铜铅_钢双金属复合材料组织和粘结强度分析

图2 measurment
粘结强度测试试样
Fig. 2 Photographs of the specimen for the bonding strength
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依据 GB/ T 6396- 1995, 粘结强度 = 4 P/ ( ( d - d ) )
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出 , 专 用 钢背 双金 属界 面处 组 织分 布 均匀 ; 而 ( 1) 08Al 钢背双金属界面处组织晶粒尺寸不匀 , 两者 在界面处难以观察到扩散现象。 2. 3 微区成分分析 专用钢背双金属合金成分分析如图 4 和表 2 所示。可以看出, 合金成分由铜颗粒和粒间的铅 结合相以及少量的锡相组成。
牌号 专用钢 08Al C 0. 15 0. 09 Si 0. 008 0. 03 Mn 0. 55 0. 60 P 0. 008 0. 030 S 0. 007 0. 030 Als 0. 070 0. 030
1. 2
双金属制作方法 双金属复合材料加工工艺流程为 : 钢板上表 酸洗 碱洗 烘干 上表面布铜铅粉末 双金属水冷 双金属轧制。要求轴瓦专
强度有直接影响 , Si 含量越低 越好 , 原因 是 Si元 素越低, 钢带表面洁净度越高 , 越有利于提高轴瓦 双金 属 粘 结强 度 。 一 般 来 讲 , 钢 背 材料 含 C 量 低, 会降低钢背强度 ; 钢背材料含 C 量过高 , 容易 造成钢背冷脆现象发生。这是因为在双金属烧结 后, 为防止合金层中铅的密度偏析 , 常常需在高温 状态下进行急冷。
( b) 图 ( a) 中 1 点处能谱图
( a) 专 用钢背双金属 ( c) 图 ( a) 中 2 点处能谱图 图4 posite 表 2 图 4( a) 中 1、 2 点处 EDS 分析结果 Table 2 EDS analysis results in Fig. 4( a)
元素 Fe Cu Sn Pb 1点 wB/ % 0. 89 92. 60 6. 51 x/ % 1. 04 95. 37 3. 59 wB/ % 2. 16 6. 06 0. 72 91. 06 2点 x/ % 6. 42 16. 56 1. 07 75. 95
第 33 卷第 5 期 2010 年 10 月
武 汉 科 技 大 学 学 报 Journal of Wuhan University of Science and Technology
Vol. 33, No. 5 Oct. 2010
铜铅/ 钢双金属复合材料组织和粘结强度分析
王立辉
1, 2
,唐
荻 , 陈 宇 , 许竹桃 , 张友登
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实验材料及方法
实验材料 试验钢背材料取自武汉钢铁( 集团 ) 公司冷轧
图1
粘结试样截面
Fig. 1 Sectional drawing of the bonding specimen
精密轴瓦专用钢和 08Al 钢 , 厚度均为 2. 0 mm, 其化学成分如表 1 所示。
表 1 钢背材料化 学成分 ( wB / %) Table 1 Chemical composition of the steel backed materials
表 4 FeCu 和 Cu 相相对衍 射积分强度 Table 4 Relative diffraction intensities of the FeCu and Cu phases
