简介概要

铜/钢双金属板异步轧制复合机理研究

来源期刊：稀有金属2001年第4期

论文作者：史庆南魏伟

关键词：双金属; 异步轧制; 复合; 结合机制;

摘要：研究了铜/钢双金属板异步轧制复合工艺对轧后界面形貌的影响,用电子探针分析了铜/钢复合板界面结合区成分的变化.轧制变形程度和退火温度是控制界面形貌的主要因素,异步轧制复合有不同于室温固相复合的结合机制.

稀有金属 2001,(04),307-311 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2001.04.021

铜/钢双金属板异步轧制复合机理研究

史庆南

昆明理工大学材料科学与工程系!昆明650093,昆明理工大学材料科学与工程系!昆明650093

摘要：

研究了铜 /钢双金属板异步轧制复合工艺对轧后界面形貌的影响 , 用电子探针分析了铜 /钢复合板界面结合区成分的变化。轧制变形程度和退火温度是控制界面形貌的主要因素 , 异步轧制复合有不同于室温固相复合的结合机制

关键词：

双金属;异步轧制;复合;结合机制;

中图分类号： TG335.85

收稿日期：2000-10-11

基金：云南省应用基础研究基金资助项目 (No .95E0 0 2 6M);

Bonding Mechanism of Cu/Steel Clad Sheet in Asymmetrical Rolling of Bimetal

Abstract：

The influence of the asymmetrical rolling technique of Cu/steel clad sheet on the morphology of the interface after rolling was investigated. A study on the interface composition variation in asymmetrical rolling of clad sheet was made with TEM. The result showed that the morphology of the interface mostly depends on total reduction and annealing temperature. The bonding mechanism of asymmetrical rolling is distinct from that of rolling cladding at room temperature.

Keyword：

Binetal; Asymmetrical rolling; Combination; Bonding mechanism;

Received： 2000-10-11

铜/钢复合板是一种双金属复合材料, 以碳素钢或低碳合金钢为基体金属, 一面或两面用轧制法机械地覆上紫铜或黄铜。这种材料既具备铜的高导电性、耐蚀性、良好的焊接性等优点, 也具备钢的强度高、韧性好、价格便宜等一系列优点。可以说, 铜/钢复合材料在机械、汽车、船舶、冶金、矿山等机械零件的制造方面, 是一种具有广阔应用前景的材料。

双金属固相复合需要极大的一次变形率 (60%~70%) ^[1] , 金属界面的相对错动有利于双金属的复合 ^[2] 。美国 Metals & Control Corp 提出的 P.T. 法 (又称三步法) ^[3] , 对同步轧制而言, 难以实现大的单道次变形率。目前采用的热态轧制, 为了消除生产过程中的氧化和脆性金属化合物问题, 往往成本居高不下。而利用异步轧制变形区较大的剪切变形, 对薄板进行冷复合加工, 在大幅度降低轧制压力的情况下, 可以生产出复合强度高、表面光洁的冷轧复合薄板。

由于复合界面的结构直接影响着复合材料的性能, 因此针对界面结构的研究工作已有大量的报道 ^{[4,5,6,7,8,9,10,11]} 。然而对异步轧制复合双金属的界面结合机制的研究还不甚充分。本文研究了铜/钢双金属板异步轧制复合工艺参数对界面SEM形貌的影响, 用电子探针分析了界面结合区成分的变化。并对铜/钢双金属板异步轧制复合机理进行了探讨。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验采用的覆材为工业纯铜, 尺寸为 200 mm×50 mm×0.78 mm。基材为08F 钢, 尺寸为 200 mm×50 mm×1.0 mm。两种材料的化学成分和力学性能均符合相应的国家标准。

1.2 轧制复合过程

1.2.1 复合轧制

在两辊可逆轧机上 (直径150 mm×170 mm, 功率 40kW, 转速 730 r/min, 最大轧制力 42 t, 最大轧制力矩 388 kg·m) 以各种压下率 (45%, 55%, 65%) 进行轧制。

1.2.2 扩散热处理

在真空退火炉内分别进行不同温度 (600℃和800℃) 和不同保温时间 (0.5 h, 1.5 h) 的退火试验。基本情况见表1。

轧后对复合板界面进行 SEM 形貌观察和EPMA-8507 电子探针成分分析。

2 试验结果及分析

2.1 复合界面 SEM 形貌

2.1.1 铜/钢复合板轧制态界面 SEM 形貌观察

图1为异步轧制铜/钢双金属复合板界面 SEM形貌。从图中可以看到, 轧制态结合界面处分布有长短不等的白色亮条和网络, 电子探针成分分析表

表1 异步轧制复合铜/钢双金属板Table 1 Copper/Steel clad sheet in asymmetrical rolling of bimetal

