（材料加工工程专业论文）feal液固复合过程界面组织演变.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 f e a l 液固复合过程界面组织演变 摘要 复合材料是当今材料发展的一个热点，液固相复合是一种新型的制备复合材 料的方法，具有良好的开发前景。本文研究了不同工艺条件下钢铝复合界面的结 合强度和扩散层的组织，分析了工艺参数对复合界面强度和扩散层厚度的影响， 并通过显微镜和电子扫描分析了扩散层的成分。在此基础上确定了制各高界面结 合强度复合材料的工艺参数。通过理论和实验研究得出如下结论： n ) 在钢板预热温度为2 5 0 ，铝液温度为7 5 0 和8 5 0 的条件下，钢铝复 合界面的扩散层主要成分为f e a l 3 ： ( 2 ) 在钢板表面浸涂助焊剂，预热温度为2 5 0 的条件下，当铝液温度为8 5 0 时，大约3 秒后扩散层开始形成，而当铝液温度为7 5 0 * ( 2 时，扩散层的 形成大约需要5 秒； ( 3 1 在钢板和铝液温度都是7 5 0 。c 或8 5 0 ( 2 的条件下，扩散层在开始复合的瞬 间就已经形成，扩散层主要成分同样为f e a l 3 ( 4 1 在钢板表面浸涂助焊荆，预热温度为2 5 0 c 的条件下，铝液温度为8 5 0 。c 时的界面结合强度要比7 5 0 时大约高一倍： ( 5 1 在钢板表面浸涂助焊剂能大幅度提高界面结合强度，浸涂助焊剂比不浸 涂加助焊剂时的界面结合强度大约要高两倍。 关键词：液固相复合扩散层界面反应界面强度 i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t e v o l u t i o no ff e - a ! i n t e r f a c i a lm i c r o s t r u c t u r eb y l i q u i d - s o l i db o n d i n g a b s t r a c t s o l i d - l i q u i db o n d i n g 、航t l la b e t t e rd e v e l o p i n gp r o s p e c ti san e wm e t h o dt op r o d u c e c o m p o s i t e s i n t h i si n v e s t i g a t i o n , t h em i c r o s t r u c t u r eo f t h ed i f f u s i o nl a y e ra n di n t e r r a c i a l s t r e n g t ho fs t e e l - a l u m i n u mb o n d i n gh a v eb e e ns t u d i e d a td i f f e r e n te x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r s 1 1 1 ee f f e c to f t e c h n i c a lp a r a m e t e r so ni n t e r r a c i a ls t r e n g t ha n dd i f f u s i o nl a y e r t h i c k n e s sh a sa l s ob e e ns t u d i e d u n d e rt h ed e s i g n e de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h e d i f f u s i o nl a y e rw a sa n a l y z e db ym i c r o s c o p ya n de l e c t r o n i cs c a n n i n g 1 1 1 eo p t i m u m t e c h n i c a lp a r a m e t e r sw e eo b t a i n e d a n dt h em a i lc o n c l u s i o n sa l ed r a w na sf o l l o w s ： n 1w h e nt h et e m p e r a t u r eo fs t e e li s2 5 0 ，m o l t e na l u m i n u mi s7 5 0 o r 8 5 0 , t h ed i f f u s i o nl a y e ri sm a i n l yt ob ef e a l 3 ： ( 2 ) u n d e rt h ec o n d i t i o no f p r e h e a t i n gt h es t e e lc o v e r e db ys c a l i n gp o w d e r t o2 5 0 c ， t h ed i f f u s i o nl a y e rf o r m e dw i t h i n3s e c o n d sw h e nt h et e m p e r a t u r eo fm o l t e n a l m n i