冷軋壓下率對Cu/Al復(fù)合板界面和性能的影響

冷軋壓下率對Cu/Al復(fù)合板界面和性能的影響

張衡1，謝敬佩1，尚鄭平2，王項(xiàng)2，孫浩亮1

(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2.洛陽銅一金屬材料發(fā)展有限公司，河南 洛陽 471100)

摘要：研究了不同冷軋壓下率對鑄軋法制備的Cu/Al復(fù)合板材界面微觀組織和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：冷軋過程中壓下率過大時界面層會發(fā)生斷裂而破碎，進(jìn)而影響復(fù)合材料性能。冷軋壓下率從29%逐漸增加到57%時，界面層的破碎程度逐漸加重，復(fù)合板抗拉強(qiáng)度逐漸增大，延伸率則隨之下降，同時剝離強(qiáng)度先迅速減弱后緩慢增強(qiáng)。當(dāng)冷軋壓下率達(dá)到57%時，界面擴(kuò)散層被嚴(yán)重破壞，形成大量純銅和純鋁直接接觸、無明顯擴(kuò)散的結(jié)合界面，銅鋁復(fù)合板主要靠機(jī)械咬合力結(jié)合。

關(guān)鍵詞：Cu/Al復(fù)合板；冷軋壓下率；界面層；剝離強(qiáng)度

基金項(xiàng)目：河南省重大科技專項(xiàng)基金項(xiàng)目(102105000007)

作者簡介：張衡(1989-),男,河南商丘人,碩士生;謝敬佩(1957-),男,河南安陽人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要從事金屬復(fù)合材料方面的研究.

收稿日期：2014-08-12

文章編號：1672-6871(2015)01-0009-04

中圖分類號：TG335.81

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

為了節(jié)省銅資源，國內(nèi)開發(fā)了銅包鋁電纜、Cu/Al復(fù)合排、Cu/Al復(fù)合箔等許多銅鋁復(fù)合材料[1-5]。Cu/Al復(fù)合板是一種銅鋁雙金屬復(fù)合材料，兼具銅的高導(dǎo)電、導(dǎo)熱率和鋁的密度低、抗腐蝕、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在導(dǎo)電行業(yè)、導(dǎo)熱行業(yè)和裝飾行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[6-7]。

銅鋁復(fù)合板的制備方法主要有固-固法、液-液法和液-固法，其中，固-固法和液-液法存在生產(chǎn)工藝流程長、成本高、環(huán)境負(fù)擔(dān)大、難以控制較大截面復(fù)合材料的尺寸等問題。鑄軋法是液-固法的一種，借助現(xiàn)代連續(xù)鑄造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合板材的直接連續(xù)成形，由于其具有制造工藝簡單、結(jié)合強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率高和設(shè)備消耗少等優(yōu)點(diǎn)，近年來備受關(guān)注。目前，國內(nèi)外在鑄軋法制備Cu/Al復(fù)合板的研究方面，對鋁液澆注溫度、冷卻水流量和銅板預(yù)熱溫度等工藝參數(shù)研究比較多[8-10]。雖然冷軋壓下率對復(fù)合板力學(xué)性能和界面層微觀形貌具有至關(guān)重要的影響，但國內(nèi)外學(xué)者對其研究還比較少，少量文獻(xiàn)涉及壓下率對板材微觀形貌的影響，尚未有鑄軋后冷軋加工對板材力學(xué)性能影響方面的研究。本文選取了3種冷軋壓下率，分析了不同壓下率對Cu/Al復(fù)合層微觀形貌和板材力學(xué)性能的影響，為鑄軋法制備Cu/Al復(fù)合板材的冷軋工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

1試驗(yàn)材料與方法

在洛陽銅一公司提供的結(jié)合強(qiáng)度良好的鑄軋Cu/Al復(fù)合板材上截取試樣；復(fù)合板厚7 mm，其中，銅側(cè)厚2 mm，為C11000工業(yè)純銅；鋁側(cè)是厚5 mm的1060工業(yè)純鋁。然后，對復(fù)合板進(jìn)行不同壓下率冷軋，壓下率分別選取29%、43%和57%，冷軋過程中未采取潤滑措施和退火處理。

