018年采用真空自耗電弧熔煉工藝成功制備出CuFe50合金，實現(xiàn)了銅鐵合金的工業(yè)化生產(chǎn)；到2019年，實現(xiàn)非真空下引半連續(xù)鑄造CuFe5合金圓錠、扁錠，隨后軋制出0.1mm、0.2mm的CuFe5合金板帶；再到2020年，與中色奧博特合作，成功制備出20μm、16μm、12μm的CuFe5合金箔材。目前，在銅鐵合金的理論研究、生產(chǎn)制備方面，陜西斯瑞都走在了世界前列，它也成功讓銅鐵合金材料成為國內(nèi)為數(shù)不多可以領跑全球的一種新材料。而且，陜西斯瑞生產(chǎn)的各種銅鐵合金桿、棒、線、粉、板帶、異型零件等相關產(chǎn)品已出口日本、韓國市場。

寧波金田銅業(yè)對國外高鐵含量銅鐵合金的研究進行跟蹤至今已有10余年，從2016年初開始和日本的研究專家進行交流合作，近年來持續(xù)加強技術研發(fā)投入，成立了專門的研發(fā)團隊開展試驗研究工作，推進技術創(chuàng)新及成果轉化。他們主要關注銅鐵中間合金熔鑄技術的預研和能滿足生產(chǎn)用鑄坯技術的預研。2018年，公司應國外用戶的需求和合作邀請，開始進行產(chǎn)品研發(fā)。至2019年，寧波金田銅業(yè)先后成功開發(fā)并能小批量供應以下三種產(chǎn)品：高質(zhì)量的銅鐵50%的母合金產(chǎn)品；5%鐵含量的0.2mm帶材、0.07mm細線材和8×0.5mm管材；10%鐵含量的2mm棒材。同年，公司還引進了烏克蘭國家科學院院士團隊，采用“粉末冶金+壓延加工”的創(chuàng)新技術思路進行10%～40%鐵含量的高質(zhì)量產(chǎn)品研發(fā)，這屬于行業(yè)首創(chuàng)。

中色奧博特充分發(fā)揮自身擁有的高精度銅合金箔材加工技術優(yōu)勢，本著以市場為導向、以科技創(chuàng)新為引領的思路，以留日回國的著名銅加工專家、中國有色礦業(yè)集團有限公司首席科學家佟慶平博士為首，組建了銅鐵合金箔加工技術開發(fā)團隊，并投入公司最優(yōu)秀的技術力量，使得銅鐵合金箔材的加工技術在短時間內(nèi)取得了突破性進展。2020年，公司在完成批量生產(chǎn)厚度0.1mm以上的各種銅鐵合金帶材的基礎上，僅用短短3個月時間，又在世界上首次成功生產(chǎn)出厚度分別為20μm、16μm、12μm的銅鐵合金箔材（CuFe5），為銅鐵合金的應用提供了更為廣闊的空間。

“銅鐵合金”的未來

對于銅鐵合金的未來發(fā)展，記者在采訪時感受到，大家的想法基本一致，銅鐵合金新材料前景廣闊，現(xiàn)已擁有世界領先的技術，但在應用領域還需要下大力氣研發(fā)、推廣。當前我國正面臨解決基礎材料“卡脖子”問題，打通國內(nèi)產(chǎn)業(yè)供應鏈，構建以國內(nèi)大循環(huán)為主體、國內(nèi)國際雙循環(huán)相互促進發(fā)展格局的新形勢，對于銅鐵合金新材料的研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應用，將是千載難逢的機遇。

中南大學材料學院院長李周告訴記者，當前，我國銅鐵合金的產(chǎn)業(yè)化制備技術，特別是銅鐵中間合金、銅鐵合金板帶箔材、銅鐵合金棒線和超細絲材的制備加工處于國際領先水平，對其相關機理的研究走在前列，相關知識產(chǎn)權的申報工作已經(jīng)取得顯著進展。但是，目前針對該合金的應用研究主要是日本和韓國的企業(yè)，國內(nèi)高校和生產(chǎn)企業(yè)在材料的服役性能研究和合金推廣應用方面還存在很大差距，需要下大力氣。他認為高校和研究院所能針對銅鐵合金的短流程制備技術、特殊的物理特性和抑菌性能等方面開展系統(tǒng)和深入的研究；同時，基于銅鐵合金特殊的綜合性能，開展不同場景下的應用研究。