编号	轧制工艺	总变形量 ε/%	厚度变化 /mm	热处理制度
Ⅰ	纯Cu (冷) +08F钢 (冷) , 一道次	62	1.78→0.68	-
Ⅱ		65	1.78→0.62	退火温度: 800℃, 保温时间: 1.5h, 0.5h	退火温度: 600℃, 保温时间: 1.5h, 0.5h
		55	1.78→0.80
		45	1.78→0.98

图1 铜/钢复合板轧制态界面 SEM 形貌 (变形率62%) Fig.1 SEM interfacial morphology of copper/steel in rolling reduction 62%

明, 轧制复合时铜、铁原子在界面处发生了互扩散。界面 SEM 特征形貌反映出两种材料在 62% 的大变形轧制过程中没有实现完全的面结合, 只是出现部分焊合状态。

2.1.2 铜/钢复合板热处理后的界面 SEM 形貌

2.1.2.1 复合轧制压下率的影响

复合轧制压下率对铜/钢复合板界面形貌的影响如图2所示。

从界面 SEM 形貌图看出, 铜和钢形成的结合点在界面处以条带或韧窝的形式表现出来。轧制变形量增大, 界面处结合条带较为均匀;轧制变形量小时, 界面结合条带上的韧窝现象突出。这与异步轧制工艺过程有密切关系, 由于异步轧制时轧辊线速度不同, 变形区中存在一与摩擦力方向相反的剪切变形区, 而且铜、钢表面经钢丝轮打磨后, 形成一层不均匀的加工硬化层。当轧件处在大的剪切变形区中时, 硬化层破裂、错动, 内部新鲜金属在短时间内暴露并在较大压力下结合。变形量大时, 硬化层破裂、错动严重, 新鲜金属暴露面积大, 界面结合条带较为均匀;变形量小时, 硬化层破裂、错动程度小, 新鲜金属暴露面积少, 界面结合条带也就多以韧窝形式出现。

2.1.2.2 热处理工艺的影响

在研究双金属室温固相复合的过程中认识到,

图2 复合轧制压下率对铜/钢复合板界面 SEM 形貌的影响 (退火温度800℃, 保温时间0.5 h) (a) 变形率 65%; (b) 变形率 55%; (c) 变形率 45% Fig.2 Effect of total reduction on SEM interfacial morphology of copper/steel bimetal (annealing temperature 800℃, holding time 0.5 h)

金属结合是一种表面行为。而在轧制复合板的热处理过程中, 结合区的组织、成分、性质等发生了一系列变化, 其根源在于铜、铁原子的热运动和扩散行为。从图3可看到, 在相同变形量下, 随着温度的升高, 复合界面逐渐增宽, 宽度约为 6~8μm。600℃退火, 保温 1.5 h, 无论晶粒大小, 还是复合板界面形貌都比较理想。

图3 热处理工艺对铜/钢复合板界面 SEM 形貌的影响 (a) 退火温度800℃, 保温时间 1.5h, 变形率55%; (b) 退火温度600℃, 保温时间1.5h, 变形率 55% Fig.3 Effect of heat treatment on SEM interfacial morphology of copper/steel bimetal

2.2 复合界面成分变化

2.2.1 铜/钢复合板轧制态界面成分变化

异步轧制铜/钢双金属复合板两侧 6μm 范围内的成分分析结果列于表2。从表中可以看出界面两侧元素的互扩散范围在 6~8 μm 之间。

图4为轧制态结合界面两侧的成分变化曲线 (变形率62%) 。由图可见, 铜、铁原子发生了互扩

表2 铜/钢轧制态界面两侧主要化学成分变化Table 2 Chemical composition variations of copper/steel interface in rolling stage

名称	距界面距离/μm	成分w/%
名称	距界面距离/μm	铜	钢
铜侧	0 2 4 6	27.48 93.89 96.18 98.78	72.52 6.11 3.82 1.22
钢侧	0 2 4 6	27.48 2.68 2.19 1.46	72.52 97.32 97.81 98.54

注:轧前厚度 1.78 mm, 轧后厚度 0.68 mm, 变形率 62%

散, 有一定的扩散层, 但扩散层宽度不均匀。这是由于轧制时产生的摩擦热分布不均匀造成的。这与从复合界面 SEM 形貌得出的结论相一致。

图4 铜/钢轧制态结合界面两侧的成分变化曲线Fig.4 Composition curves of copper/steel interface in rolling stage

