熱處理對銅/鋼爆炸復合材料的影響

朱 磊,劉林杰,王虎年

(1.西安天力金屬復合材料股份有限公司, 西安 710201;2.層狀金屬復合材料國地聯合工程研究中心, 西安 710201;3．陜西省層狀金屬復合材料企業技術中心, 西安 710201)

0 引言

隨著工業技術的發展,對金屬材料的要求越來越高,使得單一金屬材料的性能難以滿足高精尖工業、科研等事業的需求,金屬復合材料的需求日益增多。金屬復合材料可以同時具備2種金屬的優點,使復合材料滿足一些苛刻的工作環境。在大型超導磁體線圈應用中,超導電纜的端頭必須通過特殊的連接方式連接到一起形成電連接[1-4],銅及銅合金具有高熱導、低電阻,鋼具有高強度等優點,將銅與鋼相結合形成層狀復合材料,在超導接頭材料、軍工、電子等領域有著廣闊的應用前景[5]。

隨著爆炸焊接技術的發展,針對高熔點金屬之間的結合有著其他焊接無法比擬的效果。對于爆炸焊接界面具有良好的結合強度、生產制備周期短、可加工性能好等優點使得爆炸焊接技術廣泛應用于化工、冶金、造船等行業[6-9]。爆炸焊接利用高速碰撞,使得金屬板材發生塑性變形,從而在異種金屬間形成波狀結合界面。由于在高溫高壓的情況下,在界面處會形成金屬間化合物,導致界面結合強度受到一定影響[10-12]。

本文中主要通過爆炸焊接制備銅鋼復合材料,使用光學顯微鏡、電子掃描電鏡、力學性能試驗機對復合材料及其界面進行金相分析、能譜EDS和SEM、力學性能分析,研究了爆炸焊接后的復合材料的界面結合強度及熱處理對復合材料的性能影響,為后續制備銅鋼復合材料的提供實驗基礎。

1 實驗材料與方法

本研究所使用的原材料為純銅(T2)和不銹鋼(316L),其中T2的化學成分為(質量分數):P:0.002%、Fe:0.004%、Ni:0.002%、Pb:0.004%、Sn:0.002%、S:0.004%、Zn:0.003%、O:0.002%,其余為Cu;316L的化學成分為(質量百分數):C:0.03%、Si:1.00%、Mn:2.00%、P:<0.045%、S:0.030%、Ni:10.00%、Cr:16.00%、Mo:2.00%,其余為Fe。實驗所需純銅板的規格為18 mm×650 mm×650 mm,不銹鋼板的規格為50 mm×600 mm×600 mm;爆炸焊接實際操作方法如圖1所示。按照炸藥、銅板、不銹鋼板的順序進行放置,通過爆炸焊接的方法將純銅與不銹鋼形成復合板材,且復合板材界面具有爆炸焊接特有的波狀結合。

1-不銹鋼板,2-支撐物,3-銅板,4-炸藥,5-雷管,6-緩沖層圖1 爆炸焊接示意圖Fig.1 Schematic diagram of explosive welding

根據國標力學性能測試方法,通過使用萬能試驗機測試銅鋼復合板材的拉伸性能和剪切性能,金相顯微鏡和JSM-6460型掃描電鏡觀察界面微觀形貌,對復合板材的性能做出評價。

2 實驗結果與分析

本研究制備銅鋼復合材料所采用的爆炸焊接方法,主要是利用爆炸瞬間產生的高壓,在極短時間內使銅板高速、傾斜的與不銹鋼板發生碰撞。兩者在碰撞面發生冶金結合、機械結合,并在界面形成爆炸焊接波狀結合界面[13-15]。對爆炸焊接制備的銅鋼復合材料,在620 ℃下保溫20 h,并對其微觀組織與力學性能進行檢測,分析熱處理后復合材料的性能變化。

圖2為銅鋼復合板界面微觀組織。從圖2(a)中可以明顯看出超厚銅板與不銹鋼板通過爆炸復合后的界面微觀組織,在界面處銅側的晶粒被拉伸變得細長,而遠離界面處的銅晶粒保持與純材一致的晶粒大小;對銅鋼復合板進行熱處理后,從圖2(b)中可以看到銅側原本被拉伸的晶?；謴烷L大,遠離界面的銅晶粒經過熱處理變得異常粗大,這對復合板的力學性能會造成不利因素。

圖2 銅鋼復合板界面微觀形貌(OM)Fig.2 Interface micro morphology of copper steel composite plate (OM)

圖3為銅鋼復合板爆炸態界面SEM微觀組織及EDS結果。從圖3中可以看出銅板和不銹鋼板在爆炸態的界面處并未生成金屬過渡層,其界面處亮白色的為爆炸復合時被拉長、破碎的銅晶粒。根據圖3中界面EDS能譜結果,銅與不銹鋼主要元素分布在界面兩側,結合圖4界面EDS元素分布結果可以印證Cu元素與Fe元素未發生相互擴散現象,在爆炸焊接過程中,在波狀結構漩渦區內存在著金屬融化物,其主要元素為Cr、Fe、Ni、Cu。

