利用旋鍛-擴散工藝制備Cu-Al雙金屬復合管技術(shù)初探

文/郝慶樂，韓靜濤·北京科技大學材料加工與控制工程系

利用旋鍛-擴散工藝制備Cu-Al雙金屬復合管技術(shù)初探

文/郝慶樂，韓靜濤·北京科技大學材料加工與控制工程系

郝慶樂，博士研究生，主要從事塑性加工與模具設計研究。

雙金屬復合管綜合了兩種金屬管的優(yōu)勢，多應用于石化、核工業(yè)、食品等行業(yè)。傳統(tǒng)上制造復合管的工藝包括熱擠壓、軋制、爆炸復合等。旋鍛作為制造管材的工藝，卻很少有人將其作為制備雙金屬管的工藝。本文利用一種旋鍛-擴散工藝制備雙金屬管，獲得了銅-鋁復合管。試驗結(jié)果表明，利用旋鍛-擴散工藝，銅鋁結(jié)合界面可以形成很薄的冶金結(jié)合層，而不是過去認為的僅僅是機械結(jié)合；并且隨著退火溫度的提高或退火時間的延長，冶金結(jié)合層會逐漸變厚。

旋鍛工藝常用來制造精密管棒材，圖1展示了旋鍛機核心部分結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，一個標準的旋鍛機成形部分由外圈（outer cage）、輥柱（roller）、輥圈（roller cage）、主軸（spindle）、錘頭（hammer）、模具（die）和墊片（compensating shim）等組成。主軸受電動機的驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)；主軸的軸頭部分開有十字槽，十字槽里裝有模具、墊片和錘頭，此三者隨主軸的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，同時受離心力作用而沿十字槽向外運動，稱為張開運動；當錘頭頂端與位于輥圈內(nèi)的輥柱接觸后，錘頭反向運動并推動模具沿十字槽向內(nèi)運動，稱為閉合運動，錘頭和模具的一張一合形成一次對工件的鍛壓加工。鍛模作上述快速的、周期性的鍛壓運動，實現(xiàn)了工件截面的變化。

圖1 旋鍛機核心部分結(jié)構(gòu)示意圖

旋鍛工藝有兩個基本特征。第一個特征是高頻率的脈沖鍛壓。鍛造時，坯料伴隨著每次鍛壓的變形量很小，這一特點使坯料金屬流動的路徑較短，摩擦阻力較小，與此同時高頻率（可達2000次/分鐘以上）變形產(chǎn)生的變形熱使坯料的溫度不降低甚至提高，降低了坯料的變形抗力，因此，旋鍛工藝可以大大減少工件變形所需的變形力。

第二個特征是多向鍛打。鍛造時，坯料受到多個錘頭同步徑向打擊，使其被鍛部位始終處于三向壓應力狀態(tài)，有利于提高金屬的塑性，同樣有利于工件的變形，并避免缺陷的產(chǎn)生。

試驗方法

本文試驗材料為商業(yè)純銅管和純鋁管。純銅管外徑22mm，壁厚3.5mm，純鋁管外徑10.5mm，壁厚2mm。為了容易組裝，需保證二者之間的間隙大約有0.5mm。組裝之前需用800號砂紙對銅管內(nèi)表面和鋁管外表面進行磨光處理以去除氧化層，然后用丙酮進行徹底的清洗。

旋鍛-擴散工藝的重點是使工件在高壓、高溫條件下促進原子擴散。因此，首先在旋鍛機上對工件進行多道次成形，使其形成初步的機械結(jié)合。旋鍛所用設備如圖2所示，相關(guān)設備和工藝參數(shù)如表1所示。然后將成形后的復合管在350℃下保溫30min使原子進行擴散。所制備復合管的結(jié)合質(zhì)量通過SEM和EDS來檢驗。

圖2 試驗用旋鍛機照片

表1 設備和工藝參數(shù)