陜西斯瑞董事長王文斌表示，當前環(huán)境對銅鐵合金發(fā)展是一個非常好的機遇，因為國家在不斷地提出國產(chǎn)化，說明還有很多材料在依賴進口，“跟跑”國外，而銅鐵合金是那為數(shù)不多可以“領跑”的一種新材料，正因如此，今后需要投入更大的人力物力去研究，去保持這一領先。他認為銅鐵合金未來的發(fā)展方向主要是應用研究，如新基建領域、新一代通訊電子領域、各類航空航天用電磁屏蔽領域的應用等。對于陜西斯瑞而言，未來他們將在生產(chǎn)制造、市場研究、標準化建設等方面著力，投入更先進的制造設備和制備工藝，實現(xiàn)銅鐵合金高純度、高一致性、高均勻性以及低成本制造。目前企業(yè)已獲得6項銅鐵合金專利，并向國標委提交了銅鐵合金鑄錠、銅鐵合金板帶、銅鐵合金棒線行業(yè)標準文件，今后在知識產(chǎn)權保護方面還將不斷加強研究。

寧波金田銅業(yè)公司高級副總裁鄭敦認為，高鐵含量銅鐵合金材料是一個新體系，國外特別是日本從可見的報道中發(fā)現(xiàn)就有20多家研究機構在從事相關研究，特別是在電磁屏蔽性、傳導散熱性、焊接性、抑菌性等研究領域擁有眾多成果，而我國在這方面幾乎空白。現(xiàn)在我們在材料產(chǎn)業(yè)化領域的突破只是萬里長征的第一個里程碑，對其研究和應用還需要大量的工作和投入，“大家肩負重要的歷史使命?！?鄭敦向記者透露，他們計劃在寧波金田銅業(yè)、陜西斯瑞，中南大學等“緊密合作推動體”的基礎上，吸引更多的應用企業(yè)、生產(chǎn)企業(yè)、研究單位等加盟，重點在屏蔽、引線框架、焊接材料等的應用上理清需求，制定目標計劃，分工合作提升研發(fā)效率。他同時建議媒體通過對該材料專業(yè)而富有深度的報道，引起國內(nèi)廣泛的應用領域?qū)I(yè)人士對該材料的興趣，進而促成“用、產(chǎn)、研、學、政”更廣泛的研發(fā)聯(lián)盟和政府政策、項目（資金）等的支持，為推動我國科學技術進步做出應有的貢獻。

在業(yè)內(nèi)連續(xù)舉辦的兩次專業(yè)研討會上，很多下游企業(yè)也表示出對銅鐵合金新材料的期待。蘇州巖谷金屬有限公司總經(jīng)理小野田健表示十分關注銅鐵合金新材料的進展，希望其能盡快在新能源、電池等領域得到應用。西安飛機工業(yè)（集團）亨通航空電子有限公司經(jīng)理余小葵希望能盡快使銅鐵合金新材料應用于大電流電纜、特種車輛生產(chǎn)等領域，并早日實現(xiàn)國產(chǎn)化替代。湖南大學副教授黃智文講述了土木工程上電渦流調(diào)向阻尼器、超高層超大跨度橋梁上對銅鐵合金新材料的需求應用。深圳市斯萊特實業(yè)有限公司總經(jīng)理劉智勇提出嘗試將銅鐵合金材料應用于光機電一體微型馬達中，替代原先的SPCC材料（沖壓+電鍍）的想法。

陜西斯瑞、金田銅業(yè)、中南大學曾在一次宣傳時，貼出標語“放飛合作情懷，共創(chuàng)銅鐵新材”，表達了三家單位攜手邁向世界的決心。事實上，以銅鐵合金新材料為契機，早日實現(xiàn)銅加工技術與世界同行從“并跑”到“領跑”的目標，不僅是三家單位的心愿，更是整個中國銅加工業(yè)的心愿！