硅對銅/鋁硅合金軋制復合板界面組織與結合性能的影響

常東旭

（東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110004）

銅/鋁復合板是一種常用的層狀復合材料，既具有銅良好的導電、導熱性能和美觀的外形，又具有鋁的質輕、耐腐蝕、價格低廉等優勢，可應用于電力、電子等諸多行業[1-3]。軋制復合法因具有生產效率高、可加工范圍廣等優勢，較適合用于生產銅/鋁復合板[4]。

軋制復合法通常采用單道次、大變形量的工藝過程，使軋件累積嚴重的加工硬化，所以需要進行退火處理來改善其綜合性能[5]。此外，退火過程還會促進界面熱擴散現象，使復合界面從物理結合過渡到冶金結合，但同時也會生成脆性相，不利于界面結合[6]。本文通過在鋁中添加合金元素硅，討論不同硅含量對界面組織與結合性能的影響，為鋁基體合金化在銅/鋁復合板材制備過程中的應用提供理論和實驗依據。

1 實驗

銅板選用工業純銅，鋁硅合金板硅含量分別為2%、5%和8%，尺寸規格均為200mm×20mm×1mm。在丙酮溶液中浸泡以去除油污，再在5%NaOH溶液中浸洗以去除氧化皮。利用電子砂輪對待復合的金屬表面進行機械打磨，并用無水乙醇洗凈、烘干。

軋制復合實驗在Φ92mm×200mm可逆式軋機上進行，軋制壓下率為70%，退火制度為400℃保溫1h。利用光學顯微鏡觀察界面組織，利用材料試驗機進行界面剝離實驗，夾頭移動速率為1mm/min。

2 結果與討論

2.1 硅對界面顯微組織和擴散行為的影響

圖1為不同硅含量的銅/鋁硅合金復合板界面顯微組織照片。經400℃退火后界面形成擴散層，并且隨著硅含量的增加，界面顏色整體偏暗，鋁基體中彌散分布的初晶硅向界面偏聚，呈現密集分布的趨勢。與銅、鋁原子相比，硅原子半徑較小，退火時硅原子優先發生擴散，遷移到界面處時擴散阻力增大。鋁側擴散層呈現出較為模糊的狀態，說明硅含量的增加導致遷移進入鋁基體的銅原子數量有所減少，在界面處偏聚的硅阻礙了擴散。

2.2 硅對界面結合強度的影響

由表1可知，硅含量的提高降低了界面結合強度。復合時兩種金屬的變形過程不一致，在接觸表面處產生相互摩擦，促進了表面氧化膜破碎和界面結合。硅的添加會提高鋁基體的強度，變形更為困難，變形時與銅更趨于同步，兩者的相對滑動減弱，產生的摩擦應力減小，使表面氧化膜的破壞程度降低，削弱結合效果。

表1 不同硅含量的界面結合強度

圖1 不同硅含量和退火溫度下的界面顯微組織

此外，在退火過程中，強大的擴散驅動力會使偏聚于鋁側擴散層中的硅元素更為活躍，開始越過界面，遷移進入界面擴散層，甚至進入銅基體中，并且硅含量越高，這種現象就越顯著。這些存在于界面擴散層中的硅減小了銅、鋁原子的接觸面積，阻礙了新鮮金屬沿著破裂的氧化膜縫隙擠出，從而降低結合強度。

3 結論

①退火時硅會在界面處發生偏聚，并且硅含量越高，現象越明顯；②硅的添加不利于表面氧化膜的破碎，并使雙金屬的變形過程更趨于同步，從而降低了界面結合強度。