Si粉微合金化对钢_铝复合材料界面的影响[1]

第33卷增刊2012年6月材料热处理学报TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENTVol．33SupplementJune2012Si 粉微合金化对钢-铝复合材料界面的影响宋群玲1，2，孙勇2（1.昆明冶金高等专科学校冶金材料学院，云南昆明650093；2.昆明理工大学材料科学与工程学院，云南昆明650093）摘要：采用粉末轧制工艺，在界面添加4%Si 粉进行界面微合金化调控，成功制备出界面结合良好的钢-铝复合材料。

研究了界面微合金化设计、扩散退火处理工艺对钢-铝复合材料界面区元素扩散、生成物相的影响规律，探讨了元素Si 界面调控的作用机理。

结果表明：添加4%Si 粉界面微合金设计，在500ħ扩散退火，保温1h 热处理工艺下，复合材料界面未出现金属间化合物，600ħ扩散退火，保温1h 热处理工艺下，仅出现少量化合物Fe 2Al 5，Si 粉界面微合金化处理能延缓界面化合物相生成，使生成Fe 2Al 5相的扩散温度向高温推移；Si 扩散固溶到Fe 、Al 基体中形成连续固溶体，提高了界面两侧物理及力学性能的连续性，改善复合材料的界面结合。

关键词：粉末轧制；微合金化；扩散退火中图分类号：TB331文献标志码：A文章编号：1009-6264（2012）增刊-0015-05Effect of silicon microalloying on interface of steel-aluminum bimetallic compositeSONG Qun-ling 1，2，SUN Yong 2（1.Department of Metallurgy and Materials ，Kunming College of Metallurgy ，Kunming 650093，China ；2.Institute of Materials Science and Engineering ，Kunming University of Science and Technology ，Kunming 650093，China ）Abstract ：Steel-aluminum bimetallic composites were prepared by powder rolling．When 4%of the silicon powders were added in the interface ，the good interface bonding of steel-aluminum bimetallic composite was obtained．The influence of the design of the microalloying and heat-treatment process on the elements diffusion ，new phase in the interface of the composites was studied ；meanwhile ，the effect mechanism of silicon microalloying technique was analyzed．The results show that no Al-Fe intermetallic compounds are found on the interface after silicon microalloying for steel-aluminum bimetallic composite ，and then annealing at 500ħfor one hour．Moreover ，some little intermetallic compound of Fe 2Al 5is found on the interface after annealing at 600ħfor one hour．The results show that silicon microalloying can effectively slow interface reaction rate ，the annealing temperature of new phase raised to a higher temperature range．Si solubilizes in Fe and Al the solid solution is formed which improves the consistency of physical and mechanical properties to cause interlard good combination．Key words ：powder rolling ；interface microalloying ；diffusion annealing收稿日期：2011-07-15；修订日期：2012-03-31基金项目：国家自然科学基金（59401001）作者简介：宋群玲（1978—），女，讲师，博士研究生，从事金属基复合材料研究，电话：0871-*******，E-mail ：songqunling@126．com 。

以黑色金属为基体的金属基复合材料，主要面向冶金、矿山、电力、汽车、水泥等一般民用行业，具有广阔发展空间及应用前景。

钢-铝复合材料能够将铝的抗大气腐蚀性与钢的强韧性有机的结合起来，可广泛应用于建筑结构、汽车家电、军事装备材料等行业［1-4］。

铝作为负电性最强的金属之一，容易与许多正电性的金属元素化合生成金属间化合物。

如Fe 、Al 之间容易生成脆性的金属间化合物FeAl 2、Fe 2Al 5、FeAl ［5-6］3，将严重削弱钢-铝界面的结合强度［7］，通过确定合理的制备工艺，进行界面控制，以达到稳定界面结合成为该类复合材料制备及应用的难点。

本文采用粉末轧制工艺、扩散退火处理制备钢-铝复合材料，同时在复合材料界面处添加4%Si 粉对其进行调控，通过Si 粉抑制界面金属间化合物的生长速度，调节组织改善复合材料的界面结合。

