含鑭（La）雙金屬結(jié)合界面的研究

閆 洪/文

昆明冶金研究院有限公司

雙金屬?gòu)?fù)合材料是將兩種物理、化學(xué)性能不同的金屬在界面上實(shí)現(xiàn)結(jié)合的一種新型復(fù)合材料，與單一金屬不同，雙金屬?gòu)?fù)合材料通過(guò)兩種金屬的優(yōu)良特性，滿(mǎn)足了現(xiàn)代工業(yè)的較高需求。例如，雙金屬?gòu)?fù)合材料能將鋼的高強(qiáng)度、良好的韌性和鋁的耐腐蝕、抗氧化、銀色的表面有效的結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用于工業(yè)各領(lǐng)域，稀土廣泛應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)中，通過(guò)添加稀土元素能提高鋅、鋁合金的流動(dòng)性和浸潤(rùn)性，增加鋅、鋁合金和鋼的附著力，同時(shí)，使鋅、鋁合金組織更細(xì)小,進(jìn)一步提高雙金屬?gòu)?fù)合材料的耐腐蝕性和抗高溫氧化性能。實(shí)驗(yàn)表明，制造雙金屬?gòu)?fù)合材料的關(guān)鍵在于較高的結(jié)合強(qiáng)度，在進(jìn)行鋼／鋁（La）合金軋制復(fù)合之后，由于擠壓，促進(jìn)了鋼與鋁合金（La）之間的復(fù)合，提高了鋼／鋁（La）合金雙金屬的結(jié)合強(qiáng)度。熱浸鍍技術(shù)是鋼鐵材料防腐蝕技術(shù)中最有效的方法，它可以顯著提高鋼鐵材料的耐蝕性能、延長(zhǎng)材料的使用壽命，熱浸鍍合金生成的致密鍍層既可阻擋鋼與空氣的接觸，又可對(duì)鋼進(jìn)行電化學(xué)保護(hù)，熱浸鍍由于熱擴(kuò)散的作用，在鋼基體與鋅（La）合金之間形成冶金結(jié)合和附著力好的擴(kuò)散層，由于擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)致密，與基體結(jié)合良好，可以阻止空氣中的氧與鋼進(jìn)一步反應(yīng)，使熱浸鍍鋼／鋅（La）合金雙金屬?gòu)?fù)合材料有良好的抗氧化性，而添加稀土能夠有效抑制鋅、鋁合金的晶界腐蝕，在合金表面形成一層保護(hù)膜，延緩雙金屬的腐蝕進(jìn)程。鋼具有強(qiáng)韌性，而熱浸鍍鋅（La）合金表現(xiàn)出較好的耐腐蝕性和抗氧化性，因此，鋼表面熱浸鍍鋅（La）合金是一種綜合性能為一體的雙金屬?gòu)?fù)合材料。

雙金屬在組織和性能方面有較大差異，異種金屬?gòu)?fù)合材料金相試樣的制備與純金屬是不同的，所以，雙金屬金相試樣的制備存在許多難點(diǎn)。對(duì)于鋼／鋁（La）合金雙金屬來(lái)說(shuō)，鋼容易被腐蝕，鋁的硬度較低，選擇合適的腐蝕試劑和腐蝕時(shí)間高質(zhì)量的顯示兩種金屬的顯微組織是很困難的，甚至在金相砂紙上磨光和機(jī)械拋光的過(guò)程中，試樣表面缺少鏡面光澤，影響金相圖像的觀測(cè)。界面結(jié)合是雙金屬材料的重點(diǎn)，為提高雙金屬間的結(jié)合強(qiáng)度，往往在兩金屬之間插入一種金屬作為中間擴(kuò)散層，而鋼表面熱浸鍍鋅（La）合金的就是提高結(jié)合強(qiáng)度的較好方法，其擴(kuò)散層比較明顯。

雙金屬結(jié)合是重要的質(zhì)量指標(biāo)，用金相顯微鏡觀察雙金屬的結(jié)合是生產(chǎn)檢驗(yàn)中常用的技術(shù)，它具有價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，能在較大范圍內(nèi)掌握金相組織的變化，盡管?chē)?guó)內(nèi)對(duì)雙金屬技術(shù)已有研究，但對(duì)含鑭（La）雙金屬的金相檢驗(yàn)內(nèi)容報(bào)道較少，對(duì)界面結(jié)合的研究還不夠深入，對(duì)此，本文以鋼／鋁（La）合金和鋼／鋅（La）合金雙金屬?gòu)?fù)合材料為研究對(duì)象，通過(guò)金相顯微鏡對(duì)含鑭（La）雙金屬結(jié)合界面的組織形貌進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為鋼／鋁（La）和鋼／鋅（La）雙金屬材料，其中，Q235 低碳鋼是基層材料，鋁（La）合金、鋅（La）合金為復(fù)層金屬，其化學(xué)成分列于表1。

表1 各材料的化學(xué)成分（%）

2 試樣的制備

2.1 鑲嵌

鑲嵌的目的是將小試樣制備成較大的試塊，使其不僅能研磨和拋光，而且適合金相顯微鏡的觀察，將試樣放進(jìn)鑲嵌機(jī)的模具中，填滿(mǎn)膠木粉，然后加熱、加壓，保持一定時(shí)間后，取出試樣。