2.2.2 铜/钢复合板热处理后的界面成分变化

异步轧制铜/钢复合板经不同的变形量和热处理制度处理后, 其界面两侧主要化学成分的变化如图5所示。

从图5可以看出:

(1) 复合板在 800℃下退火, 无论变形量多大,

图5 扩散层宽度与变形程度、退火温度和时间的关系●—退火温度为 600℃;▲—退火温度为 800℃; (a) 变形率为 65%; (b) 变形率为 55%; (c) 变形率为 45% Fig.5 Relationships of diffusion width with reduction, annealing temperature and holding time

退火时间多长, 扩散层平均宽度都在 10μm以下;而600℃退火, 相同的变形量, 无论退火时间长短, 扩散层平均宽度都在 15μm左右。

(2) 变形量 65%, 退火温度 600℃, 扩散层宽度有随保温时间增加而呈先增大后减小的趋势;相反地, 800℃下退火, 扩散层则随保温时间的增加而增大。

(3) 在变形量为 45%、55%, 退火温度为 600℃时, 扩散层宽度则随保温时间的增加而呈先减小后增大的趋势;800℃退火时, 情况与此基本相似。

(4) 变形量55%, 退火温度 600℃时, 保温时间 1.0~2.0 h, 扩散层宽度较均匀。根据剥离强度的测试, 这种情况下的强度也最高。

2.3 铜/钢异步轧制复合机理分析

双金属固相结合的机理学说很多。用扫描电镜观察复合后的金属界面, 并作微区成分分析后可以看到, 采用异步轧制复合时, 铜和钢界面间的结合有不同于一般室温固相结合的机制。本文作者称之为剪切作用下的热激活-热作用结合机制。

根据硬化层破裂机制 ^[1,9,10,11] , 通常情况下金属表面具有一定厚度的氧化膜、水膜、有机物及其它物质。这些膜的总厚度大约为零点几到几个纳米, 即使在轧制复合前进行钢丝刷清理而显露出加工硬化层, 金属表面也会很快生成新的非金属膜。因此, 轧制复合前的金属表面总是已加工硬化并覆有非金属膜的凹凸不平的表面。而异步轧制复合时, 由于轧辊线速度不同, 变形区中存在一与摩擦力方向相反的剪切变形区, 当轧件处在大的剪切变形区中时, 凹凸不平的薄层表面硬化层破裂、错动, 内部新鲜金属在短时间内暴露并以较大压力结合。这与以往模型所描述的两者都挤出了裂口是不同的。复合界面原子间要达到牢固结合, 必须使处在金属界面接触处的原子或离子具有最低能量级, 当原子或离子达到这个能量级时, 原子键的方向性就会减弱, 界面处的原子就会形成金属键, 相互接触的两金属表面就实现完全结合 ^[12] 。铜/钢复合时, 在金属的变形热和两种金属不均匀塑性变形引起界面错动而产生的摩擦热作用下, 界面处的原子被部分激活, 克服势垒, 形成部分金属键, 这也是铜/钢双金属板异步轧制复合时界面出现部分焊合的原因。

众所周知, 扩散对温度最为敏感。常温下金属扩散得很慢, 但在高温区 (熔点的 1/2以上) 扩散进行得很快。铜/钢双金属板异步轧制复合时, 存在金属的变形热和两种金属不均匀塑性变形引起界面剪切错动而产生的摩擦热作用, 但作用时间较短, 所以界面间元素的互扩散行为较为困难, 这可从图1的界面 SEM 形貌看出。因此轧后的退火处理不仅可启动新的结合点, 而且是推动界面互扩散的主要动力。对照图1和图3可看到, 复合界面 SEM 形貌大为改善, 而且从图4和图5也可看到, 界面扩散层宽度远大于轧制态的扩散层。从而保证了复合板的结合强度。

3 结论

1.轧制变形程度是实现铜/钢复合的决定性外部因素, 轧后热处理则为进一步实现全面结合提供动力。合适的热处理工艺为 600~650℃/1.0~2.5 h (轧制变形量为 50%~60%) 。

2.异步轧制铜/钢复合板, 首先是金属凹凸不平的薄层表面硬化层在剪切作用下破裂、错动, 内部新鲜金属在短时间内暴露, 在金属不均匀塑性变形所产生的热作用下, 界面处的原子被部分激活, 克服势垒, 形成部分焊合;随后的退火作用, 虽然重新激活原子, 但推动界面原子发生互扩散是主要的, 在结合界面处表现为有一定宽度的扩散层。

3.铜/钢复合板异步轧制复合在结合界面处有元素的互扩散, 铁原子的扩散范围在 25 μm, 铜原子向钢侧的扩散范围在 10 μm, 扩散层平均宽度约为 15 μm。