添加銅對鋼/鋁板組織和性能的影響*

張晶輝，劉興海，羅　輝，王紅霞

(1.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控系，山西 太原 030006；2.太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

添加銅對鋼/鋁板組織和性能的影響*

張晶輝1，劉興海2，羅輝2，王紅霞2

(1.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控系，山西 太原 030006；2.太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

摘要：試驗采用兩道次熱軋法制備鋼/銅/鋁復(fù)合板，研究了軋制溫度、保溫時間和壓下量對板材力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，低溫長時間有利于板材性能提高，低溫短時間或高溫長時間都不利于板材結(jié)合，使性能下降。鋼/銅/鋁板的變形結(jié)合性能隨壓下量的增大先逐漸增大后減小，當(dāng)壓下量為85%時，結(jié)合強(qiáng)度近50 MPa，彎曲循環(huán)性能最佳，達(dá)35次界面不開裂。試驗得出最佳的軋制工藝為：一道次300 ℃保溫30 min、40%壓下量軋制，二道次550 ℃保溫15 min、85%壓下量軋制。同時，采用SEM觀察到鋼/銅/鋁板在熱軋后界面上產(chǎn)生連續(xù)的中間層化合物分別是Al2Cu、Al4Cu9和Cu，這些化合物與基體結(jié)合緊密，有利于提高變形結(jié)合性能。

關(guān)鍵詞：鋼/銅/鋁復(fù)合板；兩道次熱軋；變形結(jié)合性能；微觀形貌；中間化合物

鋼/鋁復(fù)合材料因同時具有鋼的高強(qiáng)度、良好塑性和鋁的耐腐蝕、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱及低密度等優(yōu)良性能，得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]；但是，鋁容易與許多正電性的金屬元素化合生成金屬間化合物，如鋼/鋁板經(jīng)過高溫(≥500 ℃)軋制復(fù)合時，容易在界面上生成脆性的金屬間化合物FeAl2、Fe2Al5和FeAl3[3-4]等，嚴(yán)重削弱鋼/鋁界面的結(jié)合強(qiáng)度[5]，這也是造成復(fù)合板斷裂的主要因素。因此，如何抑制脆性中間化合物的產(chǎn)生成為解決復(fù)合板結(jié)合性問題的關(guān)鍵，同時，確定合理的制備工藝，進(jìn)行界面控制，以達(dá)到穩(wěn)定界面，結(jié)合成為該類復(fù)合材料制備及應(yīng)用的難點。宋群玲等人通過在鋼/鋁復(fù)合界面添加Si、Zn、Ni和Mn等微量元素來提高鋼/鋁復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，Si和Zn等元素的添加能夠比較有效地阻礙Fe-Al中間化合物的產(chǎn)生，改善界面結(jié)合性能，Mn和Ni合金化處理對阻止和延緩化合物的出現(xiàn)作用不大，特別是Ni元素的參與，甚至更促進(jìn)了化合物的生成[6]。Cu的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、塑性和延展性好，而且與Si和Ni相比價格低廉，經(jīng)濟(jì)實用。本文通過添加薄銅板到鋼/鋁板中間并進(jìn)行熱軋試驗，以期阻礙Fe-Al脆性化合物的產(chǎn)生，研究不同軋制工藝條件下鋼/銅/鋁板的結(jié)合變形性能，從而改善鋼/鋁板的高溫力學(xué)性能。

1試驗材料與方法

本試驗選用Q235鋼板，尺寸規(guī)格為60 mm×15 mm×1.5 mm。鋁合金板牌號為5052，尺寸規(guī)格為：60 mm×16 mm×1.6 mm。純度為99.99%的銅板尺寸規(guī)格為：60 mm×16 mm×0.6 mm。Q235鋼和5052鋁合金的化學(xué)成分見表1。主要試驗用設(shè)備有掃描電子顯微鏡 (MIRA3-SEM)、BKDφ130實驗軋機(jī)、DK7735錐度電火花數(shù)控切割機(jī)床、CMT5205電子萬能試驗機(jī)、熱電偶加熱裝置和箱式電阻爐。

表15052鋁合金和Q235鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

(%)

