铸轧法制备铜- 铝- 铜复合板的界面组织与性能研究

引言

中国铜资源紧缺，而铝资源相对丰富，为了节省铜资源，开发了铜包铝电缆、铜- 铝- 铜复合排、铜- 铝- 铜复合箔等种类繁多的铜铝复合材料。铜- 铝- 铜复合板是一种铜铝双金属复合材料，充分发挥了铜的高导电、高导热率和铝的密度低、抗腐蚀、价格便宜等优点，既经济又满足了使用性能，在导电、导热和装饰等行业得到广泛应用。

铜- 铝- 铜复合板的制备方法主要有爆炸焊接法、轧制复合法和双结晶器连铸法、钎焊热轧法、扩散焊接法等，但这些制备方法生产效率低、工艺相对复杂、复合板厚度调节范围小、复合强度不高。本试验采用的制备方法是在氩气保护下对液态铝和铜板进行连续铸轧，制得铜铝复合金属板带，不但避免了铝的氧化，而且实现了铜铝的牢固结合，此方法具有生产工艺简单、成本低、复合板厚度可调范围大等优点，可用于批量生产。目前，对铸轧法制备复合板的研究，主要集中在铜板预热温度、铝液浇注温度以及轧辊冷却水流量等工艺参数方面，铸轧板厚度对复合板各项物理性能和界面层微观形貌具有重要影响，但对其研究较少。本文选取了3 种铸轧板厚度，分析了不同铸轧厚度对板材界面层微观形貌、物相种类以及板材力学性能的影响，为铸轧工艺的研究提供了理论参考。

1 试验方法

1. 1 铜- 铝- 铜复合板的制备

铸轧法制备复合板设备可用于生产铜- 铝- 铜三层复合板，也可生产铜- 铝两层复合板。经过打磨、碱洗、水洗、酸洗和二次水洗等预处理后的紫铜板( 铜质量分数为99. 8%) 被分别装在两个转速相同，但转向相反的放卷机上，向预热设备移动; 预处理后的铜板在氩气的保护下经过预热设备后达到200 ℃，在氩气保护下，将700 ℃ 的铝液( 铝质量分数为97. 6%) 浇注在上下层的铜板之间; 最后，经过水冷轧辊与上下层铜板的接触与轧制，形成性能良好的铜- 铝-铜复合板。通过控制Al 溶液的浇注量可以制备出不同厚度的复合板材，本文选取厚度分别为14 mm、10 mm 和6 mm 的铸轧复合板( 两侧铜层厚度均为1 mm) ，并对其组织和性能进行了研究。

1. 2 试验方法

从不同厚度板材上分别截取拉伸试样、剥离试样、扫描试样，按照GB /T 2282002加工金属拉伸试样，按照GB 27918加工剥离试样; 扫描试样为10 mm 10 mm 10 mm 的立方体。拉伸试验在岛津( SHIMAD) ZUAG-I 250 kV 电子拉伸试验机上进行，剥离试验机型号为RT-8637。将扫描试样进行研磨、抛光和腐蚀处理，在扫描电子显微镜( SEM) 下观察铜- 铝界面层组织形貌和剥离面形貌; 采用能谱分析仪分析界面层、界面层附近、剥离面( Cu 侧) 上的Cu、Al元素分布。

2 试验结果分析

2. 1 铸轧复合板厚度对界面层微观形貌的影响

由于铜和铝都是面心立方晶体结构，且晶格常数相近，所以铝液浇注到铜板后，可以迅速产生熔合和扩散作用。铜铝之间有一定厚度的界面层，界面层和铜铝的接触处平直光滑，无缩孔和杂质，但在靠近Al 侧有少量裂纹。这是因为Al 的膨胀系数比Cu 大，冷轧过程中会在靠近Al 侧产生冷却回缩，从而导致微小裂纹的产生。同时，随着铸轧板厚度的增大，界面层厚度逐渐变大，铸轧板厚度从6 mm 增大至10 mm 时，复合层厚度从0. 4m 增大至1. 0 当铸轧板厚度为14 mm 时，复合层厚度则增大到2. 0 m。这是因为在铸轧工艺下，在铝液浇注温度、铜板预热温度和轧辊冷却水流量等工艺参数一定的情况下，随着板厚的增大，热作用时间越长，Cu、Al 原子扩散反应时间越长，所形成的界面扩散层也就越厚。

2. 2 铜铝复合板厚度对复合层物相的影响

从复合板铜侧向铝侧方向对铜铝界面层进行能谱线扫描分析( EPMA)铜的浓度在铜侧最高，在界面层中有降低的趋势，在铝侧，铜的浓度最低，相同方向上，复合板中铝浓度的变化情况刚好相反。将线扫描图对比可以发现: 6 mm 厚铸轧板界面处铜铝元素浓度迅速变化，铜和铝的扩散范围很窄; 板厚为14 mm 时，铜和铝的扩散范围明显变宽，铜铝浓度在界面层处的变化趋势逐渐平缓。

