鋁/鋼復合材料帶兼具鋼鐵材料良好的力學性能以及鋁合金的耐腐蝕、良好的導熱性能及釬焊性能等諸多優(yōu)點, 得到了廣泛的應用[1-4] 電力工業(yè)不僅消耗大量的一次能源, 也消耗大量的水資源 隨著火電廠大容量高參數(shù)汽輪機組的增加, 水資源短缺的狀況日益嚴重, 采用空冷機組是解決上述矛盾的有效途徑之一[5] 薄鋁層鋁/鋼復合帶材是制備電站空冷系統(tǒng)核心部件—空冷翅片管基管的關(guān)鍵材料 把鋁/鋼復合帶材焊接制備成基管后要在其上釬焊鋁合金空冷翅片, 釬焊后鋁/鋼界面的結(jié)合是評價空冷翅片管基管的關(guān)鍵 但是, 測量復層為微米級別(小于0.1 mm)的金屬層狀復合材料的結(jié)合強度仍有很大的難度, 目前還沒有統(tǒng)一的性能評價標準體系[6] 井玉安等[7]開發(fā)了一種雙金屬復合材料抗剪強度測試裝置, 成功測出了復層厚度為0.2 mm的Ni/Cu雙金屬材料的抗剪強度值 但是該測試裝置比較復雜, 對試樣的要求較高, 且無法評價復層厚度小于0.1 mm的界面抗剪強度

本文對不同壓下量的鋁/鋼復合帶材釬焊后進行拉剪實驗, 評價釬焊后薄鋁層鋁/鋼復合帶材界面結(jié)合強度, 并確定釬焊用薄鋁層冷軋鋁/鋼復合帶材的最小復合壓下量和穩(wěn)定復合壓下量

1實驗方法

實驗用材料為0.23 mm厚的4A60鋁合金與4 mm厚的08Al鋼板, 寬度為460 mm 4A60鋁合金的初始狀態(tài)為完全退火態(tài)(平均晶粒尺寸35 μm), 08Al鋼板為熱軋態(tài)(平均晶粒尺寸25 μm), 其化學成分列于表1

Table 1

表1

表1鋁/鋼復合帶材中組元材料的化學成分

Table 1Chemical composition of components for aluminum clad steel strip (mass fraction, %)

Materials		C	Si	Mn	P	S	Fe	Al
Clad layer	4A60	-	0.83	0.01	-	-	0.32	Bal.
Base layer	08Al	0.007	0.14	0.212	0.02	0.004	Bal.	-

軋制復合前先將08Al鋼酸洗, 然后對4A60鋁合金及08Al鋼待復合表面打磨(表面粗糙度Ra=(1.5±0.2) μm) 在Φ420 mm四輥軋機上采用張力經(jīng)一道次冷軋復合, 壓下量設(shè)定為25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%和60%, 終軋厚度對應約為3.2 mm、3.0 mm、2.7 mm、2.5 mm、2.3 mm、2.1 mm、1.9 mm和1.7 mm 然后在520℃進行24 h退火處理, 釬焊工藝步驟為: 去除鋁/鋼復合帶材表面油污后在10%NaOH溶液中浸泡15 min, 在保溫箱中烘干后把釬劑KAlF4均勻涂覆于4A60鋁合金層 最后將其放入有氬氣保護的釬焊爐中, 釬焊一層厚度為2mm的3003鋁合金, 總時間為60 min 圖1給出了釬焊工藝參數(shù)



圖1鋁/鋼復合帶材的釬焊工藝

Fig.1Brazing process of aluminum clad steel strip



圖2拉剪試樣示意圖

Fig.2Schematic diagram of tensile shearing specimen (unit: mm)

按照GB/T6393-2008對拉剪試樣的規(guī)定調(diào)整了剪切槽的底部及剪切區(qū)域的尺寸, 最后采用的拉剪試樣的具體尺寸在圖2中給出 拉剪試驗在CMT7540電子萬能試驗機上進行, 拉伸速率為2 mm/min, 并記錄拉剪過程中的位移-力曲線

用金相顯微鏡和JSM-6480掃描電鏡(SEM) 觀察拉剪后的斷口形貌, 用EDS能譜儀(Energy Disperse Spectrum)對分析焊前后的界面元素擴散, 并對拉剪后的斷口進行能譜分析