圖3 銅鋼復合板爆炸態界面SEM微觀組織及EDS結果Fig.3 SEM microstructure and EDS results of explosive interface of copper steel clad plate

圖4 銅鋼復合板爆炸態界面元素分布(EDS)Fig.4 Element distribution at explosive interface of copper steel clad plate (EDS)

圖5為銅鋼復合板熱處理后界面SEM微觀組織及EDS結果。在銅鋼界面處EDS能譜結果顯示界面并未因熱處理而發生化學反應,沒有出現金屬間化合物過渡層;在爆炸復合時所形成的漩渦區,在經過熱處理后,其輪廓更為明顯,漩渦區內部金屬元素有一定團聚現象;界面處、漩渦區周圍原本在爆炸復合時被拉長、破碎的銅晶粒在熱處理時開始生長恢復到一定尺寸,并與基體鋼形成緊密的結合。圖6為銅鋼復合板熱處理后界面元素分布,其界面EDS元素分布結果也表明了熱處理時,界面兩側合金的主要元素Cu、Fe、Ni、Cr等元素并未產生元素擴散現象。

圖5 銅鋼復合板熱處理后界面SEM微觀組織及EDS結果Fig.5 SEM microstructure and EDS results of interface of copper steel clad plate after heat treatment

圖6 銅鋼復合板熱處理后界面元素分布(EDS)Fig.6 Interface element distribution (EDS) of copper steel clad plate after heat treatment

對銅鋼復合材料進行力學性能檢測,結果如表1所示。其抗拉強度與剪切強度如圖7所示。

表1 銅鋼復合板不同狀態下的力學性能Table 1 Mechanical properties of copper steel composite plates under different states

圖7 銅鋼復合材料的抗拉強度和剪切強度Fig.7 Tensile strength and shear strength of copper steel composite

從表1中可以看出,銅鋼復合材料在爆炸焊接后其抗拉性能均值在336.6 MPa左右,復合板在經過熱處理后,其抗拉性能明顯降低,其均值在224.6 MPa左右,2種狀態下的拉伸試樣均在銅側發生斷裂。分析其原因,由于爆炸焊接使得結合界面處晶粒被拉長變得細小,但不影響母材的晶粒尺寸,通過熱處理加工后使得晶粒回復長大,原始母材晶粒同時也生長變得粗大,使得熱處理后的銅鋼復合材料的力學性能大幅降低,由336.6 MPa降低到224.6 MPa;對于界面結合力,銅鋼復合材料的剪切強度在爆炸態時為183 MPa,但經過熱處理后,其數值降低到131 MPa。當拉伸試樣完全斷裂后,最終斷裂面均在拉伸試樣銅層一側,表明界面結合強度遠大于銅的抗拉強度,熱處理后對界面處的結合力有一定影響,但仍高于銅的抗拉強度,并不影響復合材料的使用,如圖8所示,銅鋼復合板力學性能測試后的試樣照片。

圖8 銅鋼復合板力學性能檢測試樣實物圖Fig.8 Physical drawing of mechanical property test sample of copper steel composite plate

分析銅鋼復合材料在620 ℃下,進行不同的保溫時間熱處理,分別保溫2、5、10和20 h,其性能結果如表2所示。通過增加保溫時間,其力學性能呈現出降低趨勢,如圖9所示。其抗拉強度由246.4 MPa降低到224.6 MPa,剪切強度由154 MPa降低到131 MPa。隨著保溫時間的增加,其界面處的晶粒逐漸恢復長大,影響復合材料的力學性能。

表2 銅鋼復合板在不同保溫時間的力學性能Table 2 Mechanical properties of copper steel composite plate at different holding time

圖9 不同保溫時間的抗拉強度和剪切強度曲線Fig.9 Tensile strength and shear strength curve of different holding time

3 結論

1) 銅鋼復合材料在爆炸態和經過熱處理后,其波前漩渦區內的元素并未發生變化,均為Cr、Fe、Ni、Cu金屬融化物。

2) 對銅鋼復合材料進行熱處理后,其界面處原本被拉長的晶粒長大,界面處并未產生金屬間化合物,Cu與不銹鋼兩側的元素并未發生擴散現象。

3) 通過爆炸焊接制備銅鋼復合材料,其爆炸態的抗拉強度約為336.6 MPa,剪切強度為183 MPa;在620 ℃下保溫20 h的熱處理后,銅鋼復合材料力學性能下降,其抗拉強度約為224.6 MPa,剪切強度為131 MPa,2種狀態下的拉伸試樣均在銅側斷裂。