退火工藝對冷軋銅/鋼/銅復(fù)合板界面組織和力學(xué)性能的影響

魏劍云，楊明緒，殷福星，劉寶璽，方 偉

（1.河北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué) 能源裝備材料技術(shù)研究院，天津 300130；3.天津市材料層狀復(fù)合與界面控制技術(shù)重點實驗室，天津 300130）

退火工藝對冷軋銅/鋼/銅復(fù)合板界面組織和力學(xué)性能的影響

魏劍云1，2，3，楊明緒2，3，殷福星1，2，3，劉寶璽2，3，方 偉2，3

（1.河北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué) 能源裝備材料技術(shù)研究院，天津 300130；3.天津市材料層狀復(fù)合與界面控制技術(shù)重點實驗室，天津 300130）

采用冷軋復(fù)合法成功制備了銅/鋼/銅復(fù)合鋼板，利用OM、EPMA手段分析了銅/鋼/銅復(fù)合板界面組織和合金元素擴(kuò)散，研究了退火處理對銅/鋼/銅復(fù)合板界面組織和力學(xué)性能的影響.試驗結(jié)果表明，碳鋼中鐵原子與銅中銅原子發(fā)生互擴(kuò)散現(xiàn)象，生成Fe-Cu固溶擴(kuò)散層.隨著退火溫度的升高和保溫時間的增加，擴(kuò)散層厚度都會變大.隨著退火溫度的升高，碳鋼中鐵素體晶粒明顯長大，基體軟化，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低.退火溫度為600℃時，隨著保溫時間增加，強(qiáng)度沒有明顯變化.

銅/鋼/銅復(fù)合板；退火處理；元素擴(kuò)散；擴(kuò)散層厚度；抗拉強(qiáng)度

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，民用行業(yè)對于材料綜合性能的要求也越來越高，在很多特定條件下，傳統(tǒng)的單一鋼鐵材料已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代生產(chǎn)和生活的需求[1-2].在此情況下，將2種或2種以上的金屬材料采用復(fù)合工藝制備而成的層狀金屬復(fù)合材料能夠滿足這方面的需求；另一方面，層狀金屬復(fù)合材料在節(jié)省國家戰(zhàn)略儲備資源，降低材料成本等方面也有著巨大的作用[3].層狀金屬復(fù)合材料不僅保持基材的金屬特性，還具有“復(fù)合效應(yīng)”[4]，可以彌補(bǔ)各自的不足，經(jīng)過合理的組合易于形成優(yōu)異的綜合性能，被廣泛用于海洋、化工設(shè)備、制冷領(lǐng)域和汽車等方面[5-7].

近年，復(fù)合材料的界面逐漸成為研究的焦點.異種金屬復(fù)合時，界面的結(jié)合率、結(jié)合強(qiáng)度及界面脆性相、界面區(qū)的組織結(jié)構(gòu)等都對復(fù)合材料的力學(xué)性能有非常大的影響[8].然而，相對于傳統(tǒng)材料，關(guān)于異種金屬的復(fù)合機(jī)理等方面的研究還不十分明確[9].目前，主要的界面結(jié)合理論有機(jī)械嚙合理論、金屬鍵理論、薄膜理論、能量理論、位錯理論、擴(kuò)散理論和三階段理論等[10-11].王璞等[12]用拉拔法使銅/鋼雙金屬棒緊密接觸，通過擴(kuò)散復(fù)合實現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，隨擴(kuò)散時間的延長，結(jié)合強(qiáng)度先增加后趨于平緩.并且利用掃描和電子探針結(jié)果確定界面附近的氧化物為Fe2O3.侯林濤等[13]采用高溫真空熔鑄法制備45鋼/T2銅復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)界面處Cu、Fe金屬原子發(fā)生互擴(kuò)散現(xiàn)象，形成一個厚度約60 μm的過渡區(qū)，其顯微硬度介于T2銅和45鋼之間，組織是Fe-Cu的固溶體.拉伸試樣斷裂在銅端，并呈微孔聚合性斷裂.Lesuer[14]等研究了層狀金屬復(fù)合材料的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)材料的力學(xué)性能受層間分層的影響，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度能夠很好的被復(fù)合準(zhǔn)則[15]預(yù)測，而多數(shù)復(fù)合材料的延展性低于理論計算值.Lee[16]等研究了退火處理對不銹鋼/Al/Cu三層復(fù)合板的力學(xué)性能和界面性能的影響，指出在退火溫度400℃保溫3 h的情況下，銅-鋁界面生成由Al2Cu組成的厚度7 μm的過渡層，導(dǎo)致復(fù)合板的塑性降低.然而，關(guān)于冷軋銅/鋼/銅復(fù)合板退火后的界面元素擴(kuò)散及力學(xué)性能變化規(guī)律的研究并不明確，因此對其展開研究很有必要性.