2 結(jié)果和討論2.1 鋁/鋼復合帶材釬焊前后界面特征

圖3給出了釬焊后界面附近的SEM形貌及釬焊前后Fe、Al元素擴散的情況 從圖3a可以看出, 釬焊后界面并未出現(xiàn)脆性化合物; 界面08Al鋼和4A60鋁的復合界面并非一個平整的直線, 而是有一定起伏的曲線(曲面) 這一方面與原始材料的表面狀態(tài)有關(guān), 另一方面也和鋁、鋼兩種不同硬度的材料在界面附近變形能力的差別有關(guān) 從圖3b可以看出, 釬焊后(Brazing)Al元素有一定的擴散 通過多個試樣多次重復的EDS分析發(fā)現(xiàn), 冷軋態(tài)界面兩側(cè)Fe和Al元素的過渡距離基本是(2±0.5) μm, 而釬焊后Al元素的擴散距離基本是(4±0.5) μm, 變化不大, 而Fe的過渡距離基本沒有變化 結(jié)果表明, 釬焊后界面存在有一定的元素擴散 元素擴散在一定的程度上會改善界面的結(jié)合質(zhì)量并提高界面的結(jié)合強度, 但是由于該鋁/鋼復合帶材是在釬焊后進行使用, 從工程應用的角度, 釬焊狀態(tài)下的鋁/鋼復合材料的結(jié)合強度更具實際意義

雖然掃描電鏡上的EDS對元素在空間上的分辨精度在微米級別, 但熱處理后結(jié)合界面會存在有元素的擴散[8-10] 按照冷軋復合理論, 在冷軋狀態(tài)下很難發(fā)生元素的擴散[1] 因此, 在冷軋狀態(tài)下鋁/鋼界面是否存在元素擴散需要用如高分辨透射電鏡和3DAP等檢測手段分析

2.2 壓下量對鋁/鋼復合帶材界面拉剪強度的影響

圖4給出了冷軋態(tài)4A60/08Al復合帶材釬焊后的拉剪結(jié)果 從圖4可以看出, 隨著壓下量的增加界面結(jié)合強度逐漸增加, 當壓下量從25%增加到50%時平均拉伸剪切強度從46 MPa增加到了65 MPa 當壓下量超過50%時拉剪強度基本保持不變, 基本都在60-70 MPa范圍內(nèi), 這與再結(jié)晶后的4A60拉剪強度相當 根據(jù)斷口形貌(圖5)對拉剪斷裂行為分成了三類: 界面斷裂(指斷裂在鋁鋼界面位置)、混合斷裂(指斷口上既存在有鋁鋼界面斷裂也存在有鋁層斷裂)和鋁層斷裂(指斷裂僅發(fā)生在鋁層上, 鋁鋼界面未觀察到分層斷裂現(xiàn)象)



圖3釬焊后界面附近的SEM形貌和釬焊前后Fe、Al元素的擴散

Fig.3Microstructure of 4A60/08Al clad material after brazing (a) and the element distribution across interface before and after brazing treatment (b)

2.3 斷口的形貌

圖5給出了對應不同壓下量的斷裂形貌, 其中圖5a為復合前08Al鋼的原始表面形貌 經(jīng)過鋼絲刷的打磨, 表面凹凸不平, 表面粗糙度Ra大約為1.5 μm 圖5b、圖5c、圖5d分別對應壓下量為25%、35%和50%的拉剪斷口形貌 從圖5a可以看出, 壓下量為25%時斷口較為齊整, 斷裂發(fā)生在鋁鋼界面, 根據(jù)圖像分析軟件測定斷口上存在有(30±5)%的鋁, 定義此斷裂形式為鋁鋼界面斷裂; 當壓下量達到35%時, 根據(jù)形貌及EDS能譜分析可知斷口2/3的面積為鋁層斷裂, 1/3為界面斷裂(圖5c), 定義為混合斷裂; 當壓下量達到50%時拉剪試樣都斷裂在鋁層(圖5d), 定義為鋁層斷裂 圖4還給出了不同壓下量斷裂形式的總結(jié)



圖4不同壓下量4A60/08Al冷軋復合帶材的拉剪實驗結(jié)果

Fig.4Bonding strength of 4A60/08Al clad strips with different cold-rolling reductions

