王小红，唐 荻，许荣昌，温永红
(北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京 100083)
摘 要：通过不同的压下率和不同的扩散退火温度试验，利用金相显微镜，力学实验机、扫描电镜等仪器，研究在室温条件下
铝2铜轧制复合工艺，探讨界面结合机理。结果表明，在室温轧制条件下，采用75%的压下率，轧后采用300℃，保温30min 的扩散退火处理为理想的轧制复合工艺。组元压下率和总压下率成正比关系，变化趋势相同，组元变化率差值随总压下率的增大而减小，变形抗力趋于一致，有利于轧制复合。
关键词：金属材料;Al 2Cu 轧制复合；结合机理；扩散退火
中图分类号:TG 33518;TG 146111;TG 146121 文献标识码:A 文章编号:1001-0211(2007)01-0021-04
收稿日期:2005-09-12
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50375019)
作者简介：王小红(1980-)，男，河南焦作市人，硕士生，主要从事
金属轧制变形规律及其组织性能等方面的研究。
将两种或两种以上的材料复合而成的复合材料，其物理、化学、力学性能及价格差别于单一材料，具有许多单一材料所不具有的优点，被广泛地应用于各个领域。铝2铜复合材料同时具有铜的导电、导热率高、接触电阻低等优点和铝的质轻、耐蚀等优点，受到电子、电力、电器、冶金、机械、汽车和生活用品等领域的青睐
[1]
。
轧制方法以其成本低，效率高，设备少等优点，成为一种非常具有潜力的大规模生产金属层状复合材料的制备加工方法。轧制工艺的确定、轧制过程中铝铜界面的氧化问题和界面结合机理，是最为关键的因素。试验中，采用室温轧制，从而避免了界面氧化问题，减少了设备，节约成本，通过不同的变形量和轧后扩散退火温度，探索最佳轧制复合工艺，探讨复合机理和变形规律。
1 实验方法
111 试样制备
采用的铝规格为100mm ×15mm ×3mm ，铜规格为100mm ×15mm ×1mm ，其厚度比为3∶1，成分见表1。铝用NaOH 溶液碱洗，铜用HCl 溶液酸洗除去表面的氧化层，然后用钢刷将试样的结合面打亮，用丙酮溶液浸泡以除去表面的油污，然后用无水乙醇擦洗表面，将铝和铜试样对合，两端用细铁丝捆绑固定，随后立即轧制。
表1 金属铝和铜的化学成分
Table 1 Chemical composition of aluminium and copper metal 成分Fe
Si Cu Ti Al Zn S 铝0120011101002010259916--铜010027
-9911
--010032
010021
112 试验方案
在试验前先将原材料进行退火，采用的退火工艺为：铝300℃，保温30min ，炉冷；铜450℃，保温30min ，炉冷。选取7个不同的压下率50%,55%,60%,65%,70%,75%,80%进行轧制，轧后扩散退
火温度选取150℃,250℃,300℃,350℃，保温30min ，炉冷。
113 分析仪器及主要设备
退火工艺在箱式电阻退火炉中进行，轧制试验在<300mm ×100mm 轧机上进行，结合强度分析在CM T4150微电子万能实验机上进行，界面分析采用CambridgeS -250M K2型扫描电镜(SEM )。
2 试验结果与讨论
211 压下率对铝2铜复合强度的影响
由于室温复合，铝、铜两种金属必须借助于大的压下率才能结合在一起。在用钢刷对金属表面处理后，新鲜金属暴露出来与空气接触，形成一层薄的硬质氧化膜。在轧制的过程中，金属表面的氧化膜破裂，漏出内部的新鲜金属，在压力作用下两边的新鲜金属互相结合，从而达到复合[2]。当压下率过小时，不足以破坏其氧化层，两种金属难以复合，所以要使两种金属很好的复合，必须达到足够的压下率。同时，由于两种金属的延伸率不同，在过高的压下率
第59卷 第1期2007年2月 有 金 属Nonferrous Metals
Vol 159,No 11
February 2007
下不能很好的延展，使金属界面间相互搓摩，其结合
强度会下降，而且板形质量不高，边部会出现锯齿状裂纹，所以压下率必须限制在某一范围才能保证最佳的复合。
图1为不同压下率所得出的剥离强度。采用单位宽度上双金属间的剥离力来衡量界面结合强度值[3]。由图1可以看出，当压下率低于50%时，铝、铜难于复合，随着压下率的提高，剥离强度上升。当压下率达到75%时，剥离强度最高为618N/mm ,
随
图1 压下率与剥离强度的关系
