铜-钢-铜复合工艺的研究

铜-钢-铜复合工艺的研究

铜-钢-铜三级复合板广泛应用于军事、海洋、化工、制币等行业。三层复合板具有两大特点:一是增强材料功能;二是降低成本。如黄铜-钢复合板,既具有钢的高强度,又具有铜的耐蚀、热传导性能好、导电性好、美观等优点,还降低成本。当前国内研制的复合板主要对热轧复合工艺进行研究,本文旨在对铜合金-Q195-铜合金室温轧制复合工艺进行研究,以确定最佳的工艺参数,并对复合机理进行探讨。1腐蚀和反复弯曲试验试验用材料的化学成分如表1,其尺寸规格为:铜合金=370×60×1.8(mm),Q195=400×60×1.2(mm)。均退火状态。试验方案如图1所示。金相观察:将磨制好的试样用两种侵蚀溶液分别对铜合金和Q195进行腐蚀,铜合金侵蚀几分钟,Q195腐蚀几十秒后,在光镜下观察并照相,采用日本岛津EPM-810Q电子探针进行界面两侧的元素扩散测定。复合板结合强度的评定:采用反复弯曲试验对结合强度进行评定。试样在反复弯曲过程中受到剪应力,反复弯曲试验结果是以结合层弯曲处开始出现微裂纹时的反复弯曲次数来评价其结合强度。反复弯曲试样厚度应等于原来材料的厚度a,试样的宽度应等于2a+10mm,长度约为150mm,试样弯曲90°后再弯曲90°作为一次反复弯曲。其速度每分钟不超过60次,本试验所使用的夹口圆弧半径为5mm,拨杆距夹口平面的距离为35mm。2试验结果2.1边界变形量采用图1所示三种表面处理方法,进行室温轧制,找出其最小复合变形量即临界变形量,如表2。可见,方案三的临界变形量均为最小。2.2确定塑性较差在轧制复合过程中,为了降低成本,希望铜的变形量大一些。由于铜、钢的塑性相差不大,因此需要通过实验来确定,又由于本课题的特殊性,还要求上下层铜的压下量尽可能的相同。通过调整和改变轧制条件(如摩擦条件等),最终测得的几种铜合金与钢复合的单片压下量与总压下量的关系如图2所示。2.3白铜-钢-白铜复合黑铜(1)紫铜-钢-紫铜复合根据图2a,在总变形量为55%时,下层紫铜的变形量略大于上层紫铜,紫铜的变形量大于钢的变形1.8个百分点,大于总变形约1个百分点,钢的变形小于总变形约1个百分点。轧制复合板长L0=1000mm所需紫铜单片长度L1与钢单片长度L2为:∵ε紫=ε总(1+1.8%)=(L0−L1)/L0(1)∴L1=(1−0.55×1.018)×1000=440.1mm；∵ε钢=ε总(1−1.8%)=(L0−L2)/L0(2)∴L2=(1−0.55×0.982)×1000=459.9mm(2)白铜-钢-白铜复合根据图2b,由于在总变形量为54%时,下层白铜的变形量略大于上层白铜,白铜的变形量大于总变形量约3个百分点,并且钢的变形小于总变形量约8个百分点。轧制复合板长L0=1000mm所需白铜单片长度L1与钢单片长度L2为:∵ε白=ε总(1+5%)=(L0−L1)/L0(3)∴L1=(1−0.54×1.05)×1000=433mm∵ε钢=ε总(1−15%)=(L0−L2)/L0(4)∴L2=(1−0.54×0.85)×1000=541mm(3)黄铜-钢-黄铜复合根据图2c,在总变形量为54%时,下层黄铜的变形量略大于上层黄铜,黄铜的变形量大于钢的变形约2.7个百分点,大于总变形约0.4个百分点,钢的变形小于总变形约2.34个百分点。轧制复合板长L0=1000mm所需黄铜单片长度L1与钢单片长度L2为:∵ε黄=ε总(1+0.73%)=(L0−L1)/L0(5)∴L1=(1−0.54×1.0073)×1000=456mm∵ε钢=ε总(1−4.3%)=(L0−L2)/L0(6)∴L2=(1−0.54×0.957)×1000=483.2mm公式1～6是确定单位单片长度的公式,其中ε总要大于或等于给定的总变形量。2.4综合强度室温轧制复合几种复合板压下量与弯曲次数的关系见图3。3联合评价机制的分析(1)变形孪晶的形貌由图4a、b照片(其结合面的黑线是由于过腐蚀造成的)可见,铜一侧产生了弯曲的变形孪晶,并且保持着变形前滑移线的痕迹,距结合面10～15μm范围,晶粒细小看不到明显的边界;钢一侧晶粒大小均匀,并且有一定的方向性。由图4c可见,Fe向α-Cu中扩散程度小于Cu、Zn向Fe中的扩散。(2)丝清刷铁屑存在的晶界由图5a、b照片(其结合面的黑线是过腐蚀坑)可见,复合界面线平直,图5b中发现有经过钢丝清刷后直径5mm的铁屑存在;紫铜的晶粒较大,但距界面15μm范围已经看不到晶界了;钢一侧晶粒相对较小。由图5c发现,Fe向α-Cu中有微量的扩散,Cu的扩散相对大一些。(3)铜、钢的界面由图6a、b照片(其结合面的黑线是由于过腐蚀造成的)可见,铜的晶粒相对较大,并且清晰可见;靠近钢侧发现平直的白色亮线是变形后铜挤入铁的晶界或裂口中造成的。由图6c发现,Cu、Fe、Zn、Ni有一定量的扩散。总结上述,轧制复合经过大的塑性变形后,α-Fe晶粒有明显的复杂的滑移变形,同时由于铜、钢的塑性不同,经过钢刷处理过的表面产生了严重的加工硬化,在轧制压力作用下,铜、钢紧密的接触,由于摩擦的作用使钢表面与铜表面金属粘滞在一起流动,沿α-Fe晶界产生了切向应力,使得α-Fe晶粒发生了转动和移动,造成其表面晶粒间联系的破坏,出现了显微的空隙,由于加工硬化引起的应力集中,而使钢表面产生近似鱼鳞状的小裂口,铜合金不会因为轧制过程而出现裂口,只能是将铜合金表面的氧化层拉薄,当钢表面裂口的边缘刺破铜合金氧化层而使新鲜金属暴露使两金属结合在一起。这就是所谓的裂口机制。又由于在轧制复合过程中,要产生大量的变形热,还有摩擦热,会产生再结晶扩散现象,这样形成了初结合。再经过退火即形成了牢固的结合。根据Fe-Ni、Fe-Cu、Cu-Fe-Zn二元及三元合金相图,不形成中间脆性相。只要初结合状态良好,经退火后就一定有好的结合强度。4最佳工艺的确定(1)铜合金-Q195-铜合金三层复合板室温轧制复合工艺参数对复合界面的结合强度有非常重要的影响。其中表面处理、变形量是影响结合强度的主要因素,扩散退火温度、扩散退火时间从经济角度也应给以考虑。应选择的最佳复合工艺为:Q195用氮气在150℃烘干5min;轧制变形量大于48%;退火温度600℃;退火时间40min。(2)铜合金-Q195-铜合金室温轧制的复合机理,初结合主要是由于铜的变形量大于钢的变形量,铜与钢粘结在一起,使钢晶粒发生转动和移动,造成钢表面薄层晶粒间联系破裂,出现