n u mi s8 5 0 a n di ti s5s e c o n d sw h e nt h et e m p e r a t m eo fm o l t e n a l u m i n u mi s7 5 0 ( 3 ) w h e nt h et e m p e r a t u r eo fs t e e la n dm o l t e na l u m i n u ma r c7 5 0 o r8 5 0 ，t h e d i f f u s i o nl a y e rf o r m sa ss o o na st h eb o n d i n gp r o c e s sb e g i n s ，a n di ti sa l s o m a i n l yc o n s i s to ff e a l 3 ( 4 ) u n d e rt h ec o n d i t i o no f p r e h e a t i n gt h es t e e lc o v e r e db ys c a l i n gp o w d e r t o2 5 0 ( 2 ， a n dt h em o l t e na l u m i n u mi s8 5 0 i n t e r f a c i a lb o n d i n gs t r e n g t hi sa b o u to n e t i m eh i g h e rt h a nt h a tw h e nt h em o l t e na l u m i n u mi s7 5 0 ( 5 ) w h e ns c a l i n gp o w d e ri su s e d ，t h ei n t e r r a c i a lb o n d i n gs t r e n g t hi n c r e 嬲e sg r e a t l y i ti sa b o u tt w ot i m e sl a r g e rt h a nt h a tw h e ns c a l i n gp o w d e ri sn o tu s e d k e yw o r d s ：l i q u i d s o l i db o n d i n g ，d i f f u s i o nl a y e r , i n t e r r a c i a lr e a c t i o n ，i n t e f f a c i a l s t r e n g t h i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说职并表示谢意。 学位论文作者签名：阿、毋盏 日期：2 0 0 5 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字目期： 导师签名： 签字同期： 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 随着科学技术突飞猛进的发展，社会对材料提出了更为严格的要求，人类与 复合材料的接触，己有几千年的历史，近代复合材料的发展，由于汽车工业、航 空、宇航、原子能、电子工业及通讯技术的发展，要求材料除具有高强度、高模 量、耐高温等性能外，还对材料的比重、韧性、耐磨、耐蚀、光电等性能提出了 种种要求，更特殊的一些产品要求材料具有一些相互矛盾的性能，如导电但要绝 热，强度、弹性模量要高但比重要小。这些性能对于单一材料来说往往满足不了。 而复合材料在设计上综合了各组元的优点，并弥补了各自的不足，具有单一金属 或合金无法比拟的性能。此外，当今世界的战略原材料资源短缺和能源不足，节 约贵重金属或寻求代用材料、降低能耗、丌辟新能源，已成为世界性的重大课题。 因此，复合材料作为现代的重要材料之一，正在蓬勃发展，成为当今材料科学的 研究热点之一。 现代复合材料的种类和规格很多，有金属与金属组合，有非金属与非金属组 合，也有金属与非金属组合。一般来说，复合材料由基体和被覆材料或强化材料 组成。按照复合材料中的基材和加入组份在复合过程中空间排列的不同，把复合 材料分为四类，即：层状复合材料、颗粒复合材料、纤维复合材料和浸渍复合材 料i i i 。图1 1 表示了它们的几何结构。 园国回回 ( a ) l a m i n a rc o m p o s i t e ( b ) p a r t i c u l a t ec o m p o s i t e ( c ) f i b r o u s c o m p o s i t e ( d ) d i p p i n gc o m p o s i t e 舀1 t 复合材料中各组分韵空间摊剐 f i g 1 1 d i m e n s i o n a la r r a yo f b o n d i n gm a t e r i a le l e m e n t 层状复合材料包括金属与金属、金属与非金属及非金属与非金属复合而成的 材料。本文所讨论的主要是金属层状复合材料。金属层状复合材料【2 ，3 】是利用复合 技术使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属在界面上实现牢固的冶 金结合，使其既保持各层金属原有的特性，又使其物理、化学、力学性能比单一 金属更加优越。