簡介
銅鋁複合材料不僅具有銅的導電、導熱率高、接觸電阻低和外表美觀等優點,也具有鋁的質輕、耐腐蝕、經濟等優點。採用固相複合技術生產的銅鋁複合板,還具有結合面過渡電阻和熱阻抗低、耐蝕、耐用、延展性和成型性好等綜合性能,可廣泛用於電子、電器、電力、冶金設備、機械、汽車、能源和生活用具等各個領域。
通過大量的試驗研究,人們對銅鋁複合規律和結合機理有了一定的認識,並使用軋製法生產雙金屬複合板。美國的Metal and Control Cop提出了三步法工藝,即:表面處理--軋制複合--退火強化處理。 然而,由於銅鋁雙韌性金屬軋制複合較其他異種金屬間的軋制複合更困難(特別是需要大的軋制壓下率) ,使該技術實際套用一直受到工藝和設備等條件的限制,軋制複合的銅鋁板材也未能得到推廣 。
軋制變形規律
在軋制複合過程中,由於銅鋁金屬伸長率和變形抗力的不同,屬於不對稱均勻軋制,其變形規律比較複雜。 因此,研究了軋制前銅鋁厚度比與臨界壓下率的關係,以及總壓下率與各軋制組元壓下率的關係。
由於在室溫軋制複合,因此銅鋁2種金屬必須藉助於大的壓下率才能結合在一起。銅鋁實現軋制複合的最小壓下率稱為臨界壓下率。在用鋼刷對金屬表面處理後,暴露出來的新鮮金屬與空氣接觸,形成一層薄的硬質氧化膜。在軋制的過程中,金屬表面的氧化膜破裂,漏出內部的新鮮金屬,在壓力作用下兩邊的新鮮金屬互相咬合,從而達到複合. 當壓下率過小時,不足以破壞其氧化層, 2種金屬難以複合,所以要使2種金屬很好地複合,必須達到臨界壓下率。
一般認為,軋制率的大小近似地等於新鮮金屬表面的暴露率。當壓下率小於臨界壓下率時,金屬表面膜的破裂程度小,新鮮表面產生也少,使結合點的鍵合力不足以抵消表面膜的阻礙作用和複合組元間的彈性恢復作用,不能被複合;反之,當率越大時,能進行鍵合的新生表面部分就越大,因此也就表現出較大的複合強度。
通過軋制前銅鋁厚度比與臨界壓下率的關係。可以看出,臨界軋制壓下率隨銅鋁厚比例的增加而減小。這是由於銅的變形抗力較大,變形小,而鋁的變形較大,致使更多的新鮮鋁金屬的表面暴露,增加了能進行鍵合的新生表面積的緣故。當銅鋁的厚度比例增加時,更小的臨界壓下率也可以達到軋制複合。
退火熱處理對複合板界面的影響
在軋制複合時,銅鋁雙金屬界面主要依賴接觸點的塑性流變形成物理結合或表面凹凸不平處的相互嵌入形成機械嚙合,稱之為機械嚙合能,達到物理結合;在退火處理過程中發生冶金結合。銅鋁異類金屬原子在高溫下通過結合界面相互擴散進入相鄰金屬基體,誘導晶界遷移,在結合面上造成兩側原子有更多的鍵和新的排列,同時晶界也會遷移。這些原子運動會促使結合面形成更多的重合點陣位置或共有晶界,最終形成銅鋁界面層,將結合面由物理結合狀態過渡為冶金結合狀態。當增加退火溫度或延長退火時間時,銅鋁金屬原子在結合界面繼續擴散進入相鄰金屬基體,發生結晶,銅鋁界面層加厚,並有硬而脆的金屬化合物形成 。
退火熱處理對複合板性能的影響
從退火時間1 h,溫度對銅鋁複合薄板的彎折性能及硬度的影響可以看出,退火大致分成3個溫度區間:
①退火溫度小於250 ℃時,複合板性能有所提高,但複合板的硬度值仍舊較高,銅和鋁難以實現軟化。材料彎曲性能較差,與未退火狀態相差不大。
②退火溫度在250～350 ℃之間時,性能進一步提高,彎折次數隨著退火溫度的升高而升高,塑性提高明顯。在此區間退火時,銅和鋁的硬度值已經降低,說明銅和鋁發生軟化。
③當退火溫度超過350 ℃時,銅鋁界面在第2次彎折時發生開裂,界面結合強度降低。根據界面分析可知,當退火溫度超過350 ℃時,銅鋁界面生成了脆性金屬間化合物(CuAl3 , CuAl, Cu9Al4 等) ,降低了銅鋁複合板的界面結合強度,致使界面在彎折試驗中開裂。
總結
1) 當銅厚度比例增加時,有更多新鮮鋁金屬的表面暴露,增加了能進行鍵合的新生表面積,在較小的臨界壓下率時可以達到軋制複合。
2) 銅鋁組元壓下率與總壓下率之間成正比關係,隨著軋制壓下率的增大,各組元壓下率也成增長趨勢. 在最初階段,鋁的壓下率高於銅,但隨著總壓下率的增大,二者的差值逐漸減小,變形趨於同步,有利於軋制複合。
3) 銅鋁軋制複合板最佳退火工藝為:採用退火溫度350 ℃退火1 h,銅鋁軋制複合板通過退火處理提高其塑性(彎折性能) ,隨著退火溫度的升高,複合界面會形成嚴重降低複合板結合強度的金屬間化合物,導致複合板界面的結合喪失 。