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( 1. 武汉钢铁 ( 集团 ) 公司研究院 , 湖北 武汉 , 430080; 2. 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心 , 北京 , 100083) 摘要 : 采用双金属复合材料加工工艺制备铜铅 / 钢双金属复合 材料 , 对复合材料 金相组织 、 合金成 分和界面 处 相组成进行分析 , 测定铜铅型轴瓦双金属复合材 料的粘结强度 。 结果表明 , 专用钢背材料和铜铅合金复合 , 复 合材料粘结强度 为 150 M P a; 用 08A l 钢作钢背 , 复合材 料粘结强度 为 85 M Pa。 不同钢 背材料对 双金属 粘 结强度产生不同影响 , 双金属界面金相组织观察 和二次电子像结合能谱分析表明 , 铅均匀分布 , 未产生偏析现 象 , Fe 原子和 Cu 原子互扩散而提高了双金属粘结强度 。 关键词 : 铜铅合金 ; 双金属 ; 粘结强度 ; 显微组织 ; 扩散 中图分类号 : T B331 文献标志码 : A 文章编号 : 1674 3644( 2010) 05 0557 04
面打毛 烧结
用钢板下表面粗糙度 R a 0. 6 m; 烧结温度约为 860 ! ; 控制双金属轧制压下率为 30% ~ 40% 。 1. 3 检验方法 两种双金属材料粘结试样截面如图 1 所示。 粘结强度测试试样如图 2 所示。
收稿日期 : 2010 06 07 作者简介 : 王立辉 ( 1977 ) , 男 , 武汉钢铁 ( 集团 ) 公司工程师 , 北京科技大学博士生 . E mail : wl h337@ w isco. com . cn
Table 3 EDS analysis results in Fig. 5( a)
元素 Fe Cu Sn Pb
图 6 双金属 XRD 图谱 Fig. 6 XRD spectra of the bimetallic samples
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影响 F eCu 相的分析。 对 FeCu 和 Cu 相的衍射峰强度进行测试 , 并 计算两个相的相对衍射积分强度及其比值 ( 如表 4 所示 ) , 由其可以得到 FeCu 相和 Cu 相的相对 体积分数 , 算式如下 : I F eCu FeCu X F eCu = K Cu I Cu X Cu ( 2)
式中 : P 为钢背与合金断裂载荷, N; d 2 为试样外 径, m m; d 1 为试样内径 , mm 。 用 PM E3 323UN 光学显微镜进行金相组织 观察 , 依据标准为 GB/ T 10561- 2005、 GB/ T 6394 - 2002。选取两种钢背双金属试样各 1 件, 试样 经镶嵌、 磨制、 抛光后, 依据 标准 GB/ T 173591998, 用二次电子探针 ( JXA 8800R) 观察组织形 态, 用能谱仪分析合金成分 , 测试条件: 真空度不 大于 7 ∀ 10- 3 Pa, 电压 20 kV 。将专用钢背制成 的双金属试样编为 1 号, 08A l 钢背制成的双金属 试样编为 2 号, 用砂纸将试样合金层表面打磨减 薄至界面处 , 用 X 射线 衍射仪 ( D/ max 2500PC) 分析结合界面 处的相 组成。检测条 件: 管压 40 kV; 管电流 250 mA, 扫描速度 4#/ min 。
( a) 二次电子 图像
复合前经打毛处理后 , 增强了钢和合金层间的界 面能 , 也增加了原子扩散的能力。扩散是物质内 部的热运动而导致的原子或分子的迁移过程, 扩 散初始阶段, 界面原子浓度梯度的剧烈差异和界 面空位的大量存在, 促使原子迅速扩散 , 键合原子 增多 ; 随着扩散继续进行, 原子浓度梯度差减小, 空位减少 , 对原子扩散的促进作用变小 , 界面强度 增加趋势变缓[ 4] 。 2. 4 双金属界面处相组成 两种钢背 成分的试样合 金层与钢基 体界面 XRD 图谱如图 6 所示。1 号试样界面处由 Cu 、 ! Fe 和具有 N aCl 结构的 FeCu 相组成; 2 号试样界 面处由 Cu 和具有 NaCl 结构的 F eCu 相组成。两 个试样合金层中的 Cu 原子和钢背中的 Fe 原子 都发生了互扩散, 组成了具有 NaCl 结构的 F eCu 相, 同时, 由于 1 号试样出现了 ! F e 相 , 说明合金 层区砂纸打磨减薄过程中 , 接近了钢基体, 但这不
( a) 二次 电子图像
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2. 1
实验结果与讨论
