45钢与QAl9-4铝青铜的界面冶金分析.pdf

铸 造 F OUNDRY J u n ． 2 0 1 5 V o 1 ． 6 4 N0 ． 6 4 5 1x- ] 与QA I 9 4 铝青铜的界面冶金分析 陈文革，侯林涛 ，罗启文 ，刘盈斌 西安理工大学材料科学与工程学院，陕西西安 7 1 0 0 4 8 摘 要 采用高温真空 气氛熔铸的复合工艺制备TQ A 1 9 4 铝青铜与4 5 钢双金属复合材料，并对其界面的微观组织结 构 、元素 分布进行 了系统研究 。结果表 明，在真 空度 为 1 0 t ～1 0 。 P a 下 ，加热 到1 1 5 0℃保 温9 0 mi n ，降温时通入 纯 氩气 的高温真空熔铸法 可制备铜钢双金 属复合材料 ，其组 织分布合理 ，复合界 面出现 “ 舌状 ” 、 “ 锯齿 状 ”突起 ，界 面清晰无气孔、夹杂等缺陷，存在4 0 2 0 0 Ix m过渡区域，有合金元素互扩散现象和少量中间相形成 ；断口发生在铝 青铜侧 ，呈现撕裂棱加韧窝的准解理断裂特征；复合界面主要存在熔合结合 、表面扩散和晶界渗透三种复合形式 ， 其 中表面扩散和 晶界 扩散是形成过 渡区的主要 因素 。 关键词铜钢复合材料 ；界面分析 ；组织性能 ；复合机理 中图分类号 T G1 1 3 ． 1 2 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 4 9 7 7 2 0 1 5 0 6 0 5 3 8 0 5 An a l y s i s o f I n t e r f a c e Me t a l l u r g y B on d i n g o f 4 5 St e el a n d QAI 9 ． 4 Al u mi n u m Br o n z e C H E N We n g e ， HO U L i n t a o ， L UO Qi we n ， L 1 U Yi n g b i n S c h o o l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， Xi ’a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， x i ’a n 7 1 0 0 4 8 ， S h a a n x i ， C h i n a A b s t r a c t I n t h i s p a p e r , Q A1 9 4 a l u mi n u m b r o n z e a n d 4 5 s t e e l b i me t a l c o mp o s i t e ma t e r i a l w a s p r e p a r e d b y t h e hi g h t e mp e r a t u r e v a c u u m a n d a t mos p he r e c a s t i n g p r o c e s s ． Th e i nt e r f a c i a l mi c r o s t r u c t u r e a n d e l e me n t di s t r i bu t i o n of t he c o p pe r s t e e l c o mp os i t e s we r e o bs e r v e d ． The r e s u l t s s h o w t ha t c o p pe r s t e e l bi m e t a l c o mp os i t e s c a n be f a b r i c a t e d whe n t he f o l l o wi ng c o nd i t i o n s we r e s a t i s fie d s u c h a s t he v a c uu m d e g r e e i n t he r a n g e o f 1 0 - 1 0 P a a n d h e a t r e t a i n i n g a t 1 1 5 0℃ f o r 9 0 mi n a n d c o o l i n g wi t h p u r e a r g o n a t mo s p h e r e ． T h e l i g u l a t e a n d z i g z a g p h e n o me n o n a p p e a r s i n b o n d i n g i n t e r f a c e o f c o p p e r a n d s t e e l c o mp o s i t e s ． Th e r e i s 4 0 2 0 0 Ix m wi d t h c l e a r t r a n s i t i o n a r e a a n d t h e p o r o s i t y a n d i n c l u s i o n s d e f e c t s a r e n o t o b s e rve d i n t h e t r a n s i t i o n a r e a , b u t a l l o y e l e me nt s d i f f us i o n ph e n o m e n o n a n d s ome i n t e r p h a s e wa s o bs e rv e d ．