在材料性能组合和优化利用方面突破了传统的认识，装饰性、导 电性、导热性、耐蚀耐磨性和力学性能等的有效组合，即促进了材料综合性能的 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 提高，也为合理选材和降低制造产品的成本提供了更好的条件。因此，由异种金 属以层状方式结合而成的新型复合材料近年来受到世界各国的普遍重视。 层状金属复合材料具有如下的功能和用途1 4 】： ( 1 ) 保护表面。例如为了增强钢的耐腐蚀性，在碳钢的表面复合铝、不锈钢用 作各种环境下的结构材料。 ( 2 ) 利用物理等性质的差异。例如利用热膨胀系数或磁性伸缩性的差异，制成 各种热敏双金属或磁性伸缩双金属，用作各种控制设备和测量仪表中的热敏感或 磁感元件。 ( 3 ) 相辅效应。例如利用异种金属的性能的互补性，如钢一铝复合材料既保持 了铝的耐蚀性，又获得了钢的高强度和机械性能。 ( 4 ) 装饰效果。例如以廉价金属为基体，表面复合a u ，a g ，n i 等贵金属，可用 作各种装饰品和钱币。 ( 5 ) 经济效益。各种以廉价金属为基体，复合比较薄的贵金属，或者包覆可以 起到贵金属作用的金属，这样制成的各种材料都具有提高材料利用经济效益的作 用。 1 1 钢铝复合材料的性能及应用 铝基金属复合材料发挥铝的比重小，塑性和韧性好，导电、导热性能良好，耐 蚀、抗氧化能力强等特点，再结合其它金属的特性，正在逐渐被开发并应用于许 多领域。 钢铝这两种材料具有极好的互补性：由铝和钢复合的层状复合材料，可以使钢 的高强度、韧性和耐磨性与铝的低密度、高导热性和良好的耐腐蚀性相结合起来， 是一种生产轴瓦的双金属复合材料【5 。，是汽车工业及农机工业的基础材料，其生产 的轴瓦不需要复合第二层，成本低于铜铅合金轴瓦，且比铜铅合金轴瓦具有更好 的顺应性和镶嵌性，以及抗腐蚀性和承载能力，对绝大部分发动机而言，能够胜 任其设计和使用负荷，是一种具有广阔应用前景的高性能材料。 钢铝复合板不仅具有良好的外观，还具有钢的强度。镀铝层非常致密，在耐高 温腐蚀方面，它更显出优越性。它在各种大气条件下的耐蚀性均高于锌钢复合板， 使用寿命是锌钢复合板的5 - 8 倍。钢铝复合板不仅把铝的耐蚀性和钢的强度结合 了起来，而且还具有一种新性能一耐热性。所以它是一种综合性能非常好的复合 材料。 钢铝复合工艺是一种迅速发展起来的工艺，以其质优价廉的优点，目前正被 2 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 广泛地研究并应用于石油、化工、电力、冶金、机械、能源领域。如： ( 1 ) 铝钢复合薄板是制作家用电器的理想材料。用它制作热风机、燃气热反射 灶、电烤箱、洗衣干燥机、空调以及高级厨房用具等，具有美观、轻便、耐用的 特点。 ( 2 ) 汽车工业是铝钢复合板的最大需求者和潜在市场。用作汽车板，可使轿车 达到3 0 的轻化效果，由此可降低油耗2 0 以上。采用铝钢复合板制作汽车消音 器，使用寿命为普碳钢板的9 倍，为镀层板的2 5 倍，是我国引进轿车生产线所急 需的新型材料。铝基钢带是由铝、铁、锡合金和钢轧制复合而成的铝钢复合板材， 作为汽车轴瓦材料己广泛应用于发动机的主轴和曲轴上【6 ，l 。 ( 3 ) 可作为高档火车车厢的优质材料，也可作为高级商厦的外装饰材料。 1 2 钢铝复合板的生产方法分类 钢铝复合板具有良好的综合性能和很高的性价比，国内外都非常重视它的研 究与开发。在成形工艺方面则研究了如爆炸复合法、轧制复合法、扩散焊接法等 工艺。新技术新工艺的不断研究与开发将对复合板实现高质量、低成本、高效率 生产有很大的促进作用。 目前金属复合板的生产制备工艺可以分为三大类：固一固相复合法、液一固 相复合法和液一液相复合法。每种工艺都有其不同的特点和应用范围。 1 2 1 国一固相复合法 周一固相是将两层或多层已经成形的金属板料，在接触面经过清理后，焊接 成一体，或将板料叠加直接进行轧制，形成复合板的工艺方法。 f 1 ) 焊接成形法 根据焊接方式的不同，该类加工工艺包括：爆炸焊接、钎焊法、扩散焊接等。 爆炸焊接法：爆炸焊接法源于1 9 4 4 年美国人c a r l 的一次爆炸成形实验。 在那次实验中，c a r l 偶然观察到弹片粘到了钢板上，从而发现了爆炸焊接这一现 象。爆炸复合法的基本原理是：利用炸药爆炸时产生的高压脉冲载荷实现异种材 料的冶金结合。爆焊装置 8 】如图1 ，2 ，在边缘某点或中心起爆。 爆轰波从起爆点丌始传播，通过缓冲橡胶垫将爆轰压力传给复板，使其加速， 经间距h 与基板碰撞，产生射流清洗接触面，而高压使钢铝板结合在一起。 5 0 多年来，爆炸焊接以其独特的优势获得了迅速的发展。如：美国路易斯爆 炸加工公司一次装药量达9 0 0 0 k g ，由此估计生产复合板的面积达3 0 0 m 2 ：英国海 3 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 广泛地研究并应用于石油、化工、电力、冶金、机械、能源领域。如： ( 1 ) 铝钢复合薄板是制作家用电器的理想材料。用它制作热风机、燃气热反射 灶、电烤箱、洗衣干燥机、空调以及高级厨房用具等，具有美观、轻便、耐用的 特点。 ( 2 ) 汽车工业是铝钢复合板的最大需求者和潜在市场。用作汽车板，可使轿车 达到3 0 的轻化效果，由此可降低油耗2 0 以上。采用铝钢复合板制作汽车消音 器，使用寿命为普碳钢板的9 倍，为镀层板的25 倍，是我国引进轿车生产线所急 需的新型材料。铝基钢带是由铝、铁、锡合会和钢轧制复合而成的铝钢复合板村， 作为汽车轴瓦材料己广泛应用于发动机的主轴和曲轴上 6 7 i 。 ( 3 ) 可作为高档火车车厢的优质材料，也可作为高级商厦的外装饰材料。 1 2 钢锅复合板的生产方法分类 钢铝复合板具有良好的综合性能和很高的性价比，国内外都非常重视它的研 究与开发。在成形工艺方面则研究了如爆炸复合法、轧制复合法、扩散焊接法等 工艺。新技术新工艺的不断研究与开发将对复合板实现高质量、低成本、高效率 生产有很大的促进作用。 目前金属复合板的生产制备工艺可以分为三大类：固一固相复合法、液一固 相复合法和液液相复合法。每种工艺都有其不同的特点和应用范围。 1 2 1 固一固相复合法 周一固相是将两层或多层已经成形的金属板料，在接触面经过清理后，焊接 成一体，或将板料叠加直接进行轧制，形成复合板的工艺方法。 ( 1 ) 焊接成形法 根据焊接方式的不同，该类加工工艺包括：爆炸焊接、钎焊法、扩散焊接等。 爆炸焊接法：爆炸焊接法源于1 9 4 4 年美国人c a r l 的一次爆炸成形实验。 在那次实验中，c a r l 偶然观察到弹片粘到了钢板上，从而发现了爆炸焊接这一现 象。爆炸复合法的基本原理是：利用炸药爆炸时产生的高压脉冲载荷实现异种材 料的冶金结合。爆焊装置口1 如图1 ，2 ，在边缘某点或中心起爆。 爆轰波从起爆点开始传播，通过缓冲橡胶垫将爆轰压力传给复板，使其加速， 经闯距h 与基板碰撞产生射流清洗接触面，而高压使钢铝板结合在一起。 5 0 多年来，爆炸焊接以其独特的优势获得了迅速的发展。如：美国路易斯爆 炸加工公司一次装药量达9 0 0 0 k g ，由此估计生产复合板的面积达3 0 0 m 2 ：英国海 炸加工公司一次装药量达9 0 0 0 k g ，由此估计生产复合板的面积达3 0 0 m 2 ；英国海 3 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 军部委托承包商把1 6 0 0 m 的铝薄板爆炸焊接到一个相当于足球场大小的平展甲板 上，并进行了相当于4 5 k m 的世界上最长量程的爆炸焊接作业【9 l 。 1 一s t r e n g t h e nd r u g2 - d e t o n a t o r3 - e x p l o s i v e 4 一r u b b e rg a s k e t5 - s t e e l 6 - a l u m i n u mb r a n d7 - r u b b e rg a s k e t8 - s a n dc u s h i o n 图1 2 爆炸焊接装置 f i g 1 2e x p l o r ej o i n t i n ge q u i p m e n t 钎焊法：是在两层材料间加入钎料，利用液态钎料湿润母材，填充间隙并 与母材发生相互扩散而实现连接。 ( 2 ) 轧制复合法 将经过表面处理( 除油、打磨) 后的两层或多层金属板，焊接成一体或将板 料叠加直接在轧机上进行大变形量的轧制，然后进行相应的热处理形成冶金结合， 以此制备复合材料的工艺方法。其缺点是制造过程工序多，不宜生产小规格的复 合板。 1 2 2 液一液相复合法 工业的高速、高效及多样化发展要求开发新的复合钢板的生产方法，应用连 铸技术生产复合钢板由此应运而生。由于液一液相复合法可以免去基板表面活化 处理等工序，而且随着连铸结晶器控制技术的不断发展，使得连铸生产复合板成 为可能，其中最典型的是电磁连铸法。 电磁连铸法：是借助水平电磁场生产复合钢坯，目前尚处于研究阶段。工艺 原理如图1 3 所示。两种化学成分不同的钢液分别通过浸入式水口同时注入结晶 器。由于水平磁场安装在结晶器的下部，洛仑兹力作用在钢流上垂直穿过水平磁 场，依靠磁流体力的作用把结晶器熔池分为上、下两部分，抑制了两种钢液的混 合。通过结晶器冷却作用，上部熔池的钢液凝固成为复合钢坯的外层，下部熔池 4 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 的钢液凝固形成复合钢坯的内芯。 采用电磁连铸法生产不锈钢复合板有以下优点：在结晶器内直接实现两种材 料的复合，可以避免结合界面的氧化、夹渣等情况：由于是液一液相结合，界面 结合强度更高，同时也无须对基板表面迸行活化处理：可灵活调整复合板的尺寸 和扩散层的厚度，适合于大批量连续生产双面不锈钢复合板。 o 址竹n o l t e nm e t 毫li l u e rm o t l e nm e t d 1 一l i q u i dc o r e 2 - - i n t e r f a c e 3 - - c r y s t a l l i z e r 4 一l m f5 - - o u t e rs o l i d i f i e ds h e l l 6 一i n n e rs o l i d i f i e do b j e c t7 一o u t e rm e t a l8 一i 姗e rm e t a l 图1 3电磁控制双金属连铸工艺原理 f i g 1 3t e c h n o l o g yp r i n c i p l eo f e l e c t r o m a g n e t i s mc o n t r o ld o u b l em e t a l ss e r i e sf o u n d r y 1 2 3 液一固相复合法 液一固相复合技术是一种生产复合材料的有效方法。