本試驗先將原料制備成規(guī)定尺寸，經(jīng)打磨、酸洗、堿洗、清水洗滌和烘干等步驟處理表面后，將鋼/鋁板在400 ℃保溫30 min，壓下量均為40%進(jìn)行一道次軋制，使鋼/鋁板實現(xiàn)簡單的機(jī)械結(jié)合，隨后在550 ℃保溫15 min，壓下量分別為30%、40%、50%、60%、70%、80%、85%和90%進(jìn)行二道次軋制，軋后通過90°彎曲試驗檢測板材的結(jié)合情況，得出最佳的壓下量為85%；然后，將銅/鋁板進(jìn)行熱制軋到約為0.4 mm，實現(xiàn)在最佳的壓下量下促進(jìn)銅原子在鋁中的擴(kuò)散，形成結(jié)合性較好的銅/鋁薄板；最后，將鋼/銅/鋁板采用與鋼/鋁板相同的工藝進(jìn)行兩道次軋制，熱軋制工藝示意圖如圖1所示。

圖1　熱軋制工藝示意圖

板材軋后用電火花切割機(jī)床將試樣切割成1個φ10 mm[7]的圓片和2個φ10 mm的圓柱形不銹鋼棒，利用TSB802高強(qiáng)度膠將切割件粘接在一起，并采用四點彎曲法測定其結(jié)合強(qiáng)度，測試示意圖如圖2所示，中間部分是純彎曲，兩邊是水平力彎曲，在純彎曲部分只有扭矩沒有剪切力。

圖2　四點彎曲法測試示意圖

圖2中最大彎矩M、最大正應(yīng)力σ和彎曲截面模量WZ的計算式分別如下：

M=F×0.25L

(1)

(2)

(3)

式中，根據(jù)傳統(tǒng)層合理論，σ是最大正應(yīng)力，是結(jié)合強(qiáng)度的表征；F是加載力；L是圓棒的長度；d是圓片的直徑；I是模型的轉(zhuǎn)動慣量；Y是模型的撓度。

經(jīng)過計算，結(jié)合強(qiáng)度的最終表達(dá)式為：

(4)

2試驗結(jié)果及分析

2.190°彎曲試驗

本試驗通過90°彎曲試驗來檢測不同壓下量條件下板材變形結(jié)合性的優(yōu)劣，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3　兩道次熱軋制鋼/銅/鋁板90°彎曲循環(huán)試驗結(jié)果

從圖3可以看出，隨著壓下量的增加，復(fù)合板材的彎曲角逐漸增大，當(dāng)壓下量超過臨界值時，彎曲角開始減小，各試樣達(dá)到最大結(jié)合強(qiáng)度后界面出現(xiàn)不同程度的開裂。當(dāng)壓下量<70%時，板材彎曲很小的角度就出現(xiàn)開裂；當(dāng)壓下量為85%時，彎曲角達(dá)到最大(130°)，復(fù)合板界面結(jié)合良好，未產(chǎn)生明顯的開裂；當(dāng)壓下量>85%時，彎曲角又減小，而且界面出現(xiàn)嚴(yán)重的開裂，其原因可能是板材界面結(jié)構(gòu)及高溫時產(chǎn)生脆性的不連續(xù)的中間相化合物所致[8]。

2.2結(jié)合性能的測定

本試驗通過四點彎曲法對鋼/銅/鋁板和鋼/鋁板在第二道次軋制條件下的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測定，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4　鋼/鋁板和鋼/銅/鋁板第二道次軋制后結(jié)合強(qiáng)度測試結(jié)果

從圖4可以看出，鋼/銅/鋁板和鋼/鋁板的結(jié)合強(qiáng)度隨著壓下量的增加而逐漸增大，當(dāng)壓下量為85%時，2種板材的結(jié)合強(qiáng)度均達(dá)最大，且鋼/銅/鋁板的結(jié)合強(qiáng)度明顯要高于鋼/鋁板，鋼/銅/鋁板接近50 MPa，而鋼/鋁板約為30 MPa，當(dāng)壓下量>85%時，2種板材結(jié)合強(qiáng)度陡然下降；隨著壓下量的增加，板材暴露出更多的表面和裂紋數(shù)[9-10]，彼此接觸增強(qiáng)；當(dāng)壓下量超過臨界值時，鋼/鋁板間由于擴(kuò)散的作用產(chǎn)生大量的脆性中間相，阻礙了板材基體間的結(jié)合，同時它們與基體板材結(jié)合性較差，造成結(jié)合強(qiáng)度下降。鋼/銅/鋁板結(jié)合強(qiáng)度下降的原因可能是過大的壓下量使Al-Cu化合物擴(kuò)散到鐵基體中形成脆性的Fe-Al化合物所致。