1 試驗材料與方法

本文采用的冷軋銅/鋼/銅復(fù)合板是經(jīng)冷軋復(fù)合-擴(kuò)散退火-冷精軋等工藝流程制備而成，所用基層材料、覆層材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 如表1、表2所示，板材總厚度為0.35 mm（各層厚度比為1∶100∶1） .對試驗用板材進(jìn)行表面處理后進(jìn)行熱處理，熱處理采用管式爐并通高純氬氣保護(hù)，加熱速度為5℃/min，冷卻方式為隨爐冷卻.對板材進(jìn)行不同溫度熱處理后，分別保溫1～8 h，然后在板材寬展方向截取如圖1所示拉伸試樣.

表1 基層材料的化學(xué)成分%Tab.1 Chemical composition of base material

表2 覆層材料的化學(xué)成分%Tab.2 Chemical composition of coating material

圖1 銅/鋼/銅復(fù)合板拉伸試樣尺寸（mm）Fig.1 Specimen size details of copper clad plate

制備金相試樣并水磨拋光，使用腐蝕液對試樣進(jìn)行腐蝕.用Zeiss Axio光學(xué)顯微鏡（OM） 觀察銅/鋼/銅復(fù)合板的組織形貌，用電子探針（EPMA）對退火前后復(fù)合界面附近的元素分布進(jìn)行分析，并在AGS-X萬能試驗機(jī)進(jìn)行拉伸試驗.

2 結(jié)果與分析

2.1 銅/鋼/銅復(fù)合板的金相組織

圖2為銅/鋼/銅復(fù)合板冷軋態(tài)和熱處理后的金相組織.圖2 a）為冷軋態(tài)的銅/鋼/銅復(fù)合板組織，由圖可看出2種金屬結(jié)合緊密，結(jié)合界面呈波浪形，鋼側(cè)的組織主要是鐵素體.從圖2 b）～圖2 d）可見，熱處理溫度分別為700℃，750℃，800℃，保溫時間均為1 h時，金相組織沒有出現(xiàn)明顯的差別，鋼層仍為鐵素體，銅層為α單相組織，但是隨著熱處理溫度的升高，鐵素體晶粒明顯長大.

2.2 不同退火溫度下銅/鋼/銅復(fù)合板界面與力學(xué)性能分析

冷軋銅/鋼/銅復(fù)合板中銅與鋼的結(jié)合，在冷軋復(fù)合階段主要為機(jī)械嚙合，冷軋復(fù)合后通過擴(kuò)散退火，使界面處的銅原子與鐵原子相互擴(kuò)散，形成一定厚度的擴(kuò)散層從而使界面結(jié)合的更加牢固.而擴(kuò)散層的厚度主要由擴(kuò)散系數(shù)決定，式（1）為擴(kuò)散系數(shù)的表達(dá)式：

圖2 銅/鋼/銅復(fù)合板的金相組織Fig.2 Optical microstructures of the copper clad plate

式中：D0為擴(kuò)散常數(shù)；Q為擴(kuò)散激活能；R為氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度.其中D0為擴(kuò)散常數(shù)，一般認(rèn)為D0的大小與溫度無關(guān)，只與擴(kuò)散機(jī)制和材料相關(guān).R是氣體常數(shù)，大小為8.314 J/（mol·K）.可見，擴(kuò)散激活能Q和熱力學(xué)溫度T是影響擴(kuò)散系數(shù)的主要原因，且兩者均與擴(kuò)散系數(shù)D成指數(shù)關(guān)系.擴(kuò)散激活能與材料的合金構(gòu)成、原子間結(jié)合力、晶體形態(tài)和擴(kuò)散機(jī)制有關(guān)[17]，相對復(fù)雜.而擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高會逐漸增大.本實驗選取溫度這一要素為對象，研究退火溫度對擴(kuò)散層厚度的影響及退火態(tài)復(fù)合板的力學(xué)性能.