2.4 壓下量對鋁/鋼復合帶材界面結(jié)合的影響

圖6給出了不用壓下量下拉剪斷口的SEM形貌 壓下量為25%時斷裂發(fā)生在鋁鋼界面, 斷口存在有殘留的鋁(4A60)(圖5a和圖6a) 從圖5a及放大后的圖6a可以看出, 壓下量為25%時界面結(jié)合區(qū)域(殘留鋁的區(qū)域)的分布不均勻 當壓下量達到35%時在鋁鋼斷裂面上結(jié)合區(qū)域相對均勻(圖6b), 說明此時的鋁鋼的復合較為穩(wěn)定, 而在鋁層斷裂位置(圖6c)有明顯的撕裂棱; 當壓下量達到50%時, 由于僅發(fā)生鋁層斷裂, 拉剪斷口為明顯的剪切斷口形貌(圖6d)

圖7給出了25%及50%壓下量下利用NaOH把鋁層全部腐蝕掉后的鋼側(cè)界面處的形貌 從圖7可以看出, 隨著壓下量的不斷增加, 由于表面脆性硬化層的破裂, 鋼的表面產(chǎn)生了許多裂縫, 新鮮的金屬從裂口中被擠出, 相遇后產(chǎn)生粘合[11-13] 當壓下量較小時(如25%)表面脆性硬化層雖然破裂但擠入裂縫的鋁分數(shù)較低(圖5b), 界面結(jié)合強度也比較低(圖4); 當壓下量增加到35%時斷裂表面為臺階斷裂(圖5c), 在鋁鋼界面斷裂處也殘留大量被撕斷的鋁(圖6b) 壓下量的增加使裂縫數(shù)量增加的同時裂縫變寬(圖7), 導致鋁層擠入的體積增加 結(jié)合能力與擠入的面積有關(guān), 壓下量越大擠入的面積越大, 結(jié)合能力越強[14] 壓下量增加到50%時斷裂發(fā)生在鋁層, 此時鋁鋼界面在拉剪狀態(tài)下的結(jié)合強度已經(jīng)超過了鋁層本身的強度 這個結(jié)果表明, 鋁與鋼已經(jīng)產(chǎn)生了較好的結(jié)合



圖5不同壓下量的鋁/鋼復合帶材鋼側(cè)的斷口形貌

Fig.5SEM images of 4A60/08Al clad strips surface after shearing, conditions: (a) reduction in thickness: 0%; (b) 25%; (c) 35%; (d) 50%



圖6不同壓下量鋁鋼復合帶材鋼側(cè)的斷口形貌

Fig.6SEM images of 4A60/08Al clad strips surface after shearing, (a) 25%; (b) 35%; (c) 35%; (d) 50%



圖7用化學方法處理掉鋁層后鋼側(cè)結(jié)合面的形貌

Fig.7SEM images of 08Al surface after removing aluminium by chemical means at different deformation levels, (a) 25%; (b) 50%

2.5 壓下量對鋁/鋼復合帶材結(jié)合行為的影響

選用500倍SEM照片3張, 用圖像處理軟件計算了不同壓下量拉剪斷口殘留鋁的面積占視場總面積的分數(shù), 其中沒有壓下時(0%)的值設(shè)為0, 超過50%壓下量的鋁的面積分數(shù)為100%, 具體如圖8a所示 斷口殘留鋁的面積分數(shù)與拉剪強度的關(guān)系如圖8b所示 從圖8a可以看出, 當發(fā)生混合斷裂時(壓下量為35%)斷口殘留鋁的面積分數(shù)超過了80% 從實驗結(jié)果可知, 壓下量與斷口殘留鋁面積分數(shù)的關(guān)系很好地符合Boltzmann關(guān)系, 相關(guān)系數(shù)R2=0.98 同時, 從圖8b可以看出, 隨著殘留鋁的面積分數(shù)的增加結(jié)合強度是逐漸升高的, 但是并非線性關(guān)系, 尤其是在壓下量較小時(如25%)

根據(jù)斷口形貌及斷裂行為把開始有鋁層斷裂(斷裂行為為混合斷裂, 見圖5c)的最小壓下量定義為4A60鋁/08Al鋼的最小復合壓下量, 把僅發(fā)生鋁層斷裂的最小壓下量定義為穩(wěn)定復合壓下量; 根據(jù)圖4及圖8給出的數(shù)據(jù), 具有薄鋁層的冷軋4A60鋁/08Al鋼復合材料的最小復合壓下量為35%, 穩(wěn)定復合壓下量為50% 同時, 根據(jù)圖5b鋁鋼的斷裂形貌可以判斷, 冷軋4A60鋁/08Al鋼復合材料的初始復合壓下量應小于25%



