焦　宏，張　敏，閆中建

(山西省分析科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

兩道次熱軋法制備鋼/鋁復(fù)合板的結(jié)合性能研究

焦宏，張敏，閆中建

(山西省分析科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

摘要：試驗(yàn)采用熱軋法制備薄鋼/鋁復(fù)合板，研究了壓下量、軋制溫度和保溫時(shí)間對(duì)復(fù)合板界面組織和接合強(qiáng)度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，板材的接合強(qiáng)度隨軋制溫度和壓下量的增加先增大后減小。當(dāng)采用一道次熱軋時(shí)，界面接合性較差，經(jīng)過退火后，通過SEM和EDS分析發(fā)現(xiàn)，板材界面處產(chǎn)生FeAl、FeAl3和Fe2Al5等金屬間化合物層，導(dǎo)致接合強(qiáng)度降低。采用兩道次軋制工藝：第1道次溫度為300 ℃，保溫時(shí)間為30 min，壓下量為40%下軋制；第2道次溫度為600 ℃，保溫時(shí)間為10 min，壓下量為85%下軋制時(shí)，界面上未產(chǎn)生中間化合物，接合良好，經(jīng)測試最大接合強(qiáng)度達(dá)60 MPa。熱處理工藝對(duì)試樣接合強(qiáng)度有明顯影響，試樣的接合強(qiáng)度隨加熱溫度的升高和保溫時(shí)間的延長先增大后減小。

關(guān)鍵詞：鋼/鋁復(fù)合板；兩道次熱軋；接合強(qiáng)度；微觀形貌；中間化合物

鋼/鋁雙金屬復(fù)合材料因同時(shí)具有鋼的高韌性、高強(qiáng)度和鋁的高塑性、耐腐蝕、低密度等優(yōu)良性能，在建筑結(jié)構(gòu)、汽車家電和軍事裝備材料等行業(yè)[1-4]得到了越來越廣泛的應(yīng)用。制造鋼/鋁復(fù)合板材的關(guān)鍵就是要使接合層具有較高的接合強(qiáng)度，從而在高溫使用過程中不易開裂。板材在軋制后為了消除加工硬化，進(jìn)行退火熱處理工藝時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致脆性的中間化合物FeAl、FeAl3和Fe2Al5[5-6]等生成，這些化合物的存在，將嚴(yán)重削弱鋼/鋁界面的接合強(qiáng)度和沖壓使用性能，這也是造成復(fù)合板斷裂的主要因素；因此，如何抑制或減少脆性中間化合物的產(chǎn)生成為提高復(fù)合板接合性能的關(guān)鍵，如何通過確定簡單合理的制備工藝進(jìn)行界面控制，以達(dá)到穩(wěn)定界面接合成為該類復(fù)合材料制備及應(yīng)用的難點(diǎn)。

本試驗(yàn)采用兩道次熱軋法制備鋼/鋁復(fù)合板，擬在高溫時(shí)大的壓下量下軋碎Fe-Al脆性化合物，減少Fe-Al化合物的產(chǎn)生，促進(jìn)新鮮金屬基體的接合，進(jìn)而提高板材的接合強(qiáng)度，研究不同的軋制工藝條件下鋼/鋁板的接合強(qiáng)度大小，以改善鋼/鋁板的高溫使用性能。

1試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)選用5083鋁合金板，尺寸規(guī)格為45 mm×15 mm×1.2 mm；Q235鋼板，尺寸規(guī)格為45 mm×15 mm×1.5 mm。Q235鋼和5083鋁合金的化學(xué)成分分別見表1和表2。試驗(yàn)用主要設(shè)備有BKDφ130試驗(yàn)軋機(jī)、DK7735錐度電火花數(shù)控切割機(jī)床、高溫箱式電阻爐、電子萬能試驗(yàn)機(jī)和掃描電子顯微鏡(MIRA3-SEM)等。

表1　Q235鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　(%)

表2　5083鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　(%)