在φ180 mm×300 mm軋機(jī)上對復(fù)合板進(jìn)行冷軋，壓下率分別為29%、43%、57%。從不同壓下率的板材上分別截取拉伸試樣、剝離試樣、掃描試樣。拉伸試驗(yàn)在SHIMAD(島津)ZUAG-I 250 kV電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，剝離試驗(yàn)機(jī)型號為RT-8637。將試樣進(jìn)行研磨、拋光和腐蝕處理，分別在金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察Cu/Al界面層組織形貌，并對界面層及其附近區(qū)域進(jìn)行掃描電鏡線掃描分析(EDS)。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1　冷軋壓下率對界面層微觀形貌的影響

對7 mm厚Cu/Al鑄軋復(fù)合板進(jìn)行3種不同壓下率冷軋，圖1是冷軋后復(fù)合板界面層金相和掃描電鏡形貌。

圖1　不同冷軋壓下率后復(fù)合板界面層金相、SEM照片

結(jié)合金相照片(見圖1a)和SEM照片(見圖1b)可以發(fā)現(xiàn)：未冷軋的鑄軋復(fù)合板結(jié)合界面層具有一定的厚度，其厚度約為1 μm，界面層位于銅層和鋁層之間，同時界面層清晰、連續(xù)，局部有凹凸現(xiàn)象，這說明在鑄軋過程中形成了結(jié)合良好的銅鋁冶金結(jié)合界面層。對復(fù)合板進(jìn)行軋制后(見圖1c)，界面層明顯變薄，當(dāng)壓下率增大至57%時(見圖1e)，已經(jīng)很難分辨出界面層；通過掃描電鏡可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：壓下率達(dá)到29%時(見圖1d)，連續(xù)的界面變?yōu)閿鄶嗬m(xù)續(xù)的碎塊狀，斷口處形貌呈現(xiàn)出脆性斷裂的特征，界面層碎塊之間局部區(qū)域出現(xiàn)銅和鋁的直接接觸壓合區(qū)域。這是因?yàn)椋鸿T軋法制備的銅鋁復(fù)合板材，其界面層是由冶金結(jié)合過程中產(chǎn)生的Cu-Al固溶相和CuAl2、Cu9Al4等金屬間化合物組成[10]，由于這些金屬間化合物組成的界面層與銅層和鋁層相比塑性差、硬度高、脆性大[11]，在冷軋變形過程中，微裂紋容易在界面層內(nèi)硬度較高的金屬化合物中形核并擴(kuò)展，但是，裂紋的擴(kuò)展受到硬度較低的銅層和鋁層的阻礙；當(dāng)復(fù)合板所受壓應(yīng)力足夠大時，界面層發(fā)生脆性斷裂，同時銅和鋁會在壓力作用下流向斷裂處并緊密壓合在一起,在冷軋過程中發(fā)生的上述現(xiàn)象在宏觀上表現(xiàn)為界面層的破碎，并以碎片形式鑲嵌在金屬基體中。壓下率增大為57%時，從圖1f可以發(fā)現(xiàn)：冶金結(jié)合層不再明顯, 界面處大部分區(qū)域變?yōu)殂~和鋁直接接觸。因?yàn)樵谲堉屏Φ淖饔孟陆缑鎸悠扑楝F(xiàn)象已經(jīng)非常嚴(yán)重，碎塊顆粒更加細(xì)小，同時軋制過程中的延伸和擴(kuò)展，使銅和鋁的直接接觸面積增大。

2.2　冷軋壓下率對復(fù)合板力學(xué)性能的影響

表1所示為不同冷軋壓下率對Cu/Al復(fù)合板力學(xué)性能的影響。由表1可以看出：未經(jīng)軋制的銅鋁復(fù)合板，其抗拉強(qiáng)度為150 MPa，延伸率為31.0%，介于純銅原料(抗拉強(qiáng)度150～170 MPa，延伸率25%～55%)和純鋁原料(抗拉強(qiáng)度45～90 MPa，延伸率30%～50%)之間。這是由于復(fù)合層在材料中所占比例很小，厚度非常薄(1～2 μm)，并且主要起連接作用，復(fù)合板抗拉強(qiáng)度和延伸率主要由銅鋁基體所決定。復(fù)合板的壓下率逐漸增大到57%時，抗拉強(qiáng)度從未軋制時的150 MPa逐漸增大至237 MPa；延伸率先是從31.0%迅速減小至9.0%然后緩慢下降，壓下率為57%時延伸率降至5.8%。