目前研究开发的将液体 浇注到固体材料表面的方法主要有：浇注法、浸入法、喷射法以及半固态压力复 合法等。 ( 1 ) 直接浇铸复合法 其工艺过程为：将两块钢板叠合，内层涂上剥离剂，四周焊合后放在盛有金 属液的铸模中，待液态金属凝固后进行初轧，最后将焊合的边部切掉，即得到两 块复合板。在适当温度及压力下可实现较高的结合强度。此方法工艺简单，成本 低，可用于批量生产。但由于复层金属与基体金属的熔点不同，结合部位容易产 生熔损，因此难以得到质量优良的复合钢板。 亿) 铸轧法 是液态金属与固态金属在轧机上实现复合的方法】。 5 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( 3 ) 浸入法 将温度较低的母带浸入到熔化的覆层材料中，覆层材料在母带表面形成一凝 固层。它适合于带钢类复合金属材料的生产。其主要工艺方法为反向凝固法和热 浸镀法。 反向凝固法：是让一定厚度的母带从反向凝固器内的钢液中通过，使母带 表面附近的钢水迅速降温，在母带表面凝固形成新生相，并在新生相还处于半凝 固状态时进行轧制，得到表面平整、厚度均匀的热轧薄带【1 ”。 热浸镀法 热浸镀铝的工艺过程1 3 】，概括地说，主要有如下步骤：脱脂一水洗一除垢一 温水洗一助镀一烘干一热浸镀一扩散( 或抛光处理) 一冷却一水洗清理一检查。由于 工艺手段及途径的不同形成了几类镀铝工掣1 4 】，根据镀前处理方法不同热浸镀铝 工艺可分类如图1 4 。 图1 4 热浸镀铝工艺分类 f i g 1 4t e c h n o l o g ys o r to f h o t - d i pa l u m i n i z i n g 目前出现了热浸镀铝的新工艺：主要是开发研究熔剂法的助镀工艺，从单元 水溶液助镀发展成二元、三元水溶液助镀，如k 2 z r f 6 k c l 一h f 系列；为了提高热 浸镀铝层的耐蚀性和抗氧化性等性能，开发研制出把微量稀土等元素添加在熔荆 中，改善镀层的性能。 ( 4 ) 喷射成形法 6 困一一园囡囤 东北大学硕士擘位论文 第1 章绪论 是一种用专用设备把某种固体材料熔化并加速喷射到基体表面上，形成一特 制薄层，经热处理后达到复合，是提高基体耐蚀、耐磨、耐高温等性能的新兴材 料制备技术。喷射成形技术可以达到理想的复合效果，其特点是取材范围广，可 用于多种基体上【旧。德国曼内斯曼曾进行了多层材料板材的工艺实验，其原理如 图1 5 所示。 3 4 l - - m e l t i n gp o t2 - - e j e c t i o nn o z z l e 3 - - a t o m i z e rc h a m b e r4 - - t r a n s m i s s i o nd e v i c e 5 - - b o n d i n gb o a r d 6 - - e x h a u s tg a s 图1 5 多层材料板材的喷射成形 f i g 1 5i n j e c t i o nf o r m i n go f m u l t i l a y e rm a t e r i a lb o a r d ( 5 ) 半固态压力复合法 在钢铝固一固相复合中，由于钢和铝之间形成的是机械咬合和部分物理结 合，因此其界面力学性能较差；而采用钢铝固一液相复合由于复合温度高，液 态铝和钢板之间极容易形成铁铝化合物层，界面处容易发生脆化。但是如果采 用半固态压力复合法，由于半固态铝熔体中固态铝的存在，使钢铝复合板的界 面构成发生了变化，形成了铁铝化合物和铁铝固溶体交替构成的新型结构。它 破坏了复合界面处铁铝化合物的层状分布，避免了整个复合界面的脆化，所以 钢一半固态铝熔体压力复合板的界面剪切强度很高，有很好的发展前途【1 6 】。 1 3 钢铝复合板成型技术的发展趋势 复合板的生产工艺方法有很多种，不同的制备方法各有特点。爆炸法可以实 现熔点相差悬殊、热膨胀系数以及硬度差别很大的金属之间的焊合，如锆钢复合 板等。因此各种成形技术难以完全互相替代，一定时期内仍然是各种制备工艺并 一7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 存的局面。 固一固相复合法由于钢和铝之间形成的是机械咬合和部分物理结a 【 】，因此 固一固相复合板的界面力学性能很差，界面剪切强度一般在4 0 m p a 左右。它通常 对原材料有较高的要求，而且工序比较多，需要对原材料进行表面清理等工序， 生产周期也很长，实现连续化生产比较困难，因此其生产效率是比较低的。 液一液相复合法生产复合板，其生产工艺简单易操作，无污染，可以实现产 品复合效果的稳定性，而且生产连续性强，可实现连铸连轧，大大简化了生产工 艺流程，因此液一液相复合法具有非常重要的研究价值。 