銅—鋼復合金屬結合質量檢測和判定方法的探討

孔水龍

（浙江省冶金研究院有限公司，浙江 杭州 310007）

1 前言

新世紀以來，隨著我國科技的發展進步和工業化進程的不斷深入，各領域對金屬材料的要求也不僅僅局限于單一金屬的功能要求，而是要求向高強度、可塑性、導熱性能良好、外觀美化等綜合性更優的功能性多元化材料發展。特別是近十年來我國電子、電器、電氣、汽車、軍工、建筑、裝飾、餐廚具、飾品、燈具等領域的發展需要，催生了我國雙金屬復合板帶材的快速發展，銅-鋼復合金屬（以下簡稱，復合金屬）恰好是順應了市場的需要而發展起來的國內新材料領域的雙金屬復合新產品。

復合金屬產品融合了銅與鋼兩種金屬的特點，不僅具有良好的導電性、可塑性、耐蝕性、焊接性、表面再加工性和美觀的表面等特性,同時具有鋼的高強度，良好綜合性能是單一金屬銅或鋼不可比擬的，是一種新型的功能性應用金屬材料。由于復合金屬材料是一種具有機械嚙合與相互擴散滲透的、具有完全冶金結合界面的雙金屬復合材料，如何測定復合金屬的結合質量以及合理利用資源，對復合金屬材料的生產指導及下游領域的應用，起著至關重要的作用。

2 銅—鋼復合金屬板帶質量特性

2.1 成型機理

銅帶與鋼帶經過表面處理后，使其表面粗糙，銅帶粗糙度：Rz＞2.6μm，鋼帶粗糙度：Rz＞10μm；通過大于50%加工率連續軋制[1]，使兩種金屬表面之間產生楔入效應[2]和變形熱，促進兩者緊密結合成復合金屬卷帶坯；并通過高溫熱處理，使覆層金屬（以下簡稱覆層）銅原子與基材金屬（以下簡稱基材）鐵原子發生相互滲透擴散，達到兩種金屬接觸面完全冶金結合，形成由覆層與基材組成的特殊界面的一種新型銅與鋼復合的板帶產品，產品斷面見圖1。復合金屬產品總厚度0.2mm～3.9mm，，冶金結合界面厚度為1.6μm ～ 1.9μm[1]。

銅-鋼復合的結合機理：兩種金屬在復合軋制過程中，裂口機制和嵌合機制均起著重要的作用，是金屬復合機械嚙合的主要原因，能量理論的作用也是必不可少的原因之一。高溫退火促使銅與鋼通過原子相互滲透擴散達到復合界面的冶金結合，并形成冶金結合界面的合金層，見圖2中深色細線即是雙金屬冶金結合層（以下簡稱結合層）。

圖2 銅-鋼復合冶金結合層

圖1 銅鋼復合板帶的截面

2.2 質量缺陷

2.2.1 加工變形缺陷

復合金屬產品施加外力后，覆層與基材的形變始終保持同步發生，即：覆層與基材具有同等的變形能力—抗拉強度和伸長率。如果變形過程中一旦出現覆層先于基材發生破裂如圖3，預示著復合金屬的結合層間內部存在某種微觀缺陷，導致復合金屬的結合質量缺陷。

圖3 產品客戶使用成型后缺陷

2.2.2 沖壓成形缺陷

復合金屬產品沖壓成形時，出現表面覆層開裂現象，見圖3 a），甚至經多次反復拉伸-退火直到最后一次成形后，出現表面無銅的現象，見圖3 b）。這些應用過程出現的缺陷現象，亦是復合金屬材料內部微觀缺陷的存在所致，從而導致成形后局部覆層銅與基材鋼的變形不同步，即銅層開裂或露鋼宏觀現象發生。

2.2.3 缺陷成因分析

通過采用多種檢測方式對復合金屬卷帶產品進行反復驗證試驗，在復合金屬卷帶產品的頭部、尾部和中間部位取樣做彎斷、杯突、沖杯（或沖盂）試驗檢測中，頭與尾部檢測后的試樣均有不同程度的覆層分層、裂紋或針狀露鋼點缺陷被檢出，如圖4所示，而中間部位取樣檢測的試樣表面均無覆層缺陷檢出。

