高性能銅／鋁復(fù)合排的制備及界面機理

廖文俊，劉新寬，王宇鑫

（1.同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，200092；2.上海電氣集團股份有限公司中央研究院，200070；3.上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，200093）

為了節(jié)省銅資源，我國已開發(fā)了銅包鋁線纜、銅／鋁復(fù)合排等銅基復(fù)合材料，取得了顯著的效益［1－2］.銅基復(fù)合材料是一類品種較多、用途較廣的金屬復(fù)合材料，可替代銅材廣泛應(yīng)用于電力、電器、汽車等領(lǐng)域.銅／鋁復(fù)合排采取了銅包鋁的結(jié)構(gòu)，不僅具有較高的導(dǎo)電性能、機械性能，還兼有鋁的成本低、重量輕、接觸電阻較低等特點，并且載流能力大，接近電工銅排，因此用于替代電工銅排具有廣闊的市場前景［3－4］.銅／鋁復(fù)合排主要應(yīng)用在母線干線系統(tǒng)，高、低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備之中.

銅／鋁復(fù)合排的主要制備方法有包覆焊接法、軋制壓接法、靜液擠壓法和連鑄連軋直接成型法.國內(nèi)目前采用包覆焊接法和軋制壓接法生產(chǎn)銅包鋁排，這兩種工藝方法的特點是銅、鋁之間固相結(jié)合，結(jié)合強度不高，銅、鋁之間容易出現(xiàn)分層，且均屬于成品二次加工，成本高.國外一般采用的是靜液擠壓技術(shù)，利用高靜水壓力和大加工變形率作用實現(xiàn)銅、鋁之間的固相結(jié)合，變形均勻，但不能連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較低.國內(nèi)外學(xué)者對銅／鋁復(fù)合排的結(jié)合機理進行了研究，以此來指導(dǎo)銅／鋁復(fù)合排的制備工藝［5－8］.本文在實驗室采用鑄軋直接成型法制備了銅／鋁復(fù)合排，銅／鋁復(fù)合達到了冶金結(jié)合，具有良好的力學(xué)性能，并研究了銅／鋁復(fù)合排界面結(jié)合機理.

1 試驗方法

本文采用固－液法澆注和鑄軋工藝制備銅／鋁復(fù)合排，區(qū)別于包覆焊接法、軋制壓接法和靜液擠壓法等固－固結(jié)合方式，其具有較高的銅／鋁界面結(jié)合強度.先將銅管在脫脂劑中進行脫脂處理，并用HCl溶液酸洗除去表面的氧化層；將銅管預(yù)熱至420℃，鋁熔化保溫至680～750℃，通過密閉流槽澆鑄到銅管內(nèi)，冷卻鑄錠；在惰性氣體保護下，將加熱后的銅／鋁復(fù)合鑄錠進行軋制，經(jīng)過初軋、精軋和整型，制成銅／鋁復(fù)合排.

復(fù)合排的力學(xué)性能測試采用ZWICK公司生產(chǎn)的Z－50型萬能材料試驗機，退火處理采用的設(shè)備為SRJK－3－12管式電阻爐；銅／鋁復(fù)合排的電阻率測量采用直流電橋法，電流取100A和200A；載流密度測量采用上海電纜研究所標(biāo)準Q／SJ 48—2007測量方法［9］；采用掃描電子顯微鏡（SEM），X射線衍射儀（XRD）和金相顯微鏡觀察形貌和結(jié)構(gòu).

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 退火溫度對銅／鋁復(fù)合排界面結(jié)合強度的影響

由于鋁的線收縮系數(shù)大于銅的線收縮系數(shù)，在冷卻過程中銅／鋁復(fù)合排界面將產(chǎn)生很大的應(yīng)力，當(dāng)界面結(jié)合強度不足時，將導(dǎo)致銅／鋁結(jié)合面開裂.因此，評價復(fù)合材料界面結(jié)合的好壞非常重要.但是到目前為止，還沒有測量銅／鋁復(fù)合排界面結(jié)合強度的標(biāo)準方法.本文采用剪切法研究銅／鋁復(fù)合排界面強度，試驗原理如圖1所示.強度測試采用德國ZWICK公司生產(chǎn)的Z－50型試驗機，試樣強度計算公式

式中：Fmax為拉伸過程中最大力，N；S為試樣的結(jié)合面積，mm2.

圖1 剪切法界面強度測量方法示意圖Fig.1 Shearing method schematic diagram of interface strength testing

銅／鋁復(fù)合排在使用過程中，不可避免地要進行成形，如沖孔、彎曲以及剪切等操作，有時復(fù)合排的銅層由于塑性在排成形過程中被耗盡，會出現(xiàn)撕裂.為此，需要對復(fù)合排進行退火處理，以達到去除應(yīng)力，恢復(fù)塑性，增加結(jié)合強度.將試樣進行了溫度分別為25，100，200，280，300，330，360，400，500℃的退火，時間為1h.退火所采用的設(shè)備為SRJK－3－12管式電阻爐.圖2示出了不同退火溫度復(fù)合排界面結(jié)合強度的變化.