圖1　粘接拉伸示意圖

試驗(yàn)基本流程：試樣切割→酸洗→堿洗→烘干→鋼/鋁板接合面打毛→軋前熱處理→軋制復(fù)合。試驗(yàn)中先采用一道次軋制，壓下量設(shè)定為40%、50%、70%、80%、85%和90%，以期獲得最佳的軋制壓下量。之后，采用兩道次軋制工藝：第1道次為300 ℃保溫30 min，40%壓下量下軋制，使鋼/鋁板實(shí)現(xiàn)簡單的機(jī)械接合，消除板材表面氧化膜的產(chǎn)生；第2道次為500~650 ℃保溫5~15 min，最佳壓下量下軋制，以期獲得最佳的軋制工藝。軋后用電火花切割機(jī)床將試樣切成φ10 mm的圓片，將圓片上下表面用2000#SiC砂紙打磨光潔平整，用TBS800高強(qiáng)膠將圓片粘接在2根φ10 mm的不銹鋼圓棒中間，如圖1所示。粘接好的試樣在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上做拉伸試驗(yàn)，檢測其層界面接合強(qiáng)度。拉伸速率為0.1 mm/s，接合強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

σ=F/S=F/πR2=F/88.5

式中，σ是接合強(qiáng)度；F是拉伸力；S是圓片的截面積；R是圓片的半徑。

2試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1接合性能的測定

試驗(yàn)中通過粘接拉伸法對(duì)試樣進(jìn)行接合強(qiáng)度的測試，當(dāng)圓片被拉開時(shí)，測得的接合強(qiáng)度結(jié)果如圖2所示。

圖2　鋼/鋁板一道次和兩道次熱軋后接合強(qiáng)度測試結(jié)果

從圖2可以看出，鋼/鋁板的接合強(qiáng)度隨著壓下量的增加會(huì)逐漸增大，主要是由于壓下量越大，上下金屬形成金屬鍵合的區(qū)域越大，彼此接合強(qiáng)度也就越大。壓下量為85%時(shí)，壓下量達(dá)到臨界值，兩金屬發(fā)生粘合而不張開，接合強(qiáng)度達(dá)到最大，而且一旦產(chǎn)生粘合，將對(duì)保護(hù)金屬間界面不再受氧化起積極作用。經(jīng)過兩道次軋制的接合強(qiáng)度(接近60 MPa)明顯要高于一道次軋制(約為20 MPa)。一道次軋制時(shí)，金屬質(zhì)點(diǎn)會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)，兩金屬界面的微觀尖凸、凹部分將彼此相接，而形成所謂擴(kuò)散焊接機(jī)理接合，相接部分將產(chǎn)生強(qiáng)烈的金屬鍵，在宏觀上產(chǎn)生粘合，為隨后的擴(kuò)散及四邊形空洞的球化、縮小直至消失創(chuàng)造有利條件[7]。但實(shí)際并非那樣簡單，即使道次壓下量達(dá)70%，其真實(shí)復(fù)合面積亦相當(dāng)小，大部分界面間隙尺寸遠(yuǎn)大于原子半徑尺寸，而不足以形成金屬鍵，只能形成小部分面積的粘合。其原因首先是由于氧化膜的存在，需要一定深度的延伸方能將其拉裂，從而得到無氧化的新鮮金屬表面；再則是兩金屬氧化膜斷痕位置的偶然性，使得一種金屬的新鮮質(zhì)點(diǎn)勢必與另一種金屬的氧化膜及新鮮質(zhì)點(diǎn)接觸。兩道次熱軋制時(shí)，鋼與鋁將發(fā)生強(qiáng)烈的互擴(kuò)散，造成金屬界面的消失，從而原子間形成良好的接合[8]。當(dāng)壓下量超過85%時(shí)，2種板材的接合強(qiáng)度陡然下降。

