澆鑄溫度對于Cu/Al復(fù)合板界面的影響

盧 山,周 晨,許光明,李 勇

(1.東北大學(xué) 材料電磁過程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110819;2.東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110819)

Cu/Al復(fù)合材料因其具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性、屏蔽性,以及質(zhì)量輕、價(jià)格低廉等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電力傳輸、新能源、電工電子、機(jī)械制造等領(lǐng)域[1,2]。由于電子運(yùn)動(dòng)存在“趨膚效應(yīng)”[3],因此,采用純銅導(dǎo)線會(huì)大大浪費(fèi)我國的銅資源。在我國銅資源不如鋁資源豐富,針對銅資源相對短缺,價(jià)格昂貴,生產(chǎn)成本高[4]等劣勢,采用“以鋁代銅”的方法,既可節(jié)約成本,保護(hù)稀缺資源,又可減輕重量,節(jié)能減排[5]?；谶@種情況,國家在“863計(jì)劃”中也明確指出新材料技術(shù)領(lǐng)域中銅復(fù)合材料的研究尤為重要,如何開發(fā)高性能的銅復(fù)合導(dǎo)體及其短流程制備工藝技術(shù),是解決我國銅資源短缺的重要部分。并且這種方式也是符合當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展需求,具有較為廣闊的發(fā)展前景[6]。

雙輥鑄軋[7]是指將液態(tài)金屬通過導(dǎo)流嘴進(jìn)入軋機(jī)并通過軋輥冷卻系統(tǒng)冷卻、直接軋制成金屬板材的一種工藝。該工藝一次成型,可節(jié)約大量能源,符合節(jié)能減排的時(shí)代發(fā)展要求。單液鑄軋法[8]是指將液態(tài)金屬通過導(dǎo)流嘴與固相金屬在軋機(jī)上實(shí)現(xiàn)復(fù)合的方法。相比軋制復(fù)合法,單液鑄軋法是將鑄造和軋制的優(yōu)點(diǎn)融合在一起,既在高壓下可使得固態(tài)皮材表面氧化膜破裂又在高溫下促進(jìn)原子之間相互運(yùn)動(dòng)[9]。不但省去退火、打磨等前期準(zhǔn)備工作,而且復(fù)合界面強(qiáng)度較高。該方法制備的Cu/Al連接件不僅降低了生產(chǎn)成本、減輕構(gòu)件質(zhì)量,而且能變異種金屬的焊接為同種金屬的焊接[10],是最有希望成為工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)復(fù)合材料的工藝之一[11]。但目前對于鑄軋參數(shù)的控制仍然是制備性能優(yōu)良的Cu/Al復(fù)合板的一大難題[12]。因此,本文采用雙輥鑄軋方式制備Cu/Al復(fù)合板材,探究澆鑄溫度對于鑄軋生產(chǎn)的復(fù)合板材界面組織及剝離強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方案

本實(shí)驗(yàn)采用水平雙輥鑄軋機(jī)(雙輥Φ=500mm×500mm、材質(zhì)為60CrMnMo合金鋼、輥套厚度為50mm),冷卻系統(tǒng)為輥內(nèi)循環(huán)水冷,輥縫高度為5mm。銅帶為工業(yè)純銅厚度0.4mm,寬度200mm在軋機(jī)上方導(dǎo)向輥上,連接導(dǎo)流嘴與前箱。將鋁錠(Al99.7)放入工業(yè)電阻爐中,爐內(nèi)溫度分別設(shè)置為680℃、700℃、720℃、750℃,待達(dá)到規(guī)定溫度后進(jìn)行澆鑄。澆鑄過程中要保證鋁液高度與限位孔平齊,高度為7.5cm,確保鑄軋區(qū)的熔體壓力處于相對高壓的狀態(tài),使鋁液流動(dòng)更充分,不易造成導(dǎo)流嘴內(nèi)部未充滿使得流進(jìn)鑄軋區(qū)各點(diǎn)流速不同,從而導(dǎo)致銅帶各處與鋁液接觸時(shí)間不一致的現(xiàn)象[13]。銅帶需等到液面高度平穩(wěn)后再緊貼上輥進(jìn)入鑄軋區(qū),軋輥速度等于鑄軋速度為1.15m/min。鑄軋流程圖如圖1所示,最終制成板厚為5mm～5.3mm的Cu/Al復(fù)合板材。