Fig 11 Relation of deformation rate with com pound strength
后剥离强度开始下降，并且板边缘出现锯齿形裂纹。212 扩散退火温度对复合强度的影响由于两种材料的不均匀变形，会产生较严重的残余应力，对复合性能影响很大。同时，两种金属在界面上还没有达到完全面面结合，也是影响复合强度的重要因素。为了提高其复合强度，必须进行轧后扩散退火。通过扩散退火，可以使内部残余应力松弛，塑性得到部分恢复，组元层间金属相互扩散，使结合面延伸，在结合面两侧形成一定深度的扩散层，从而改善了结合强度。然而温度过高，扩散层加宽，会在界面形成硬而脆的金属间化合物[4]，使复
合强度大幅下降，所以必须采取合理的扩散退火工艺来保证其复合性能。
图2为75%压下量时不同扩散退火温度的界面SEM 照片。随着温度的升高，界面原子开始扩散，轧制后界面没完全结合的部分开始结合，逐渐形成完全的面面结合，使界面的结合强度明显改善，但温度在350℃时，界面处开始出现硬而脆的金属间化合物，不利于界面结合强度的提高，使界面结合强度急剧下降。
(a )-铜,150℃，保温30min ;(b )-铜,250℃，保温30min ;(c )-铝,300℃，保温30min ;(d )-铝,350℃，保温30min
图2 75%压下率时不同扩散退火温度的界面SEM 照片
Fig 12 SEM micrographs at different thermal treatment tem perature with 75%rate of deformation
213 轧制变形规律探讨
在轧制复合过程中，由于组元金属延伸率和变
形抗力的不同，属于不对称均匀轧制，其变形规律比较复杂。轧制开始时，由于变形抗力的差异，会导致组元金属开始变形的时间明显不同，开始复合后，由
于组元金属延伸率的差异，界面间存在摩擦，金属与轧辊间的滑动摩擦方向也不同，存在前、后滑区
和搓轧区。一般将变形区分为选择变形区、共同变形后滑区、共同变形搓轧区和共同变形前滑区四个不同区域[5]。
22有 金 属 第59卷
在Al 2Cu 复合轧制过程中，材料刚咬入的时候，由于铝变形抗力较小，先发生塑性变形，而铜尚未发生塑性变形，在二者界面间存在摩擦，属于选择变形区。随后进入共同变形后滑区，这个区域的变形和单金属变形相似，在轧辊和轧件摩擦力的作用下，铝、铜金属均处于后滑区，且二者间仍存在界面摩擦。随着咬入的进行，铝金属处于前滑区，铜处于后滑区，仍存在界面摩擦，进入共同变形搓轧区。此后，铝、铜金属互相挤压嵌入，实现面面复合，界面摩擦将消失，在外摩擦的作用下，铝、铜均处于前滑区，与单金属变形相似，属于共同变形前滑区。
图3为总压下率与组元压下率的关系图。从图3可以看出，各组元压下率与总压下率之间成正比
关系，随着轧制压下率的增大，各组元压下率也成增长趋势。由于铝较铜的变形抗力低,
所以铝的压下率总是高于铜的压下率，但是，随着总压下率的增加，铝与铜压下率的差值逐渐减小。当总压下率增加时，大的压下率和快速的变形速率导致铝和铜的加工硬化增强，继续变形变得越来越困难，由于铝的压下率大于铜的压下率，铝先于铜达到高加工硬化，使得铝与铜的变形抗力趋于一致，所以随着总压下
率的增大，二者压下率的差值逐渐减小。当铝、铜金属压下率差别较小时，有利于共同变形，达到良好的复合效果。
图3 总压下率与组元压下率的关系
Fig 13 Variation of both and single rate of deformation
214 轧制复合结合机理
轧制复合由于组元材料性能的差别，影响结合的因素比较多。目前为止，对轧制复合机理的研究主要
有再结晶理论、金属键理论、能量理论、扩散理论和N 1Bay 机理等。采用大的压下率和合理的退火扩散工艺条件下,Al 2Cu 复合存在多种复合机理。
(a )-55%;(b )-60%;(c )-70%;(d )-75%
图4 不同压下率下铜基体(较暗部分)上的复合面的SEM 照片
Fig 14 SEM micrographs of different rate of deformation on the Cu 2face (dark )
研究发现，在最初轧制阶段，复合过程大致可分
为三部分:(a )在大的轧制压力下，金属表面的氧化薄膜开始破裂，暴露出内部新鲜的金属;(b )两侧新鲜金属接触，在轧制压力作用下，借助轧制产生的高
温，互相挤压嵌入，发生物理化学作用，实现初步的复合，这个阶段属于点点复合阶段;(c )随着轧制的进行，嵌入的金属开始宽展延伸，形成大面积的嵌入，达到复合的理想效果，这个阶段属于面面复合阶
3