2.2微觀形貌分析

試驗(yàn)中對(duì)鋼/鋁板界面進(jìn)行微觀分析，其SEM圖如圖3所示。

圖3　鋼/鋁復(fù)合板界面SEM圖

如圖3a所示，經(jīng)過兩道次軋制的復(fù)合板界面接合良好，平整無開裂。在加熱過程中，經(jīng)過兩道次軋制，有利于金屬軟化變形，使母體金屬能接近到原子半徑范圍內(nèi)，從而產(chǎn)生強(qiáng)列的金屬鍵。此外，高溫提高了原子的振動(dòng)能量，利于金屬的適當(dāng)擴(kuò)散。實(shí)際上，擴(kuò)散和變形的整個(gè)過程是相互作用的，變形引起晶界調(diào)整，加強(qiáng)了局部擴(kuò)散過程，加速了晶界周邊空洞的縮小和消失；另外，高溫條件也提高了母體對(duì)金屬氧化物的滲解作用，從而減少了復(fù)合阻力，有利于塑性流動(dòng)，使得上下金屬迅速流動(dòng)填補(bǔ)空檔，并接觸在一起，在該區(qū)域內(nèi)形成強(qiáng)有力的金屬鍵，達(dá)到所謂的冶金結(jié)合[9]。如圖3b所示，經(jīng)過一道次軋制的復(fù)合板，界面上產(chǎn)生厚度約30 μm的成梯度的中間化合物層，由圖3c線掃描分析得知，這些化合物的主要組成為FeAl、FeAl3和Fe2Al5等。由于這些化合物與上下兩金屬以非共格或半共格連在一起，且大都硬而脆，是整體的化合物斷裂。在軋制過程中，一旦形成化合物斷裂裂縫，裂縫將迅速沿垂直于軋制方向發(fā)展，直到抵達(dá)兩新鮮金屬(兩母體金屬)基體，造成板材的開裂。

2.3熱處理工藝對(duì)接合強(qiáng)度的影響

本試驗(yàn)研究了退火溫度和退火時(shí)間對(duì)鋼/鋁復(fù)合板材接合強(qiáng)度的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同熱處理工藝對(duì)兩道次軋制鋼/鋁板組織的影響

從圖4可以看出，板材整體的低溫接合性明顯不如高溫接合性好。從圖4a和圖4b可以看出，當(dāng)?shù)蜏囟虝r(shí)間退火時(shí)，原子振動(dòng)能量低，不足以進(jìn)行互擴(kuò)散，形成良好的接合，低溫長時(shí)間退火時(shí)，界面接合性有所改觀，但仍然存在一定的裂隙；當(dāng)退火溫度升高時(shí)，原子的振動(dòng)能增加，有利于原子的適當(dāng)擴(kuò)散，但短時(shí)間退火不足以形成良好的金屬鍵合，如圖4c所示；當(dāng)保溫時(shí)間延長時(shí)，基體金屬間原子獲得充足激活能與擴(kuò)散時(shí)間，形成鋼鋁固溶體，實(shí)現(xiàn)良好的接合，提了高接合強(qiáng)度，如圖4d所示；當(dāng)退火時(shí)間進(jìn)一步延長時(shí)，擴(kuò)散到彼此金屬間的原子增多，超過臨界值時(shí)，中間相就產(chǎn)生了，中間相的產(chǎn)生大大降低了板材的接合強(qiáng)度，如圖4e所示；軋制溫度過高時(shí)，大量的中間相復(fù)合物層形成，縮小了產(chǎn)生金屬鍵合的區(qū)域，使得接合強(qiáng)度降低[10-11],如圖4f所示。

3結(jié)語

本試驗(yàn)采用兩道次熱軋法制備鋼/鋁復(fù)合板，并與一道次軋制做比較，得出經(jīng)過兩道次軋制的鋼/鋁復(fù)合板的接合性能明顯要高于一道次軋制工藝，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目的，并得到如下結(jié)論。

1)鋼/鋁復(fù)合板的接合強(qiáng)度隨著壓下量的增加逐漸增大，當(dāng)壓下量為85%時(shí)達(dá)最大，壓下量超過85%時(shí)，突然下降。經(jīng)過兩道次軋制的鋼/鋁復(fù)合板的接合性能與一道次軋制相比有明顯改善，一道次僅約為20 MPa，而兩道次接近60 MPa。最佳工藝條件為第1道次為300 ℃保溫30 min，40%壓下量軋制；第2道次為600 ℃保溫10 min，85%壓下量下軋制。