圖4 帶卷成品頭尾沖盂檢驗結果覆層裂紋形貌

縱觀復合金屬產品生產的工藝控制過程，從微觀結構上分析復合金屬間冶金結合質量，在復合金屬卷帶頭與尾部的一定長度范圍內始終存在工藝差異。因此，在復合金屬卷帶的頭/尾部位，必然存在復合金屬間冶金結合質量差異現象。如何對復合金屬間結合質量進行檢驗顯得尤為重要，并可為改善和提高復合金屬產品成材率提供可信賴的技術支撐。

在相關YS/T 1045《裝飾裝潢用銅-鋼復合薄板和帶材》、YS/T 1104《深沖壓用銅 -鋼復合薄板和帶材》、GB/T 36162《銅-鋼復合薄板和帶材》的標準中，均規定了采用反復彎斷試驗方法檢測其復合質量。然而，在復合金屬卷帶產品的實際生產過程的質量控制與產品檢測和客戶使用中，需要對其金屬間的結合質量進行檢驗與判定。如何快捷檢出結果對研判復合金屬的結合質量，也是控制其內部微觀缺陷的關鍵所在。

3 檢測方法和缺陷判定[3]

3.1 反復彎斷試驗法

金屬材料通過反復彎斷后，其斷口形貌能夠直觀反映出金屬材料的內部缺陷狀況。因此，具有冶金結合的復合金屬斷口形貌，必然會呈現出覆層與基材的完全緊密結合，無覆層分層，翹起等特征如圖5 c）所示。運用試樣進行反復彎斷后的破壞性試驗，肉眼觀察其斷口形貌特征如圖5所示，判定復合金屬產品的結合質量。

圖5 試樣彎斷后斷口形貌

綜上所述，采用反復彎斷方法檢測復合金屬產品的結合質量，無試驗裝置要求（有臺鉗即可），制樣簡單（可任意方向制樣，寬度10mm～25mm、長度200mm以上），操作便捷（反復彎斷即可），斷口缺陷形貌直觀可視。試樣彎斷后斷口形貌，可反映出試樣在厚度方向上彎斷面復合金結合層間的結合質量，適合于折彎變形、平沖、軟態復合金屬產品的結合質量檢驗。

3.2 杯突試驗方法

3.2.1 埃里克森杯突試驗

將一個球形沖頭對著被夾緊在凹模和墊模內間的試樣，以規定的移動速度向上沖壓并不斷頂起形成一個向上凸痕，直到凸痕出現一條穿透性裂紋為止，如圖6所示，其試驗過程稱為埃里克森杯突試驗。沖頭移位為凸痕深度的試驗結果，稱為杯突值。以沖破的杯突值來反映金屬材料沖壓成形的塑性變形性能極限，亦可以其表面形貌來反映復合金屬產品的覆層缺陷。

圖6 杯突試驗試樣穿透性裂紋形貌（無覆層缺陷）

3.2.2 非頂破杯突試驗[4]

在金屬材料進行埃里克森杯突試驗時，試驗速度不大于10m/min，試樣被沖頭頂起后，在杯突曲線上升的最高點或出現下降的次高點停止，并使試樣不出現透光穿透性裂紋（見圖7）的杯突試驗[3]。以非沖破杯突值來反映復合金屬產品在非破壞時的沖壓成形的塑性變形性能，以表面形貌來反映復合金屬產品在非破壞時的覆層缺陷。

圖7 非頂破杯突試驗試樣形貌（無覆層缺陷）

3.2.3 缺陷判定[4]

（1）試樣表面覆層缺陷特征

依據YS/T 1104標準中的杯突試驗要求[3]，厚度≤0.7mm按GB/T 4156規定進行埃里克森沖破杯突試驗；厚度＞0.7mm則按YS/T 1104附錄A規定進行非頂破杯突試驗。

復合金屬產品進行杯突試驗后，肉眼觀察其試樣形貌表面特征，即覆層是否存在裂紋、翹起、針狀露鋼等缺陷。圖8的 a）、c）分別是沖破和非沖破杯突試驗后表面無缺陷形貌，圖8的b）、d）分別是沖破和非沖破杯突試驗后表面覆層缺陷形貌。杯突后表面針狀露鋼缺陷形貌，需在光線充足條件下或借助于手機放大鏡觀察。

