銅-鋼-銅復(fù)合工藝的研究

銅-鋼-銅復(fù)合工藝的研究

銅-鋼-銅三級復(fù)合板廣泛應(yīng)用于軍事、海洋、化工、制幣等行業(yè)。三層復(fù)合板具有兩大特點:一是增強材料功能;二是降低成本。如黃銅-鋼復(fù)合板,既具有鋼的高強度,又具有銅的耐蝕、熱傳導(dǎo)性能好、導(dǎo)電性好、美觀等優(yōu)點,還降低成本。當前國內(nèi)研制的復(fù)合板主要對熱軋復(fù)合工藝進行研究,本文旨在對銅合金-Q195-銅合金室溫軋制復(fù)合工藝進行研究,以確定最佳的工藝參數(shù),并對復(fù)合機理進行探討。1腐蝕和反復(fù)彎曲試驗試驗用材料的化學(xué)成分如表1,其尺寸規(guī)格為:銅合金=370×60×1.8(mm),Q195=400×60×1.2(mm)。均退火狀態(tài)。試驗方案如圖1所示。金相觀察:將磨制好的試樣用兩種侵蝕溶液分別對銅合金和Q195進行腐蝕,銅合金侵蝕幾分鐘,Q195腐蝕幾十秒后,在光鏡下觀察并照相,采用日本島津EPM-810Q電子探針進行界面兩側(cè)的元素擴散測定。復(fù)合板結(jié)合強度的評定:采用反復(fù)彎曲試驗對結(jié)合強度進行評定。試樣在反復(fù)彎曲過程中受到剪應(yīng)力,反復(fù)彎曲試驗結(jié)果是以結(jié)合層彎曲處開始出現(xiàn)微裂紋時的反復(fù)彎曲次數(shù)來評價其結(jié)合強度。反復(fù)彎曲試樣厚度應(yīng)等于原來材料的厚度a,試樣的寬度應(yīng)等于2a+10mm,長度約為150mm,試樣彎曲90°后再彎曲90°作為一次反復(fù)彎曲。其速度每分鐘不超過60次,本試驗所使用的夾口圓弧半徑為5mm,撥桿距夾口平面的距離為35mm。2試驗結(jié)果2.1邊界變形量采用圖1所示三種表面處理方法,進行室溫軋制,找出其最小復(fù)合變形量即臨界變形量,如表2?？梢?方案三的臨界變形量均為最小。2.2確定塑性較差在軋制復(fù)合過程中,為了降低成本,希望銅的變形量大一些。由于銅、鋼的塑性相差不大,因此需要通過實驗來確定,又由于本課題的特殊性,還要求上下層銅的壓下量盡可能的相同。通過調(diào)整和改變軋制條件(如摩擦條件等),最終測得的幾種銅合金與鋼復(fù)合的單片壓下量與總壓下量的關(guān)系如圖2所示。2.3白銅-鋼-白銅復(fù)合黑銅(1)紫銅-鋼-紫銅復(fù)合根據(jù)圖2a,在總變形量為55%時,下層紫銅的變形量略大于上層紫銅,紫銅的變形量大于鋼的變形1.8個百分點,大于總變形約1個百分點,鋼的變形小于總變形約1個百分點。軋制復(fù)合板長L0=1000mm所需紫銅單片長度L1與鋼單片長度L2為:∵ε紫=ε總(1+1.8%)=(L0?L1)/L0(1)∴L1=(1?0.55×1.018)×1000=440.1mm；∵ε鋼=ε總(1?1.8%)=(L0?L2)/L0(2)∴L2=(1?0.55×0.982)×1000=459.9mm(2)白銅-鋼-白銅復(fù)合根據(jù)圖2b,由于在總變形量為54%時,下層白銅的變形量略大于上層白銅,白銅的變形量大于總變形量約3個百分點,并且鋼的變形小于總變形量約8個百分點。軋制復(fù)合板長L0=1000mm所需白銅單片長度L1與鋼單片長度L2為:∵ε白=ε總(1+5%)=(L0?L1)/L0(3)∴L1=(1?0.54×1.05)×1000=433mm∵ε鋼=ε總(1?15%)=(L0?L2)/L0(4)∴L2=(1?0.54×0.85)×1000=541mm(3)黃銅-鋼-黃銅復(fù)合根據(jù)圖2c,在總變形量為54%時,下層黃銅的變形量略大于上層黃銅,黃銅的變形量大于鋼的變形約2.7個百分點,大于總變形約0.4個百分點,鋼的變形小于總變形約2.34個百分點。