（材料加工工程专业论文）钢背铜石墨复合板半固态复合研究.pdf

一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：才锄蕊兜卜 导师签名： 签字日期：别护年莎月僧日签字日期：9 - o i o 年6 月，汐e l 作者姓名：杨晓林 导师姓名：张鹏 学位类别：工学 学科专业：材料加工工程 - g r a p h i t e 学号：0 8 1 2 1 8 9 1 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：新材料与新技术 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师张鹏教授的悉心指导下完成的，张鹏教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来张鹏 老师对我的关心和指导。 杜云慧老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向杜云慧老师表示衷心的谢意。 刘汉武老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室学习及撰写论文期间，张君、姚莎莎两位师姐和孙明、郭冬梅两位 同学在生活和学习上都给了我不计酬劳不辞辛苦的热情帮助。在此向他们表达我 的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 中文摘要 中文摘要 摘要：钢背铜石墨复合板兼有钢的强度高、铜的导热性及耐磨性好和石墨的 高温润滑性好等优点，是理想的高温轴瓦材料，需求遍布于汽车、铁路、航空航 天等领域。但现有的复合板加工方法存在工序复杂、生产成本高、界面结合性能 差、组织宏观偏析等问题。本文将半固态加工技术应用到钢背铜石墨复合板的成 形中，提出了钢背铜石墨复合板的半固态复合方法，并通过大量工艺实验和理论 分析，确定了获得高质量钢背铜石墨半固态复合板的基本工艺条件，主要研究内 容及成果如下： ( 1 ) 采用半固态加工技术有效地解决了铜石墨覆层中石墨颗粒的宏观偏析问 题。使用电磁机械复合搅拌技术制备了铜石墨半固态浆料，得到了半固态浆料的 固相率与搅拌温度之间的关系，并确定了消除石墨颗粒在q t i 3 5 - - 3 5 石墨复合材 料中宏观偏析的条件。 ( 2 ) 采用半固态复合法成功地制备了界面结合性能良好的钢背铜石墨复合 板。制定了合理的半固态复合工艺，重点研究了钢背铜石墨复合板半固态复合参 数钢背预热温度、铜石墨半固态浆料固相率、轧制速度对复合板界面力学性 能的影响关系，并对复合参数进行了优化，建立了复合参数与界面力学性能之间 的人工神经网络模型，实现了对复合界面结合性能的预测。 ( 3 ) 对钢背铜石墨半固态复合的界面微观组织进行了分析，探究了钢背铜石 墨复合板的半固态复合机理。 关键词：钢背铜石墨复合板；半固态复合；界面结合性能；界面组织 分类号：t g 3 3 5 8 5 3 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：s t e e l - b a c k e dc u - g r a p h i t eb o n d i n g p l a t e ，、7 l ，i m t h eb e t t e r p e r f o r m a n c eo fs t r e n g t h e n 鹊s t e e l ，h e a tc o n d u c t i o na n da b r a s i o nr e s i s t a n c ea sc u , h i g h - t e m p e r a t u r el u b r i c i t y 嬲g r a p h i t e ，i si d e a lb e a r i n gm a t e r i a lw h i c hi sw i d e l ya n d l a r g e l yu s e di nt h ed o m a i no fa u t o m o t i v e ，r a i l w a ya n da e r o n a u t i c a l h o w e v e r , t h e e x i s t i n gp r o c e s s i n gm e t h o d sh a v et h ep r o b l e m so fc o m p l i c a t e dt e c h n o l o g y , h i g h p r o d u c t i o nc o s t , l o wi n t e r f a c i a ls t r e n g t