利用旋锻-扩散工艺制备Cu-Al双金属复合管技术初探

文/郝庆乐，韩静涛·北京科技大学材料加工与控制工程系

利用旋锻-扩散工艺制备Cu-Al双金属复合管技术初探

文/郝庆乐，韩静涛·北京科技大学材料加工与控制工程系

郝庆乐，博士研究生，主要从事塑性加工与模具设计研究。

双金属复合管综合了两种金属管的优势，多应用于石化、核工业、食品等行业。传统上制造复合管的工艺包括热挤压、轧制、爆炸复合等。旋锻作为制造管材的工艺，却很少有人将其作为制备双金属管的工艺。本文利用一种旋锻-扩散工艺制备双金属管，获得了铜-铝复合管。试验结果表明，利用旋锻-扩散工艺，铜铝结合界面可以形成很薄的冶金结合层，而不是过去认为的仅仅是机械结合；并且随着退火温度的提高或退火时间的延长，冶金结合层会逐渐变厚。

旋锻工艺常用来制造精密管棒材，图1展示了旋锻机核心部分结构示意图。如图所示，一个标准的旋锻机成形部分由外圈（outer cage）、辊柱（roller）、辊圈（roller cage）、主轴（spindle）、锤头（hammer）、模具（die）和垫片（compensating shim）等组成。主轴受电动机的驱动而旋转；主轴的轴头部分开有十字槽，十字槽里装有模具、垫片和锤头，此三者随主轴的旋转而旋转，同时受离心力作用而沿十字槽向外运动，称为张开运动；当锤头顶端与位于辊圈内的辊柱接触后，锤头反向运动并推动模具沿十字槽向内运动，称为闭合运动，锤头和模具的一张一合形成一次对工件的锻压加工。锻模作上述快速的、周期性的锻压运动，实现了工件截面的变化。

图1 旋锻机核心部分结构示意图

旋锻工艺有两个基本特征。第一个特征是高频率的脉冲锻压。锻造时，坯料伴随着每次锻压的变形量很小，这一特点使坯料金属流动的路径较短，摩擦阻力较小，与此同时高频率（可达2000次/分钟以上）变形产生的变形热使坯料的温度不降低甚至提高，降低了坯料的变形抗力，因此，旋锻工艺可以大大减少工件变形所需的变形力。

第二个特征是多向锻打。锻造时，坯料受到多个锤头同步径向打击，使其被锻部位始终处于三向压应力状态，有利于提高金属的塑性，同样有利于工件的变形，并避免缺陷的产生。

试验方法

本文试验材料为商业纯铜管和纯铝管。纯铜管外径22mm，壁厚3.5mm，纯铝管外径10.5mm，壁厚2mm。为了容易组装，需保证二者之间的间隙大约有0.5mm。组装之前需用800号砂纸对铜管内表面和铝管外表面进行磨光处理以去除氧化层，然后用丙酮进行彻底的清洗。

旋锻-扩散工艺的重点是使工件在高压、高温条件下促进原子扩散。因此，首先在旋锻机上对工件进行多道次成形，使其形成初步的机械结合。旋锻所用设备如图2所示，相关设备和工艺参数如表1所示。然后将成形后的复合管在350℃下保温30min使原子进行扩散。所制备复合管的结合质量通过SEM和EDS来检验。

图2 试验用旋锻机照片

表1 设备和工艺参数

试验结果

成品

旋锻管材的变形量通过下式来评价：ψ ＝Tr/Tw，式中，Tr为壁厚减少量，Tw为管材组装之后原始壁厚。

图3给出了旋锻后和扩散后复合管结合质量的检验结果。从图3a可以看出，当变形量为45%时，旋锻后的复合管结合面存在多条微裂纹，这些微裂纹可能是由于材料在变形初段的流动而产生的，因为氧化层与基体力学性质的差异，该区域的材料在变形初期倾向于相互分离，随着变形量的增加，结合界面两边的金属互相挤压，界面压力逐渐增加，在某一临界值附近，界面压力将足够大从而阻止裂纹的扩展，并逐渐使裂纹弥合，如图3b所示，当变形量为64%时，裂纹消失。

变形量为45%时，在结合界面附近Cu 和Al元素的分布变化非常剧烈，二者不存在相互扩散区域，如图3d所示，这意味着铜管和铝管之间不存在结合。结合界面可能存在着残余应力，所以在扩散之后，当应力释放后，铜管和铝管分开，没有形成结合。当变形量为64%时，严重的塑性变形使得结合界面附近开始产生机械结合，如图3e所示，Cu和Al元素在结合面处存在着一个稳定的分布平台，尽管是原子相互扩散区域，但是仍可以看到这一趋势。当变形量为82%时，结合界面由机械结合变为了冶金结合，Cu、Al二原子在结合面附近存在一个较宽的相互扩散区域，如图3f所示。

长时间的高温保温过程有利于原子的进一步扩散。如图3g所示，变形量为64%的样品经扩散处理后形成了宽约1μm的结合界面；变形量为82%时，结合面宽度增加至2μm，如图3h所示。

图3 Cu-Al复合管SEM和EDS检验结果

缺陷

随着变形量的增加，组合后的铜管和铝管壁厚逐渐被压扁，如图4所示。由于模具对铜管的压力要大于芯棒对铝管的压力，因此铜管在成形过程中的变形量会比铝管大，铜管材料在轴向的流动会多于铝管，因此在复合管一端可能形成一层非常薄的铜管。由于没有铝管的支撑，且厚度较薄，这层铜管非常容易受到机械振动的影响而弯曲，导致缺陷的产生，如图5a所示。

图4 Cu-Al复合管样品

飞边是另外一个在实际旋锻过程中常见到的缺陷。飞边的出现是由于过大的进给速度和变形量。通常情况下，模具第一次锻压会使材料流向模具的间隙，从而在工件表面产生飞边，随后的锻压动作会使飞边金属流向工件表面凹陷部分，这样飞边高度会逐渐降低，工件产生轴向延伸，截面逐渐变圆。但是在过大的进给速度和变形量的条件下，飞边金属来不及被压平就被送出了变形区域，从而产生飞边缺陷，如图5b所示。因此，为了避免飞边的出现，当变形量很大时，应减小进给速度。

结束语

本文利用旋锻-扩散法对制备双金属复合管进行了初步的研究，试验结果表明：随着变形量的增加，铜铝复合管经过氧化层破裂-基体金属接触-机械结合过程，最终实现了冶金结合；经过高温保温过程，达到机械结合程度的铜铝复合管会形成冶金结合，而已达到冶金结合程度的复合管，其结合界面宽度会进一步增加。

此外，在利用旋锻工艺对复合管进行变形的时候，需要注意工艺参数之间的相互配合，避免出现弯曲和飞边缺陷。

图5 缺陷弯曲(a)和飞边(b)