硅對(duì)銅/鋁硅合金軋制復(fù)合板界面組織與結(jié)合性能的影響

常東旭

（東北大學(xué)材料電磁過程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110004）

銅/鋁復(fù)合板是一種常用的層狀復(fù)合材料，既具有銅良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和美觀的外形，又具有鋁的質(zhì)輕、耐腐蝕、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于電力、電子等諸多行業(yè)[1-3]。軋制復(fù)合法因具有生產(chǎn)效率高、可加工范圍廣等優(yōu)勢(shì)，較適合用于生產(chǎn)銅/鋁復(fù)合板[4]。

軋制復(fù)合法通常采用單道次、大變形量的工藝過程，使軋件累積嚴(yán)重的加工硬化，所以需要進(jìn)行退火處理來改善其綜合性能[5]。此外，退火過程還會(huì)促進(jìn)界面熱擴(kuò)散現(xiàn)象，使復(fù)合界面從物理結(jié)合過渡到冶金結(jié)合，但同時(shí)也會(huì)生成脆性相，不利于界面結(jié)合[6]。本文通過在鋁中添加合金元素硅，討論不同硅含量對(duì)界面組織與結(jié)合性能的影響，為鋁基體合金化在銅/鋁復(fù)合板材制備過程中的應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

銅板選用工業(yè)純銅，鋁硅合金板硅含量分別為2%、5%和8%，尺寸規(guī)格均為200mm×20mm×1mm。在丙酮溶液中浸泡以去除油污，再在5%NaOH溶液中浸洗以去除氧化皮。利用電子砂輪對(duì)待復(fù)合的金屬表面進(jìn)行機(jī)械打磨，并用無水乙醇洗凈、烘干。

軋制復(fù)合實(shí)驗(yàn)在Φ92mm×200mm可逆式軋機(jī)上進(jìn)行，軋制壓下率為70%，退火制度為400℃保溫1h。利用光學(xué)顯微鏡觀察界面組織，利用材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行界面剝離實(shí)驗(yàn)，夾頭移動(dòng)速率為1mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅對(duì)界面顯微組織和擴(kuò)散行為的影響

圖1為不同硅含量的銅/鋁硅合金復(fù)合板界面顯微組織照片。經(jīng)400℃退火后界面形成擴(kuò)散層，并且隨著硅含量的增加，界面顏色整體偏暗，鋁基體中彌散分布的初晶硅向界面偏聚，呈現(xiàn)密集分布的趨勢(shì)。與銅、鋁原子相比，硅原子半徑較小，退火時(shí)硅原子優(yōu)先發(fā)生擴(kuò)散，遷移到界面處時(shí)擴(kuò)散阻力增大。鋁側(cè)擴(kuò)散層呈現(xiàn)出較為模糊的狀態(tài)，說明硅含量的增加導(dǎo)致遷移進(jìn)入鋁基體的銅原子數(shù)量有所減少，在界面處偏聚的硅阻礙了擴(kuò)散。

2.2 硅對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的影響

由表1可知，硅含量的提高降低了界面結(jié)合強(qiáng)度。復(fù)合時(shí)兩種金屬的變形過程不一致，在接觸表面處產(chǎn)生相互摩擦，促進(jìn)了表面氧化膜破碎和界面結(jié)合。硅的添加會(huì)提高鋁基體的強(qiáng)度，變形更為困難，變形時(shí)與銅更趨于同步，兩者的相對(duì)滑動(dòng)減弱，產(chǎn)生的摩擦應(yīng)力減小，使表面氧化膜的破壞程度降低，削弱結(jié)合效果。

表1 不同硅含量的界面結(jié)合強(qiáng)度

圖1 不同硅含量和退火溫度下的界面顯微組織

此外，在退火過程中，強(qiáng)大的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力會(huì)使偏聚于鋁側(cè)擴(kuò)散層中的硅元素更為活躍，開始越過界面，遷移進(jìn)入界面擴(kuò)散層，甚至進(jìn)入銅基體中，并且硅含量越高，這種現(xiàn)象就越顯著。這些存在于界面擴(kuò)散層中的硅減小了銅、鋁原子的接觸面積，阻礙了新鮮金屬沿著破裂的氧化膜縫隙擠出，從而降低結(jié)合強(qiáng)度。

3 結(jié)論

①退火時(shí)硅會(huì)在界面處發(fā)生偏聚，并且硅含量越高，現(xiàn)象越明顯；②硅的添加不利于表面氧化膜的破碎，并使雙金屬的變形過程更趨于同步，從而降低了界面結(jié)合強(qiáng)度。