黃宏軍，李雪琪，左曉姣，鄭文濤，袁曉光

(沈陽工業(yè)大學 材料科學與工程學院，沈陽 110870)

軋制以其成本低，效率高，設備簡單等優(yōu)點，成為一種大規(guī)模生產(chǎn)金屬層狀復合材料的制備加工方法.對于軋制復合法而言，復合是借助變形工序?qū)崿F(xiàn)的，復合材料之間的結(jié)合為機械結(jié)合，結(jié)合強度有限，因此，復合界面結(jié)合強度成為這類復合工藝成敗的關鍵[1-7].由于銅鋁均為韌性材料，變形復合時兩種材料的結(jié)合相對困難，即使軋制已使其初步結(jié)合，這種機械結(jié)合的強度也較低，必須經(jīng)過后續(xù)熱處理，即通過擴散使結(jié)合形式由機械結(jié)合變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合[8-12].機械結(jié)合的狀況對最終復合板的結(jié)合強度具有直接影響，因此，深入研究軋制工藝對復合效果的影響有利于進一步提高復合板材質(zhì)量.在銅-鋁-銅軋制復合過程中，壓下率、預處理及銅鋁層厚度等工藝參數(shù)均會影響機械結(jié)合效果，因而軋制復合工藝參數(shù)對銅鋁復合板的最終質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用.本文主要研究了壓下率和軋前處理對復合效果的影響，以期獲得質(zhì)量性能優(yōu)越的銅鋁復合板材.

1 材料和方法

實驗所用銅帶和鋁板是工業(yè)純銅和電工鋁.軋制復合所用的銅、鋁材料牌號分別為TU1和1050，其化學成分分別如表1、2所示.

表1 純銅TU1的化學成分(w)

表2 純鋁1050的化學成分(w)

為了研究銅鋁板厚度變化對復合效果的影響，采用厚度為12 mm的鋁板分別與0.5、0.8、1 mm厚銅帶冷軋復合.鋁板和銅帶的寬度均為60 mm.采用軋輥直徑為180 mm的兩輥軋機進行軋制復合.首先對銅帶和鋁板接觸表面進行處理，采用銅刷打磨去除氧化膜后進行冷軋復合.為了研究軋制前處理對復合效果的影響，以0.5 mm厚銅帶和12 mm厚鋁板為研究對象，分別采用不同的軋制前處理工藝進行對比研究.軋制前處理工藝包括：對鋁板和銅帶進行軟化退火熱處理；在刷拭處理前對鋁板和銅帶進行酸堿洗；在軋制復合前對鋁板和銅帶接觸表面利用銅刷進行刷拭處理.本文涉及到的具體軋制前處理工藝包括：軋制前熱處理+酸堿洗+刷拭處理(正常處理)、軋制前未刷拭、軋制前未熱處理和軋制前未酸堿洗處理四種.實驗中需要測定復合板的剝切力，從而研究軋制前處理工藝因素對軋制復合質(zhì)量的影響.

2 結(jié)果和分析

2.1 壓下率的影響

在銅鋁冷軋復合過程中壓下率對銅鋁復合效果具有很大影響，壓下率是銅鋁能否復合及復合效果好壞的關鍵.當壓下率大于50%時，銅鋁界面可以實現(xiàn)復合.壓下率越大，冷軋復合需要的軋制力越大，對軋制設備的噸位要求越高.同時壓下率越大，銅鋁組元的變形量越大，若材料本身的性能滿足不了變形需求，則會出現(xiàn)復合材料破裂等問題.因此，銅鋁復合軋制過程的軋制壓下率應處于50%～75%之間.