2.3微觀形貌分析

試驗中對鋼/銅/鋁板和鋼/鋁板界面進(jìn)行微觀分析(見圖5)，并對鋼/銅/鋁板界面不同層(見圖5b)進(jìn)行EDS分析。

圖5　鋼/銅/鋁板和鋼/鋁板第二道次軋制后界面SEM圖像

圖5a所示為鋼/鋁板二道次熱軋后界面形貌，550 ℃熱軋的鋼/鋁板界面上形成明顯的中間層，厚度約20 μm，不連續(xù)地分布在界面上，局部地方出現(xiàn)明顯的裂紋，與基體結(jié)合也存在裂隙。主要原因是當(dāng)溫度>500 ℃時，鋼/鋁板間的晶粒由于擴(kuò)散作用會結(jié)合生長，在界面上產(chǎn)生大量脆性的Fe-Al中間相化合物[11]，這些脆性化合物在熱軋時容易破碎產(chǎn)生裂紋。鋼/銅/鋁板界面結(jié)合情況要比鋼/鋁板好，中間層連續(xù)而平整的，大致分3層，與基體結(jié)合緊密，無開裂，這主要與中間層組織有關(guān)。鋼/銅/鋁板界面層組織各點對應(yīng)的EDS分析圖譜如圖6所示。

圖6　圖5b中各點的EDS結(jié)果

根據(jù)圖6中各點原子組成比例及Al-Cu二元相圖得知，圖5b中各點的組成相分別為Al、Al2Cu、Al4Cu9、Cu和Fe，靠近5052一側(cè)的為Al2Cu，靠近Q235一側(cè)的為Cu。形成上述擴(kuò)散層的主要原因是低熔點的金屬(鋁)在熱軋后先發(fā)生再結(jié)晶，然后形成大量晶界，這些晶界也是銅原子擴(kuò)散的主要通道，使得銅原子向鋁基體中的擴(kuò)散速度大于銅原子向鐵中的擴(kuò)散速度，導(dǎo)致形成連續(xù)的Cu-Al化合物層。由于鐵的熔點較高，在鐵基體一側(cè)沒有形成銅原子擴(kuò)散的通道，使得銅原子在鐵基體中的擴(kuò)散速度極小，所以在界面上沒有Cu-Fe化合物形成。Al2Cu和Al4Cu9屬于柔性化合物[12]，熱軋時不容易開裂，有助于協(xié)調(diào)變形，因此在同樣的制備條件下，鋼/銅/鋁板界面結(jié)合性要比鋼/鋁板好。高溫長時間和低溫短時間都不利于板材結(jié)合，影響結(jié)合變形性能。如圖5b所示，高溫長時間使Cu-Al中間擴(kuò)散層變厚(近60 μm)，影響板材結(jié)合性；如圖5d所示，低溫短時間原子間擴(kuò)散不充足，甚至造成擴(kuò)散層與基體存在裂隙，嚴(yán)重影響結(jié)合變形性能。

3結(jié)語

本試驗采用二道次熱軋法制備鋼/銅/鋁復(fù)合板，并與鋼/鋁板作比較，得出鋼/銅/鋁復(fù)合板的結(jié)合變形性能明顯要高于鋼/鋁板，實現(xiàn)了預(yù)期目的，得到下述結(jié)論。

1)鋼/銅/鋁復(fù)合板的結(jié)合變形性隨著壓下量的增加逐漸增大，當(dāng)壓下量為85%時達(dá)到最大，當(dāng)壓下量>85%時，陡然下降。鋼/銅/鋁復(fù)合板的結(jié)合性能與鋼/鋁板相比有明顯改善，鋼/鋁板的結(jié)合強(qiáng)度僅為30 MPa，而鋼/銅/鋁板接近50 MPa。最佳工藝條件為一道次400 ℃保溫30 min、40%壓下量軋制，二道次550 ℃保溫15 min、85%壓下量軋制。

2)鋼/銅/鋁復(fù)合板在550 ℃熱壓時，界面上產(chǎn)生中間擴(kuò)散層，主要分3層，組織分別是Al2Cu、Al4Cu9和Cu，它們與基體緊密結(jié)合，提高了板材的結(jié)合變形性能。高溫長時間或是低溫短時間軋制條件都不利于板材間原子擴(kuò)散結(jié)合，使結(jié)合變形性能下降。

