铝-铜轧制复合工艺及界面结合机理.pdf

第5 9 卷第1 期 2 0 07 年2 月 有色金属 N o n ／e r r o u sM e m l s V 0 1 ．5 9 ．N o ．1 F e b r u a r y 2007 铝一铜轧制复合工艺及界面结合机理 王小红，唐获，许荣昌，温永红 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京1 0 0 0 8 3 摘要通过不同的压下率和不同的扩散退火温度试验。利用金相显微镜，力学实验机、扫描电镜等仪器，研究在室温条件下 铝．铜轧制复合工艺，探讨界面结合机理。结果表明，在室温轧制条件下，采用7 5 ％的压下率，轧后采用3 0 0 ℃．保温3 0 m i n 的扩散 退火处理为理想的轧制复合工艺。组元压下率和总压下率成正比关系，变化趋势相同，组元变化率差值随总压下率的增大而减 小，变形抗力趋于一致，有利于轧制复合。 关键词金属材料；A 1 ．C u 轧制复合；结合机理；扩散退火 中图分类号T G 3 3 5 ．8 ；T G l 4 6 ．1 1 ；T G l 4 6 ．2 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 1 0 0 2 1 0 4 将两种或两种以上的材料复合而成的复合材 料，其物理、化学、力学性能及价格差别于单一材料， 具有许多单一材料所不具有的优点，被广泛地应用 于各个领域。铝．铜复合材料同时具有铜的导电、导 热率高、接触电阻低等优点和铝的质轻、耐蚀等优 点，受到电子、电力、电器、冶金、机械、汽车和生活用 品等领域的青睐1 1 | 。 轧制方法以其成本低，效率高，设备少等优点， 成为一种非常具有潜力的大规模生产金属层状复合 材料的制备加工方法。轧制工艺的确定、轧制过程 中铝铜界面的氧化问题和界面结合机理，是最为关 键的因素。试验中，采用室温轧制，从而避免了界面 氧化问题，减少了设备，节约成本，通过不同的变形 量和轧后扩散退火温度，探索最佳轧制复合工艺，探 讨复合机理和变形规律。 1实验方法 1 ．1 试样制备 采用的铝规格为1 0 0 m m 1 5 r a mX3 r a m ，铜规 格为1 0 0 m m 1 5 r a m l m m ，其厚度比为3 1 ，成分 见表1 。铝用N a O H 溶液碱洗，铜用H C I 溶液酸洗 除去表面的氧化层，然后用钢刷将试样的结合面打 亮，用丙酮溶液浸泡以除去表面的油污，然后用无水 乙醇擦洗表面，将铝和铜试样对合，两端用细铁丝捆 绑固定，随后立即轧制。 收稿日期2 0 0 5 一0 9 1 2 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 3 7 5 0 1 9 作者简介王小红 1 9 8 0 一 ，男，河南焦作市人，硕士生，主要从事 金属轧翩变形规律及其组织性能等方面的研究。 表1金属铝和铜的化学成分 T a b l e1C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fa l u m i n i u ma n dc o p p e rm e t a l 成分 F eS iC uT iA 1Z nS 铝0 ．2 0 0 ．1 10 ．0 0 20 ．0 2 59 9 ．6一 一 铜0 ．0 0 2 7 9 9 ．1 一 一0 ．0 0 3 20 ．0 0 2 1 1 ．2 试验方案 在试验前先将原材料进行退火，采用的退火工 艺为铝3 0 0 ℃，保温3 0 m i n ，炉冷；铜4 5 0 ℃，保温 3 0 m i n ，炉冷。选取7 个不同的压下率5 0 ％，5 5 ％， 6 0 ％，6 5 ％，7 0 ％，7 5 ％，8 0 ％进行轧制，轧后扩散退 火温度选取1 5 0 ℃，2 5 0 ℃，3 0 0 ℃，3 5 0 ℃，保温 3 0 m i n ，炉冷。 1 ．3 分析仪器及主要设备 退火工艺在箱式电阻退火炉中进行，轧制试验 在巾3 0 0 m m 1 0 0 m m 轧机上进行，结合强度分析在 C M T 4 1 5 0 微电子万能实验机上进行，界面分析采用 C a m b r i d g e S 一2 5 0 M K 2 型扫描电镜 S E M 。 2 试验结果与讨论 2 ．1 压下率对铝．铜复合强度的影响 由于室温复合，铝、铜两种金属必须借助于大的 压下率才能结合在一起。在用钢刷对金属表面处理 后，新鲜金属暴露出来与空气接触，形成一层薄的硬 质氧化膜。在轧制的过程中，金属表面的氧化膜破 裂，漏出内部的新鲜金属，在压力作用下两边的新鲜 金属互相结合，从而达到复合【2J 。