Th e f r a c t u r e me c h a ni s m o f s a mpl e i s t e a r i n g e dg e a n d t o ug h e n i n g f e a t ur e s o fq u a s i c l e a va g e f r a c t u r e ． The r e a r e t h r e e c o mp os i t e for ms ， na m e l y f us i o n , s u r f a c e d i f f u s i o n a n d gra i n b o u n d a r y p e n e t r a t i o n ． An d gra i n b o u n d a ry d i f f u s i o n i s t h e ma i n f a c t o r t h a t for ms t h e t r a n s i t i o n z o n e ． Ke y wo r d s c o p p e r a n d s t e e l c o mp o s i t e s ； i n t e r f a c i a l a n a l y s i s ； mi c r o s t r u c tur e a n d p r o p e r t i e s ； me c h a n i s m 铜钢复合是铜钢在界面上实现牢固冶金结合的一 种新型双金属复合材料 ，不仅保持原有铜钢基体性能 的优点 ，而且通过重新组合 ，微观结合 的相互作用 ， 在宏观上 出现了原组元所不具备 的新功能，它兼有钢 的高强度 、高韧性又有铜的优异导电和抗腐蚀性能等 良好的综合性能n -2 】 。铜钢双金属复合材料的性能与界 面性质密切相关 。国内外学者对复合材料的界面进行 大量研究 ，包括界面析出相 、界面扩散 、界面区微结 构 、界面结合状态和界面 区内的缺 陷等[ 3 - l 。良好 的界 面结构应该能够有效地调节材料的内应力分 布，减少 应力集 中，并能有效地传递应力载荷等信息。确定界 面上有析 出物可能是增强体与基体通过扩散反应而在 界面处形成的新相 ，也可能是基体组元与相界处杂质 元素反应在界面处优先形核而成为新相 。随着界面层 各元素在一定温度与时间下的相互扩散 ，界面将发生 一 系列的物理化学变化 ，从而对复合材料的性能产生 重大影响。 关于铜钢双金属复合界面过渡层的形成一般被认 为是液态铜首先在固态钢基体金属表面发生浸润和漫 流，而后通过母材原子的互扩散达到良好的结合状态 ， 但 目前 尚无统一的观点[8 - 0 1 。为此 ，本文通过对高温真 空 气氛熔铸法制备的铜钢双金属复合材料的界面显微 组织 、元素分布加 以观察分析 ，探讨 了复合界面的显 微组织 、相结构及过渡层的形成机制 ，旨在为铜钢双 金属复合材料的设计提供依据。 基金项 目西安市科技攻关项 目[ C XY1 4 3 0 8 ] 。收稿 日期 2 0 1 5 - 0 3 1 2 收到初稿 ，2 0 1 5 -04 1 6 收到修订稿 。 作者简介 陈文革 1 9 6 9 一 ，男 ，教授 ，博士 ，从事新型功能材料和粉末冶金复合材料的研究 ，E ma i l wg c h e n 0 0 1 2 6 3 ．n e t 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 铸造 陈文革等 4 5 钢与Q A I 9 4 铝青铜的界面冶金分析 5 4 1 由固态金属的表面情况决定 ，因此对 固态金属表面进 行清洗打磨 ，一方面可以去除氧化膜 ，另一方面可以 加大表面粗糙度 ，这样能有效地提高 s o 值，而减小 值 ，有利于液态金属沿基体金属表面浸润和漫流。选 用合金成分较多的金属作为复合材料 ，在液 固复合时 合金中的元素可以起到表面活化作用也可 以有效地降 低 ，相对高的熔炼温度 ，使得金属原子的活动能 力增强 ，既可以降低y ，又可以降低y 礼 ，这样也能有 效提高两种材料的润湿性。