圖1 鑄軋Cu/Al復(fù)合板的流程圖

Cu/Al復(fù)合鑄軋區(qū)一共分為三個(gè)區(qū)域[14],如圖2所示。不同的鑄軋參數(shù)對于這三個(gè)區(qū)域的面積大小及形狀有很大影響,從而影響鑄軋后Cu/Al復(fù)合板的質(zhì)量及界面形貌[15]。因此,如何去把握銅帶在這三個(gè)區(qū)域中的時(shí)間決定了復(fù)合板坯的成品質(zhì)量。其中液態(tài)區(qū)域是鋁液與銅帶的接觸區(qū),該區(qū)域由于鋁液的溫度較高,銅板的溫度較低且具有很強(qiáng)的導(dǎo)熱和吸熱能力,這時(shí)在銅板表面的鋁原子會(huì)獲得一個(gè)很大的過冷度,使得鋁原子在銅板表面迅速形核長大。與此同時(shí),鋁液不斷提供溫度會(huì)使得表面生成的鋁薄膜熔化,最終在界面處形成熔合結(jié)合[16]。處于半固-固接觸區(qū)時(shí)鋁處于半固態(tài),該區(qū)域內(nèi)在壓力及高溫的作用下,銅鋁兩側(cè)先生成過飽和固溶體,當(dāng)兩側(cè)異種原子濃度過高時(shí),就會(huì)形成金屬間化合物[17]。固-固接觸區(qū),復(fù)合板在巨大的壓力作用下產(chǎn)生變形,界面化合物被拉斷,但在溫度及高壓下新鮮金屬之間相互接觸,在機(jī)械咬合及擴(kuò)散結(jié)合的作用下形成了薄而連續(xù)的化合物層[18]。

圖2 Cu/Al復(fù)合鑄軋區(qū)示意圖

金相試樣經(jīng)過砂紙打磨、粗拋、精拋后浸泡在酒精,中采用超聲波清洗去除金相表面的拋光試劑。結(jié)合TESCAN MIRA4場發(fā)射掃描電子顯微鏡對于界面微觀形貌進(jìn)行分析。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 1876-08抗剝離性能實(shí)驗(yàn)方法,制備剝離試樣尺寸為100mm×10mm,實(shí)驗(yàn)采用T字型剝離實(shí)驗(yàn),沿軋制方向進(jìn)行剝離。剝離實(shí)驗(yàn)如圖3所示。用線切割機(jī)沿銅帶與鋁板界面附近略靠近鋁板處開剝離口,為了方便夾持一般開30mm～35mm。剝離后采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對剝離表面形貌及表面特征相進(jìn)行EDS分析。

圖3 剝離實(shí)驗(yàn)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 板面成型質(zhì)量

不同澆鑄溫度下制備的Cu/Al復(fù)合板坯如圖4所示。澆鑄溫度在680℃下畫紅線的位置處銅板表面開裂嚴(yán)重(圖4(a)),其主要原因是澆鑄溫度低使得固-液階段時(shí)間短,固-固階段時(shí)間長,導(dǎo)致銅帶側(cè)變形程度過大,使得銅帶表面產(chǎn)生開裂。這說明在本文的常定參數(shù)下,該溫度無法生產(chǎn)出可使用的復(fù)合板材,因此,在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中將不再對其性能進(jìn)行測量。如圖4(b)所示,澆鑄溫度為700℃時(shí),銅帶表面沾有部分在鑄軋過程殘留在軋輥上的鋁。說明該溫度下軋機(jī)對于Al/Cu復(fù)合時(shí)有很大的壓力作用,固-半固態(tài)階段接觸時(shí)間較長,固-固接觸時(shí)間適中,銅帶變形量較大,但未產(chǎn)生開裂。在較大的壓力下能夠保證良好的復(fù)合效果[19]。如圖4(c)所示,澆鑄溫度720℃下依然可以制備出板型優(yōu)良的板坯,但銅帶產(chǎn)生的變形量減小,說明該溫度下,固-固接觸時(shí)間比700℃時(shí)要短。如圖4(d)所示,當(dāng)澆鑄溫度為750℃時(shí),畫藍(lán)線的位置已經(jīng)產(chǎn)生少量漏液現(xiàn)象,說明該溫度下,鑄軋速度與澆鑄溫度不匹配,產(chǎn)生漏液[20]。并且銅帶基本上沒有產(chǎn)生變形,說明該溫度下固-液接觸階段及固-半固態(tài)階段時(shí)間較長,固-固接觸階段過短。

