澆鑄法制備銅鋁復(fù)合材料及其性能研究

王征1, 劉平1,2, 劉新寬2

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海200093;

2.上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海200093)

摘要：采用澆鑄法制備銅鋁復(fù)合材料,并對(duì)銅鋁復(fù)合材料的組織、導(dǎo)電性以及結(jié)合性能進(jìn)行了研究.采用掃描電子顯微鏡和偏光顯微鏡觀察雙金屬結(jié)合界面微觀組織形貌,用能譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析,用X射線衍射儀進(jìn)行物相分析.結(jié)果表明:隨著鋁液澆鑄溫度的升高,銅鋁復(fù)合材料結(jié)合強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢;復(fù)合材料導(dǎo)電性則出現(xiàn)先緩慢下降再急劇下降的趨勢.在澆鑄溫度為720 ℃時(shí),銅鋁復(fù)合材料組織分布均勻,結(jié)合強(qiáng)度較好,導(dǎo)電性下降較緩慢.

關(guān)鍵詞：銅鋁復(fù)合材料; 澆鑄; 導(dǎo)電性能; 結(jié)合強(qiáng)度

作者簡介：王征(1988—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)殂~與鋁復(fù)合材料.E-mail:wangzheng1138@sina.com

通訊作者：劉平,教授,E-mail:liuping@usst.edu.cn

中圖分類號(hào)：TB 331文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Research of Casted Cu-Al Composite Materials on PerformanceWANG Zheng1, LIU Ping1,2, LIU Xinkuan2

(1.School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,

Shanghai 200093, China; 2.School of Materials Science and Engineering, University of

Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Abstract：The effects of casting temperature were studied on the microstructure,conductivity and bonding of the Cu/Al composite made by casting.The microstructure and morphology of the Cu/Al composite were observed by scanning electron microscope and polarizing microscope,the chemical composition was analyzed by energy dispersive spectrometer,and the phases were determined by X-ray diffraction.The results show that,with the increase of casting temperature,the bonding of Cu/Al composite increased at first and later decreased,and the conductivity of the Cu/Al composite decreased.At 720 ℃ all kinds of phases distributed uniformly,with the highest bonding and the least decline in conductivity.

Keywords：Cu-Al composite; casting; conductivity; bonding

0　引　言

銅鋁復(fù)合材料由于同時(shí)具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕及質(zhì)量輕等綜合特性,逐步實(shí)現(xiàn)以鋁代銅的目的.它可以廣泛用于航空、航天、汽車、機(jī)械和電子等行業(yè),具有廣闊的市場前景和開發(fā)潛能[1-2].當(dāng)前銅鋁復(fù)合材料主要的生產(chǎn)方法有軋制、焊接和擠壓等,而且研究均較為成熟[3-5].但采用傳統(tǒng)澆鑄法制備銅鋁復(fù)合材料的研究較少,對(duì)在該工藝下制備的銅鋁復(fù)合材料的性能研究更少.因而利用澆鑄法制備銅鋁復(fù)合材料對(duì)于豐富銅鋁復(fù)合材料的研究具有一定的意義.

由于在銅鋁復(fù)合材料界面上會(huì)生成某些金屬間化合物組織[6-7],這類化合物硬度高、脆性大,銅鋁復(fù)合材料的性能將受到嚴(yán)重的影響[8-10].鋁液澆鑄溫度對(duì)界面組織的形成影響顯著[11-12],因此,本文采用澆鑄法對(duì)銅進(jìn)行鍍鋁試驗(yàn),重點(diǎn)研究澆鑄溫度對(duì)界面組織、復(fù)合材料導(dǎo)電性以及結(jié)合強(qiáng)度的影響.

1　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.99%的無氧銅,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.7%的工業(yè)純鋁以及6063鋁合金.銅基體尺寸為30 mm×20 mm×10 mm.澆鑄工藝流程:機(jī)械打磨→水洗→丙酮超聲波清洗→水洗→酸洗→水洗→助鍍處理→快速吹干→烘干保溫→預(yù)熱處理→鋁液澆鑄.