ha n ds e g r e g a t i o no fm a c r oo r g a n i z a t i o n t h e m e t h o do fs e m i s o l i dp r o c e s s i n gi s a p p l i e d i n t ot h ep r e p a r a t i o no fs t e e l b a c k e d c u - g r a p h i t eb o n d i n gi nt h i sp a p e r f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rp r o v i d e st h em e t h o do f s e m i s o l i dc o m p o s i t e t h ef u n d a m e n t a lt e c h n i c a lc o n d i t i o n so fh i g hq u a l i t ys t e e l - b a c k e dc u - g r a p h i t e s e m i s o l i db o n d i n gp l a t ew a sd e c i d e d b y al o to fe x p e r i m e n t sa n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o nw e r ed e s c r i b e d 勰f o l l o w s 1 t h ep r o b l e mo fm a c r o s e g r e g a t i o no fg r a p h i t ei nc u - g r a p h i t el a y e rw a s e f f e c t i v e l ys o l v e du s i n gs e m i s o l i dt e c h n o l o g y t h es e m i s o l i dc u g r a p h i t es l u r r yw a s g a i n e db yt h em e t h o do fe l e c t r o m a g n e t i c - m e c h a n i c a ls t i r r i n g t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n s o l i df r a c t i o na n ds t i r r i n gt e m p e r a t u r ew e r eg o t t h ec o n d i t i o n sf o re l i m i n a t i n g m a c r o s e g r e g a t i o nw e r eo b t a i n e d 2 t h es t e e l - b a c k e dc u - g r a p h i t eb o n d i n gw h i c hh a sh i l g hb o n ds t r e n g t hw a s p r e p a r e db yt h em e t h o do fs e m i s o l i db o n d i n g r e a s o n a b l ep r o d u c t i o np r o c e s sw a s d e s i g n e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n dt h ei n t e r f a c i a l s h e a rs t r e n g t hw a ss t u d i e d b e s i d e s ，t h eo p t i m u mb o n d i n gp r o c e s s i n gc o n d i t i o n sw e r e o p t i m i z e d t h er e l a t i o n s h i pm o d e lb e t w e e ni n t e r f a c es h e a rs t r e s sa n dt e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r sw a sd e t e r m i n e db yu s i n ga r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k st e c h n o l o g y , w h