液一固相复合法相对于固一固相复合法来讲，减少了覆层金属的预制，工序 简单化，具有良好的开发前景，将会成为研究复合板生产工艺的主流。该技术的 基本优点【l 驯是： ( 1 ) 可以实现两种金属的冶金结合，结合的强度是固一固相复合的2 - - 3 倍； r 2 1 单位成本比固一固相复合轧制降低2 0 - - 3 0 ，成材率却提高1 0 - - 2 0 ； f 3 1 工序少且轧制载荷低，设备投资比固一固相复合轧制技术减少5 0 - - 7 0 ； h ) 以带式法连续生产，比固一固相块式生产提高生产效率l 一2 倍以上： ( 5 ) 由于工序减少和设备吨位的减小，其能源消耗可降低3 0 - - 5 0 。 1 4 液固相复合的结合机理 本文所研究的液固相复合，在其复合的整个过程中，主要分为组元金属预制 处理和组元之间的互扩散两个阶段。 ( 1 ) 组元金属预处理 组元金属机械性能的调整 为了兼顾组元材料的物理性能与机械性能，选择组元金属时首先须考虑材料的 线膨胀系数、电阻率、弹性模量等问题。但经选定后的各组元金属的机械性能往 往存在较大的差异。为了使组元金属间能达到良好的结合状态，需要对组元金属 的机械性能进行适当的调整。复合前通常须对各组元材料进行预先热处理。 组元金属结合表面清理 金属表面置于大气之中，一般均会形成氧化层，在污染的潮湿的介质中，氧化 层外表面还会以化学或物理的形式吸附水汽、有机或无机污染物。表面实际状况 相当复杂，直接影响和阻碍着组元金属间的结合。为了实现复合，提高复合的界 面结合强度，必须对组元金属进行表面处理。要去油、去氧化膜，使结合面保持 清洁。 8 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( 2 ) 组元之间的互扩散 在液固相复合的扩散过程中，首先形成的是点结合，由点结合逐渐变为面结合。 7 0 年代长扎柯夫提出被复合金属在一定温度( 0 6 一o 8 t m ) 下形成结合面的扩散理 论，他认为在结合区内存在一层很薄的互扩散区，这薄层的互扩散区保证了复 合金属的牢固结合，但根据这种理论推断，如果增加互扩散区的厚度，应该能提 高界面的结合强度，然而事实并非完全如此，在任何的复合过程中，必定都会产 生扩散过程，对结合强度均有所影响，对同种金属，扩散可起到有利影响，但对 异种金属，则有可能产生不利影响，如生成脆性相等。应针对具体的条件，通过 实验找出适当的温度和时闯，以保证既有必要程度的扩散，又不至于引起过大的 扩散，控制脆性相的生成，这也正是本文所要研究的内容。 此阶段的异种金属分为三种情况： 无限互溶金属：在接触区会产生成分不定的固溶区，固溶区的宽度与扩散 处理的温度和时间有关，均质的固溶体塑性很高，强度也高于基体金属，破坏往 往发生在强度较低的基体金属上。 有限互溶金属：有限互溶的金属( 通常随着温度的上升，溶解度也跟着提 高) ，如：c u ，f e 的接触面上，会产生浓度不同的固溶体区域。该区域的厚度取决 于扩散过程的温度条件，随着厚度增加，由于在结合处形成共晶体脆性层而使界 面的塑性和强度下降。 产生金属间化合物的金属：如a i - c u 、f e a i 等互溶性很低或几乎不互溶 的金属，当超过过渡区中元素溶解度的极限时，由于晶格的变化而产生了金属间 化合物，金属间化合物尚未形成连续层时，对界面的结合强度影响不大，但金属 间化合物是脆性相，它的形成厚度必须控制在一定范围内，否则会大大降低界面 结合强度。 液固相复合材料需要在一定条件下制备，材料的界面结合区在一定温度和保温 时间内，组元问可相互扩散，以形成细晶粒组织的扩散层，在一定程度上增强材 料的界面结合，提高了界面结合强度。也有可能发生不同程度的化学反应，产生 各种界面反应产物一金属间化合物相。由于金属间化合物复杂的结晶构造以及存 在着共价键和离子键，在材料使用中发生受力或变形时，界面处的这些金属间化 合物相几乎不发生滑移过程，或者产生的滑移很快停止，滑移带的晶格畸变受到 阻碍，容易引起晶界脆性和产生晶间裂纹，最终造成脆性破裂，同时由于金属间 化合物相生成时要产生体积变化，界面不匹配而引起弹性畸变，使得界面结合强 度大幅度降低 1 9 - 2 1 l 。所以界面反应对于复合材料的结合性能起着极其重要的作用， 9 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 有时甚至起控制作用，直接影响材料的使用寿命。因此层状金属复合材料的生产、 应用的关键在于制备过程中如何改善金属基体和覆层的浸润性、控制界面反应、 形成最佳的界面结构及获得优良的乔面结合。 1 5 影响界面结合强度的因素 ( 1 ) 打磨条件的好坏：这一道工序非常重要，对最终复合材料结合性能的好坏 起着重要的作用。这是因为钢带表面粗糙度对润湿效果有很大影响，其影响模型 如图1 6 所示。 ( 8 ) 景鬈幺p ( b ) 图1 6 表面粗糙度对润湿效果的影响 f i g i 6e f f e c t o f s u r f a c e t o u g h n e s s o n w e t t i i l g 在图1 6 中，( a ) 为光滑表面受力的情况，( b ) 为粗糙表面受力的情况。在平衡 状态下，由a 点的受力平衡可得出： 当固体表面光滑时， c o s 口= ( 仃踮一口s ) 盯三g ( 1 1 ) 而当固体表面粗糙时，相当于接触面积增加。