金属材料液一 固相结合的先 决条件是通过界面的润湿形成真实有效的接触。试验 所制的铜钢双金属复合界面均匀连续 、结合 良好 ，说 明复合的过程中都形成了良好的接触界面润湿状态。 铜液浸渗过程中，高温铜液与固态基体钢料表面 直接接触 ，由于两侧基体材料 中所含合金元素不同而 存在浓度梯度 ，其各 自所含元素会从高浓度的区域 向 低浓度的区域进行扩散 ，这就包括铜液中的各元素 向 固态基体钢料一侧扩散 ，同时固态基体钢侧的各合金 元素也向铜液中溶解扩散 ，接触层在高温真空的作用 下使得两侧原子扩散进一步进行 。在浓度梯度作用下 ， 并且较长的保温时间下 ，各元素进行充分的自由扩散 ， 直到凝固冷却完成扩散结合。高温复合过程 中两种基 体材料所含各元素之间的相互扩散 的量可以通过扩散 定律【 川 来衡量 d 一 D s d t 2 式中d 为合金元素组分的扩散量 ；D为扩散系数 ；S 为 扩散面积 ； 为在扩散方向上扩散组分的浓度梯度；t I x 为扩散时间。 由公式 2 可以看出，影响复合结合面处各合金 元素扩散量的主要 因素有 扩散系数 、扩散面积 、浓 度梯度和扩散时间。其中扩散面积取决于复合时固液 两相的接触面积 ，因此复合熔铸前对金属表面进行相 应的打磨 、除杂 、清洗处理 ，可以增加两相基体的有 效接触面积 ；而浓度梯度则 与所用材料 的成分有关 ； 扩散时间取决于复合熔铸所设计 的工艺 ，因此设计 了 9 0 mi n 较长的保温时间。 在铜钢复合过程 中，两接触面润湿 以后已经达到 原子间的距离 ，高温液态金属迅速沿 固态金属表面铺 展 ，形成大量有效 的结合点。由于保温时间较长 ，各 原子充分接触并相互作用，首先沿接触表面扩散，图1 中的界面处亮 白色区域就是原子沿表面扩散的集 中区， 结合E Ds 能谱说 明F e 原子 、C u 原子之间发生了互扩散 并形成了原子键合 ，即证明了铜钢界面形成了 良好 的 冶金结合。表面扩散区的原子浓度较高 ，各原子会进 一 步向晶内扩散 ，晶内原子也会 向晶外扩散 ，导致富 F e 和富C u 区形成F e ． c u 二元合金相 ，最后在界面结合处 形成一个过渡层 ，过渡层如图1 中所示。 当液态金属与 固态金属接触时 ，液态金属不仅沿 着 固态金属表面铺展扩散 ，同时还会沿着固态金属的 晶界扩散 ，从而发生晶间渗透【 垌 。通常 ，当液态金属 存在于基体金属 的晶界时，液态金属在两个基体 晶粒 之间张开的角 称为二面角，图5 为晶间渗透发生条件 的力学示 意 图 y f 2 邮 c o s 0 ／ 2 3 式中‰ 为基体金属中两相邻晶粒间的界面能； 为 液态金属与基体金属晶粒间的界面能 ； 为二面角。 8 图5 表面张力平衡不 意图 F i g ． 5 T he b a l a n c e s c he ma t i c o f s u r f a c e t e ns i o n 要使液态金属沿着基体金属 的晶界进行渗透 ，则 必须满足界面能的变化 2 ‰ c o s 0 ／ 2 为正值 ，提 高界面的润湿性能减小 邮，液态金属温度越高润湿性 越好 ，适 当提高金属液温度有助于晶间渗透的发生 ； 由于对原料 的加工及表面打磨等在固态金属表层存在 的大量金属缺 陷，使得 得 到一定的提高 ，所以也就 更易于发生晶间渗透 。如图1 所示 ，晶界处白色区域就 是原子沿 固态基体金属晶间扩散的集 中区，液态金属 原子优先沿晶界渗透扩散 ，扩散过程 中会与晶内原子 构成一定浓度梯度 ，原子相互扩散形成了晶界扩散区， 因此晶界也是扩散形成的主要通道。 3 结论 1 在真空度为1 0 - 2 1 0 。 P a ，加热到1 1 5 0℃保温 9 0 mi n ，降温时通入9 9 ． 9 9 ％的氩气的高温真空 气氛熔 铸法可制备铜钢双金属复合材料 ，其结合 面呈 “ 舌 状” 、 “ 锯齿状”突起 ，界面较清晰无气孔 、夹杂等缺 陷 ，存在一个4 0 2 0 0 m过渡区域且有 中间相A 1 F e 形 成。 2 Q A 1 9 4 铝青铜／4 5 钢复合试棒从Q A 1 9 4 铝青铜 侧拉伸断裂 ，试样断 口呈现撕裂棱和韧窝为主的准解 理断裂特征 ，在宏观上表现出一定的塑性。 3 结合界面主要存在熔合结合、表面扩散和晶 界渗透三种复合形式 ，在高温真空情况下铜液沿固态 钢料表面铺展弥漫发生固液熔合结合 ；由于两侧基体 材料 中所含合金元素不同而存在浓度梯度 ，其各 自所 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 4 2 F OUNDRY J u n ． 2 01 5 Vo 1． 6 4 N0 ． 6 含元素会从 高浓度的区域向低浓度的区域进行扩散 ； 液态金属原子优先沿晶界渗透扩散 ，扩散过程中会 与 晶内原子构成一定浓度梯度 ，原子相互扩散形成 了晶 界扩散 区。 