圖1為當銅帶厚度分別為0.5、0.8、1 mm時總壓下率與組元壓下率的關系.由圖1a可見，當銅帶厚度為1 mm時，隨著總壓下率的增加，鋁組元的壓下率隨之增加，而銅組元的壓下率卻隨之減小，說明銅鋁之間的變形量變化趨勢不同，鋁組元的變形大于銅組元，而銅鋁變形趨勢不一致則不利于銅鋁界面的結(jié)合.由圖1b可見，當銅帶厚度為0.8 mm時，隨著總壓下率的增加，銅鋁組元的壓下率都呈現(xiàn)增加趨勢，但銅帶的增加趨勢大于鋁板，表明銅鋁組元變形趨勢不同步，且壓下率的變化會影響冷軋復合質(zhì)量.由圖1c可見，當銅帶厚度為0.5 mm時，隨著總壓下率的增加，銅鋁組元的壓下率也隨之增加，且銅鋁組元的壓下率變化曲線斜率相近，表明二者增加趨勢較為同步，總壓下率變化對銅鋁組元變形協(xié)調(diào)性影響較小，因而有利于界面結(jié)合.

圖1 不同銅帶厚度下總壓下率與組元壓下率的關系

Fig.1 Relationship among total reduction rate and component reduction rate under different thickness of copper strips

對比不同厚度銅帶條件下的復合壓下率可知，當鋁板厚度固定為12 mm時，隨著銅鋁厚度比的逐漸變小，銅鋁組元的壓下率隨著總壓下率的增加而逐漸接近，這一規(guī)律可作為銅、鋁組元厚度設計的參考.當銅鋁的壓下率比較接近且具有相近的變化趨勢時，可以減小變形過程中組元之間的相對位移，有利于提高銅鋁復合板的結(jié)合效果.

為了進一步研究銅、鋁組元厚度對復合效果的影響，對銅鋁復合板進行了剝切力測試.為了測試銅鋁復合板的剝切力，將復合板切割成寬度為20 mm的板條形狀，將銅帶和鋁板接觸面在外力作用下進行分層，將銅帶和鋁板夾持在拉伸機的壓頭上測試剝離力.圖2為不同銅帶厚度復合板的單位寬度剝切力同壓下率的關系.由圖2可見，隨著壓下率的增大，復合板的剝切力隨之增大，特別是當壓下率大于70%后，剝切力增加幅度更為明顯.當鋁板厚度為12 mm、銅帶厚度為1 mm且壓下率為60%時，復合板的單位寬度剝切力約為0.5 N，而當壓下率達到75%時，復合板的單位寬度剝切力達到了3.05 N.當鋁板厚度為12 mm、銅帶厚度為0.8 mm且壓下率為60%時，復合板的單位寬度剝切力約為0.5 N，當壓下率達到75%時，復合板的單位寬度剝切力達到了3.95 N.當鋁板厚度為12.0 mm、銅帶厚度為0.5 mm且壓下率為60%時，復合板的單位寬度剝切力約為1 N，當壓下率達到75%時，復合板的單位寬度剝切力達到了7.25 N.

圖2 不同銅帶厚度下復合板的剝切力與壓下率的關系

Fig.2 Relationship between peeling force and total reduction rate of composite plate under different thickness of copper strips

對比銅帶厚度對剝切力的影響可知，當壓下率約為60%時，復合板的剝切力隨銅帶厚度減小而增加的趨勢不明顯；而當壓下率約為75%時，復合板的剝切力隨銅帶減小而增加的趨勢最明顯，從銅帶厚度為1 mm時的3.05 N增加到了銅帶厚度為0.5 mm時的7.25 N.

不同厚度銅帶軋制復合組元的變形協(xié)調(diào)性和剝切力測試結(jié)果表明，銅鋁組元的厚度比對軋制復合具有明顯影響.在軋制復合設備一定的前提下，銅鋁厚度比存在一個最佳值，在這個值附近，銅鋁的軋制復合效果最好.在試驗所用軋制設備條件下，當銅鋁厚度比為0.06時，軋制復合效果最佳.當銅鋁厚度比繼續(xù)減小時，復合效果與銅鋁厚度比為0.06時的情況相差不大，但由于表面銅帶層較薄，銅層被撕裂的趨勢增大.

