铸轧法制备铜-铝-铜复合板的界面组织与性能

第３６卷第３期　２０１５年　６月　河南科技大学学报：自然科学版　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｅｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｖ０１．３６　ＮＯ．３　Ｊｕｎ．　２０１５　文章编号：１６７２—６８７１（２０１５）０３—０００１—０５　铸轧法制备铜一铝一铜复合板的界面组织与性能　张衡　，谢敬佩　，尚郑平　，李继文　，孙浩亮　（１．河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳４７１０２３；２洛阳铜一金属材料发展有限公司，河南洛阳４７１１００）　摘要：采用铸轧法制备了不同厚度的铜一铝一铜复合板，并分别采用拉伸试验、剥离试验、ｘ射线衍射仪、能谱　点分析（ＥＤＳ）、扫描电镜（ＳＥＭ）和能谱线扫描分析（ＥＰＭＡ）等对复合板力学性能、形貌和组成进行了检测。　检测结果表明：界面层的主要组成物为　（Ａ１）、ＣｕＡ１　、Ｃｕ　Ａ１　。板厚从６　ｍｍ增大到１４　ｍｍ时，界面层厚度和　ｃｕ、Ａｌ原子扩散程度均逐渐增加。抗拉强度从１１５　ＭＰａ增大到１３５　ＭＰａ，延伸率从２５％增加至３１％，剥离强　度从３０　Ｎ／ｍｍ增大至３５　Ｎ／ｍｍ，剥离强度即为界面层结合强度。　关键词：铜一铝一铜复合板；水平连铸；界面层；剥离强度　中图分类号：ＴＢ３３１；ＴＧ１４６．１；ＴＧ１４６．２　文献标志码：Ａ　０　引言　中国铜资源紧缺，而铝资源相对丰富，为了节省铜资源，开发了铜包铝电缆、铜一铝一铜复合排、　铜一铝一铜复合箔等种类繁多的铜铝复合材料　。铜一铝一铜复合板是一种铜铝双金属复合材料，　充分发挥了铜的高导电、高导热率和铝的密度低、抗腐蚀、价格便宜等优点，既经济又满足了使用性能，　在导电、导热和装饰等行业得到广泛应用。。　。　铜一铝一铜复合板的制备方法主要有爆炸焊接法、轧制复合法和双结晶器连铸法、钎焊热轧法、扩　散焊接法等，但这些制备方法生产效率低、工艺相对复杂、复合板厚度调节范围小、复合强度不高　。　本试验采用的制备方法是在氩气保护下对液态铝和铜板进行连续铸轧，制得铜铝复合金属板带，不但避　免了铝的氧化，而且实现了铜铝的牢固结合，此方法具有生产工艺简单、成本低、复合板厚度可调范围大　等优点，可用于批量生产。目前，对铸轧法制备复合板的研究，主要集中在铜板预热温度、铝液浇注温度　以及轧辊冷却水流量等工艺参数方面　，铸轧板厚度对复合板各项物理性能和界面层微观形貌具有重　要影响，但对其研究较少。本文选取了３种铸轧板厚度，分析了不同铸轧厚度对板材界面层微观形貌、　物相种类以及板材力学性能的影响，为铸轧工艺的研究提供了理论参考。　１　试验方法　１．１　铜一铝一铜复合板的制备　铸轧法制备复合板设备如图１所示，本设备可用于　生产铜一铝一铜三层复合板，也可生产铜一铝两层复合　板。经过打磨、碱洗、水洗、酸洗和二次水洗等预处理后　的紫铜板（铜质量分数为９９．８％）被分别装在两个转速　相同，但转向相反的放卷机上，向预热设备移动；预处理　后的铜板在氨气的保护下经过预热设备后达到２００℃，　在氩气保护下，将７００　ｏＣ的铝液（铝质量分数为　１．放卷机；２．预处理后的铜板；３．预热设备；　９７．６％）浇注在上下层的铜板之间；最后，经过水冷轧辊　４．铝溶液；５．浇嘴；６．水冷轧辊；７．复合板；８．收卷机。　与上下层铜板的接触与轧制，形成性能良好的铜一铝一　图１　铸轧复合板设备示意图　基金项目：河南省重大科技专项基金项目（１０２１０５０００００７）　作者简介：张衡（１９８９一），男，河南商丘人，硕士生；谢敬佩（１９５７一），男，河南安阳人，教授，博士，博士生导师，主要从事金属复合　材料的研究．　收稿日期：２０１４—１０—２８　ｒ｝ｒ｝ｒ｝第３期　张衡，等：铸轧法制备铜一铝一铜复合板的界面组织与性能　引　ｍ・５・　１ｉ¨　均平直光滑，无缩孔、裂纹、杂质等缺陷。随着复　表３铜侧剥离面点分析结果　合板厚度从６　ｍｍ增加至１４　ｍｍ，界面层厚度从　０．４　ｍ逐渐增加至２．０　ｍ。Ｃｕ、Ａｌ原子扩散程　度均逐渐增加。界面层的主要组成物为　（Ａ１）、　ＣｕＡ１，和Ｃｕ。Ａ１　。　（２）铜一铝一铜复合板材具有较高的抗拉强　度和延伸率，随着复合板厚度的增加，复合板抗　拉强度和延伸率均逐渐增大。