觀察復(fù)合板寬展方向的微觀形貌，并對復(fù)合板試樣沿厚度方向進(jìn)行元素線掃描分析，其中測量距離為24 μm，測量間距0.05 μm.圖3為不同退火溫度下銅/鋼/銅復(fù)合板結(jié)合界面處Cu原子和Fe原子的擴(kuò)散以及界面擴(kuò)散層厚度（退火溫度分別為600℃、650℃、700℃、750℃和800℃，保溫時間均為1 h）.從圖中可以看出，不同退火溫度下，經(jīng)過相同保溫時間時復(fù)合界面元素擴(kuò)散層的厚度有所不同，隨著退火溫度的升高，擴(kuò)散層的厚度隨之增加，從600℃到700℃擴(kuò)散層厚度逐漸增加，700℃以后擴(kuò)散層厚度增加緩慢并趨于穩(wěn)定，擴(kuò)散層厚度最大為2.3 μm.

圖4為不同退火溫度下復(fù)合板的拉伸性能.從圖中可見，保溫時間一定時，銅/鋼/銅復(fù)合板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨退火溫度的升高而減小，這是因為隨著退火溫度的升高，復(fù)合板中鋼側(cè)鐵素體組織晶粒也隨之長大，基體軟化，從而降低強(qiáng)度.

2.3 不同保溫時間銅/鋼/銅復(fù)合板界面與力學(xué)性能分析

圖5為不同保溫時間下銅/鋼/銅復(fù)合板結(jié)合界面擴(kuò)散層厚度變化情況（退火溫度為600℃，保溫時間為1～8 h）.從圖5中可知，退火溫度一定，隨著保溫時間的增加，擴(kuò)散層厚度也隨之增加.未經(jīng)熱處理的冷軋銅/鋼/銅復(fù)合板的擴(kuò)散層厚度為1.7 μm，此時銅原子和鐵原子擴(kuò)散程度不高.當(dāng)保溫時間為6 h時，擴(kuò)散層厚度增加到3.35 μm，銅、鐵原子的擴(kuò)散層厚度達(dá)到最大值.隨著保溫時間的繼續(xù)增加，擴(kuò)散層厚度出現(xiàn)陡然下降的現(xiàn)象.為了分析和解釋這種現(xiàn)象，特對保溫8 h試樣的復(fù)合板界面做EPMA面掃分析.

圖3 不同退火溫度下銅-鋼界面處元素電子探針線掃描結(jié)果Fig.3 EPMA profiles near the interface between the Cu and steel plates for samples annealed at different temperatures

圖4 不同退火溫度下復(fù)合板的拉伸性能Fig.4 Tensile properties of the clad plate annealing at different temperatures

圖5 600℃不同保溫時間元素擴(kuò)散層厚度變化曲線Fig.5 The diffusion layer thickness curve of different annealing time at 600℃

圖6為退火溫度600℃保溫時間8 h銅/鋼/銅復(fù)合板的面掃描結(jié)果.從圖中可見，界面附近發(fā)生了鐵原子和銅原子相互擴(kuò)散，但擴(kuò)散層厚度相對較小.氧元素在銅-鋼界面處大量聚集，生成氧化物，并伴有孔洞出現(xiàn).圖7是Fe-O系和Cu-O系氧化物標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能ΔGθ與溫度T的關(guān)系圖[18]，從圖中可知，在試驗溫度600℃時，氧化亞銅與鐵的氧化物的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能都為負(fù)值，在該試驗溫度下兩種狀態(tài)均可能存在.銅/鋼/銅復(fù)合板中，當(dāng)界面聚集氧元素時，首先會生成氧化亞銅和氧化亞鐵，但由于鐵的氧化物ΔGθ絕對值更大，其氧化物更穩(wěn)定，即鐵的還原奪氧能力比銅要強(qiáng)[19].因此，復(fù)合板固溶擴(kuò)散層中鐵原子會將擴(kuò)散層中的氧化亞銅還原，形成鐵的氧化物，進(jìn)而使擴(kuò)散層變薄.