当压下率过小 时，不足以破坏其氧化层，两种金属难以复合，所以 要使两种金属很好的复合，必须达到足够的压下率。 同时，由于两种金属的延伸率不同，在过高的压下率 万方数据 2 2 有色金 属 第5 9 卷 下不能很好的延展，使金属界面间相互搓摩，其结合 强度会下降，而且板形质量不高，边部会出现锯齿状 裂纹，所以压下率必须限制在某一范围才能保证最 佳的复合。 图1 为不同压下率所得出的剥离强度。采用单 位宽度上双金属间的剥离力来衡量界面结合强度 值．3 j 。由图1 可以看出，当压下率低于5 0 ％时，铝、 铜难于复合，随着压下率的提高，剥离强度上升。当 压下率达到7 5 ％时，剥离强度最高为6 ．8 N ／m m ，随 图1压下率与剥离强度的关系 F i g ．1 R e l a t i o no fd e f o r m a t i o nr a t ew i t hc o m p o u n ds t r e n g t h 后剥离强度开始下降，并且板边缘出现锯齿形裂纹。 2 ．2 扩散退火温度对复合强度的影响 由于两种材料的不均匀变形，会产生较严重的 残余应力，对复合性能影响很大。同时，两种金属在 界面上还没有达到完全面面结合，也是影响复合强 度的重要因素。为了提高其复合强度，必须进行轧 后扩散退火。通过扩散退火，可以使内部残余应力 松弛，塑性得到部分恢复，组元层问金属相互扩散， 使结合面延伸，在结合面两侧形成一定深度的扩散 层，从而改善了结合强度。然而温度过高，扩散层加 宽，会在界面形成硬而脆的金属间化合物L 4J ，使复 合强度大幅下降，所以必须采取合理的扩散退火工 艺来保证其复合性能。 图2 为7 5 ％压下量时不同扩散退火温度的界 面S E M 照片。随着温度的升高，界面原子开始扩 散，轧制后界面没完全结合的部分开始结合，逐渐形 成完全的面面结合，使界面的结合强度明显改善，但 温度在3 5 0 ℃时，界面处开始出现硬而脆的金属间 化合物，不利于界面结合强度的提高，使界面结合强 度急剧下降。 a 一铜，1 5 0 ℃，保温3 0 r a i n ； b 一铜，2 5 0 ℃，保温3 0 m i n ； c 一铝，3 0 0 ℃，保温3 0 m i n ； d 一铝，3 5 0 ℃，保温3 0 m i n 图27 5 ％压下率时不同扩散退火温度的界面S E M 照片 F i g ．2S E Mm i c r o g r a p h sa td i f f e r e n tt h e r m a lt r e a t m e n tt e m p e r a t u r ew i t h7 5 ％r a t eo fd e f o r m a t i o n 2 ．3 轧制变形规律探讨 在轧制复合过程中，由于组元金属延伸率和变 形抗力的不同，属于不对称均匀轧制，其变形规律比 较复杂。轧制开始时，由于变形抗力的差异，会导致 组元金属开始变形的时问明显不同，开始复合后，由 于组元金属延伸率的差异，界面问存在摩擦，金属与 轧辊间的滑动摩擦方向也不同，存在前、后滑区和搓 轧区。一般将变形区分为选择变形区、共同变形后 滑区、共同变形搓轧区和共同变形前滑区四个不同 区域[ 5 l 。 万方数据 第1 期王小红等铝一铜轧制复合工艺及界面结合机理2 3 在A I C u 复合轧制过程中，材料刚咬入的时候， 由于铝变形抗力较小，先发生塑性变形，而铜尚未发 生塑性变形，在二者界面间存在摩擦，属于选择变形 区。随后进入共同变形后滑区，这个区域的变形和 单金属变形相似，在轧辊和轧件摩擦力的作用下， 铝、铜金属均处于后滑区，且二者间仍存在界面摩 擦。随着咬入的进行，铝金属处于前滑区，铜处于后 滑区，仍存在界面摩擦，进入共同变形搓轧区。此 后，铝、铜金属互相挤压嵌入，实现面面复合，界面摩 擦将消失，在外摩擦的作用下，铝、铜均处于前滑区， 与单金属变形相似，属于共同变形前滑区。 图3 为总压下率与组元压下率的关系图。从图 3 可以看出，各组元压下率与总压下率之问成正比 关系，随着轧制压下率的增大，各组元压下率也成增 长趋势。由于铝较铜的变形抗力低，所以铝的压下 率总是高于铜的压下率，但是，随着总压下率的增 加，铝与铜压下率的差值逐渐减小。当总压下率增 加时，大的压下率和快速的变形速率导致铝和铜的 加工硬化增强，继续变形变得越来越困难，由于铝的 压下率大于铜的压下率，铝先于铜达到高加工硬化， 使得铝与铜的变形抗力趋于一致，所以随着总压下 率的增大，二者压下率的差值逐渐减小。当铝、铜金 属压下率差别较小时，有利于共同变形，达到良好的 复合效果。 图3总压下率与组元压下率的关系 F i g ．