参考文献 [ 1 】 王厚勤 ，曹建，张丽霞，等． 铜合金与钢连接技术研究进展 『 ．r j ． 焊接技 术 ，2 0 0 9，3 8 3 1 - 5 ． 【 2 】 许春伟 ， 李炎 ，魏世忠，等． 液一 固双金属复合界面的研究新进展 【 J 】 ． 材料热处理 ，2 0 0 6 ，3 5 2 0 7 0 7 3 ． 【 3 ]3 吕志刚． 我国熔模精密铸造的历史 回顾 与发展展望 【 J ] ． 铸造 ， 2 0 1 2 ，6 l 4 3 4 7 3 5 6 ． [ 4 】 张国定． 金属基复合材料界面问题 [ J ] ． 材料研究学报 ，1 9 9 7 ，1 1 6 6 4 9 6 5 7 ． 【 5 ]5 杨序纲． 复合材料界面 [ M】 ． 北京化学工业出版社，2 0 1 0 1 - 6 ． [ 6 ] 张平 ，张元好 ，常庆 明． 高强铜／ 钢双金属 复合 导板的界面结合机 制 [ J ] ． 特种铸造及有色合金 ，2 0 1 2 ，3 2 8 7 6 8 7 7 0 ． [ 7 ] 于九明，孝云帧，王群骄，等． 反向凝固过程铜／ 钢复合界面的研 究 【 J 】 ． 东北大学学报 自然科学版 ，2 0 0 0 ，2 1 3 2 8 6 2 8 9 ． [ 8 】 张权明， 刘红斌，谢红． 铬青铜与不锈钢瞬间液相扩散焊接界面 行为 [ J ] ． 材料科 学与工艺，2 0 0 9 ，1 7 5 6 9 6 7 0 0 ． [ 9 ] 郑亚虹，王 自东． 复杂薄壁精密铝合金铸件铸造技术进展 [ J ] ． 铸 造 ，2 0 1 0 ，5 9 8 7 9 6 7 9 9 ． 【 1 0 】Ni e Xi n y u ，Z h a o K a n g n i n g ，L i Ho n g x i a n g ，e t a 1 ． C o mp a r i s o n s o f i n t e r f a c e m i c r o s t r u c t u r e a n d me c h a n i c a l b e h a oo r be t we e n Ti ／ Al a n d T i 一 6 AI - 4 Ⅵ|A l b i me t a l l i c c o mp o s i t e s[ J ] ． C h i n a F o u n d r y ，2 0 1 5 ， 1 2 1 1 - 8 ． 【 l 1 】S a b e t g h a d a m H，Z a r e i H a n z a k i A，A r a e e A ，e t a 1 ． Mi c r o s t r u c t u r a l e v a l u a t i o n o f 4 1 0 S S ／ C u d i ff u s i o n - b o n d e d j o i n t[ J 】 ．J o u rna l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e T e c h n o l o g y ，2 0 1 0 ，2 6 2 1 6 3 - 1 6 9 ． 【 1 2 ]李光杨，汪红，谭姣姣 ，等． 提高微结构表面在镀液中的润湿性 [ J 】 _ 微纳 电子技术 ，2 0 1 0 ，4 7 1 1 7 0 8 7 1 7 ． [ 1 3 】李菊 ，宫 本 奎 ，孙 全 胜 ． 金 属／ 陶 瓷 的 润 湿性 [ J ] ． 山 东 冶 金 ， 2 0 0 7 ．2 9 6 6 - 9 ． [ 1 4 】Ka y a A，Ka h r a ma n N，D u r g u t i u A，e t a 1 ． A n o v e l a p p r o a c h t o d i ffu s i o n o f c o p p e r t o s t a i n l e s s s t e e l [ J 】 ． P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n o fMe c h a n i c a l En g i n e e r s P a r t B J o u r n a l o fEn g i n e e r i n g M a n u f a c t ur e， 2 0 1 2 ，2 2 6 B 3 4 7 8 4 8 4 ． 【 1 5 ] 李沈洋，任中山，胡晓军，等． 二元扩散偶互扩散系数的求解方 法及其应用 【 J ] ． 中国稀土学报，2 0 1 2 ，3 0 1 1 1 - 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