2.2 研磨

研磨的目的是去掉試樣表面的磨痕和毛刺，它是獲得試樣平整的關(guān)鍵，研磨試樣在金相砂紙上進(jìn)行，所用的砂紙從粗到細(xì)分別為180 號(hào)、260 號(hào)、400 號(hào)、600 號(hào)、800 號(hào)、1000 號(hào)、1200 號(hào)、1500 號(hào)，由于鋁合金軟較。磨光至露出金屬光澤，在更換不同粒度砂紙時(shí)，磨面方向與前一號(hào)砂紙磨面方向呈90°，當(dāng)前一道磨痕消除時(shí)，再進(jìn)行下一道磨制，為避免摩擦升溫導(dǎo)致微觀組織的變化，用自來(lái)水浸濕砂紙，研磨后用自來(lái)水和無(wú)水乙醇清洗試樣，然后吹干。

2.3 拋光

為進(jìn)一步去除磨面上的細(xì)微磨痕，將經(jīng)過(guò)研磨的試樣置于拋光機(jī)上拋光，選擇的拋光布是海軍呢，將海軍呢用水浸潤(rùn)，平鋪在拋光機(jī)的轉(zhuǎn)盤(pán)上，拋光時(shí)，選用W0.5 的氧化鉻拋光液進(jìn)行拋光，其轉(zhuǎn)速為1200 r/min,當(dāng)試樣表面上的磨痕被清除，即可停止拋光。

2.4 浸蝕

為提高雙金屬之間的反差并顯示出清晰的分界線(xiàn)，用3%的硝酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕，當(dāng)試樣表面發(fā)暗時(shí)用自來(lái)水沖洗試樣，再用無(wú)水乙醇清洗后吹干。經(jīng)過(guò)研磨、拋光和浸蝕后的試樣，在顯微鏡下能顯示出清晰的結(jié)合界面。

3 含鑭（La）雙金屬結(jié)合界面的顯微組織分析

3.1 鋼／鋁（La）合金雙金屬的結(jié)合界面

在進(jìn)行低溫軋制復(fù)合過(guò)程中，鋼／鋁（La）合金雙金屬?gòu)?fù)合板的壓下量為20%，軋制溫度是300 ℃。圖1 為鋼／鋁（La）合金雙金屬結(jié)合界面的顯微組織，在軋機(jī)擠壓力的作用下，鋼／鋁（La）合金雙金屬實(shí)現(xiàn)了機(jī)械結(jié)合，但復(fù)合板結(jié)合界面處仍有間隙存在，由于軋制溫度較低，冶金反應(yīng)難于進(jìn)行，所提供的能量有限，原子運(yùn)動(dòng)較為困難，因此，鐵元素和鋁元素?zé)o相互擴(kuò)散，表現(xiàn)為復(fù)合板的結(jié)合情況較差。軋制時(shí)由于擠壓形成的金屬變形，表面的氧化膜被粉碎而露出金屬，當(dāng)兩種原子相互接近到原子間作用力范圍時(shí)，就形成了鋼、鋁之間金屬鍵的結(jié)合，這就是軋制復(fù)合的結(jié)合方式。

圖1 鋼／鋁（La）合金雙金屬?gòu)?fù)合板結(jié)合界面的顯微組織

3.2 鋼／熱鍍鋅（La）合金雙金屬的結(jié)合界面

熱浸鍍是在640 ℃的溫度下浸鍍10 s，這時(shí)分界線(xiàn)消失，鋼／鋅合金界面之間出現(xiàn)了一層擴(kuò)散層，見(jiàn)圖2。由于熱浸鍍的溫度高于軋制溫度，因此，原子有較高的能量進(jìn)行運(yùn)動(dòng)并發(fā)生相互擴(kuò)散，形成明顯的擴(kuò)散層。在界面處，擴(kuò)散層連續(xù)使兩金屬牢固的結(jié)合在一起。在浸鍍的過(guò)程中，發(fā)生了Fe-Zn合金的化學(xué)反應(yīng)，F(xiàn)e 原子溶入Zn（La）合金液中，Zn（La）合金液中的Zn、Al 原子向鋼中擴(kuò)散，在界面處形成了擴(kuò)散層，在原子擴(kuò)散的作用下，兩種金屬實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合，此時(shí)鋼／鋅（La）合金雙金屬?gòu)?fù)合板的結(jié)合情況良好，具有很強(qiáng)的結(jié)合力。

圖2 鋼／鋅（La）合金雙金屬?gòu)?fù)合界面的顯微組織

4 結(jié)束語(yǔ)

含鑭（La）雙金屬?gòu)?fù)合材料具有兩種金屬的優(yōu)良特性，這是單一金屬無(wú)法比擬的，隨著稀土雙金屬?gòu)?fù)合新工藝的不斷開(kāi)發(fā)，對(duì)復(fù)合材料性能的要求會(huì)越來(lái)越高，并要求適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。但是，對(duì)稀土雙金屬?gòu)?fù)合的研究并沒(méi)有結(jié)束，由于對(duì)結(jié)合機(jī)理深入的了解，人們會(huì)不斷開(kāi)發(fā)出工藝簡(jiǎn)單和綜合性能較好的稀土雙金屬?gòu)?fù)合材料，以滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要。當(dāng)然，低溫軋制存在原子擴(kuò)散難于進(jìn)行的問(wèn)題，從而影響雙金屬的結(jié)合，而在高溫?zé)峤兊膹?fù)合過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)了擴(kuò)散層，導(dǎo)致了稀土雙金屬?gòu)?fù)合材料的新特性，使材料的性能進(jìn)一步提高，這將成為稀土雙金屬?gòu)?fù)合材料的發(fā)展方向。