3 V a r i a t i o no fb o t ha n ds i n g l er a t eo fd e f o r m a t i o n 2 ．4 轧制复合结合机理 轧制复合由于组元材料性能的差别，影响结合的 因素比较多。目前为止，对轧制复合机理的研究主要 有再结晶理论、金属键理论、能量理论、扩散理论和 N ．B a y 机理等。采用大的压下率和合理的退火扩散 工艺条件下，A 1 - C u 复合存在多种复合机理。 a 一5 5 ％； b 一6 0 ％； c 一7 0 ％； d 一7 5 ％ 图4 不同压下率下铜基体 较暗部分 上的复合面的S E M 照片 F i g ．4S E Mm i c r o g r a p h so fd i f f e r e n tr a t eo fd e f o r m a t i o nO nt h eC u f a c e d a r k 研究发现，在最初轧制阶段，复合过程大瑰可分 温，互相挤压嵌入，发生物理化学作用，实现初步的 为三部分 a 在大的轧制压力下，金属表面的氧化复合，这个阶段属于点点复合阶段； c 随着轧制的 薄膜开始破裂，暴露出内部新鲜的金属； b 两侧新进行，嵌入的金属开始宽展延伸，形成大面积的嵌 鲜金属接触，在轧制压力作用下，借助轧制产生的高入，达到复合的理想效果，这个阶段属于面面复合阶 ㈣螗吣踮∞衢加酷∞弱鲫钙∞拍∞翳 冰、婚L出供鼎 万方数据 2 4 有色金属第5 9 卷 段。在随后的扩散退火过程中，在高温作用下，结合 面上的金属原子得到足够的能量，从而相互扩散，使 缺陷消失，消除内部残余应力，在两侧形成一定深度 的扩散层，达到理想的复合效果。 图4 为不同压下率时铜基体的复合面的S E M 照片。从图4 可以看出，当压下率为5 5 ％时，铜基 体表面只有零星的铝金属附着在其表面，且不牢固， 随着压下率的增加，铝附着在铜基体上的面积开始 增加，逐渐由零星点扩展为大片面积接触，且嵌入深 度也开始增加，在随后的扩散退火工艺中，这些互相 嵌入的金属原子能被激活，晶格原子重新排列，使基 体松软，降低相互问排斥力，达到很好的复合。当压 下率达到7 0 ％时，铜表面开始出现片状铝金属，金 属开始实现面面接触，当达到7 5 ％时，铜基体表面 附着大约6 0 ％铝金属，实现最佳的复合状态。 参考文献 3结论 压下率和轧后扩散退火温度是影响A 1 一C u 复合 效果的最重要因素，A 1 一C u 室温轧制复合的较理想 工艺为采用7 5 ％的压下率，采取3 0 0 ℃，保温3 0 r a i n 的扩散退火工艺。 各组元压下率与总压下率之间成正比关系，随 着轧制压下率的增大，各组元压下率也成增长趋势。 在最初阶段，铝的压下率高于铜，但随着总压下率的 增大，二者的差值逐渐减小，变形趋于同步，有利于 轧制复合。 ’ A 1 ．C u 轧制复合过程中存在多种结合机理，在 轧制过程中主要分为表面氧化膜破裂、金属接触点 点结合和金属面面复合三个阶段，在随后的退火过 程中，表面原子被激活扩散，强化复合效果。 [ 1 ] 谭树松．有色金属材料学[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 3 1 3 ． [ 2 ] Y i n gDY ，Z h a n gDL ．S o l i d s t a t er e a c t i o n sC ua n dA 1d u r i n gm e c h a n i c a la l l o y i n ga n dh e a tt r e a t m e n t [ J ] ．J o u r n a lo fA l l o y s a n dC o m p o u n d s ，2 0 0 0 ，2 5 3 1 1 2 7 5 2 8 2 ． [ 3 ] 陈燕俊．贵金属层叠复合材料的制备工艺与界面研究[ D ] ．杭州浙江大学，2 0 0 1 2 5 2 6 ． 4A b b a s iM ，K a r i m iT a h e r iA ，S a l e h iMT ．G r o w t hr a t eo fi n t e r m e t a l l i ec o m p o u n d si nA I ／C ub i m e t a lp r o d u c e db yc o l dr o l lw e l d ． i n gp r o c e s s [ J ] ．J o u r n a lo fM b y sa n dC o m p o u n d s ，2 0 0 1 ，2 6 3 1 9 2 3 3 2 4 1 ． [ 5 ] 李玉刚．双金属复合板轧制压力计算与研究[ D ] ．