冷轧压下率对Cu/Al复合板界面和性能的影响

冷轧压下率对Cu/Al复合板界面和性能的影响

张衡1，谢敬佩1，尚郑平2，王项2，孙浩亮1

(1.河南科技大学 材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023；2.洛阳铜一金属材料发展有限公司，河南 洛阳 471100)

摘要：研究了不同冷轧压下率对铸轧法制备的Cu/Al复合板材界面微观组织和力学性能的影响。研究结果表明：冷轧过程中压下率过大时界面层会发生断裂而破碎，进而影响复合材料性能。冷轧压下率从29%逐渐增加到57%时，界面层的破碎程度逐渐加重，复合板抗拉强度逐渐增大，延伸率则随之下降，同时剥离强度先迅速减弱后缓慢增强。当冷轧压下率达到57%时，界面扩散层被严重破坏，形成大量纯铜和纯铝直接接触、无明显扩散的结合界面，铜铝复合板主要靠机械咬合力结合。

关键词：Cu/Al复合板；冷轧压下率；界面层；剥离强度

基金项目：河南省重大科技专项基金项目(102105000007)

作者简介：张衡(1989-),男,河南商丘人,硕士生;谢敬佩(1957-),男,河南安阳人,教授,博士,博士生导师,主要从事金属复合材料方面的研究.

收稿日期：2014-08-12

文章编号：1672-6871(2015)01-0009-04

中图分类号：TG335.81

文献标志码：A

0引言

为了节省铜资源，国内开发了铜包铝电缆、Cu/Al复合排、Cu/Al复合箔等许多铜铝复合材料[1-5]。Cu/Al复合板是一种铜铝双金属复合材料，兼具铜的高导电、导热率和铝的密度低、抗腐蚀、价格便宜等优点，在导电行业、导热行业和装饰行业得到了广泛应用[6-7]。

铜铝复合板的制备方法主要有固-固法、液-液法和液-固法，其中，固-固法和液-液法存在生产工艺流程长、成本高、环境负担大、难以控制较大截面复合材料的尺寸等问题。铸轧法是液-固法的一种，借助现代连续铸造技术，实现复合板材的直接连续成形，由于其具有制造工艺简单、结合强度高、生产效率高和设备消耗少等优点，近年来备受关注。目前，国内外在铸轧法制备Cu/Al复合板的研究方面，对铝液浇注温度、冷却水流量和铜板预热温度等工艺参数研究比较多[8-10]。虽然冷轧压下率对复合板力学性能和界面层微观形貌具有至关重要的影响，但国内外学者对其研究还比较少，少量文献涉及压下率对板材微观形貌的影响，尚未有铸轧后冷轧加工对板材力学性能影响方面的研究。本文选取了3种冷轧压下率，分析了不同压下率对Cu/Al复合层微观形貌和板材力学性能的影响，为铸轧法制备Cu/Al复合板材的冷轧工艺优化提供了理论依据。

1试验材料与方法

在洛阳铜一公司提供的结合强度良好的铸轧Cu/Al复合板材上截取试样；复合板厚7 mm，其中，铜侧厚2 mm，为C11000工业纯铜；铝侧是厚5 mm的1060工业纯铝。然后，对复合板进行不同压下率冷轧，压下率分别选取29%、43%和57%，冷轧过程中未采取润滑措施和退火处理。

在φ180 mm×300 mm轧机上对复合板进行冷轧，压下率分别为29%、43%、57%。从不同压下率的板材上分别截取拉伸试样、剥离试样、扫描试样。拉伸试验在SHIMAD(岛津)ZUAG-I 250 kV电子拉伸试验机上进行，剥离试验机型号为RT-8637。将试样进行研磨、抛光和腐蚀处理，分别在金相显微镜和扫描电子显微镜(SEM)下观察Cu/Al界面层组织形貌，并对界面层及其附近区域进行扫描电镜线扫描分析(EDS)。