以粗糙度系数n 来表示面积增 加的程度，有以下力平衡公式： 仃s n j s + 盯g 万s c o s p ”一盯s g n d s = 0 ( 1 2 ) 即： c o s 0 。= n ( o - s g 仃l s ) 仃g( 1 3 ) 由式( 1 2 ) 可知，0 越小，润湿效果越好。所以，为了提高液体金属对固体金属 一1 0 。 东北大学硕士学位论文 第t 章绪论 的润湿能力应尽量减小液体和气体之间的表面张力ol g 及液体和固体之间的表面 张力ol s 。 钢带打磨的好可以达到三个目的：去除钢带表面氧化皮，使钢带与铝液充 分接触：增加钢带的表面积，即增加钢与铝合金结合的有效面积，从而提高界 面结合强度：增加润湿效果。打磨的好坏是以钢带的粗糙程度和不规则性衡量 的，它可以用分形维数【2 2 , 2 3 】来定量描述。很多研究者已经发现了钢板打磨表面的 分形维数与界面剪切强度之间的关系为【2 4 】： y ；2 6 2 4 + 2 7 7 6 x 5 8 8 x 2 ( 1 4 ) $ 1 m l o ed i m e m i o m 图1 7 表面分形维数与界面剪切强度的关系 f i g 1 7r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u r f a c es h a p ed i m e n s i o n sa n di n t e r f a c es h e a r i n gs t r e n g t h 如图1 7 ，当钢板打磨表面的分形维数为2 3 6 时，相应的最大界面剪切强度为 6 5 3 m p a 。采用钢丝直径为1 4 m m 钢丝轮进行打磨处理是最佳打磨方式。 r 2 ) 助焊剂的作用【2 5 】：通过浸镀助焊剂可在清洁的钢板表面形成一层膜，防止 钢板表面氧化，而且钢与铝液接触后，助焊剂膜迅速熔化、分解使活性钢表面 直接与铝液接触，进而发生铝液对钢板的浸润、漫流、吸附和扩散反应等复合行 为，提高铝液对钢带的润湿效果，从而可望使界面形成牢固冶金结合，提高复合 材料的界面结合强度【2 6 】。但如果助焊剂浓度过大，液固相复合时助焊剂不能完全 分解，铝合金对钢带的润湿效果不好，并且会残留在铝合金液体中，影响铝合金 层的性能：如果助焊剂浓度过低，也起不到应有的作用。浸镀以氯化物为主的助 焊剂可以促进钢与铝液润湿从而获得优良的界面结合性能。钢一铝固液相复合时 采用的助焊剂不宜选用与铝反应或分解后生成大量气体的助焊剂，否则会在复合 界面处产生气泡缺陷，使结合强度降低。 岔hd善警霸葛孽詹_t|ls 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( 3 ) 铝液的加热温度：铝液的加热温度过低，会使铝液对钢带的润湿过程延长， 润湿效果不好；同时铁原子向铝液中的溶解速度减慢，扩散速度也较小，界面过 渡层过薄，界面强度较低。而且由于铝液温度较低，在钢带表面也容易产生类似 反向凝固的缺陷，结果在扩散层与钢基体之间存在空洞，使复合板在弯曲时产生 裂纹和剥离现象。在铝液温度较高的情况下，能实现液态铝液对钢带的充分润湿， 使界面更易于形成真正的冶金结合，复合界面强度高。而且扩散层厚度适当，在 界面处几乎不存在空洞。 ( 4 ) 钢带的预热温度：钢带的预熟温度【2 对润湿和结合强度影响很大。当钢带 预热温度过低时，一方面，由于铝液很快在钢带表面凝固，然后再重熔和润湿， 减少了润湿时间，影响了润湿效果，降低了结合强度；另一方面，由于钢带从铝 液中带走大量的热量，使铝液的温度迅速下降，导致液固相复合工艺无法进行。 而预热温度过高时，钢带表面容易被氧化，铝液根本无法实现对钢带的润湿，造 成黑带现象。 ( 5 ) 复合时间的影响：在钢带预热温度和铝液温度合适的条件下，铝液能实现 对钢带的润湿，但其润湿程度及扩散层的厚度与复合时间密不可分。复合时间较 长时，铝液有充分的时间润湿，同时由于钢带温度的升高，铝原子向铁中的扩散 速度加快，形成了比较厚的扩散层，易产生扩散层断裂，影响界面结合强度。在 复合时间合适的条件下，润湿效果好，扩散层厚度适当，制备的复合材料具有较 高的结合强度。 可见，打磨条件、助焊剂、铝液温度、钢板温度、复合时间对复合板界面层 厚度均有很大影响f 2 8 】，直接影响到复合板的界面结合强度。 1 6 实验的主要目的和意义 全面而确切地表征界面是了解界面性质并进而控制和改善复合材料的最重要 基础之一，但由于界面或界面层是极薄的一层物质，而且其组成相当复杂，尤其 是金属基复合材料。因而迄今为止，对复合材料的界面认识还是很不充分的，更 谈不到建立完整的理论。但由于其重要性，随着现代分析技术和仪器的不断改进 和人们对界面认识的不断深化，人们最终必将会对复合材料界面结构有一个深入 全面的认识，并将它用于指导和控制界面和材料性能，达到优化材料设计的目的， 以最大限度地发挥出复合材料的长处。 本实验的主要目的是： ( 1 ) 依靠显微镜和电子扫描技术分析液固相钢铝复合材料的结合机理，探究工 1 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 艺参数对界面化合物类型、长大过程的影响； ( 2 ) 研究不同工艺参数对扩散层的组织、厚度以及界面结合强度的影响； ( 3 ) 找到界面组织、界面结合强度、工艺参数三者的关系，确定高界面结合强 度复合材料相应的界面组织形式，为生产工艺的制定提供理论支持。 