圖8 試樣杯突試驗后杯突表面覆層形貌

（2）試樣上下面缺陷特征

非頂破杯突試驗更加直觀地反映出復合金屬產品拉延成形后的形貌特征。按照YS/T 1104標準中附錄A、附錄B的要求[3]，對產品的上/下（A/B）兩面分別進行杯突試驗和判定，如圖9所示。從圖9的 a）、 c）杯突上表面形貌不難看出，杯突試樣的凸起表面形貌比凹下的形貌更易觀察宏觀覆層缺陷。

圖9 杯突試驗后試樣覆層缺陷形貌

（3）杯突試驗應用

杯突試驗進行中，試樣在施加外力后由下至上頂起，其上表面是不受外力的自由面，因此，上表面覆層僅承受一向曲面拉伸變形應力。結合層厚度僅為1.6μm～1.9μm[1]的產品試樣，如果結合層間存在內部微觀缺陷，必然會導致試樣的上表面拉伸應力集中，發生覆層裂紋、翹起或針狀露鋼等宏觀缺陷。觀察經杯突試驗后的試樣形貌，可以達到檢測拉伸成形后復合金屬產品是否存在結合層內部微觀缺陷的目的。

采用杯突試驗方法檢測復合金屬產品的結合質量，制樣簡單：標準制樣規格為90mm×90mm，如果僅用于觀察杯突試驗后的覆層缺陷形貌，亦可制樣規格為60mm×90mm；在微電腦杯突試驗機上進行試驗，其檢測方法操作簡單便捷，杯突試驗后的試樣覆層缺陷形貌直觀可視。杯突試驗后的試樣覆層形貌，直接反映了試樣覆層在凸起部分區域面積的結合面質量，適合于復雜變形、深沖、軟態的復合金屬產品的結合質量檢驗。用于覆層缺陷形貌檢測的杯突試驗，需在產品的A（上表面）和B（下表面）兩面分別進行。

3.3 沖杯試驗方法

3.3.1 試驗方法

用圓柱形沖頭將圓片試樣夾緊壓入規定的沖模中形成圓柱形杯體，檢出沖杯體的谷高和峰高，以制耳率表示金屬材料的各向異性。也可運用具有冶金結合的覆層與基材沖杯成形具有塑性變形同步原理，以沖杯體外表面形貌特征來反映復合金屬產品的覆層缺陷，如圖10所示。

圖10 沖試樣杯試驗后沖杯底部外表面覆層形貌

復合金屬產品進行沖杯試驗后，肉眼觀察其試樣形貌表面特征，即覆層是否存在裂紋、翹起、針狀露鋼等缺陷。如圖10 a）沖杯體外表面底部圓角弧處覆層完好形貌，圖10 b）沖杯體外表面底部圓角弧處覆層裂紋形貌。沖杯體外表面針狀露鋼缺陷形貌，需在光線充足條件下或借助于手機放大鏡觀察判定。

3.3.2 沖杯體受力分析

沖杯體外表面積由沖杯體底部外表面圓（以下簡稱底部圓）面積、杯壁圓柱外表面區域（以下簡稱杯壁圓柱）面積、外表面圓角弧區域 (以下簡稱圓角弧) 面積組成，如圖11所示。圓角弧是圓片在沖制拉伸成杯體形狀過程中，材料發生變形的受力變化交界區域，其各部分應力分析如下。

圖11 沖杯體形貌截面示意圖

（1）底部圓變形應力

沖制成形中，底部圓是無受外力的自由面，由圓心沿著圓片直徑發生徑向拉伸變形，所承受的徑向拉伸變形量沿著徑向半徑增大而增大，一向拉應力分布由圓點向圓周成放射狀分布。

（2）杯壁圓柱變形應力

沖制成形中，杯壁圓柱在凸模與凹模的擠壓作用下發生拉伸變形。杯壁圓柱不僅存在與底部圓一樣的徑向拉伸變形，同時在杯壁沿著環向的發生收縮變形，環向壓縮變形由圓角弧過渡到杯壁圓柱周始起，壓縮變形沿著圓片直徑圓周逐漸增大，至圓片直徑的圓周位置（杯壁圓柱上緣口）壓縮變形達到最大值，圓片的周向壓縮隨著沖頭移動而產生徑向延伸成形杯壁，即：由圓角弧起的一向拉應力和二向壓應力，逐步過渡到杯口的三向壓應力最大值。