圖8斷口鋁殘留面積分數(shù)與壓下量的關(guān)系以及殘留鋁的面積分數(shù)與拉剪強度的關(guān)系

Fig.8Relationship between Al area fraction and reduction (a) and bonding strength and Al area fraction on the fracture surface (b)

2.6 界面結(jié)合強度的預測

很多研究者對冷軋后的雙金屬界面結(jié)合機理進行了研究并對結(jié)合強度(剪切試驗)進行了預測, 并認為雙金屬結(jié)合強度與結(jié)合表面狀況及結(jié)合表面擴展率等因素有密切的關(guān)系[11-15]

Vaidyanath等[15]在研究軟鋼、鋁、鎂、鋅等材料的結(jié)合強度的基礎(chǔ)上提出了預測結(jié)合強度的經(jīng)驗公式

σB=σ0Rf(2-Rf)

(1)

式中 σB-結(jié)合強度; σ0-雙金屬中軟相金屬的強度; Rf-軋制壓下量 Mohamed等[12]在研究冷軋鋁、銅、金、銀等材料的基礎(chǔ)上提出了計算公式

（）σB=σ0C（RR+1）n

(2)

式中 R-結(jié)合面的擴展率, 此處取 R=Rf; C-與粗糙度有關(guān)的系數(shù), 粗糙度越高C值越大, 最大為1; n在1-2之間 Wright等[16]在考慮材料硬化和臨界壓下的基礎(chǔ)上提出了計算公式



圖9界面結(jié)合強度的實測值和預測值

Fig.9Experimental data and predicted data of bond strength

（）σB=σ0H（1-(1-Rf)2(1-Rt)2）

(3)

式中 Rt-臨界變形壓下量; H-經(jīng)驗硬化因子, 此處取H=1.3[12]

公式(1)和(2)表明, 金屬結(jié)合強度都與雙金屬中軟相組元的強度有關(guān) 在鋁/鋼復合材料中軟相是4A60鋁, 取4A60退火態(tài)的抗拉強度值即 σ0=85MPa, 對預測值和實測值作圖(圖9) 從圖9可以看出, 公式(1)最接近實測值; 公式(2)預測的值相對較低, 與實測值有很大的差距; 對于公式(3), 當 Rt=0時預測值處于實測值的上限位置, 當 Rt=0.2時預測值處于實測值的下限位置, 當 Rt=0.15時預測值與實測值較為接近 這表明, 15%的壓下量可能為4A60鋁/08Al鋼復合材料的初始復合壓下量

通過公式(3)( Rt=0.15)可以預測4A60/08Al復合材料的界面最大結(jié)合強度為110 MPa(H=1.3), 這主要取決于4A60變形后的硬化程度, 而硬化程度主要體現(xiàn)在硬化因子H上 對于冷軋復合板, 除了變形量對結(jié)合有影響之外[1], 元素的擴散[3, 10]、界面處的殘余應力[17]和試樣剪切時的應力狀態(tài)[6]等因素都影響結(jié)合強度

3 結(jié)論

1. 釬焊后鋁/鋼界面未出現(xiàn)脆性化合物, 釬焊后Al元素存在有一定的擴散, Al擴散的距離大約為(4±0.5) μm, 元素的擴散在一定程度上可提高界面的結(jié)合質(zhì)量

2. 隨著壓下量的增加界面結(jié)合強度逐漸增加, 當壓下量從25%增加到50%時平均拉伸剪切強度從46 MPa增加到了65 MPa 當壓下量超過50%時拉剪強度基本保持不變, 并達到了4A60鋁合金的拉剪斷裂強度

3. 定義開始有連續(xù)鋁層斷裂的最小壓下量為4A60/08Al的最小復合壓下量, 把只發(fā)生連續(xù)鋁層斷裂的最小壓下量定義為穩(wěn)定復合壓下量; 薄鋁層冷軋4A60鋁/08Al鋼復合帶材的最小復合壓下量為35%, 穩(wěn)定復合壓下量為50%

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