2试验结果分析

2.1　冷轧压下率对界面层微观形貌的影响

对7 mm厚Cu/Al铸轧复合板进行3种不同压下率冷轧，图1是冷轧后复合板界面层金相和扫描电镜形貌。

图1　不同冷轧压下率后复合板界面层金相、SEM照片

结合金相照片(见图1a)和SEM照片(见图1b)可以发现：未冷轧的铸轧复合板结合界面层具有一定的厚度，其厚度约为1 μm，界面层位于铜层和铝层之间，同时界面层清晰、连续，局部有凹凸现象，这说明在铸轧过程中形成了结合良好的铜铝冶金结合界面层。对复合板进行轧制后(见图1c)，界面层明显变薄，当压下率增大至57%时(见图1e)，已经很难分辨出界面层；通过扫描电镜可以进一步发现：压下率达到29%时(见图1d)，连续的界面变为断断续续的碎块状，断口处形貌呈现出脆性断裂的特征，界面层碎块之间局部区域出现铜和铝的直接接触压合区域。这是因为：铸轧法制备的铜铝复合板材，其界面层是由冶金结合过程中产生的Cu-Al固溶相和CuAl2、Cu9Al4等金属间化合物组成[10]，由于这些金属间化合物组成的界面层与铜层和铝层相比塑性差、硬度高、脆性大[11]，在冷轧变形过程中，微裂纹容易在界面层内硬度较高的金属化合物中形核并扩展，但是，裂纹的扩展受到硬度较低的铜层和铝层的阻碍；当复合板所受压应力足够大时，界面层发生脆性断裂，同时铜和铝会在压力作用下流向断裂处并紧密压合在一起,在冷轧过程中发生的上述现象在宏观上表现为界面层的破碎，并以碎片形式镶嵌在金属基体中。压下率增大为57%时，从图1f可以发现：冶金结合层不再明显, 界面处大部分区域变为铜和铝直接接触。因为在轧制力的作用下界面层破碎现象已经非常严重，碎块颗粒更加细小，同时轧制过程中的延伸和扩展，使铜和铝的直接接触面积增大。

2.2　冷轧压下率对复合板力学性能的影响

表1所示为不同冷轧压下率对Cu/Al复合板力学性能的影响。由表1可以看出：未经轧制的铜铝复合板，其抗拉强度为150 MPa，延伸率为31.0%，介于纯铜原料(抗拉强度150～170 MPa，延伸率25%～55%)和纯铝原料(抗拉强度45～90 MPa，延伸率30%～50%)之间。这是由于复合层在材料中所占比例很小，厚度非常薄(1～2 μm)，并且主要起连接作用，复合板抗拉强度和延伸率主要由铜铝基体所决定。复合板的压下率逐渐增大到57%时，抗拉强度从未轧制时的150 MPa逐渐增大至237 MPa；延伸率先是从31.0%迅速减小至9.0%然后缓慢下降，压下率为57%时延伸率降至5.8%。

表1　冷轧压下率对复合板力学性能的影响

对于工业纯铝和铜复合而成的板材而言，影响其抗拉强度和延伸率的决定因素是基体晶粒大小，冷轧压下率的变化必然引起铜层和铝层晶粒尺寸的变化，进而导致铜铝复合板材力学性能的变化；抗拉强度随着压下率增加而增加的现象，除了与晶粒尺寸的变化有关外，也是铜铝板材加工硬化的结果，随着压下率的增加，基体位错不断增殖，材料强度逐渐增加。同样由于晶粒尺寸的变化和加工硬化现象，板材的延伸率逐渐下降。

从表1中轧制压下率对复合板剥离强度的影响可以看出：剥离强度从未冷轧时的37 N/mm迅速下降至29%压下率时的3.7 N/mm。这是因为冷轧处理前，金属间化合物组成的连续界面层使铜铝复合板牢固结合，在后续的轧制过程中，起连接作用的冶金结合界面层在轧制力的作用下被破坏。随着压下率的进一步增加，剥离强度缓慢回升，当压下率达到57%时,复合板剥离强度回升至6.8 N/mm，因为随着板材受到轧辊横向压力的增大，界面层破碎现象更加严重，界面层局部区域产生具有一定结合强度的铜铝元素原子级结合。图2是57%压下率时(见图1f)复合板界面附近EDS线扫描分析。从图2可以看出：铜铝接触面附近几乎没有铜铝原子扩散现象，复合材料界面成为铜铝直接接触的界面，此时复合板主要通过铜铝接触区域的机械咬合而连接[12]，而在机械咬合的连接机制下，铜铝复合板的剥离强度随压下率的增加而增大[12-14]，因此，复合板剥离强度会缓慢提升。

图2　 冷轧压下率57%时Cu/Al界面 附近EDS分析

3结论

(1)在轧制过程中，当压下率为 29%时，Cu/Al复合板界面层发生大量的脆性断裂，界面层呈碎块状，金属基体挤入界面层断缝之中，局部有铜和铝的物理接触。随着压下率进一步增大，界面层的破碎现象更加严重，碎块尺寸更加细小，铜铝接触区域增大，当压下率达到 57%时，复合材料界面几乎全部为铜和铝的物理接触区域。

(2)复合板的抗拉强度和延伸率均介于纯铜和纯铝之间，对复合板进行不同压下率轧制时，由于加工硬化，随着压下率的增加，复合板抗拉强度从未冷轧时的150 MPa逐渐增大到57%压下率时的237 MPa；延伸率从未轧制时的31.0%迅速下降至29%压下率时的9.0%，然后，缓慢下降至57%压下率时的5.8%。

(3)冷轧对界面层的破坏，导致复合板剥离强度从未冷轧时的37.0 N/mm迅速下降至29%冷轧压下率时的3.70 N/mm；随着压下率逐渐变大，铜和铝的机械咬合区域逐渐增多，咬合力逐渐增大。因此复合板剥离强度缓慢提升，当压下率增大到57%时，复合板剥离强度回升至6.8 N/mm。

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