抗拉强度从６　ｍｍ　时的１１５　ＭＰａ增大到１４　ｍｍ时的１３５　ＭＰａ；６　ｍｍ　板的延伸率为２５％，板厚增大到１４　ｍｍ时，延伸率增加至３１％。３种厚度复合板的抗拉强度和延伸率　均介于纯铜和纯铝之间，且更接近于工业纯铝。　（３）复合板的剥离强度即为界面层的结合强度，且在一定范围内，随着界面层厚度的增加，剥离强　度逐渐增大。　参考文献：　［１］　中国有色金属工业信息中心．世界铜铝铅锌产量、消费量统计［Ｊ］．世界有色金属，２００９（１２）：５８—５９．　［２］　黄伯运．我国有色金属材料现状及发展战略［Ｊ］．中国有色金属学报，２００４，１４（ｓ１）：１２２—１２７．　［３］谢世坤，易荣喜，夏翔．铜包铝复合金属线材的性能测试与分析［Ｊ］．井冈山学院学报，２００７，２８（１０）：３８—４２．　［４］　朱正吼．ＣｕＡ１　／Ａ１复合材料的固相反应合成技术与Ａｌ液的接触反应研究［Ｊ］．南京航空航天大学学报，１９９７，２９　（５）：５６４—５６９．　唐大保．铜铝复合母线排在低压成套开关设备中的研究与应用［Ｊ］．机床电器，２０１２（２）：５０—５２．　杨永顺，杨栋栋，杨明，等．铜铝复合板热挤压成形工艺［Ｊ］．河南科技大学学报：自然科学版，２０１１，３２（６）：１—３．　张锐，林高用，王莉，等．热处理工艺对Ａ１／Ｃｕ双金属复合界面的影响［Ｊ］．兵器材料科学与工程，２０１１，３４（５）：５—８．　张红安，陈刚．铜／铝复合材料的固一液复合法制备及其界面结合机理［Ｊ］．中国有色金属学报，２００８，１８（３）：４１４—　４２０．　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．ＧＢ／Ｔ　２２８－－２００２金属材料室温拉伸试验方法［Ｓ］．北京：中国标准　出版社，２００２．　刘鸣放，刘胜新．金属材料力学性能手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１１：４６３—４６５．　吴永福，刘新华，谢建新．连铸直接成形矩形断面铜包铝复合材料界面及其在轧制中的变化［Ｊ］．中国有色金属学　报，２０１３，２３（１）：１９１—２００．　Ｇｕｏ　Ｙ　Ｊ，Ｑｉａｏ　Ｇ　Ｊ，Ｊｉａｎ　Ｗ　Ｚ，ｅｔ　ａ１．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｔｅｎｓｉｌｅ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　Ｃｕ—ＡＩ　Ｍｕｌｔｉ—ｌａｙｅｒｅｄ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　Ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　Ｐｌａｓｍａ　Ａｃｔｉｖａｔｅｄ　Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：Ａ，２０１０，５２７（２０）：５２３４—５２４０．　张迎晖，王达，赵鸿金，等．轧制压下率对Ｃｕ／Ａ１层状复合材料界面扩散层生长的影响［Ｊ］．特种铸造及有色合金，　２０１１，３１（６）：５６１—５６４．　王达．Ｃｕ／Ａ１层压复合材料结合机理及界面反应的研究［Ｄ］．赣州：江西理工大学，２０１１：１２—４５．　廖文俊，刘新宽，王宇鑫．高性能铜／铝复合排的制备及界面机理［Ｊ］．同济大学学报：自然科学版，２０１２，４０（８）：　１２３４—１２３８．　吴云忠，马永庆，张洋，等．铜包铝线材室温拉变形后的显微组织和力学性能［Ｊ］．中国有色金属学报，２００６，１６　（１２）：２０６６—２０７０．　Ｓｈｅｎｇ　Ｌ　Ｙ，Ｙａｎｇ　Ｆ，Ｘｉ　Ｔ　Ｆ，ｅｔ　ａ１．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｈｅａｔ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｏｆ　Ｃｕ／Ａ１　Ｂｉｍｅｔａｌ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｂｙ　Ｃｏｌｄ　Ｒｏｌｌｉｎｇ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　Ｂ：Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，４２（６）：１４６８—１４７３．　　１；