錫黃銅/鋼復合板的制備方法及性能研究*

王 丁，高瑞博，李 瑩,2，張鵬輝，黃杏利

（1.西安天力金屬復合材料有限公司，陜西 西安 710201；2.陜西省層狀金屬復合材料工程研究中心，陜西 西安 710201）

1 引言

爆炸焊接技術充分發揮異性材料的物理性能和力學性能的優勢，其產品（鈦/鋼、不銹鋼/鋼、鎳/鋼、鋁/鋼）廣泛的應用于航空航天、核電、化工等各個領域［1-3］。在實際的工業化設備制造中，客戶對于復合板產品的種類要求也日益豐富［4-6］。作為具有“海軍黃銅”之稱的錫黃銅，由于其優異的耐腐蝕特性被應用于船舶、海上作業設備的零部件，常用的錫黃銅有HSn70-1，HSn62-1，HSn60-1 等［7-9］。前者是α 合金，具有較高的塑性，可進行冷、熱壓力加工；后兩種牌號的合金具有α+β 兩相組織，并常出現少量的γ 相，室溫塑性不高。銅基固溶體中錫的溶入會起到固溶強化作用，隨著含錫量的增加，合金中會出現脆性的γ 相（CuZnSn 化合物），不利于合金的塑性變形，因而錫黃銅的爆炸復合難度要明顯高于黃銅。特別對于厚復層的爆炸焊接，由于復層厚度增加，材料變形抗力增大，使爆炸復合過程難以達到焊接要求。當前關于錫黃銅的爆炸復合研究較少，少有成功的經驗或數據可借鑒，面對日益嚴峻的市場形勢，技術創新是唯一出路。

基于材料本身優勢及市場需求，本文選擇材料錫黃銅（HSn62-1）、鋼板（16MnIII）為研究對象，對錫黃銅/鋼復合板爆炸焊接的制備工藝進行探索研究。首先取兩塊錫黃銅/鋼的試板進行爆炸焊接工藝評定，然后根據試板的界面結合情況、界面微觀組織結構，力學性能對產品的工藝參數進行改進，最終達到理想的錫黃銅/鋼復合板的制備工藝。錫黃銅（HSn62-1）的狀態為Y2 態，其化學成分及力學性能分別如表1 及表2 所示。符合銅及銅合金板材GB/T2040-2017 的標準規定［10］；對基層鋼板（16MnIII）進行超聲檢測，達到NB/T47013.3-2015的Ⅱ級規定［11］，并經行0℃的沖擊測試分別為107 J、106 J、113 J，布氏硬度測試分別為151 HB、167 HB、162 HB，其參數符合爆炸焊接的工藝要求。

表1 錫黃銅HSn62-1 的化學成分 %

表2 錫黃銅HSn62-1 的力學性能

2 制備方法

由于錫黃銅/鋼復合板的制備工藝參數的缺乏，為降低材料的浪費和成本，首先選擇對復合板（HSn62-1/16MnIII）進行爆炸焊接試驗，然后根據分析試驗結果改進關鍵工藝參數，以保證復合板的性能及質量。

根據試驗工藝需求，選擇相同材質大小為11×350×650/75×300×500 mm 的兩塊試板分別標注為1#和2#，對基、復板的待結合界面進行處理，達到平整、光滑、潔凈，垂直打磨紋路的平均表面粗糙度≤1.6μm，現場采用平行安裝法，具體現場工藝示意圖如圖1 所示。復層投料設計：長度方向復層比基層長100～150 mm，保證放置起爆點的短邊空起余量在130 mm 以上。錫黃銅刻槽設計：刻槽寬度5 mm，刻槽深度3～5mm，刻槽位置與基層外緣形狀吻合，尺寸比基層外緣尺寸小15～25mm。特殊要求:放置起爆點的短邊不刻槽，其它刻槽邊留50mm 余量。現場實施工藝設定合適的炸藥參數及工藝參數如表3 所示。

圖1 現場工藝示意圖

表3 1#和2#試板的爆炸焊接炸藥參數

爆炸焊接過程結束后，在試板上切取剪切強度、分離強度、拉伸、金相試樣兩套。一套用于爆炸態性能分析，一套用于退火消應力后性能分析，具體退火熱處理工藝如下：隨爐升溫，執行540±20℃/保溫4 h；加熱速度：爐溫≥300℃，加熱速度30 ～80℃/h；爐冷至≤300℃出爐空冷。

3 結果與分析

3.1 試驗工藝分析

完成試驗爆炸焊接工藝后，首先用Anyscan-31超聲波探傷儀并選用2.5P Φ20 單探頭對整個板材進行全面的超聲檢測，執行NB/T47013.3-2015 的Ⅱ級要求［11］，界面的結合情況分別如圖2、圖3所示。