試驗結(jié)果

成品

旋鍛管材的變形量通過下式來評價：ψ ＝Tr/Tw，式中，Tr為壁厚減少量，Tw為管材組裝之后原始壁厚。

圖3給出了旋鍛后和擴散后復合管結(jié)合質(zhì)量的檢驗結(jié)果。從圖3a可以看出，當變形量為45%時，旋鍛后的復合管結(jié)合面存在多條微裂紋，這些微裂紋可能是由于材料在變形初段的流動而產(chǎn)生的，因為氧化層與基體力學性質(zhì)的差異，該區(qū)域的材料在變形初期傾向于相互分離，隨著變形量的增加，結(jié)合界面兩邊的金屬互相擠壓，界面壓力逐漸增加，在某一臨界值附近，界面壓力將足夠大從而阻止裂紋的擴展，并逐漸使裂紋彌合，如圖3b所示，當變形量為64%時，裂紋消失。

變形量為45%時，在結(jié)合界面附近Cu 和Al元素的分布變化非常劇烈，二者不存在相互擴散區(qū)域，如圖3d所示，這意味著銅管和鋁管之間不存在結(jié)合。結(jié)合界面可能存在著殘余應力，所以在擴散之后，當應力釋放后，銅管和鋁管分開，沒有形成結(jié)合。當變形量為64%時，嚴重的塑性變形使得結(jié)合界面附近開始產(chǎn)生機械結(jié)合，如圖3e所示，Cu和Al元素在結(jié)合面處存在著一個穩(wěn)定的分布平臺，盡管是原子相互擴散區(qū)域，但是仍可以看到這一趨勢。當變形量為82%時，結(jié)合界面由機械結(jié)合變?yōu)榱艘苯鸾Y(jié)合，Cu、Al二原子在結(jié)合面附近存在一個較寬的相互擴散區(qū)域，如圖3f所示。

長時間的高溫保溫過程有利于原子的進一步擴散。如圖3g所示，變形量為64%的樣品經(jīng)擴散處理后形成了寬約1μm的結(jié)合界面；變形量為82%時，結(jié)合面寬度增加至2μm，如圖3h所示。

圖3 Cu-Al復合管SEM和EDS檢驗結(jié)果

缺陷

隨著變形量的增加，組合后的銅管和鋁管壁厚逐漸被壓扁，如圖4所示。由于模具對銅管的壓力要大于芯棒對鋁管的壓力，因此銅管在成形過程中的變形量會比鋁管大，銅管材料在軸向的流動會多于鋁管，因此在復合管一端可能形成一層非常薄的銅管。由于沒有鋁管的支撐，且厚度較薄，這層銅管非常容易受到機械振動的影響而彎曲，導致缺陷的產(chǎn)生，如圖5a所示。

圖4 Cu-Al復合管樣品

飛邊是另外一個在實際旋鍛過程中常見到的缺陷。飛邊的出現(xiàn)是由于過大的進給速度和變形量。通常情況下，模具第一次鍛壓會使材料流向模具的間隙，從而在工件表面產(chǎn)生飛邊，隨后的鍛壓動作會使飛邊金屬流向工件表面凹陷部分，這樣飛邊高度會逐漸降低，工件產(chǎn)生軸向延伸，截面逐漸變圓。但是在過大的進給速度和變形量的條件下，飛邊金屬來不及被壓平就被送出了變形區(qū)域，從而產(chǎn)生飛邊缺陷，如圖5b所示。因此，為了避免飛邊的出現(xiàn)，當變形量很大時，應減小進給速度。

結(jié)束語

本文利用旋鍛-擴散法對制備雙金屬復合管進行了初步的研究，試驗結(jié)果表明：隨著變形量的增加，銅鋁復合管經(jīng)過氧化層破裂-基體金屬接觸-機械結(jié)合過程，最終實現(xiàn)了冶金結(jié)合；經(jīng)過高溫保溫過程，達到機械結(jié)合程度的銅鋁復合管會形成冶金結(jié)合，而已達到冶金結(jié)合程度的復合管，其結(jié)合界面寬度會進一步增加。

此外，在利用旋鍛工藝對復合管進行變形的時候，需要注意工藝參數(shù)之間的相互配合，避免出現(xiàn)彎曲和飛邊缺陷。

圖5 缺陷彎曲(a)和飛邊(b)