(a)澆鑄溫度680℃;(b)澆鑄溫度700℃;(c)澆鑄溫度720℃;(d)澆鑄溫度750℃

2.2 復(fù)合界面形貌及擴(kuò)散層厚度

不同澆鑄溫度下Cu/Al復(fù)合板界面的SEM圖片如圖5所示?？梢钥吹?在鑄軋過程中雖然銅鋁接觸時(shí)間短,但在高溫及高壓,以及銅鋁之間容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的影響下,在銅鋁界面處產(chǎn)生了金屬間化合物,并且化合物厚度相對平直、均勻且連續(xù)。證明復(fù)合效果良好,使其銅鋁之間達(dá)到冶金結(jié)合。根據(jù)Mao等人[21]的研究,確定了界面化合物的種類,靠近鋁側(cè)為Al2Cu相,靠近銅側(cè)為Cu9Al4相?；衔锏暮穸入S著澆鑄溫度的升高而依次遞增,從澆鑄溫度700℃的0.3μm到澆鑄溫度750℃的0.7μm。這說明隨著澆鑄溫度的增加,使得界面處能量增加,因此,更容易達(dá)到生成化合物的自由能。不同澆鑄溫度下EDS線掃結(jié)果如圖5(d)(e)(f)所示,掃描位置為SEM圖中藍(lán)線所示。擴(kuò)散層厚度也是隨著澆鑄溫度的增加而增加。因?yàn)榛衔锩繉拥暮穸容^薄,所以在界面處襯度上沒有產(chǎn)生明顯區(qū)別,依然成連續(xù)變化。從圖5可以看出,界面處擴(kuò)散層仍然是以固溶體的形式為主。根據(jù)Chen等人[22]的研究,鑄軋階段擴(kuò)散層的厚度是根據(jù)固-液及固-半固態(tài)階段的時(shí)間所決定的。因此,隨著澆鑄溫度的提高,銅帶與鋁液接觸時(shí)間也逐漸增加,這也證實(shí)了上述板型產(chǎn)生的原因。澆鑄溫度700℃擴(kuò)散層與720℃下擴(kuò)散層厚度相差較小,主要是因?yàn)?00℃下銅帶變形量比720℃下大10%左右。說明700℃下固-固階段時(shí)間長,使得金屬形變后產(chǎn)生的能量促進(jìn)了擴(kuò)散層的長大。

(a)(d) 澆鑄溫度700℃;(b)(e) 澆鑄溫度720℃;(c)(f) 澆注溫度750℃

2.3 界面結(jié)合強(qiáng)度的測定

不同澆鑄溫度下所制備的Cu/Al復(fù)合板材的剝離曲線圖如圖6所示,在保證剝離力平穩(wěn)后,開始計(jì)算其平均剝離強(qiáng)度的大小(如圖中虛線所示)。在澆鑄溫度為700℃時(shí)平均剝離強(qiáng)度最大,達(dá)到了36.5N/mm。澆鑄溫度720℃時(shí)的平均剝離強(qiáng)度為31.5N/mm,相比于在澆鑄溫度為700℃時(shí)下降了13.7%。當(dāng)澆鑄溫度750℃時(shí)平均剝離強(qiáng)度為27N/mm,相對于最高的36.5N/mm下降了26%。通過剝離曲線可以看出,擴(kuò)散層較薄且變形量相對較大的剝離曲線更趨近于平緩,說明界面結(jié)合穩(wěn)定性更好。相比于澆注溫度在750℃時(shí),銅帶基本不產(chǎn)生變形且擴(kuò)散層較厚,使得界面剝離曲線變化幅度較大且剝離強(qiáng)度相對較低。因此,采用鑄軋方式制備Cu/Al復(fù)合板時(shí),既要保證有高溫?cái)U(kuò)散還要保證在高壓下使二者產(chǎn)生適量變形,從而保證界面結(jié)合強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