從圖2、圖3 分別可以發現，兩塊試板在起爆端均存在30～50 mm 的不結合。由于邊界效應及實際操作的影響，通常在爆炸復合板距邊部2 ～3 倍復層厚度的范圍進行取樣，并對結合界面的形貌進行分析，圖4、圖5 分別為1#、2#試板50 倍金相下結合界面的微觀組織形貌，其狀態為爆炸態，圖6、圖7 分別為樣品經過退火工藝處理后的組織形貌。

圖2 1#試板的UT 檢驗結果示意

圖3 2#試板的UT 檢驗結果示意

圖4 1#試板結合界面形貌（爆炸態）

圖5 2#試板結合界面形貌（爆炸態）

圖6 1#試板結合界面形貌（退火態）

圖7 2#試板結合界面形貌（退火態）

從圖4～7 的金相界面分析發現，錫黃銅/鋼的結合界面波狀結合，波紋規整清晰，波脊上還是存在少量黑色的金屬間化合物，這些缺陷主要是由爆炸荷載過大而在界面處產生過熔引起的，微觀上錫黃銅/鋼的界面結合質量良好。

在力學性能方面，表4 和表5 分別為兩塊試板（HSn62-1/16MnIII）的力學性能測試結果。兩種狀態下的剪切強度都高于銅/鋼復合板行業標準要求（NB/T47002.4-2009）中的100MPa［12］，分離強度作為補充測量界面結合強度的方式，同樣保證界面的結合質量，其拉伸試驗結果也均滿足標準要求。

表4 HSn62-1/16MnIII（爆炸態）兩塊試板的性能結果

表5 HSn62-1/16MnIII（退火態）兩塊試板的性能結果

綜上分析，對于兩塊試板的爆炸焊接工藝基本正確，但邊部30 ～50mm 范圍內存在不結合及弱結合，針對此現象，制定產品爆炸工藝時改變邊部的炸藥量及起爆點，用于改變板材邊部的缺陷。

3.2 制備工藝分析

根據試板的爆炸焊接工藝評定結果，在大板材(10+75) ×1 800×3 000 mm 制備過程中維持工藝不變，調整相應的炸藥密度、炸藥猛度、炸藥高度、間隙類型、間隙高度等參數，最終實施爆炸焊接，同樣，對于爆炸焊接后的復合板進行UT 檢測、金相分析、力學性能分析。

對成品復合板的超聲檢測發現，切除邊界效應區域外的界面結合率達到100%，滿足壓力容器用爆炸焊接銅鋼復合板的行業標準（NB/T47002.4-2009）的B1 級要求［12］。在邊部取樣進行50 倍的金相分析，圖8、圖9 分別為復合板兩種典型退火處理后的界面結合狀態，其界面波狀結合，條紋清晰。

圖8 復合板的結合界面形貌

圖9 復合板的結合界面形貌

如圖10 所示為復合板（HSn62-1/16MnIII）爆炸焊接復合和退火處理后的的銅鋼界面兩側的顯微硬度分布規律，可以發現：在兩種狀態下，隨著距離界面距離的增加，其兩側基體內的硬度逐漸減小；經過退火消除應力后，銅鋼兩側的硬度均有所

降低，反映了爆炸復合后不同區域的的塑性變形及熔化產生的硬脆相情況。

圖10 復合板HSn62-1/16MnIII 的顯微硬度分布規律

對于復合板（HSn62-1/16MnIII），分別取樣后進行退火后的剪切試驗、低溫沖擊試驗、拉伸試驗。在溫度20℃條件下，三個批次的剪切強度分別為196 MPa、200 MPa、233 MPa，表明結合界面的結合質量優異。在溫度0℃下，三個批次的低溫吸收功為 107 J、91 J、108 J；128 J、105 J、132 J；111 J、107 J、101 J，反映復合板的基層鋼板經過能量沖擊、退火處理后，材料依舊保持較好韌性。在溫度20℃條件下的拉伸試驗如表6 所示。其力學性能的各項指標遠遠超過NB/T47002.4-2009 的B1 級力學性能指標要求［12］。

表6 復合板（HSn62-1/16MnIII）的拉伸測試結果

4 結論

通過對錫黃銅/鋼(HSn62-1/16MnIII)復合板的爆炸焊接工藝評定及大規格銅/鋼復合板的制備發現，小試板的制備工藝探索及關鍵參數的控制對大規格(10+75) ×1 800×3 000 mm 的銅/鋼復合板的制備有很強的理論指導意義。該爆炸焊接工藝準確、穩定，通過刻槽工藝，既保證爆炸焊接質量，同時也減少了厚復層的邊界效應，節約材料成本。剪切強度、低溫沖擊功、拉伸試驗結果均遠高于壓力容器銅-鋼復合板的行業（NB/T47002.4-2009）要求標準。