沈阳东北大学，2 0 0 0 2 7 2 8 ． A I - C uC o m p o u n da n dB o n d i n gM e c h a n i s mb yR o l l i n gP r o c e s s W A N GX i a o - h o n g ，T A N GD i ，X UR o n g - c h a n g ，W E NY o n g h o n g N a t i o n a lE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e rf o rA d v a n c e dR o l l i n gT e c h n o l o g y ， U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g10 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h et e c h n o l o g yo fr o l l i n gc o m p o u n do fA I C uu n d e rr o o mt e m p e r a t u r ei si n v e s t i g a t e da n dt h eb o n d i n g m e c h a n i s mi sd i s c u s s e db ye x p e r i m e n t sf o rd i f f e r e n tt h er a t eo fd e f o r m a t i o na n dt h et e m p e r a t u r eo ft h e r m a l t r e a t m e n tw i t ht h eh e l po ft h eo p t i c a lm i c r o s c o p e ，m e c h a n i c a le q u i p m e n t ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ．T h er e s u i t ss h o wt h a tt h ei d e a lt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sf o rr o l l i n gc o m p o u n do fA 1 一C uu n d e rr o o mt e m p e r a t u r ea r e 7 5 ％d e f o r m a t i o nr a t e ．a n n e a l i n ga t3 0 0 ℃p r e s e r v a t i o nf o r3 0 m i nd i f f u s i o n ．T h ed e f o r m a t i o nr a t eo ft h ec o m p o n e n t si si nd i r e c tp r o p o r t i o nw i t hi n t e g e rd e f o r m a t i o nr a t e ，a n di nt h es a m ev a r i a t i o nt e n d e n c y ．T h ed e f o r m a t i o n r a t ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec o m p o n e n t si sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ei n t e g e rd e f o r m a t i o nr a t e ，a n dt h e s t r e n g t ht or e s i s tt h ed e f o r m a t i o nt e n dt oi n t e r c o n s i s t e n c y ，t h i si sh e l p f u lt or o l l i n ga n dc o m p o u n d i n g ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；A 1 一C ur o l l i n gc o m p o u n d ；b o n d i n gm e c h a n i s m ；d i f f u s i n gt h e r m a lt r e a t m e n t 万方数据