i c h r e a l i z e dt h ep r e d i c t i o no ft h ei n t e r f a c es h e a rs t r e s s 3 t h ei n t e r f a c i a ls t r u c t u r eo fs t e e l - b a c k e dc u g r a p h i t es e m i s o l i dc a s t i n g - r o l l i n g b o n d i n gw a sa n a l y s i s t h eb o n d i n gm e c h a n i s mo fs e m i s o l i dc a s t i n g - r o l l i n gb o n d i n g w a ss t u d i e do nt h eb a s i so ft h eb o n d i n gt h e o r y k e y w o r d s ：s t e e l - b a c k e dc u - g r a p h i t eb o n d i n g ；s e m i s o l i dc o m p o s i t e ；i n t e r f a c i a l m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；i n t e r f a c i a ls t r u c t u r e c i a s s n o ：t g 3 3 5 8 5 i 1 3 双金属复合板的复合方法4 1 3 1 固一固相复合方法5 1 3 2 固一液相复合方法7 1 3 3 小结1 0 1 4 双金属复合板界面结合性能综述1 0 1 4 1 双金属复合板结合机制10 1 4 2 界面结合性能的影响因素。1 3 1 4 3 促进界面结合的方法。1 5 1 5 半固态复合法的提出及意义。1 6 1 6 本课题研究内容17 2 铜石墨半固态浆料研究1 9 2 1 半固态加工技术概述1 9 2 1 1 半固态加工技术特点1 9 2 1 2 半固态浆料的常规制备方法。2 0 2 2 铜石墨半固态浆料电磁机械复合搅拌技术2 2 2 3 铜石墨半固态浆料制备实验：2 4 2 3 1 实验材料的选择及配方设计2 4 2 3 2 铜石墨半固态浆料制备实验2 6 2 3 3 半固态浆料固相率与搅拌条件的关系。2 7 2 3 4 半固态组织研究2 9 2 4 本章小结3 3 3 钢背铜石墨半固态复合实验3 5 3 1 实验材料3 5 3 2 实验设备。3 5 3 3 钢背铜石墨半固态复合实验3 6 3 3 1 钢板预处理3 7 v 娃l l 2 2 3 v 北京交通大学硕士学位论文 3 3 2 半固态复合3 7 3 3 3 界面结合性能测试3 8 3 3 4 界面微观组织观察3 9 3 4 本章小结3 9 4 钢背铜石墨半固态复合界面结合性能研究4 1 4 1 半固态参数的确定及初选4 l 4 2 复合参数对界面结合性能的影响4 4 4 2 1 钢板预热温度的影响4 4 4 2 2 半固态浆料固相率的影响4 6 4 - 2 3 * l 错t j 速度的影响4 8 4 2 4 d 、结一4 9 4 3 半固态复合关系模型的建立及性能预测5 0 4 3 1b p 人工神经网络概述。5 0 4 3 2b p 人工神经网络网络建模。5 1 4 3 3 基于b p 网络的界面结合性能预测5 3 4 4 本章小结5 4 5 钢背铜石墨半固态复合界面研究5 5 5 1 钢背铜石墨半固态复合过程5 5 5 1 1 润湿过程5 5 5 1 2 互扩散过程5 6 5 1 3 冷却凝固过程5 8 5 1 4 轧制过程6 0 5 2 半固态复合板界面组织分析6 0 5 2 1 复合板撕裂表面组织6 0 5 2 2 复合板横断面组织6 l 5 3 半固态复合界面结合机理探讨6 4 5 4 本章小结6 4 6 结论6 5 参考文献6 7 作者简历7 l 独创性声明7 3 学位论文数据集7 5 绪论 1 1 研究背景 1 绪论 随着科学技术日新月异的发展，现代工业对材料的性能提出了更为严格的要 求，在单一金属材料已经无法满足这些需求的情况下，综合性能良好的金属复合 板应运而生【l 】。双金属复合板是通过各种不同的连接方法将两种金属材料复合在一 起，得到单层金属材料所不具有的综合性能，满足高强度、高比刚度、抗疲劳性、 尺寸稳定、耐磨、抗振等性能的要求，同时大大节省稀贵材料，降低成本【2 - 3 】。近 年来，双金属材料性能组合和优化方面都取得了突破性进展，使得其应用范围愈 加广泛。 钢背铜基复合板是一种以碳素钢或低碳合金钢为母板、以铜基合金层为覆层 的双金属复合材料，其综合了钢的良好力学性能以及铜的导电、导热性好，耐磨 性好等性能，在各行各业均有广泛的应用。