为进一步确定界面层中元素的扩散情况，对界面层近铜侧、近铝侧及附近区域分别进行能谱点分析铜铝元素的扩散仅限于界面层。在测量点2 处( 近铜侧) ，6 mm 板铜铝原子分数分别为59. 8%和40. 2%; 板厚增长到14 mm 时，测量点2 处( 近铜侧) 的铜铝原子分数分别变为69. 8% 和30. 2%，原子比越来越接近Cu9Al4。测量点3 处( 近铝侧) ，6mm 板铜铝的原子分数分别为11. 4% 和88. 6%; 板厚增长到14 mm 时，铜铝的原子分数分别变为33. 4% 和66. 6%，原子比越来越接近CuAl2。总之，随着板厚的增加，界面层中铜元素浓度逐渐增加，铝的浓度逐渐减少，近铜侧( 测量点2 处) 的原子分数越来越接近Cu9Al4，近铝侧( 测量点3 处) 的原子分数越来越接近CuAl2。这是因为在扩散反应阶段，铝在铜中的扩散系数比铜在铝中的扩散系数小103 个数量级，因此，铜向铝中的扩散速度要比铝向铜基中扩散速度大很多，而随着板厚的增加，复合板保温时间变长，原子的扩散反应时间也增加，界面层中铜的原子分数越来越大。为确定界面层物相种类，对不同厚度板材铝侧断口表面进行X 射线衍射分析。由铝侧断面含有Al、CuAl2和Cu9Al4这3 种物相，6mm 板金属间化合物检测强度值较低，且CuAl2的强度值略大于Cu9Al4的强度值; 随着板厚的增加，CuAl2和Cu9Al4的强度值均增大。这是因为CuAl2的生成能为0. 78 eV，小于其他铜铝金属间化合物的生成能，在铜铝复合层中会先于其他化合物产生; 而Cu9Al4的生成自由能仅次于CuAl2，为0. 83 eV。所以在扩散保温时间短、铜原子的扩散程度有限的6 mm 板中，界面层近铝侧会首先生成少量( Al) 、CuAl2，随后近铜侧生成少量的Cu9Al4，随着板厚增加，扩散保温时间变长，铜原子的扩散程度也随之增强，近铝侧的CuAl2越来越多，近铜侧的Cu9Al4也越来越多。

2. 3 铸轧复合板厚度对板材力学性能的影响

随着铸轧板厚度的增加，抗拉强度和延伸率都逐渐增加，抗拉强度从6 mm 时的115 MPa 增大到14 mm 时的135 MPa。6mm 板的延伸率为25%，板厚增大到14 mm 时，延伸率增加至31%。工业纯铜抗拉强度为150 ～ 170 MPa，工业纯铝抗拉强度为45 ～ 90 MPa; 工业纯铜的延伸率为25% ～ 55%，工业纯铝的延伸率为30% ～50%，复合板的抗拉强度和延伸率均介于两者之间。且更接近于工业纯铝。这是因为铝层的厚度占复合板厚度的比例较大，分别为66. 7%( 6 mm 板) 、80. 0%( 10 mm 板) 和85. 7%( 14 mm 板) 。

随着铸轧板厚度的增加，剥离强度逐渐增大。6 mm 复合板的剥离强度为30 N/mm; 板厚增加至14 mm 时，剥离强度增大至35 N/mm。这是由于铸轧过程中6 mm 板冷却较快，铜铝原子扩散程度低，冶金结合层太薄，其结合强度较低; 随着板厚的增加，扩散反应时间延长，更有利于两者之间的冶金结合，结合强度随之提高。

对剥离面上测量点做能谱点分析( EDS) ，剥离撕裂过程发生在界面层的金属间化合物和固溶相中，因此，可以认为试验测得的剥离强度便是界面层的实际结合强度。

3 结论

( 1) 铸轧法制备的铜- 铝- 铜复合板，其界面处有一定厚度的界面层，界面层和铜铝基体的接触处均平直光滑，无缩孔、裂纹、杂质等缺陷。随着复合板厚度从6 mm 增加至14 mm，界面层厚度从0. 4 m 逐渐增加至2. 0 m。Cu、Al 原子扩散程度均逐渐增加。界面层的主要组成物为( Al) 、CuAl2和Cu9Al4。

( 2) 铜- 铝- 铜复合板材具有较高的抗拉强度和延伸率，随着复合板厚度的增加，复合板抗拉强度和延伸率均逐渐增大。抗拉强度从6 mm时的115 MPa 增大到14 mm 时的135 MPa; 6 mm板的延伸率为25%，板厚增大到14 mm 时，延伸率增加至31%。3 种厚度复合板的抗拉强度和延伸率均介于纯铜和纯铝之间，且更接近于工业纯铝。

( 3) 复合板的剥离强度即为界面层的结合强度，且在一定范围内，随着界面层厚度的增加，剥离强度逐渐增大。