本文重点研究Si 粉界面微合金化处理对钢-铝复合材料界面区的物相及其分布影响，讨论了Si 粉界面合金化处理延缓界面区化合物生长的机制。

1实验材料及方法选用1mm 厚冷轧钢板ST12作为基材，对基材DOI:10.13289/j.issn.1009-6264.2012.s1.003材料热处理学报第33卷表面进行打磨直至露出新鲜表面，除去表面油污，使钢基表面处于活化状态。

复合层选择工业纯铝粉，添加4%Si 粉作为界面微合金化元素，采用粉末轧制法制备钢-铝复合材料。

将制备出的复合材料切出6个尺寸为90mm ˑ60mm 的试样，然后在氩气保护气氛下，分别进行500、550和600ħ的扩散退火处理，保温时间为1h ，空冷，试样编号如表1。

表1试样编号及工艺状态Table 1Specimen number and process conditionsSample No．Heat treat process Microalloying 1500ħˑ1h Un microalloying 2550ħˑ1h Un microalloying 3600ħˑ1h Un microalloying 4500ħˑ1h silicon microalloying 5550ħˑ1h silicon microalloying 6600ħˑ1hsilicon microalloying采用D /max-2200X 衍射仪分析复合材料的组成物相，同时使用Philips XL30ESEM 扫描电镜对复合层的微观组织形貌进行观察与分析，并对其微观组织进行EDS 检测。

2实验结果与分析2.1复合材料界面处的显微组织图1给出了各试样复合界面的SEM 图，随着退火温度的提高，界面区过渡层增厚，500ħ扩散退火，No．1试样界面区已形成较薄的化合物层，No．4试样界面区没有化合物层；600ħ扩散退火，No．3试样界面区形成的化合物层增厚，化合物与铝基界面不明显，而No．6试样界面区形成化合物层比较薄。

化合物的生长具有靠近钢基界面光滑，靠近铝基界面呈锯齿状的特点，表明化合物向钢侧方向生长较快。

化合物晶核主要在钢-铝界面处形成，形核孕育时间随着退火温度的升高而变短，晶粒的生长速度随着元素沿晶界的扩散速率的增大而增大，化合物层的宽度增加变厚。

图1钢-铝界面处SEM 图片（a ）未界面合金化处理No．1，500ħ；（b ）未界面合金化处理No．3，600ħ；（c ）Si 界面合金化处理No．4，500ħ；（d ）Si 界面合金化处理No．6，600ħFig．1SEM image of the steel-aluminum interface （a ）no pretreating films on Si powder No．1，500ħ；（b ）no pretreating films on Sipowder No．3，600ħ；（c ）interface micro-alloying on Si powder No．4，500ħ；（d ）interface micro-alloying on Si powder No．6，600ħ图2为各试样复合界面区Fe 、Al 元素分布曲线，500ħ退火，No．1试样曲线中部出现一小平台，界面处Fe 、Al 元素发生扩散反应，生成较薄的化合物层。

600ħ退火，No．3试样曲线中部平台比No．1试样的平台要宽，表明生成的化合物层增厚。

通过以上分析可以看出，未进行界面合金化处理的试样，界面处形成的化合物层的厚度随着扩散退火温度的升高而增加。

61增刊宋群玲等：Si 粉微合金化对钢-铝复合材料界面的影响图2Fe 和Al 元素在复合材料界面区域的分布曲线图Fig．2Elements of Fe and Al distribute curve in the interface of composites对Si 界面合金化处理的试样，500ħ退火，No．4试样Fe 、Al 元素在界面区域的含量呈陡峭变化趋势，界面区没有新相形成。

600ħ退火，No．6试样界面区元素分布也出现一小平台，其平台宽度比No．2要窄，说明No．6试样界面区形成的化合物层较薄，而合金化元素Si 完全分布在界面区域内并向钢基呈过渡分布，从而与钢基产生固溶效果。

通过对Fe 、Al 和Si 元素在界面处的分布规律研究，Fe 在Al 中的扩散速度小于Al 在Fe 中的扩散速度，导致与钢基接触的界面平整，而与铝基接触的界面呈锯齿状，界面区生成的化合物朝钢侧方向生长，但在生成化合物前，先在界面区形成Fe-Al 相互固溶体。