在军工领域，我国从五十年代末期开 始成批生产钢背铜基复合带板，主要用于步枪弹头和弹壳的材料；在民用领域， 钢背铜基复合板可以代替不锈钢制成炊具，由于表层铜基体导热率较高，可以解 决局部温度过热而形成的粘底问题；在建筑装饰领域，使用钢背铜基复合材料代 替铜及铜合金做屋顶、门窗的框架及屋顶的气窗等，不仅庄严美观，而且强度高， 成本低，且由于内层的钢板导热率较低，因此可使用较小的烙铁较低的温度进行 焊接，进而可缩短焊接时耐铀】。 钢背铜基复合板还是制备现代新型轴瓦的理想材料，需求遍布于汽车、铁路、 航空航天等领域r 丌。轴瓦材料应具有疲劳强度高、耐磨性好、抗咬合性好、抗腐蚀 性好、镶嵌性好、顺应性好等性能。传统的轴瓦材料为巴氏合金，其具有非常好 的相容性、顺应性等表面特性，但由于承载能力太差和抗疲劳能力低，并且随着 工作温度的升高机械强度急剧下降。目前，巴氏合金已逐渐退出轴瓦材料市场， 取而代之的是综合性能优异的钢背金属基复合材料。对于钢背金属基轴瓦材料， 覆层金属通常为减磨性能良好的锡基或铅基、铝基、铜基等合金。其中，铜基合 金具有突出的承载能力，且导热性及耐腐蚀性好，在高温2 5 0 仍能正常工作，这 些是其他合金所不能及的，因此钢背铜基复合板被广泛地用来制作汽车、拖拉机、 发动机、高速柴油机等高速重载轴瓦【8 - 9 】。 目前常用的钢背铜基轴瓦材料，一般都有较高含量的铅，而铅是一种有毒金 属，会对人体产生危害，同时又污染环境。近年来，铜基轴瓦材料的发展因环境 北京交通大学硕士学位论文 方面的要求受到一定的限制，欧盟国家已开始限制使用含铅轴瓦材料【1 0 1 。于是， 人们开始着手研究不含铅的铜基轴瓦材料，在此情况下，优质固体润滑组元 石墨脱颖而出。石墨具有层状结构，同一层内的相邻碳原子之间以较强的共价键 相连，层与层之间以比较弱的范德华力相连，在受力情况下，极易发生沿层间滑 移。且石墨无毒无污染，价格便宜，来源广泛，在空气中最高使用温度可达4 0 0 5 0 0 。如果用石墨代替铅添入到铜基体中，制成钢背铜石墨复合板，将会扩大钢 板铜基轴瓦复合板的应用范围。随着汽车、拖拉机、内燃机、航海、航空发动机 向高速、重载方向的发展，钢背铜石墨轴瓦材料必将会有更广泛的应用空间。 1 2 铜石墨复合材料的特点及成形方法 由于铜基体和石墨颗粒的物理性质差异，在常规铸造过程中，铜石墨覆层中 的石墨颗粒极易出现宏观偏析，针对铜石墨复合材料的特点，国内外学者提出了 一些行之有效的铜石墨复合材料成形方法。 1 2 1 铜石墨复合材料的特点 铜石墨覆层兼有铜基体的导热快、导电性好、耐电弧烧蚀等优异性能，又具 有石墨的润滑性能好尤其是高温润滑性能好等优点，是制备现代自润滑摩擦零部 件、电接触导电零部件的理想材料。但铜石墨合金强度低，造价也高，因此，采 用一定的复合方法把铜石墨合金复在钢质底板上，即可形成综合性能好、性价比 高的钢背铜石墨复合板。 对于钢背铜石墨轴瓦材料，铜石墨覆层的自润滑性能是被关注的焦点。由于 在滑动接触状态下，铜石墨复合材料表面上的部分铜基体被石墨覆盖，所以，石 墨含量及分布状态直接影响铜石墨复合材料的自润滑性能。一般情况下，要求轴 瓦材料含有较多的润滑减摩组元，保证摩擦表面的润滑膜生成速度适应摩擦表面 的变化。可见，一定比例的石墨颗粒均匀地分布在铜基体中是铜石墨复合材料的 理想状态。但铜基体与石墨的物性差别很大，前者的平均密度为8 8x1 0 3k g m 3 ， 后者的最高密度约为2 2 x1 0 3k g m 3 ，而前者熔点8 8 0 - - , 1 0 9 0 远低于后者熔点 3 7 0 0 ，并且铜和石墨属于固相和液相均不互溶的两相，润湿性非常差【l l j 【4 1 1 。在 常规铸造过程中，石墨颗粒容易产生上浮并在铜合金液上部产生聚集现象，即使 进行强烈的搅拌，也很难制备出石墨颗粒均匀分布的铜石墨复合材料，因此，“如 何解决石墨在铜基体中分布不均匀”成为制备铜石墨复合材料的关键。 2 绪论 1 2 2 铜石墨复合材料的成形方法 2 0 世纪四五十年代以来，铜石墨复合材料以其优越的综合性能受到越来越多 的关注，世界各国科技工作者对铜石墨复合材料的成形方法进行了较为系统的研 究，目的是解决石墨在铜基体中分布不均匀的问题，从而制备出润滑性能优异的 铜石墨复合材料。目前，铜石墨复合材料的成形方法主要有粉末冶金法、液相浸 渍法、喷射沉积方法和半固态成形法。 1 2 2 1 粉末冶金法 铜石墨复合材料粉末冶金成形方法形成于2 0 世纪初期，其基本思想是：将经 过表面处理的铜基体粉末和石墨粉末充分混合均匀后，倒入模具压制成块，然后 再进行高温烧结和后续处理，形成铜石墨复合材料1 2 l 。 