澆鑄溫度700℃微觀形貌及EDS面掃元素分布如圖7所示。從圖7(a)中的EDS面掃可以看出,在銅帶表面覆蓋一層鋁元素,說明銅帶表面浸潤性良好。圖7(b)中在鋁的表面也存在許多銅元素,說明鋁銅相互擴(kuò)散性好。結(jié)合微觀形貌圖7(a)(b)不難看出,在相對宏觀處1、2、3界面結(jié)合力很大,將大塊鋁粘附在了銅帶表面,在鋁側(cè)形成了一個(gè)較大的撕裂脊。將圖7(a)(b)中2個(gè)紅色框進(jìn)行放大,得到圖7(c)(d)。從圖7(c)中可以看出,鋁表面是突起的山脊?fàn)钋抑虚g存在金屬間化合物,其成分通過EDS點(diǎn)掃進(jìn)行測試,結(jié)果見表1。通過能譜分析可以看出,山脊處(2點(diǎn))為鋁的固溶體,1點(diǎn)處為金屬間化合物。產(chǎn)生該形貌的原因是由于銅鋁實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合后,當(dāng)界面受到拉應(yīng)力時(shí),銅鋁之間結(jié)合力較大,當(dāng)兩者的結(jié)合強(qiáng)度大于鋁本身的抗拉強(qiáng)度時(shí),鋁基體產(chǎn)生變形,形成了亮白色的撕裂脊。金屬間化合物是由于其強(qiáng)度高但是脆性較大,因此在剝離后,表面呈現(xiàn)出平滑狀,鑲嵌山脊之間。圖7(d)表面形貌呈現(xiàn)出在銅的表面沾有大量鋁產(chǎn)生的山脊,并且對于大塊鋁進(jìn)行成分分析,如點(diǎn)5、點(diǎn)6確定其成分為純鋁;對山脊間的成分進(jìn)行了分析如點(diǎn)4,結(jié)果表明在山脊間依然是銅鋁金屬間化合物。通過圖片可以看出,化合物斷裂一般發(fā)生在靠近銅側(cè),這也證明面掃鋁側(cè)那些銅的元素大多是銅鋁形成的金屬間化合物。

表1 圖7(c)(d)中對應(yīng)點(diǎn)的EDS掃描能譜結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

圖7 澆鑄溫度700℃的剝離界面形貌

3 結(jié)論

(1)適當(dāng)?shù)臐茶T溫度制備出板型優(yōu)良的Cu/Al復(fù)合板材。在其他參數(shù)確定時(shí),當(dāng)澆鑄溫度為700℃、720℃時(shí)工藝穩(wěn)定性好,不易產(chǎn)生偏帶、表面軋裂、漏液等現(xiàn)象。

(2)澆鑄溫度對于微觀復(fù)合界面的影響。該工藝下制備的Cu/Al復(fù)合板材界面化合物層較薄、平直且連續(xù)。界面擴(kuò)散層隨著澆鑄溫度的升高而逐漸增加,軋制變形也可促進(jìn)原子的擴(kuò)散。

(3)澆鑄溫度對于結(jié)合強(qiáng)度的影響。當(dāng)澆鑄溫度為700℃、720℃、750℃時(shí),平均剝離強(qiáng)度依次為36.5N/mm、31.5N/mm、27N/mm。

(4)在澆鑄溫度為700℃時(shí),銅帶表面的浸潤性好,鋁銅相互擴(kuò)散更充分,易于實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。表面產(chǎn)生大量鋁的撕裂脊,說明界面結(jié)合強(qiáng)度高。