為了研究澆鑄溫度對(duì)界面組織、導(dǎo)電性能及結(jié)合強(qiáng)度的影響,銅鋁復(fù)合材料界面反應(yīng)產(chǎn)物采用D8-ADVANCE型X射線衍射儀(XRD)分析,界面形貌采用Quanta FEG 450型場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(FESEM)和XPL-15型偏光顯微鏡(PM)觀察,界面成分采用能譜儀(EDS)分析.分別采用ZY9987數(shù)字微歐計(jì)和ZWICK-Z025電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)測量試驗(yàn)材料的電阻率和結(jié)合強(qiáng)度.

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1銅/純鋁復(fù)合材料研究

2.1.1導(dǎo)電性和強(qiáng)度

圖1為銅鋁復(fù)合材料電阻率與澆鑄溫度的變化曲線.從圖中可以看出,銅鋁復(fù)合材料的電阻率隨著澆鑄溫度的升高而顯著增大.主要是由于銅鋁化合物引起點(diǎn)陣靜畸變和熱振動(dòng)點(diǎn)陣畸變對(duì)電子造成散射,從而導(dǎo)致電阻增大;并且金屬間化合物CuAl2的導(dǎo)電率僅為銅的20%左右[13],它的存在進(jìn)一步降低了銅鋁復(fù)合材料的導(dǎo)電性.

圖1　澆鑄溫度對(duì)復(fù)合材料電阻率的影響

圖2為銅鋁復(fù)合材料剪切強(qiáng)度隨澆鑄溫度變化的曲線.從圖中可以看出,剪切強(qiáng)度隨著澆鑄溫度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢.試驗(yàn)結(jié)果表明,澆鑄溫度過高與過低對(duì)銅鋁復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度都是不利的.澆鑄溫度低,銅的擴(kuò)散不充分,過渡層與鋁層較為平直,沒有形成良好的冶金結(jié)合,界面結(jié)合力稍小,強(qiáng)度稍低.而過高的澆鑄溫度造成脆硬性的CuAl2相晶粒粗大,甚至出現(xiàn)樹枝晶,對(duì)性能同樣不利.由于Cu與Al的線膨脹系數(shù)相差很大,因此在冷卻時(shí)銅鋁復(fù)合材料界面附近也會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力,容易產(chǎn)生微裂紋而使銅鋁復(fù)合材料結(jié)合強(qiáng)度降低.此外,在澆鑄過程中,鋁液中的雜質(zhì),也會(huì)影響銅鋁復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度.當(dāng)澆鑄溫度為720 ℃,銅鋁復(fù)合材料界面處的金屬間化合物晶粒比較小,而且分布均勻,相比溫度升高獲得的粗大晶粒而言更有彌散強(qiáng)化優(yōu)勢,并有利于應(yīng)力的緩解釋放,此時(shí)結(jié)合強(qiáng)度最高,剪切強(qiáng)度為40 MPa.

圖2　澆鑄溫度對(duì)復(fù)合材料剪切強(qiáng)度的影響

2.1.2界面形貌及元素分布

圖3為銅鋁復(fù)合材料界面的組織結(jié)構(gòu).從圖中可以看出,鋁層通過中間過渡層與銅基體緊密結(jié)合,銅鋁復(fù)合材料分為4個(gè)區(qū)域,右側(cè)H區(qū)為鋁,左側(cè)E區(qū)為銅,中間F區(qū)和G區(qū)是銅鋁過渡層.

圖3　Cu/Al界面顯微組織

為了分析界面結(jié)構(gòu),對(duì)銅鋁復(fù)合材料界面元素進(jìn)行了成分分析,如圖3所示.對(duì)E、F、G、H區(qū)的EDS分析結(jié)果見表1.

表1　圖3中各微區(qū)成分EDS分析結(jié)果

圖4為銅鋁界面元素線掃描圖.從圖中可以看到,銅元素含量從右至左緩慢降低,說明銅在整個(gè)界面分布比較均勻;鋁元素從右至左呈階梯式降低,并在過渡層兩側(cè)急劇下降.

2.1.3界面物相分析

為了確定銅澆鑄鋁過程的產(chǎn)物,對(duì)銅鋁復(fù)合材料界面進(jìn)行了XRD分析,見圖5.分析結(jié)果表明,復(fù)合材料界面存在Cu、Al、CuAl、CuAl2和Cu9Al4,這與能譜分析結(jié)果一致.