粉末冶金产品组织较为均匀，可实现不同石墨质量分数的铜石墨复合材料的 制备( 其中石墨比例小于6 0 ) 。但粉末冶金法在焙烧过程中发生热分解，使坯料 中产生大量气孔，造成坯料孔隙率大、致密性差，严重地影响了复合材料的耐磨 性、导电性和机械强度。同时，该方法需要制粉、混粉、压制和高温烧结等繁复 工序，工艺比较复杂，能耗大，产品成本高【1 3 】。 1 2 2 2 液相浸渍法 液相浸渍法是消除坯料中气孔的较为理想的常规方法，其基本思想是：首先 将石墨粉末制成多孔快料，然后利用毛细作用和高温高压作用，将铜基体熔体浸 渗到块料的空隙中去，形成铜石墨复合材料【1 4 】。 液相浸渍法制得的铜石墨复合材料的致密度比粉末冶金法制得的要高，其导 电性好，同时由于该方法制备的铜石墨复合材料的石墨含量较高，因此润滑性能 好，可适用于高石墨比例铜石墨复合材料的制备。但因该方法需要压制及高温高 压下浸渗等繁复工序，也存在着工艺复杂、能耗大、产品成本高等缺点【1 5 】。 1 2 2 3 喷射沉积法 喷射沉积法是2 0 世纪8 0 年代逐渐成熟的一种将粉末冶金中混合和凝固相结 合的新工艺，其基本思想是：在高速惰性气体射流的作用下，液态铜基体金属被 雾化后形成雾化堆，同时向雾化堆喷入石墨颗粒，使之与铜基体雾化液滴一起在 基板上沉积并快速凝固形成铜石墨复合材料【1 5 】。 喷射沉积法与其他制备工艺相比，凝固速度高，铜基体晶粒及组织细化。但 3 北京交通大学硕士学位论文 由于采用惰性气体雾化，导致喷射沉积法制备的铜石墨产品孔隙率较大，致密度 较低，沉积速度较慢，成本较高【1 6 】。 1 2 2 4 半固态成形法 随着半固态加工技术的逐步成熟，应用该技术制备金属基复合材料已经成为 一个新的研究热点。利用半固态金属的粘度大且可调的原理，可以克服大部分增 强材料和金属液之间润湿性不好而难以复合的难点，依靠半固态金属阻止增强材 料因比重差而上浮，得到增强材料在母液中均匀分布的金属基复合材料。在此背 景下国内学者提出了解决“铜石墨覆层内石墨颗粒宏观偏析的局部偏析思想【1 7 】。 该思想认为：在铜石墨伪合金液的凝固过程中，预先将固态铜均匀地分布在铜石 墨伪合金液中，固态铜阻止石墨颗粒大范围的上浮聚集，使石墨颗粒的偏析只出 现局部区域，这样，石墨颗粒的宏观偏析将被均匀分布的局部偏析所代替，从而 相对地消除石墨颗粒的宏观偏析。备受关注的半固态铸造技术恰好能使局部偏析 思想得以实施。该技术通过对凝固过程中的铜石墨伪合金液进行强烈搅拌，充分 打碎铜基体的树枝状初生固相，得到初生铜固相与石墨颗粒都均匀分布的半固态 浆料，然后再对半固态浆料进行加- - 5 1 】。 利用半固态铸造成形技术解决了石墨颗粒在铜基体中的宏观偏析问题，可以 获得铜基体组织致密、石墨颗粒分布均匀的铜石墨复合材料。同时，半固态成形 方法免去了铜粉、石墨粉的前处理工艺，因此工艺简单，能耗小，成本较低，为 制备高质量的铜石墨复合材料探索了一条新途径。 以上方法均能制备出石墨颗粒均匀分布的铜石墨复合材料，但在铜基体的致 密度、强度，以及生产的工艺、成本、能耗等方面各有不同，所以，应综合以上 方法的优缺点，根据具体情况选择合适的铜石墨制备方法。针对钢背铜石墨复合 板而言，铜石墨覆层的制备方法还取决于其与钢板的复合工艺。 1 3 双金属复合板的复合方法 钢背铜石墨复合板的复合在本质上属于双金属复合板制备范畴。国外的研究 是从2 0 世纪4 0 年代开始的，美、日、英等国相继对双金属复合板进行了系统的研 究。国内的研究始于2 0 世纪6 0 年代，主要是跟踪国外的发展动向对双金属复合板 进行研究，主要研究单位有中科院金属所，西北有色金属研究院、哈尔滨工业大 4 绪论 学、东北大学、北京交通大学等。 经过一百六十多年的发展，金属复合板的生产技术得到不断提高，生产方法 也日益增多。目前金属复合板的生产方法从材料状态上主要可以分为固一固相复 合法、固一液相复合法，具体成形工艺方法有轧制、焊接、铸造等多种。 1 3 1 固一固相复合方法 固一固相复合法是比较传统的复合方法，早在2 0 世纪四五十年代美国科学家 就开始对该种复合法制备双金属复合板进行研究。固一固相复合成形技术一般是 指基体材料与覆层材料在复合过程中均处于固体状态，通过一定的压力实现两种 固体材料之间的连接，此类工艺在板带和复合线材的制备过程中应用较多。该类 复合方法的工艺发展较快，目前固一固相复合工艺包括有轧制复合法、爆炸复合 法、粉末烧结法等【弱j 。 1 3 i i 轧制复合法 轧制方法是一种很普遍的生产方法，基本工艺为对母板和覆层板表面预先进 行处理，然后一同喂入轧机，在轧机的压力作用下，两层金属的待复合表面发生 塑性变形，使表面金属层破裂，洁净而活化的金属层从破裂的金属表面露出，在 压力作用下结合，在后续的热处理过程中结合面继续扩大，形成稳固结合【1 8 _ 1 9 1 。 