張晶輝，劉興海，羅　輝，王紅霞

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

摘要：試驗采用兩道次熱軋法制備鋼/銅/鋁復合板，研究了軋制溫度、保溫時間和壓下量對板材力學性能的影響規(guī)律。結果表明，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合，使性能下降。鋼/銅/鋁板的變形結合性能隨壓下量的增大先逐漸增大后減小，當壓下量為85%時，結合強度近50 MPa，彎曲循環(huán)性能最佳，達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合緊密，有利于提高變形結合性能。

關鍵詞：鋼/銅/鋁復合板；兩道次熱軋；變形結合性能；微觀形貌；中間化合物

鋼/鋁復合材料因同時具有鋼的高強度、良好塑性和鋁的耐腐蝕、高導電、高導熱及低密度等優(yōu)良性能，得到越來越廣泛的應用[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，嚴重削弱鋼/鋁界面的結合強度[5]，這也是造成復合板斷裂的主要因素。因此，如何抑制脆性中間化合物的產生成為解決復合板結合性問題的關鍵，同時，確定合理的制備工藝，進行界面控制，以達到穩(wěn)定界面，結合成為該類復合材料制備及應用的難點。宋群玲等人通過在鋼/鋁復合界面添加Si、Zn、Ni和Mn等微量元素來提高鋼/鋁復合板的結合強度發(fā)現(xiàn)，Si和Zn等元素的添加能夠比較有效地阻礙Fe-Al中間化合物的產生，改善界面結合性能，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，甚至更促進了化合物的生成[6]。Cu的導電導熱性、塑性和延展性好，而且與Si和Ni相比價格低廉，經(jīng)濟實用。本文通過添加薄銅板到鋼/鋁板中間并進行熱軋試驗，以期阻礙Fe-Al脆性化合物的產生，研究不同軋制工藝條件下鋼/銅/鋁板的結合變形性能，從而改善鋼/鋁板的高溫力學性能。

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鋁合金的化學成分見表1。主要試驗用設備有掃描電子顯微鏡 (MIRA3-SEM)、BKDφ130實驗軋機、DK7735錐度電火花數(shù)控切割機床、CMT5205電子萬能試驗機、熱電偶加熱裝置和箱式電阻爐。

表15052鋁合金和Q235鋼的化學成分(質量分數(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%進行一道次軋制，使鋼/鋁板實現(xiàn)簡單的機械結合，隨后在550 ℃保溫15 min，壓下量分別為30%、40%、50%、60%、70%、80%、85%和90%進行二道次軋制，軋后通過90°彎曲試驗檢測板材的結合情況，得出最佳的壓下量為85%；然后，將銅/鋁板進行熱制軋到約為0.4 mm，實現(xiàn)在最佳的壓下量下促進銅原子在鋁中的擴散，形成結合性較好的銅/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高強度膠將切割件粘接在一起，并采用四點彎曲法測定其結合強度，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是最大正應力，是結合強度的表征；F是加載力；L是圓棒的長度；d是圓片的直徑；I是模型的轉動慣量；Y是模型的撓度。

經(jīng)過計算，結合強度的最終表達式為：

(4)

2試驗結果及分析

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合性的優(yōu)劣，試驗結果如圖3所示。

圖3　兩道次熱軋制鋼/銅/鋁板90°彎曲循環(huán)試驗結果

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

2.2結合性能的測定

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合強度進行測定，測試結果如圖4所示。

圖4　鋼/鋁板和鋼/銅/鋁板第二道次軋制后結合強度測試結果

從圖4可以看出，鋼/銅/鋁板和鋼/鋁板的結合強度隨著壓下量的增加而逐漸增大，當壓下量為85%時，2種板材的結合強度均達最大，且鋼/銅/鋁板的結合強度明顯要高于鋼/鋁板，鋼/銅/鋁板接近50 MPa，而鋼/鋁板約為30 MPa，當壓下量>85%時，2種板材結合強度陡然下降；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；當壓下量超過臨界值時，鋼/鋁板間由于擴散的作用產生大量的脆性中間相，阻礙了板材基體間的結合，同時它們與基體板材結合性較差，造成結合強度下降。鋼/銅/鋁板結合強度下降的原因可能是過大的壓下量使Al-Cu化合物擴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/鋁板界面進行微觀分析(見圖5)，并對鋼/銅/鋁板界面不同層(見圖5b)進行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，與基體結合也存在裂隙。主要原因是當溫度>500 ℃時，鋼/鋁板間的晶粒由于擴散作用會結合生長，在界面上產生大量脆性的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生裂紋。鋼/銅/鋁板界面結合情況要比鋼/鋁板好，中間層連續(xù)而平整的，大致分3層，與基體結合緊密，無開裂，這主要與中間層組織有關。鋼/銅/鋁板界面層組織各點對應的EDS分析圖譜如圖6所示。

圖6　圖5b中各點的EDS結果

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5052一側的為Al2Cu，靠近Q235一側的為Cu。形成上述擴散層的主要原因是低熔點的金屬(鋁)在熱軋后先發(fā)生再結晶，然后形成大量晶界，這些晶界也是銅原子擴散的主要通道，使得銅原子向鋁基體中的擴散速度大于銅原子向鐵中的擴散速度，導致形成連續(xù)的Cu-Al化合物層。由于鐵的熔點較高，在鐵基體一側沒有形成銅原子擴散的通道，使得銅原子在鐵基體中的擴散速度極小，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)調變形，因此在同樣的制備條件下，鋼/銅/鋁板界面結合性要比鋼/鋁板好。高溫長時間和低溫短時間都不利于板材結合，影響結合變形性能。如圖5b所示，高溫長時間使Cu-Al中間擴散層變厚(近60 μm)，影響板材結合性；如圖5d所示，低溫短時間原子間擴散不充足，甚至造成擴散層與基體存在裂隙，嚴重影響結合變形性能。

3結語

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

1)鋼/銅/鋁復合板的結合變形性隨著壓下量的增加逐漸增大，當壓下量為85%時達到最大，當壓下量>85%時，陡然下降。鋼/銅/鋁復合板的結合性能與鋼/鋁板相比有明顯改善，鋼/鋁板的結合強度僅為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/鋁復合板在550 ℃熱壓時，界面上產生中間擴散層，主要分3層，組織分別是Al2Cu、Al4Cu9和Cu，它們與基體緊密結合，提高了板材的結合變形性能。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散結合，使結合變形性能下降。

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)濟實用，在未來板材高溫使用領域有較好的研究與應用價值。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)象可以進一步深入研究，如采用EBSD分析技術，借助TEM觀察等方法都可獲得良好的結果。

參考文獻

[1] 譚樹松．有色金屬學[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合及性能研究[D].長沙：中南大學，2000.

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

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

[5] 史良權．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/鋁復合板性能影響的研究[J].昆明冶金高等專科學校學報，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].重慶大學學報：自然科學版，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].四川大學學報：工程科學版，2008，40(4):1-5.

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

山西省高等學?？萍紕?chuàng)新資助項目(2013108)

責任編輯鄭練

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，主要從事機械工程等方面的研究。

中圖分類號：TG 335.5

文獻標志碼：A