因此，本论文将着重研究液固相钢铝复合扩散层的厚度与时间、温度的关系， 初步建立界面扩散反应的动力学数学模型，这对于了解钢铝复合材料的界面区扩 散反应规律具有重要科学意义，并且对其制备工艺亦有一定的指导意义和经济价 值。 1 3 东北大学硕士学位论文 第2 章实验过程 第2 章实验过程 “先进层状复合材料及其制备技术”是在国家高技术发展规划“8 6 3 ”项目中 开发的，具有我国独立知识产权的生产双金属复合板的新技术，而液固相钢铝复 合的界面研究是这个项目的初级阶段，主要研究铝液温度，钢板温度，复合时间 等工艺参数对液固相钢铝复合界面的影响，以及复合中扩散层长大的规律。 2 1 钢板和铝液温度不同条件下液固相钢铝复合的实验 为了研究在钢板和铝液不同温度的条件下，液固相钢铝复合的基本规律，在 钢板温度为2 5 0 ，铝液取不同温度的条件下作了以下三组实验，如表2 ，l 。 表2 1 钢板温度为2 5 0 3 2 的分组实验 t a b l e2 1 g r o u pe x p e r i m e n t sw h e nt h et e m p e r a t u r eo f s t e e li s2 5 0 3 2 2 1 1 实验设备及材料 主要设备：自制工频电阻加热炉，额定电压2 2 0 v ，炉予内径巾1 2 0 r a m ：台式 干燥箱，电压2 2 0 v ，电流2 5 a ，单相，5 0 h z ，内室容量2 5 0 m m x 2 5 0 m m 2 5 0 m m ， 工作温度2 5 0 ，误差1 ；温度的测量采用k 型热电偶，灵敏度l 。 其它辅助设备：进行界面电子探针扫描所用的设备是e p m 型电子探针，_810q 加速电压为2 5 0 k v ，最高放大2 0 0 0 倍：吹干机，2 2 0 v ，1 5 0 w ；试样抛光机，型 号p - - 2 ，抛光盘直径2 0 0 m m ；剪板机，型号q l l - 6 3x 2 0 0 0 型，可剪板厚6 3 m m ， 可剪扳宽2 0 0 0 m m 。 实验材料：实验中采用l 号纯铝，实验用钢板采用0 8 钢带，其厚度为1 2 m m 左右，宽度为2 0 r a m 左右。钢带要求平直，表面不存在厚氧化皮。刚度好，不易 变形。助焊剂采用n a f 、k f 、n a c l 和k c i 配制：要求耐热温度为1 2 0 0 。c 的石英 坩埚若干。 1 4 东北大学硕士学位论文 第2 章实验过程 2 1 2 实验过程 实验装置如图2 1 所示，将盛有铝锭的提子放进自制加热炉，加热至预定温度 ( 7 5 0 。c 或8 5 0 。c ) 后，再将加热至2 5 0 。c 的钢板插入铝液中，复合既定时问后， 抽掉挡板，将提子快速插入冷水中冷却。 1 - m e l t i n gp o t 2 - a l u m i n u m 3 - - h e a t i n g - f u r f l a e e4 - - b a f f l ep l a t e 5 一w a t e r 图2 1 实验装置示意图 f i g 2 1 s c h e m a t i cp l a no f e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 图2 2 是实验过程示意图，分为9 个步骤。 图2 2 实验过程示意图 f i g 2 2 s c h e m a t i cp l a no f e x p e r i m e n t a lp r o c e s s ( 1 ) 清洗 清洗的主要目的就是除去残留在钢带表面的润滑油，以免钢带预热时氧化覆 盖在钢带表面，影响铝液的润湿效果，降低界面的结合强度。其简单的工艺过程 为： 1 5 。 东北大学硕士学位论文 第2 章实验过程 r。1。r- l 钢带卜_ 卜l 碱洗卜一+ i 水洗卜_ + l 酸洗卜+ i 水洗卜_ + l 干燥i 圈2 3 清洗流程示意图 f i g 2 3 s c h e m a t i cp l a no f c l e a n i n gp r o c e s s 主要设备有：碱洗槽、水槽、酸洗槽。 ( 2 ) 打磨 依次用2 0 0 4 、4 0 0 # 、8 0 0 4 、1 2 0 0 4 、2 0 0 0 。砂纸将钢板反复打磨，除去钢板表面 的氧化皮及油渍，这对最终复合材料的结合性能起着非常重要的作用。 ( 3 ) 涂助焊剂 助焊剂采用n a f 、k f 、n a c l 和k c l 配制，钠盐和钾盐的浓度比为2 ：3 ，总 浓度为2 一6 。水溶液的温度为5 0 左右，将钢板浸入其中3 分钟后取出。浸 镀助焊剂的目的是促进铝液对钢带的润湿，提高复合材料的界面结合强度。助焊 剂层的厚度太厚和太薄对润湿都不利，太薄不能覆盖钢带表面，不能很好的防止 钢带氧化，影响润湿效果。而太厚也不利于提高润湿效果，由于助焊剂在润湿过 程中分解需要一定时间，这样就减少了润湿的时间，影响结合效果，不能分解的 助焊剂会残留在铝合金液体中，影响复合材料的性能。 ( 4 ) 干燥 用吹风机将钢板快速吹干，吹风