2第1期 王小红等：铝-铜轧制复合工艺及界面结合机理
段。在随后的扩散退火过程中，在高温作用下，结合面上的金属原子得到足够的能量，从而相互扩散，使缺陷消失，消除内部残余应力，在两侧形成一定深度的扩散层，达到理想的复合效果。
图4为不同压下率时铜基体的复合面的SEM 照片。从图4可以看出，当压下率为55%时，铜基体表面只有零星的铝金属附着在其表面，且不牢固，随着压下率的增加，铝附着在铜基体上的面积开始增加，逐渐由零星点扩展为大片面积接触，且嵌入深度也开始增加，在随后的扩散退火工艺中，这些互相嵌入的金属原子能被激活，晶格原子重新排列，使基体松软，降低相互间排斥力，达到很好的复合。当压下率达到70%时，铜表面开始出现片状铝金属，金属开始实现面面接触，当达到75%时，铜基体表面附着大约60%铝金属，实现最佳的复合状态。3 结论
压下率和轧后扩散退火温度是影响Al2Cu复合效果的最重要因素,Al2Cu室温轧制复合的较理想工艺为采用75%的压下率，采取300℃，保温30min 的扩散退火工艺。
各组元压下率与总压下率之间成正比关系，随着轧制压下率的增大，各组元压下率也成增长趋势。在最初阶段，铝的压下率高于铜，但随着总压下率的增大，二者的差值逐渐减小，变形趋于同步，有利于轧制复合。
Al2Cu轧制复合过程中存在多种结合机理，在轧制过程中主要分为表面氧化膜破裂、金属接触点点结合和金属面面复合三个阶段，在随后的退火过程中，表面原子被激活扩散，强化复合效果。
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Al2Cu Compound and Bonding Mechanism by Rolling Process
W A N G Xiao2hong,TA N G Di,XU Rong2chang,W EN Yong2hong
(N ational Engineering Research Center f or A dvanced Rolling Technology,
U niversity of Science and Technology Beijing,Beijing100083,China)
Abstract
The technology of rolling compound of Al2Cu under room temperature is investigated and the bonding mechanism is discussed by experiments for different the rate of deformation and the temperature of thermal treatment with the help of the optical microscope,mechanical equipment,scan
ning electron microscope1The re2 sults show that the ideal technological parameters for rolling compound of Al2Cu under room temperature are 75%deformation rate,annealing at300℃preservation for30min diffusion1The deformation rate of the compo2 nents is in direct proportion with integer deformation rate,and in the same variation tendency1The deformation rate difference between the components is decreased with the increase of the integer deformation rate,and the strength to resist the deformation tend to interconsistency,this is helpful to rolling and compounding1 K eyw ords:metal material;Al2Cu rolling compound;bonding mechanism;diffusing thermal treatment 42有 金 属 第59卷
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