3)本試驗與其他研究者采用的方法(硅粉微合金化、添加錳或鎳到鋼鋁板界面等)相比，工藝簡單，經(jīng)濟(jì)實用，在未來板材高溫使用領(lǐng)域有較好的研究與應(yīng)用價值。由于試驗條件有限，板材界面處晶粒取向分布和晶粒尺寸形貌等情況尚未觀察，當(dāng)具備試驗條件時，界面處晶粒的取向分布和晶粒形貌等微觀現(xiàn)象可以進(jìn)一步深入研究，如采用EBSD分析技術(shù)，借助TEM觀察等方法都可獲得良好的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚樹松．有色金屬學(xué)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1993．

[2] 朱旭霞.不銹鋼/鋁(合金)/不銹鋼多層材料熱軋復(fù)合及性能研究[D].長沙：中南大學(xué)，2000.

[3] 王興慶，呂海波．鐵鋁原子在金屬間化合物形成中的擴(kuò)散[J].上海大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1998，4(6)：661-667.

[4] 韓煒，尹付成，蘇旭平，等．硅對Fe/Al固態(tài)擴(kuò)散反應(yīng)中Fe2Al5生長動力學(xué)的影響[J].材料熱處理學(xué)報，2010，31(6)：28-32.

[5] 史良權(quán)．熱鍍鋁鋅合金鋼板 [J].世界鋼鐵，2003，3(3)：4-15.

[6] 宋群玲，馬娟，胡日博，等.界面微合金化對鋼/鋁復(fù)合板性能影響的研究[J].昆明冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2007，23(1):1-5.

[7] Kojima Y. Platform science and technology for advanced magnesium alloys[J]. Mater. Sci. Forum, 2000,3:350-351.

[8] Zhang X P, Yang T H, Liu J Q, et al. Mechanical properties of an Al/Mg/Al trilaminated composite fabricated by hot rolling[J]. J Mater Sci., 2010, 45: 3457-3464.

[9] Matsumoto H, Watanabe S, Hanada S. Fabrication of pure Al/Mg-Li alloy clad plate and its mechanical properties[J]. J Mater Process Technology, 2005, 169: 9.

[10] 黃光勝，黃光杰，王凌云.均勻化退火對AZ31鎂合金組織與性能的影響[J].重慶大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，27(11)：18-23.

[11] Zhao L M, Zhang Z D. Effect of Zn alloy interlayer on interface microstructure and strength of diffusion-bonded Mg-Al joints[J]. Scripta. Mater, 2008, 58: 283.

[12] 韋建軍，唐永建，吳衛(wèi)東.Cu-Al系納米金屬間化合物的制備[J].四川大學(xué)學(xué)報：工程科學(xué)版，2008，40(4):1-5.

*山西大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資助項目(2013050)

山西省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新資助項目(2013108)

責(zé)任編輯鄭練

Effects of Adding Cu on Microstructure and Performance of Steel/Al Laminated Plate

ZHANG Jinghui1, LIU Xinghai2, LUO hui2，WANG Hongxia2

(1.Department of Numerical Control, Shanxi Polytechnic College, Taiyuan 030006, China;2. College of Material Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

Abstract:In this study, Steel/Cu/Al laminated plate was fabricated by two-pass hot rolling, the effects of rolling temperature, reduction and holding time on the mechanical property of Steel/Cu/Al laminated plate were studied. The results showed that low temperature with a long time was conducive to improve the mechanical property of the plates, the binding property became weak in high temperature with a long time and low temperature with a short time. The forming and binding property of Steel/Cu/Al laminated plate increases first and then decreases with the increasing reduction. The maximum bonding strength was nearly 50 MPa, affording 35 bending cycles without crack. The optimal parameters were rolled at 300 ℃ with a reduction of 40% for 30 min (the first pass) and 550 ℃ with a reduction of 85% for 15 min (the second pass). Meanwhile, the SEM results showed that intermentallic compound would generate on the interface of steel/Al plate during 550 ℃ hot rolling. The intermentallic compounds were Al2Cu，Al4Cu9 and Cu, which can endow better binding property with matrix and improve the forming and binding property.

Key words:steel/Cu/Al laminated plate, two-pass hot rolling, forming property, microstructure, intermentallic compounds

收稿日期：2014-06-04

作者簡介：張晶輝(1971-)，女，講師，教研室主任，碩士，主要從事機(jī)械工程等方面的研究。

中圖分類號：TG 335.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A