复合材料的粘结强度 轴 瓦 双 金 属 的 粘 结 强 度 不 得 低 于 100
[ 2]
MP a 。由式 ( 1) 可得 , 专用钢背材料与合金复合 材料的粘结强度为 150 M Pa; 而 08A l 钢背材料与 合金复合材料的粘结强度仅为 85 M P a。 2. 2 金相组织分析 双金属金相组织如图 3 所示。从图 3 中可看
存在一个从小晶体向大晶体的物质迁移过程, 即 小晶体被溶解而在大晶体上再沉淀, 使得固相颗 粒快速长大。 图 4、 图 5 能谱分析结 果表明, P b 完全不固 溶于 Cu 相中, 因 此烧结时可 保持液相 P b 量不 变; Sn 和 Cu 可固溶于 Pb 相中, 钢背中的 Fe 原 子向合金层中的 Cu 相中扩散的量相对向合金层 中 Pb 相中扩散的量要少许多, 也就是说, Fe 原子 向合金层的 Pb 相中扩散能 力更强。此 外, 钢背 中其他元素并未向合金层扩散。对比图 4 和图 5 可以看出 , 图 4 中有钢背中的 Fe 原子向合金层中 扩散 , Fe 原子向 Cu 相中扩散量为 0. 89% , F e 原 子向合金层的 Pb 相中扩散量为 2. 16% ; 图 5 中 也有钢背中的 Fe 原子向合金层中扩散, Fe 原子 向 Cu 相中扩散量为 0. 30% , Fe 原子向合金层的 Pb 相中扩散量为 0. 90% 。专用钢背试样 的 Fe 原子扩散能力相对于 08A l 试样的 F e 原子扩散 能力更强 , 更有利于提高材料粘结强度。钢板在
专用钢背合金成分分析
Fig. 4 Alloy layer analysis of the special steel backing com
( b) 08Al 钢背双金属 图 3 双金属金 相组织 Fig. 3 Microstructures of the bimetallic plates
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( b) 图 ( a) 中 1 点处能谱图
( c) 图 ( a) 中 2 点处能谱图 图5 表3 08Al 钢背合金成分分析 Fig. 5 Alloy layer analysis of 08Al steel backing composite 图 5( a) 中 1、 2 点处 EDS 分析结果
1点 w B/ % 0. 30 93. 49 6. 21 x/% 0. 36 96. 22 3. 42 w B/ % 0. 90 7. 33 0. 73 91. 04 2点 x/ % 2. 89 20. 11 1. 09 75. 91
式中 : I 为衍射积分强度 ; X 为相体积分数 ; K 为 常数。 由式 ( 2) 可知 , 两个样 F eCu 相和 Cu 相的相 对体积分数比值就是其衍射强度比值。从表 4 可 以看出, 1 号试样的 FeCu 相相对衍射积分强度比 值更高, 其相对体积分数也相应更高, 这表明 1 号 试样扩散能力更强, 更有利于粘结强度的提高 , 从 而进一步证实了轴瓦钢背专用钢与合金层的粘结 强度更理想。
王立辉 , 等 : 铜铅 / 钢双金属复合材料组织和粘结强 度分析
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08Al 钢背合金成分分析如图 5 和表 3 所示。 铜铅合金粉末在 800~ 900 ! 烧结时 , 铅为液相, 而 ! Cu 为固相 , 故为液相烧结。根据粉末烧结理 论[ 3] , 二混合组元的物化性质、 相对熔点, 表面张 力和平衡相图对二元系液相烧结起作用。但由于 铜铅合金粉末为松散铺粉 , 烧结并不是为了获得 完全致密组织, 因此 , 铜铅合金粉末的烧结不同于 普通液相烧结 , 而具有其特殊性。由于细小晶体 间界面张力和饱和溶解度要比大晶体的大 , 因而
铜铅 / 钢双金属复合带材是制造承载能力大、 疲劳强度高、 导热性好的轴瓦材料 , 被广泛用于制 造大功率、 高变速的发动机轴瓦[ 1] 。轴瓦除了要 求具有高的耐疲劳强度、 抗粘咬性和耐磨性外 , 还 要求其钢背与铜铅合 金之间具有较 高的粘结强 度。影响粘结强度的因素包括钢背及铜铅合金的 成分、 性能等。为此, 本文对铜铅/ 钢双金属复合 材料组织和粘结强度进行初步研究。