轧制法复合示意图如图1 1 所示。 图i - i轧制复合法示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f r o l l i n gb o n d i n g # l n 复合分为热轧和冷轧复合，热轧复合出现于2 0 世纪4 0 年代，它是将复层 和基层金属事先装配在一起，周边预先焊接以防止在加热过程中界面氧化。2 0 世 5 北京交通大学硕士学位论文 纪5 0 年代初美国率先开展冷轧复合技术的研究并获得成功。冷轧复合是在热轧复 合的基础上发展起来的。在复合轧制之前先将金属板材的表面进行清理，通过被 轧制板材的接触表面相对剪切变形，大于某一临界变形程度产生复合，在低温时 长时间的扩散退火处理后获得理想的复合界面结构。 轧制复合法是比较成熟双金属复合的技术，其优点是可以生产任意复基比的 复合板，生产成本低，易于实现机械化，并对环境污染也较小。但轧制复合也存 在工序繁复，大压下量使复合板组织改变严重等缺点，且通常需要扩散退火等后 续处理，能耗大。 1 3 i 2 爆炸复合法 爆炸复合技术是1 9 5 7 年由杜邦公司首先研究成功的，基本工艺为首先将母板 放在砧板上，再将覆层放在母板上，在覆层金属上铺设一层炸药，利用炸药爆炸 产生的瞬时、超高压及超高速的冲击能量在两层金属材料中产生高速、剧烈的塑 性变形，通过原子间的作用力，形成金属键，从而在两种金属间实现固态冶金结 合 2 0 - 2 。爆炸法复合示意图如图1 2 所示。 复 炸药 砧板 图1 2 爆炸复合法示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fe x p l o s i v eb o n d i n g 母板 爆炸复合法主要适合于单张面积较大、较厚的复合板材或复合板坯、多层复 合板的生产。爆炸复合法设备投资小，工艺简单，生产灵活，复合板界面结合强 度高，复合速度快。此外，由于爆炸时，在母板与覆层之间引起的射流，会使母 板表层和覆层表层得到充分的清理，因此母板和覆层表面不需要经过特殊的预处 理【l9 1 。但是，爆炸法制备双金属参数较多且难于精确控制，技术要求高，尺寸精 度差，为稳定生产带来一定的困难，对环境污染比较大，且受季节、温度及气候 条件的约束，从而应用范围受到限制【3 7 】。 6 绪论 1 3 1 3 粉末烧结复合法 粉末烧结复合法是根据成分要求预先制备出均匀的覆层粉末，然后在保护气 氛下加热，通过增加结合面处原子的振动扩散，实现覆层金属与母板的复合【l o l ， 最后进行轧制平整。烧结复合法示意图如图1 3 所示。 粉末烧结法是生产复合板常用的方法，其优点是待覆金属在复合前不需要任 何形式的机械加工处理，覆层合金组织较为均匀，易形成工业化和大规模化生产， 且操作简便，成本较低，生产过程较环保。但烧结复合法得到的复合板存在非常 突出的弱点，即孔隙率较大，且该方法需要制粉、混粉和进行长时间的高温烧结， 因此复合成形工序复杂，能耗较大瞄】。 覆层粉末 轧制平整 预处理后的母板 图1 3 粉末烧结复合法示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i n t e r i n gb o n d i n g 1 3 2 固一液相复合方法 为了提高复合板的界面结合性能，2 0 世纪6 0 年代开始，国外科学家开始着手 研究固一液相复合法；2 0 世纪8 0 年代开始，以东北大学为代表的科研院校及研究 机构也开展了对固一液相复合法的研究。固一液相复合是提高材料性能及实现不 同材料性能良好配合的主要途径之一，其具体工艺是指将覆层金属液直接浇注到 已预制好的基体金属上或将已处理好的基体金属沉没于覆层金属液中而形成复合 材料的工艺方法。固一液相复合工艺主要包括浇铸法、反向凝固法和铸轧法。 1 3 2 1 浇铸复合法 浇铸法是将传统的铸造法应用到双金属复合板复合领域，其原理为将覆层金 属以液态形式与固态的基体母板在铸模内进行组合，液态金属凝固后形成复合材 7 北京交通大学硕士学位论文 料【2 3 1 。浇铸法具体工艺流程为将两块母板叠合，内层涂上剥离剂，四周焊合后放 在盛有金属液的铸模中，待液态金属凝固后施以一定的压力，最后将焊合的边部 切掉，即得到两块复合板。浇铸复合法示意图如图l - 4 。 浇铸复合法的工艺简单，成本低，复合板结合强度大，生产成本相对较低， 可用于批量生产。其缺点是为了避免被覆层金属熔化，母板需要有一定厚度，因 而板厚和板重受到限制。 