2)鋼/鋁復(fù)合板在一道次熱軋制后經(jīng)退火時(shí)，界面上產(chǎn)生中間擴(kuò)散層，主要組織是FeAl、FeAl3和Fe2Al5，它們的存在降低了板材的接合性能。高溫長時(shí)間或是低溫?zé)崽幚項(xiàng)l件都不利于板材間原子擴(kuò)散接合，易使接合強(qiáng)度下降。

參考文獻(xiàn)

[1] Si X，Lu B N，Wang Z B，et al. Aluminizing low carbon steel at lower temperatures[J]. Mater Sci Technol., 2009, 25:433-436.

[2] Murakami K，Nishida N，Osamura K Y，et al．Aluminization of high purity iron and stainless steel by powder liquid coating[J]. Acta Materialia，2004,52:2173-2184.

[3] 孫偉，蔡啟舟，羅強(qiáng)，等．?dāng)U散退火對(duì)熱浸鍍鋁層組織與抗高溫氧化性的影響[J]．材料熱處理學(xué)報(bào)，2011，32(1): 114-120.

[4] 楊世偉，李莉，李里，等.不銹鋼熱浸鍍鋁抗高溫氧化性能研究[J]．材料熱處理學(xué)報(bào)，2002，23(4):51-53.

[5] 王興慶，呂海波．鐵鋁原子在金屬間化合物形成中的擴(kuò)散[J]. 上海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1998，4(6):661-667.

[6] 韓煒，尹付成，蘇旭平，等. 硅對(duì)Fe/Al固態(tài)擴(kuò)散反應(yīng)中Fe2Al5生長動(dòng)力學(xué)的影響[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2010，31(6):28-32.

[7] 胡應(yīng)坎，汪柞文.銅/鋁軋制復(fù)合工藝研究及參數(shù)選定[J]. 云南冶金，1987，12(8):44-47.

[8] 張毅斌，王群驕.包鋁鎂板軋制復(fù)合機(jī)理的研究[J].材料開發(fā)于應(yīng)用，2009，12(1003-1545):72-76.

[9] Derby B，Wallach E R. Preparation of SiC fiber reinforced nickel matrix composite[J]. Met Sci，1984，18：54.

[10] 卡扎科夫.材料的擴(kuò)散焊接[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1982.

[11] 張利軍，申偉. 薄壁鋁合金材料熱處理工藝技術(shù)研究[J]. 新技術(shù)新工藝，2013(6):104-105.

責(zé)任編輯鄭練

Study on Binding Property of Steel/Aluminum Laminated Sheets Fabricated by Two-pass Hot Rolling

JIAO Hong, ZHANG Min, YAN Zhongjian

(Shanxi Analytical Sciences Institute, Taiyuan 030006, China)

Abstract:Thin steel/Al laminated sheets are fabricated by hot rolling; the effects of reduction, rolling temperature and heat treatment on the bonding strength and interface tissue of steel/Al laminated sheets are studied. The results show that the bonding strength of the laminated sheets increases firstly but decreases later with the increasing rolling temperature and reduction. During the one-pass hot rolling, the binding property of interface is weak. FeAl, FeAl3and Fe2Al5generated on the interface after annealing observed by SEM and EDS, which decrease the bonding strength. After the two-pass hot rolling (In the first-pass, it is heated at 300 ℃ for 30 min and reduction of 40%; In the second-pass; it is heated at 600 ℃ for 10 min and reduction of 85%), there are no intermetallics came into being on the interface and bonded well of the sheets, and the maximum tested bonding strength is nearly 60 MPa. In addition, heat treatment has a great influence on the bonding strength; the bonding strength increases firstly but decreases later with the increasing heat temperature and holding time.

Key words:steel/Al laminated sheet, two-pass hot rolling, bonding strength, microstructure, intermediate compound

收稿日期：2014-10-15

作者簡介：焦宏(1982-)，男，助理研究員，主要從事材料制備及合成等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TG 441.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A