圖2 退火溫度對界面強度的影響Fig.2 Annealing temperature effect on interfacial strength

圖3 300℃×1h和400℃×1h退火后的銅／鋁復(fù)合排界面形貌Fig.3 Interface microstructure after annealing at 300℃and 400℃for 1h

從圖中可以看出，經(jīng)過300℃×1h退火，材料的結(jié)合強度最高，達到46MPa.退火溫度超過300℃，材料的結(jié)合強度明顯降低.其原因在于高溫退火時，在銅／鋁界面上擴散生成中間化合物，脆性的中間化合物降低了界面強度.圖3a為300℃×1h退火后的復(fù)合排界面SEM微觀形貌，圖3b為 400℃×1h退火后的SEM照片.很顯然，經(jīng)400℃×1h退火后形成了較厚的過渡層，生成的中間化合物也大大增加，在界面形成了較大的應(yīng)力，銅側(cè)出現(xiàn)了碎裂層，導(dǎo)致其結(jié)合強度下降.

2.2 熱循環(huán)對銅／鋁復(fù)合排界面強度的影響

銅／鋁復(fù)合排在使用過程中會發(fā)熱，這是由于銅和鋁的熱膨脹系數(shù)不同，因此復(fù)合排溫度的變化使得在銅和鋁界面上產(chǎn)生熱應(yīng)力，有可能對復(fù)合排界面產(chǎn)生損傷.為了研究復(fù)合排在長時間多次使用后界面結(jié)合強度的變化，將試樣進行300℃×1h退火，重復(fù)50次該過程進行冷熱循環(huán)，測試連續(xù)循環(huán)后界面結(jié)合強度變化.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，測試試樣經(jīng)過50次300℃×1h的冷熱循環(huán)后界面結(jié)合強度反而有所增強，從46MPa提高到52MPa，說明一定溫度下的熱循環(huán)過程可使復(fù)合排界面的殘余應(yīng)力得到釋放，增強冶金界面結(jié)合，使得復(fù)合排在實際應(yīng)用中始終保持較好的結(jié)合強度.

2.3 銅／鋁復(fù)合排界面結(jié)構(gòu)及復(fù)合機理分析

研究銅、鋁復(fù)合過程的機理，主要包括銅與鋁的界面反應(yīng)和相互擴散過程，以及決定銅／鋁界面達到冶金結(jié)合的熔合結(jié)合和擴散結(jié)合過程.

在鑄造條件下，銅與鋁的結(jié)合是通過結(jié)合面附近物質(zhì)的相互作用及隨后擴散形成的界面來實現(xiàn)，結(jié)合強度取決于這個界面的質(zhì)量、厚度和組成.其中，界面質(zhì)量是指其連續(xù)性和完整性.在本工藝制備的銅／鋁復(fù)合排中，澆注前銅板在自制混合熔劑的保護下，避免了表面的氧化和污染，使銅和鋁具有形成完整界面的結(jié)合條件，從而保證界面的結(jié)合強度.液態(tài)鋁與固態(tài)銅接觸時，固態(tài)銅表面發(fā)生界面反應(yīng)且銅原子和鋁原子相互擴散，從而形成擴散層，同時界面上還形成金屬間化合物.復(fù)合界面的冶金結(jié)合是通過界面層上固體的局部熔化和原子擴散的物理冶金過程實現(xiàn)的［4－5］.

從Al－Cu合金二元相圖來看，銅既能與鋁形成固溶體，也能與鋁形成化合物.圖3為通過直接澆注成型的銅／鋁復(fù)合排的SEM界面形貌.圖3a為銅／鋁復(fù)合排界面的SEM微觀形貌，從中可以清晰地看出銅／鋁界面的擴散層共分為四層，經(jīng)過測量，擴散層總寬度大約為20μm，主要包括：①富銅區(qū)（區(qū)域I）；② 界面過渡區(qū)（區(qū)域II）；③ 富鋁凝固區(qū)（區(qū)域III和IV）.擴散層的形成，是因為在銅、鋁固－液復(fù)合時，高溫的鋁液使銅表面發(fā)生熔化，鋁向銅中發(fā)生了明顯擴散，形成富銅區(qū).在此過程中，鋁與銅發(fā)生反應(yīng)，生成金屬間化合物，形成過渡層.靠近鋁側(cè)，由鋁和金屬間化合物形成富鋁凝固區(qū).過渡層銅、鋁含量的變化曲線如圖4所示，很明顯看到鋁向銅中的擴散過程.

圖4 界面層銅／鋁含量的變化曲線Fig.4 Cu－Al content curve and EDS of interface layer

為了確定銅／鋁復(fù)合排界面金屬間化合物成分，對界面層進行了電子探針能譜點掃描分析，如圖4a中1，2，3點所示，能譜分析結(jié)果見表1.從能譜分析中可以確認金屬間化合物從銅側(cè)開始到鋁側(cè)依次出現(xiàn)Al4Cu9相，AlCu相以及Al2Cu相.