圖8為退火溫度600℃時不同保溫時間的拉伸性能.從圖中可見，退火溫度一定時，復(fù)合板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨保溫時間的延長而下降.保溫2 h前，下降幅度較大，這是由于鋼中鐵素體組織發(fā)生了回復(fù)再結(jié)晶.保溫2 h到保溫6 h，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈平穩(wěn)變化，但在保溫8 h時出現(xiàn)小幅下降的現(xiàn)象.這是由于保溫8 h時，復(fù)合板界面處出現(xiàn)的氧化物和孔洞對力學(xué)性能造成影響.

圖6 退火溫度600℃保溫時間8 h銅/鋼/銅復(fù)合板的面掃描分析Fig.6 Map analysis of copper clad plate annealing at 600℃for 8 hours

圖7 Fe-O系和Cu-O系的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能與溫度關(guān)系圖[19]Fig.7 Relation diagram of Gibbs’function and temperatures for Fe-O and Cu-O binary systems[19]

圖8 退火溫度600℃時復(fù)合板不同保溫時間的拉伸性能Fig.8 Tensile properties of the clad plate of different annealing time at 600℃

3 結(jié)論

1）用冷軋法制備的銅/鋼/銅三層復(fù)合板，其顯微組織如下：鋼層主要為鐵素體，銅層為α單相組織.隨著退火溫度的升高，鐵素體晶粒會明顯長大.

2）復(fù)合板中主要合金元素在退火過程中發(fā)生原子擴(kuò)散，基層中的Fe元素向覆層擴(kuò)散，而覆層中的Cu元素向基層擴(kuò)散.隨著退火溫度的升高和保溫時間的增加，擴(kuò)散層厚度都增加.保溫時間對元素的擴(kuò)散的影響更為明顯，但是保溫時間過長復(fù)合界面會聚集大量氧元素，從而生成氧化物，會對復(fù)合板的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響.

3）復(fù)合板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著退火溫度的升高而降低.在一定退火溫度時，隨著保溫時間增加，強(qiáng)度先會降低，但是隨著時間繼續(xù)延長，強(qiáng)度不會明顯發(fā)生變化.

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[責(zé)任編輯 田 豐]

The effect of annealing treatment on microstructure and mechanical properties of copper clad plate fabricated by cold rolling

WEI Jianyun1，2，3，YANG Mingxu2，3，YIN Fuxing1，2，3，LIU Baoxi2，3，F(xiàn)ANG Wei2，3
（1.School of Materials Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.Research Institute for Equipment Materials,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;3.Tianjin Key Laboratory of Materials Laminating Fabrication and Interface Control Technology,Tianjin 300130,China）

The copper clad plate was successfully fabricated by cold rolling,and the interfacial microstructures and alloy elements diffusion were observed with OM and EPMA.The effects of annealing treatment on microstructure and mechanical properties of copper clad plate were investigated in detail.The test results have shown that mutual diffusion of alloy elements is presented at the clad,forming the Fe-Cu solid solution diffusion layer.The diffusion layer has become thicker when increasing the diffusion temperature and annealing time.The ferritegrain size of steel layer is increased,while the tensile strength and yield strength are decreased while increasing the annealing temperature.The changes of strength are not obvious with the increasing holding time annealed at 600℃.

copper clad plate;annealing treatment;element diffusion;diffusion layer thickness;tensile strength

TG146

A

1007-2373（2017）01-0071-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.01.012

2016-12-05

河北省科技計劃項目（130000048）；河北省青年基金（E201620218）；河北省教育廳青年基金（QN2016029）

魏劍云（1988-），男，碩士研究生.

：楊明緒（1981-），男，助理研究員，博士，mingxu_yang@hotmail.com.