由表1 EDS分析結(jié)果和圖4線掃描分析結(jié)果可知,在澆鑄鋁過程中,由于銅原子與鋁原子在界面兩側(cè)濃度的差異,使得其界面兩側(cè)存在較大的濃度梯度,銅原子向鋁液中擴(kuò)散,鋁液中的鋁原子向銅基體中擴(kuò)散,而由于擴(kuò)散速率的不同,在銅側(cè)出現(xiàn)了圖3中富銅過渡層的F區(qū),在鋁側(cè)出現(xiàn)了富鋁過渡層G區(qū).結(jié)合Cu-Al二元合金相圖[14]和表1中F、G區(qū)域的銅、鋁元素的含量,說明在界面同時(shí)存在著銅基固溶體、鋁基固溶體以及銅鋁化合物.結(jié)合表1中F、G區(qū)域的銅原子和鋁原子的百分比,此相主要為CuAl、CuAl2,以及銅基固溶體和鋁基固溶體.

圖4　Cu/Al界面元素線掃描

圖5　復(fù)合材料界面XRD圖譜

2.2Cu/6063鋁合金復(fù)合材料形貌

圖6為Cu/6063鋁合金復(fù)合材料顯微組織的光學(xué)照片.從圖6可知Cu和6063鋁合金也能夠形成良好的界面結(jié)合,并且經(jīng)過測試其最高結(jié)合強(qiáng)度同樣達(dá)到40 MPa,滿足性能的要求.

圖6　Cu/6063鋁合金復(fù)合材料光學(xué)顯微組織

3　分析與討論

圖1中銅鋁復(fù)合材料的電阻率試驗(yàn)結(jié)果表明,銅鋁復(fù)合材料電阻率隨著熱浸鍍溫度的升高顯著增大.主要是由于Cu-Al化合物的存在引起點(diǎn)陣靜畸變和熱振動(dòng)點(diǎn)陣畸變對(duì)電子造成散射,從而導(dǎo)致電阻增大,并且金屬化合物CuAl2的導(dǎo)電率僅為Cu的20%左右,它的存在進(jìn)一步增大電阻,降低了銅鋁復(fù)合材料的導(dǎo)電性.

圖2中銅鋁復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明,熱浸鍍溫度過高與過低對(duì)銅鋁復(fù)合材料結(jié)合強(qiáng)度都是不利的.由以上分析可知,銅鋁復(fù)合材料的界面組織結(jié)構(gòu)為Cu/Cu-Al化合物,銅基固溶體/Al-CuAl2共晶組織,Cu-Al化合物和鋁基固溶體/Al.熱浸鍍溫度低,Cu的擴(kuò)散不充分,過渡層與鋁層較為平直,沒有形成良好的冶金結(jié)合,一般只是機(jī)械結(jié)合,界面結(jié)合力稍小,強(qiáng)度稍低.而過高的熱浸鍍溫度造成脆硬性的CuAl2相晶粒粗大,甚至出現(xiàn)樹枝晶,對(duì)性能同樣不利.由于Cu與Al的線膨脹系數(shù)相差很大,因此在冷卻時(shí)銅鋁復(fù)合材料界面附近也會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力,很容易產(chǎn)生微裂紋而使銅鋁復(fù)合材料結(jié)合強(qiáng)度降低.此外,在熱浸鍍鋁過程時(shí),鋁液中的雜質(zhì),也會(huì)影響銅鋁復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度.當(dāng)熱浸鍍溫度為720 ℃,銅鋁復(fù)合材料界面的金屬化合物晶粒比較小而且分布均勻,相比溫度升高獲得的粗大晶粒而言更有彌散強(qiáng)化優(yōu)勢,并有利于應(yīng)力的緩解釋放,此時(shí)結(jié)合強(qiáng)度最高.

4　結(jié)　論

(1) 采用澆鑄法制備了銅鋁復(fù)合材料,以及銅鋁合金復(fù)合材料,復(fù)合材料界面結(jié)合良好,結(jié)合強(qiáng)度均超過40 MPa.

(2) 隨著澆鑄溫度的升高,銅鋁復(fù)合材料導(dǎo)電性降低,結(jié)合強(qiáng)度先升高后降低,在澆鑄溫度為720 ℃時(shí),達(dá)到最大值,超過了40 MPa.

(3) 銅鋁復(fù)合材料界面生成了CuAl2、CuAl和Cu9Al4等金屬間化合物,復(fù)合材料組織為Cu/CuAl+銅基固溶體/CuAl2+鋁基固溶體/Al.

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