（3）圓角弧區域變形應力

沖制成形中，圓角弧不受外力的自由區域面。圓角弧沿著底部圓半徑圓周起繼續發生徑向拉伸變形，同時沿著圓角弧半徑發生彎曲拉伸變形。此時，接續底部圓的徑向拉伸應力向杯壁圓柱繼續增大并與彎曲拉伸應力相互疊加，沿著圓角弧至杯壁處拉伸應力達到最大。沖杯體的圓角弧處是覆層一向拉應力最大的區域，亦是沖杯體三個變形區域中最易發生應力集中的區域。

（4）缺陷判定

沖杯體圓角弧處承受最大的變形應力。結合層厚度僅為1.6μm～1.9μm[1]的產品試樣，如果結合層間存在內部微觀缺陷，處于圓角弧處的覆層極易產生應力集中而變形失穩，使覆層不能隨著基材一起變形而被拉裂，從而導致沖杯體覆層在圓角弧沿環線發生覆層裂紋、翹起或針狀露鋼等宏觀缺陷。觀察經沖杯試驗后的試樣形貌，可以達到檢測拉伸成形后復合金屬產品是否存在結合層內部微觀缺陷的目的。

3.3.3 沖杯試驗應用

由于沖杯試驗中試樣各區域變形不一致，覆層裂紋容易在應力集中處發生，即：覆層裂紋缺陷容易在沖杯體圓角弧處發生，如圖10 b）是將彎斷或杯突不合格的相同復合金屬材料制成圓片樣，進行沖杯試驗后的沖杯體外表面底部圓角弧處覆層裂紋形貌。相比杯突試驗后的試樣覆層形貌，沖杯體圓角弧的覆層裂紋缺陷要輕得多，所以，沖杯試驗更接近復合金屬產品應用的沖盂變形過程。

采用沖杯試驗方法檢測復合金屬產品的結合質量，需制成規定或約定尺寸的圓片，可在杯突試驗機上增加一套沖杯試驗模具進行沖杯試驗。其操作方法與杯突試驗方法基本一致，簡單便捷，試樣覆層缺陷形貌直觀可視。沖杯試驗后的試樣底部外表面形貌，可直接反映出復合金屬產品是否存在覆層缺陷，而且，沖杯試驗的變形過程與其材料應用時的深拉伸變形過程趨于一致，適合于深拉伸應用的軟態復合金屬產品的結合質量檢驗。用于覆層缺陷形貌檢測的沖杯試驗，需在產品的A（上表面）和B（下表面）兩面分別進行。

4 小結

具有冶金結合的銅-鋼復合金屬產品施加外力的變形過程中，覆層與基材具有同等的變形能力。對于冶金結合界面厚度僅為1.6μm～1.9μm，總厚度為0.2mm～3.9mm銅-鋼復合金屬產品結合界面存在的內部微觀缺陷，可同時采用彎斷試驗、杯突試驗、沖杯試驗進行比對（或有選擇進行）檢測，試驗后的試樣外觀缺陷形貌，即是復合金屬產品內部微觀缺陷存在的宏觀體現。

采用彎斷試驗、杯突試驗、沖杯試驗三種試驗方法，檢測復合金屬產品的結合質量，其檢測結果具有高度的一致性，又各自具有側重點。因此，可依據復合金屬產品的應用結構要求，選擇更接近產品實際應用特性的試驗方法，對產品生產過程控制進行檢測和研判，做到物盡其用，最大限度利用復合金屬資源。

5 展望

彎斷試驗、杯突試驗、沖杯試驗三種試驗方法，不僅為銅-鋼復合金屬產品提供了可靠的復合金屬產品結合質量的檢測手段，也是復合金屬材料檢測方法的大膽創新嘗試，建議盡快制定銅-鋼復合金屬結合質量的檢測方法國家或行業標準，健全銅-鋼復合金屬材料系列標準（產品、分析及檢測方法）。

對銅-鋼復合金屬結合質量的檢測與判定方法，可推廣于具有冶金結合的其他雙金屬結合質量的檢測和判定。