表1 圖4a中1，2，3點的能譜分析Tab.1 EDS analysis of Points 1，2，3in Fig.4a

為進一步確定擴散界面的生成相，取試樣的斷口表面（銅側(cè)）進行XRD分析，結(jié)果如圖5所示.從圖中可以看出，在銅／鋁復(fù)合面上存在銅鋁金屬間化合物相Al2Cu，Al4Cu9和AlCu，其他相則分辨不出.

圖5 銅／鋁復(fù)合排界面的XRD圖譜（300℃×1h退火）Fig.5 XRD patterns of the Cu－Al composite row（300℃×1hannealing）

銅／鋁復(fù)合層之間出現(xiàn)的中間化合物可以從硬度上反映.圖6為打完硬度后銅／鋁復(fù)合排界面擴散層的金相照片，從銅側(cè)到鋁側(cè)依次選擇了8個點，考慮到過渡層較薄，壓痕面積較大，如在水平線方向依次選點則較難選取多點測硬度，因此選擇了錯位打點來反映過渡層硬度的連續(xù)變化.從圖中菱形壓痕可以看出，擴散層處硬度值顯著升高.從銅側(cè)向鋁側(cè)方向，HV硬度值依次為89.5（純銅），89.5，126，687，588，112，54.6，36.0（純鋁），可見過渡層的硬度從銅側(cè)開始先增大，然后慢慢減小，說明過渡層中生成了不同的金屬間化合物，使得硬度變大.

由于在銅／鋁復(fù)合排界面上生成了脆性的中間化合物層，因此在外力作用下，脆性的中間化合物首先斷裂，中間化合物層決定了銅、鋁結(jié)合強度的大小，因此如何控制好過渡層中間化合物相的多少對提高銅／鋁復(fù)合排的界面強度至關(guān)重要，在較低溫度下熱處理后生成適當(dāng)?shù)倪^渡層使得銅、鋁達到冶金結(jié)合，能提高界面結(jié)合強度.如果過渡層生成過多的中間化合物將使界面脆性增加，應(yīng)力集中，反而降低結(jié)合強度.圖7是銅／鋁復(fù)合排從界面撕裂后的截面金相圖.從圖中可以看出，斷裂主要是發(fā)生在中間化合物上，在斷面兩邊的銅層和鋁層都殘留部分的中間化合物.

圖6 銅／鋁復(fù)合排界面金相顯微及硬度（×500）Fig.6 Microstructure and hardness of composite row transition layer

圖7 銅／鋁復(fù)合排撕裂界面圖（×200）Fig.7 Tearing interface microstructure of Cu－Al composite row

按照以往研究經(jīng)驗，銅、鋁擴散層厚度隨鋁液澆注溫度呈拋物線規(guī)律增長，其拋物線參數(shù)K則取決于鋁液澆注溫度［10－11］.可見，正確設(shè)定和準確控制鋁液的澆注溫度，對控制過渡層的厚度非常重要.根據(jù)Al－Cu二元合金相圖，擴散層由γ2（CuAl2）、富鋁的α相固溶體以及δ相組成.擴散區(qū)無論產(chǎn)生哪種晶格類型的銅／鋁金屬間化合物，都在銅側(cè)出現(xiàn)硬度高峰區(qū)，如圖6，使脆性增大.因此，應(yīng)通過調(diào)整銅管預(yù)熱溫度、澆注溫度和熱處理溫度等工藝參數(shù)來控制鋁原子向結(jié)合面的擴散量［12］.

2.4 銅／鋁復(fù)合排導(dǎo)電性和力學(xué)性能

采用ZWICK公司生產(chǎn)的Z－50型萬能材料試驗機測量銅／鋁復(fù)合排力學(xué)性能.經(jīng)測量，銅／鋁復(fù)合排的拉伸強度為98MPa，彈性模量為1.5GPa，延伸率達38%.載流密度測量采用上海電纜研究所標(biāo)準Q／ SJ 48—2007測量方法，試樣溫升70℃時施加的電流即為載流密度.測量得到的銅／鋁復(fù)合排電阻率為0.0216×10－6Ω·m，載流密度為750A.

3 結(jié)論

（1）采用液態(tài)鋁和固態(tài)銅結(jié)合的鑄軋方式制備出達到冶金結(jié)合的銅／鋁復(fù)合排，其具有優(yōu)異的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能，整體拉伸強度為98MPa，電阻率為0.0216×10－6Ω·m，載流密度為750A.

（2）研究了退火溫度和熱循環(huán)次數(shù)對銅／鋁復(fù)合界面結(jié)合強度的影響，300℃×1h熱處理時其結(jié)合強度最高，多次熱循環(huán)后復(fù)合排界面結(jié)合強度反而有所增加.

（3）通過SEM，EDS，XRD和金相顯微鏡等研究了銅／鋁復(fù)合界面結(jié)合的微觀形貌和組織成分，從而對界面復(fù)合機理進行了分析.銅／鋁復(fù)合界面生成了金屬間化合物，從銅側(cè)開始到鋁側(cè)依次出現(xiàn)Al4Cu9，AlCu以及Al2Cu相，使得界面層硬度增加.

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