1 3 2 2 反向凝固法 母 飞 图1 - 4 浇铸复合法示意图 f i g 1 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fc a s t i n gb o n d i n g 反向凝固法是德国德马克公司1 9 8 9 年研制开发的一种新型薄带制备技术，其 工艺流程为利用冷轧或热轧带作为母带，以一定的速度从凝固器内的覆层金属液 中穿过，金属液在母带表面凝固形成新生相，母带穿出凝固器金属液时，新相和 母带已牢固结合在一起，形成一定厚度的复合铸带。反向凝固复合法如图1 5 所示。 由于覆层金属液首先在低温母带的两个表面处凝固，其后凝固前沿逐渐从母 带表面处向两侧推进，直到铸带最后离开凝固器，覆层金属液的凝固方向正好与 传统的连铸方法相反，这也是“反向凝固 名词的由来。在凝固器上方有一对平 整辊，刚离开凝固器的铸带表面还处于半凝固状态，利用平整轧辊对此铸带进行 平整初轧，从而得到表面平整、厚度均匀的薄带【2 6 - 2 3 5 。 反向凝固法是一种生产双金属复合板的新方法，同浇铸法有所不同，大多数 情况下，反向凝固复合板的基板为普通碳素钢，覆层为不锈钢，可生产不锈钢复 合层小于l m m 的复合板。该方法工艺简单，产品质量高，生产过程连续化和短流 程，工艺简单，产品质量高，有利于环保，但其操作难度较大。 1 3 2 3 铸轧法 图1 - 5 反向凝固法示意图 f i g 1 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f i n v e r s i o nc a s t i n gb o d i n g 针对单纯的铸造法存在的一些问题，广大研究学者将轧制法与铸造法结合起 来，形成铸轧复合成形方法，具体是指，首先将表面经过预处理的复合母板在保 护性气氛下预热至所需温度，然后再与精炼后并经过充分搅拌的覆层合金液直接 进行铸轧复合成形 2 4 - 2 5 1 。其复合成形装置如图1 - 6 所示。 预 覆层合金液 图1 - 6 铸轧复合法示意图 f i g 1 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo fc a s t i n g - r o l l i n gb o n d i n g 铸轧复合法既有液相高温，又有轧制压力，能够实现较高的复合强度。铸轧 复合法设备简单、工序较少、能耗低、成本低、适合连续化生产，并且复合板的 界面性能较好【2 9 1 。所以，铸轧法被认为是最有潜力的工艺流程之一。 对于上述几种固一液相复合法，从节能和生产连续的角度考虑，覆层以液相 9 北京交通大学硕士学位论文 直接浇注在母板上，省去了制备覆层合金的一大批中间环节。如若能够与新鲜的 钢板表面进行复合，省去制造合金板、轧制、表面清理等中间环节，则这种复合 工艺是最简单、最节能的。但不同程度上存在着覆层合金的成分偏析，极大的影 响了复合板的结合性能【3 8 】。 1 3 3 小结 钢背铜石墨固一固复合法，工艺简单，覆层材料组织较为均匀，但由于要事 先制备覆层粉末或覆层板，因而工序繁复，能耗较大，且复合板的界面结合性能 较差；固一液相复合法，覆层合金直接在液态与基板进行复合，与固一固复合法 相比，工序比较简单，能耗较小，且复合板的界面结合性能较好，但覆层合金存 在着成分偏析。 1 4 双金属复合板界面结合性能综述 界面问题是复合材料的核心问题，双金属复合板的界面结合理论是一个很活 跃的领域。很多科学工作者从不同角度进行研究，提出了多种金属复合板的结合 机制及结合方式，明确了界面结合的影响因素，并提出了一些促进界面结合的方 法。 1 4 1 双金属复合板结合机制 随着双金属复合板的出现，有关界面结合理论的研究也得到了不断发展，涌 现了一系列结合机理的理论学说，多年来，各国科技工作者相继提出了机械啮合 理论、金属键理论、能量理论、三阶段理论等。 1 4 1 1 薄膜理论 薄膜理论认为，两层金属之间的结合质量不取决于材料本身的性质，而取决 于复合金属表面的状态。暴露在空气中的金属表面覆盖着多层阻碍金属结合的表 面膜，只有去掉这些油膜和氧化膜，在协调一致的塑性变形过程中，才能使被复 合金属的表面相互接近到原子吸引力作用的范围内，进而形成界面的结合。薄膜 理论没有考虑待复合材料的性质、组织缺陷的影响和塑性变形时原子的能量状态 等因素。因此，该理论主要适用于异种金属间的固一固相复合【”】。 l o 绪论 1 4 1 2 机械啮合理论 机械啮合理论认为，异种金属在大压力的作用下，在相互接触的表面上，由 于压力的作用而使得异种金属彼此相互啮合，从而形成异种金属的复合。1 9 3 9 年 剑桥大学的b o w d e n 和t a b o 首先提出了表面机械咬合是金属固一固相复合的主要 机制，实验证明，表面粗糙度的大小对两金属的结合有影响。因此，机械啮合理 论仅仅适合于接触面非常粗糙的异种金属固一固相轧制复合领域，应用范围非常 狭窄【删【5 8 】。 