軋制復(fù)合板長L0=1000mm所需黃銅單片長度L1與鋼單片長度L2為:∵ε黃=ε總(1+0.73%)=(L0?L1)/L0(5)∴L1=(1?0.54×1.0073)×1000=456mm∵ε鋼=ε總(1?4.3%)=(L0?L2)/L0(6)∴L2=(1?0.54×0.957)×1000=483.2mm公式1～6是確定單位單片長度的公式,其中ε總要大于或等于給定的總變形量。2.4綜合強度室溫軋制復(fù)合幾種復(fù)合板壓下量與彎曲次數(shù)的關(guān)系見圖3。3聯(lián)合評價機制的分析(1)變形孿晶的形貌由圖4a、b照片(其結(jié)合面的黑線是由于過腐蝕造成的)可見,銅一側(cè)產(chǎn)生了彎曲的變形孿晶,并且保持著變形前滑移線的痕跡,距結(jié)合面10～15μm范圍,晶粒細小看不到明顯的邊界;鋼一側(cè)晶粒大小均勻,并且有一定的方向性。由圖4c可見,Fe向α-Cu中擴散程度小于Cu、Zn向Fe中的擴散。(2)絲清刷鐵屑存在的晶界由圖5a、b照片(其結(jié)合面的黑線是過腐蝕坑)可見,復(fù)合界面線平直,圖5b中發(fā)現(xiàn)有經(jīng)過鋼絲清刷后直徑5mm的鐵屑存在;紫銅的晶粒較大,但距界面15μm范圍已經(jīng)看不到晶界了;鋼一側(cè)晶粒相對較小。由圖5c發(fā)現(xiàn),Fe向α-Cu中有微量的擴散,Cu的擴散相對大一些。(3)銅、鋼的界面由圖6a、b照片(其結(jié)合面的黑線是由于過腐蝕造成的)可見,銅的晶粒相對較大,并且清晰可見;靠近鋼側(cè)發(fā)現(xiàn)平直的白色亮線是變形后銅擠入鐵的晶界或裂口中造成的。由圖6c發(fā)現(xiàn),Cu、Fe、Zn、Ni有一定量的擴散。總結(jié)上述,軋制復(fù)合經(jīng)過大的塑性變形后,α-Fe晶粒有明顯的復(fù)雜的滑移變形,同時由于銅、鋼的塑性不同,經(jīng)過鋼刷處理過的表面產(chǎn)生了嚴重的加工硬化,在軋制壓力作用下,銅、鋼緊密的接觸,由于摩擦的作用使鋼表面與銅表面金屬粘滯在一起流動,沿α-Fe晶界產(chǎn)生了切向應(yīng)力,使得α-Fe晶粒發(fā)生了轉(zhuǎn)動和移動,造成其表面晶粒間聯(lián)系的破壞,出現(xiàn)了顯微的空隙,由于加工硬化引起的應(yīng)力集中,而使鋼表面產(chǎn)生近似魚鱗狀的小裂口,銅合金不會因為軋制過程而出現(xiàn)裂口,只能是將銅合金表面的氧化層拉薄,當鋼表面裂口的邊緣刺破銅合金氧化層而使新鮮金屬暴露使兩金屬結(jié)合在一起。這就是所謂的裂口機制。又由于在軋制復(fù)合過程中,要產(chǎn)生大量的變形熱,還有摩擦熱,會產(chǎn)生再結(jié)晶擴散現(xiàn)象,這樣形成了初結(jié)合。再經(jīng)過退火即形成了牢固的結(jié)合。根據(jù)Fe-Ni、Fe-Cu、Cu-Fe-Zn二元及三元合金相圖,不形成中間脆性相。只要初結(jié)合狀態(tài)良好,經(jīng)退火后就一定有好的結(jié)合強度。4最佳工藝的確定(1)銅合金-Q195-銅合金三層復(fù)合板室溫軋制復(fù)合工藝參數(shù)對復(fù)合界面的結(jié)合強度有非常重要的影響。其中表面處理、變形量是影響結(jié)合強度的主要因素,擴散退火溫度、擴散退火時間從經(jīng)濟角度也應(yīng)給以考慮。應(yīng)選擇的最佳復(fù)合工藝為:Q195用氮氣在150℃烘干5min;軋制變形量大于48%;退火溫度600℃;退火時間40min。(2)銅合金-Q195-銅合金室溫軋制的復(fù)合機理,初結(jié)合主要是由于銅的變形量大于鋼的變形量,銅與鋼粘結(jié)在一起,使鋼晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動和移動,造成鋼表面薄層晶粒間聯(lián)系破裂,出現(xiàn)