2.2 軋前表面處理的影響

圖3為不同軋制前處理工藝對復合板工藝剝切力的影響.由圖3可見，對銅鋁軋制復合效果影響最大的是刷拭處理，未經(jīng)刷拭工藝處理制備的復合板剝切力最低，即使壓下率達到75%，單位寬度剝切力也僅為1 N，當壓下率小于65%時，基本不能實現(xiàn)復合.銅鋁軋制前熱處理對復合效果的影響也較大，經(jīng)過軟化處理后，銅鋁組元為軟態(tài)時的復合效果好于銅鋁組元為硬態(tài)時的情況，復合板的剝切強度比未經(jīng)熱處理時約提高了70%～120%.根據(jù)粘結(jié)能量學說可知，金屬原子間如要達到相互鍵合必須克服一定的能量限，當兩個多晶體金屬表面純凈接觸并受到壓擠時，由于多晶體的取向呈統(tǒng)計分布，因而首先在某些接觸處的結(jié)晶鍵方向偶然吻合，或者由于能量起伏的原因，在高能處突破能量限而形成金屬鍵，從而產(chǎn)生粘結(jié)并實現(xiàn)點結(jié)合.當銅和鋁均為軟狀態(tài)時，其抗拉強度相差不是很大，在進行復合時不會使大量能量消耗在鋁層的塑性變形上，從而使得鋁層原子和銅層原子獲得的能量較小，而在變形過程中使大部分能量集中到結(jié)合面上，使更多的接觸點獲得較大應力，即獲得較多能量并形成金屬鍵，出現(xiàn)較多點結(jié)合.當銅鋁均為硬狀態(tài)時，由于兩者的彈性回復都對復合界面的分層起著破壞作用，使得復合效果較差.軋制前處理工藝中最小影響因素為酸堿洗處理，考慮到酸堿處理對環(huán)境的不利影響，當不進行酸堿處理也能夠滿足性能要求時，可以選擇軟化退火后直接刷拭處理，然后進行軋制復合.

圖3 不同處理條件下復合板的剝切力與壓下率的關系

Fig.3 Relationship between peeling force and total reduction rate of composite plate under different treatment conditions

2.3 銅鋁界面結(jié)合與退火的影響

對采用12 mm厚鋁板和0.5 mm厚銅帶且壓下率為70%時制備的銅鋁復合板界面進行觀察，其界面形貌如圖4所示.由圖4可見，銅鋁復合界面在軋制態(tài)已經(jīng)形成了一個白色互擴散區(qū)域，這是因為軋制過程中的大變形產(chǎn)生了軋制熱，銅鋁元素利用軋制熱產(chǎn)生了相互擴散.

采用250 ℃退火處理，退火時間設定為2、20和50 h，進一步觀察退火對銅鋁復合界面層的影響.不同退火工藝下銅鋁復合界面形貌如圖5所示.由圖5可見，在250 ℃下熱處理2 h后，銅鋁復合界面未形成明顯擴散層，這與軋制態(tài)銅鋁復合界面形貌相近，但互擴散距離小幅增加(見圖5a).在250 ℃下熱處理20 h后，銅鋁復合界面形成了連續(xù)擴散層，擴散層厚度增加(見圖5b).在250 ℃下熱處理50 h后，銅鋁復合界面出現(xiàn)了雙擴散層，其中靠近銅層的擴散層不連續(xù)，同時擴散層厚度進一步明顯增加(見圖5c).

圖4 軋制態(tài)復合板界面形貌

圖5 250 ℃退火下復合板界面形貌

3 結(jié) 論

采用冷軋復合工藝制備了銅鋁銅復合板，針對軋制復合壓下率和前處理工藝對復合效果的影響進行了分析，得出如下結(jié)論：

1)隨著銅鋁厚度比的逐漸變小，銅鋁組元的壓下率隨著總壓下率的增加而逐漸接近.當鋁板厚度為12 mm、銅鋁厚度比為0.06時，軋制復合效果最佳.

2)隨著軋制壓下率的增大，銅鋁復合板的剝切力增大；當壓下率大于70%后，剝切力增加幅度更為明顯.

3)銅鋁軋制復合的軋前處理中，刷拭處理對復合效果影響最大，銅鋁軟化退火熱處理次之，酸堿洗處理的影響最小.

4)軋制態(tài)銅鋁復合板結(jié)合界面出現(xiàn)了元素互擴散.在250 ℃下熱處理20 h后，銅鋁復合板界面形成了明顯擴散層；在250 ℃下熱處理50 h后，銅鋁復合界面出現(xiàn)了雙擴散層；擴散層厚度隨退火時間的增加而增加.