1 4 1 3 金属键理论 金属键理论是b u r t o nm s 在1 9 5 4 年提出的，该理论认为，当两洁净的金属原 子不断靠近到原子级间距时，它们之间存在由吸引力产生的吸附作用，而且当其 间距为正常原子间距的两倍时，吸引力达到最大值，而当达到正常原子间距时， 其间的吸引力为零【5 2 1 。原子间作用力如图1 7 所示。 吸引力 排斥力 图1 7 原子间作用力示意图 f i g 1 7s c h e m a t i cd i a g r a mo fi n t e r - a t o m i cf o r c e s 当异种原子靠近到原子级间距时，相邻原子之间形成稳定排列，其外层自由 电子成为形成金属键共用电子，两种金属则以金属键结合到一起。因此，实现两 种金属结合的唯一条件是两种金属原子必须达到原子之间的相互吸引力能够充分 发挥作用的范围内。在固态与液态金属相接触时，由于液态金属具有较好的流动 性，如果两种金属的表面处理适当，会使两种金属的原子充分接触，很容易达到 上面所提的要求，从而形成金属键结合。这种理论说明了实现异种金属结合的化 学基础，普遍被人们接受，但是它不适用于解释某些低温复合领域中的问题。 北京交通大学硕士学位论文 1 4 1 4 扩散理论 扩散理论是e a r lc v 在1 9 6 3 年提出的，该理论认为在接触区域中存在一层很 薄的互扩散层，扩散层的存在保证了良好的复合接触界面。扩散理论有其先进性 的一面，即从金属学角度对异种金属的界面结合进行了解释。但是，根据此理论， 如果增加相互扩散层的厚度，结合面的机械性能也应能提高，而事实并非完全如 此。当扩散层的厚度达到一定值后，扩散层厚度再增加时，界面结合性能反而降 低。此外，由于扩散过程只有在接触区表面已经形成结合的时候才能发生。所以， 扩散理论虽然存在于任何复合过程中，它仍不能单纯地作为解释所有形式的压力 焊合的理论基础【5 5 5 6 】。 1 4 1 5 再结晶理论 再结晶理论是j o i n m p a r k s 在1 9 5 3 年根据变形量很大时再结晶温度会显著下 降的事实提出来的。该理论认为，双金属在高温高压条件下，形成结合的主要过 程是接触区的再结晶过程。由于协调一致的塑性变形而生成界面层，在高温作用 下，金属的变形及其引起的硬化，会使复合金属界面边缘的晶格原子重新排列， 形成同属于两层金属的共同晶粒，从而使相互接触的异种金属结合在一起。再结 晶理论所论证的问题实际上是接触表面结合以后的组织变化过程，而不是双金属 本身的结合过程。此外，它对某些低温复合现象也无法解释【3 9 1 。 1 4 1 6 三阶段理论 三阶段理论是近年来在上述几种理论基础之上总结出来的，它包含多种复合 形式共同具有的一些概念，是目前公认的异种金属复合过程中的理论基础【5 3 】，具 体如下： 第一阶段是物理基础的形成阶段。在这个阶段中，异种金属材料的原子依靠 塑性变形或高温作用，在整个接触面上相互接近到能够引起物理作用的距离，或 者接近到足以产生化学作用的距离，此时接触面上的位错消失，并完成复合材料 接触区激活，形成弱化学键。 第二阶段是化学相互作用阶段。在这个阶段中，在已开始激活的接触面上形 成激活中心后，两种金属之间产生物理化学相互作用，最后形成化学键。 第三阶段是“体 相互作用阶段。在这个阶段中，异种金属材料的原子通过 第一阶段形成的物理接触面向四周扩散，金属内部缺陷逐渐消失，在接触处形成 共同晶粒，并导致应力松弛直至发生再结晶。 1 2 1 4 2 界面结合性能的影响因素 自从二十世纪四十年代开始对金属复合板进行系统研究以来，各国科学家对 金属复合时影响界面结合的因素进行了大量的研究，不断积累经验，总结了一些 影响界面结合的规律。 1 4 2 1 金属材料性质的影响 在复合过程中，待复合的两种金属的自身某些性质将直接影响复合材料的界 面结合性能，如材料的浸润性、扩散系数、再结晶温度、热膨胀系数等。具体如 下： ( 1 ) 浸润性 如果待复合的两种金属之间的浸润性好，则异种原子能够充分接近，在这两 种金属的接触面上，实际的有效接触面积大，这样两种金属原子之间容易形成金 属键，在接触面附近原子易于扩散，再结晶也容易发生，复合材料的界面结合性 能较好；反之，如果浸润性差，则复合材料的界面结合性能也就差。因此，应尽 量提高待复合金属之间的浸润性。 ( 2 ) 扩散系数 如果待复合的两种金属的扩散系数过小，则其相互扩散行为进行得就不充分， 也就不能发生完整的再结晶过程，复合材料的界面结合性能也就差；如果扩散系 数过大，其相互扩散行为进行得过于充分，再结晶晶粒过大，导致复合界面的厚 度过大，其界面结合性能也会严重下降。因此，待复合的两种金属的扩散系数要 控制在一个合适的范围内。 ( 3 ) 再结晶温度 如果待复合的两种金属的再结晶温度高于复合温度，则复合时产生的温度不 足以使金属原