表1　冷軋壓下率對復(fù)合板力學(xué)性能的影響

對于工業(yè)純鋁和銅復(fù)合而成的板材而言，影響其抗拉強(qiáng)度和延伸率的決定因素是基體晶粒大小，冷軋壓下率的變化必然引起銅層和鋁層晶粒尺寸的變化，進(jìn)而導(dǎo)致銅鋁復(fù)合板材力學(xué)性能的變化；抗拉強(qiáng)度隨著壓下率增加而增加的現(xiàn)象，除了與晶粒尺寸的變化有關(guān)外，也是銅鋁板材加工硬化的結(jié)果，隨著壓下率的增加，基體位錯不斷增殖，材料強(qiáng)度逐漸增加。同樣由于晶粒尺寸的變化和加工硬化現(xiàn)象，板材的延伸率逐漸下降。

從表1中軋制壓下率對復(fù)合板剝離強(qiáng)度的影響可以看出：剝離強(qiáng)度從未冷軋時的37 N/mm迅速下降至29%壓下率時的3.7 N/mm。這是因?yàn)槔滠執(zhí)幚砬?，金屬間化合物組成的連續(xù)界面層使銅鋁復(fù)合板牢固結(jié)合，在后續(xù)的軋制過程中，起連接作用的冶金結(jié)合界面層在軋制力的作用下被破壞。隨著壓下率的進(jìn)一步增加，剝離強(qiáng)度緩慢回升，當(dāng)壓下率達(dá)到57%時,復(fù)合板剝離強(qiáng)度回升至6.8 N/mm，因?yàn)殡S著板材受到軋輥橫向壓力的增大，界面層破碎現(xiàn)象更加嚴(yán)重，界面層局部區(qū)域產(chǎn)生具有一定結(jié)合強(qiáng)度的銅鋁元素原子級結(jié)合。圖2是57%壓下率時(見圖1f)復(fù)合板界面附近EDS線掃描分析。從圖2可以看出：銅鋁接觸面附近幾乎沒有銅鋁原子擴(kuò)散現(xiàn)象，復(fù)合材料界面成為銅鋁直接接觸的界面，此時復(fù)合板主要通過銅鋁接觸區(qū)域的機(jī)械咬合而連接[12]，而在機(jī)械咬合的連接機(jī)制下，銅鋁復(fù)合板的剝離強(qiáng)度隨壓下率的增加而增大[12-14]，因此，復(fù)合板剝離強(qiáng)度會緩慢提升。

圖2　 冷軋壓下率57%時Cu/Al界面 附近EDS分析

3結(jié)論

(1)在軋制過程中，當(dāng)壓下率為 29%時，Cu/Al復(fù)合板界面層發(fā)生大量的脆性斷裂，界面層呈碎塊狀，金屬基體擠入界面層斷縫之中，局部有銅和鋁的物理接觸。隨著壓下率進(jìn)一步增大，界面層的破碎現(xiàn)象更加嚴(yán)重，碎塊尺寸更加細(xì)小，銅鋁接觸區(qū)域增大，當(dāng)壓下率達(dá)到 57%時，復(fù)合材料界面幾乎全部為銅和鋁的物理接觸區(qū)域。

(2)復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度和延伸率均介于純銅和純鋁之間，對復(fù)合板進(jìn)行不同壓下率軋制時，由于加工硬化，隨著壓下率的增加，復(fù)合板抗拉強(qiáng)度從未冷軋時的150 MPa逐漸增大到57%壓下率時的237 MPa；延伸率從未軋制時的31.0%迅速下降至29%壓下率時的9.0%，然后，緩慢下降至57%壓下率時的5.8%。

(3)冷軋對界面層的破壞，導(dǎo)致復(fù)合板剝離強(qiáng)度從未冷軋時的37.0 N/mm迅速下降至29%冷軋壓下率時的3.70 N/mm；隨著壓下率逐漸變大，銅和鋁的機(jī)械咬合區(qū)域逐漸增多，咬合力逐漸增大。因此復(fù)合板剝離強(qiáng)度緩慢提升，當(dāng)壓下率增大到57%時，復(fù)合板剝離強(qiáng)度回升至6.8 N/mm。

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