摘要：采用熔鑄復(fù)合法制備了高鉛青銅CuPb15Sn7/45鋼雙金屬層狀復(fù)合材料，研究了加熱條件和冷卻速率等工藝參數(shù)對銅鋼復(fù)合界面和組織性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)裝爐溫度為900℃，保溫溫度為1 015℃，保溫時(shí)間為5 min并采用氮?dú)饫鋮s時(shí)，銅鋼界面具有優(yōu)異的冶金結(jié)合性能，界面拉伸斷裂強(qiáng)度達(dá)到200 MPa；銅合金區(qū)鉛顆粒分布較均勻，鉛元素?zé)龘p量低于1%；鋼基體的組織和晶粒尺寸分布合理，表現(xiàn)出優(yōu)異的熔鑄復(fù)合效果。

隨著對工程材料綜合性能的要求越來越高，采用單一金屬材料制造的零部件越來越難以滿足其全方位性能需求。加之貴金屬資源逐漸稀缺，使得雙金屬層狀復(fù)合材料逐漸得到工業(yè)推廣和應(yīng)用。層狀金屬復(fù)合材料在保持各層金屬原有特性的基礎(chǔ)上，整體性能得到顯著提高，其制備工藝也越來越受到重視。 

高鉛青銅具有良好的導(dǎo)熱性、耐磨性、耐沖擊性和抗咬合性，廣泛用于制造柱塞泵缸體等液壓零部件。同時(shí)，由于銅和鐵的晶格類型、晶格常數(shù)和外電子原子數(shù)非常接近，具有良好的復(fù)合冶金相容性。以鋼為基體層、高鉛青銅為復(fù)合層制備的銅鋼雙金屬層狀復(fù)合材料兼具兩種材料的優(yōu)異性能。目前，制備銅鋼雙金屬層狀復(fù)合材料的常用方法包括爆炸復(fù)合法、軋制復(fù)合法、擴(kuò)散復(fù)合法、離心鑄造法、熔鑄法和粉末燒結(jié)法等。其中，爆炸復(fù)合法、軋制復(fù)合法主要用于制備雙金屬層狀板材；擴(kuò)散復(fù)合法制備周期長，長時(shí)間保溫易造成嚴(yán)重的鉛元素氧化燒損，成本也較高；離心鑄造法易導(dǎo)致鉛元素宏觀偏析；粉末冶金法涉及工序多，制備周期長，成本高。 

而兩種材料同時(shí)加熱的熔鑄復(fù)合法，在制備銅鋼雙金屬層狀復(fù)合材料方面具備明顯的技術(shù)和成本優(yōu)勢，本文將通過熔鑄復(fù)合試驗(yàn)研究具體工藝參數(shù)對銅鋼雙金屬材料組織性能的影響規(guī)律，為制訂合理的銅鋼雙金屬熔鑄復(fù)合方案提供理論依據(jù)。

1　試驗(yàn)方案

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的材料包括高鉛青銅CuPb15Sn7和45鋼，兩種材料的化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)前，將45鋼加工成Φ42 mm×45 mm的圓柱體，并在一端加工出Φ32 mm×7 mm的凹槽，將銅合金加工成Φ30 mm×6 mm的圓片。機(jī)加工后，需要經(jīng)過砂紙打磨、堿洗、酸洗、80℃飽和硼砂水浸泡等表面處理工藝，并按照圖1所示組裝后進(jìn)行熔鑄試驗(yàn)。 

1.2　試驗(yàn)步驟

采用共同加熱熔鑄復(fù)合工藝制備高鉛青銅/45鋼雙金屬復(fù)合材料。熔鑄試驗(yàn)在型號為SG-XQL1400的電阻加熱爐中進(jìn)行，試驗(yàn)過程中爐膛內(nèi)通入高純氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體。當(dāng)爐膛內(nèi)溫度升至900℃時(shí)，將組裝好的試樣放入爐膛，隨爐加熱至保溫溫度并保溫一段時(shí)間，取出試樣后通過一定的冷卻方式制備出銅鋼復(fù)合試樣。 

熔鑄試驗(yàn)中主要控制保溫溫度、保溫時(shí)間和冷卻方式三個(gè)工藝參數(shù)，以研究各工藝參數(shù)對高鉛青銅/45鋼的組織和性能作用規(guī)律，特別是界面復(fù)合效果和銅合金中鉛元素的分布狀態(tài)。其中，保溫溫度分別設(shè)為1 000℃、1 015℃和1 030℃，保溫時(shí)間設(shè)為0、5 min和10 min，冷卻方式分別采用爐外空冷、氮?dú)饫鋮s和水冷三種方式。 

1.3　微觀組織觀察與性能測試

試驗(yàn)后獲得的銅鋼雙金屬試樣，經(jīng)機(jī)加工切取出金相試樣，采用3%的硝酸酒精溶液對45鋼基體進(jìn)行腐蝕，采用型號為Axio Imager M 2m的光學(xué)顯微鏡觀察復(fù)合材料各區(qū)域的組織形貌以及鉛元素顆粒大小和分布狀態(tài)。采用型號為iCAP7600的光譜儀分析試驗(yàn)前后銅合金中鉛元素的含量變化。通過單向拉伸試驗(yàn)進(jìn)行力學(xué)性能測試，以評估銅鋼復(fù)合試樣的界面結(jié)合效果。根據(jù)制備的銅鋼熔鑄試樣并參考金屬材料拉伸試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010，設(shè)計(jì)的拉伸試樣尺寸和拉伸夾具如圖2所示。將拉伸試樣固定在夾具上，在型號為SANS CMT5305（MTS）的萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以測試復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度。其中，拉伸速度設(shè)置為1 mm/min，試驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)試樣斷口直徑和載荷計(jì)算拉伸斷裂強(qiáng)度。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　顯微組織分析

當(dāng)裝爐溫度為900℃，保溫溫度為1 000℃，保溫時(shí)間為10 min時(shí)，制備得到的銅鋼熔鑄試樣，其結(jié)合界面和銅合金區(qū)域顯微形貌如圖3所示。從圖3a可以看出，與擴(kuò)散法等復(fù)合工藝相比，由于熔鑄試驗(yàn)保溫時(shí)間較短，在銅鋼結(jié)合界面處并未形成性能較差的元素過渡區(qū)。在熔鑄過程中，45鋼表面的齒狀間隙和凹坑形貌完全填充熔融的銅合金液體，在試樣冷卻后形成較好的冶金結(jié)合效果。研究表明，這種結(jié)合形貌能增加界面處結(jié)合面積，減小界面的相對滑移從而提高復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度。 

從圖3b可以看出，熔鑄后銅合金區(qū)域鉛元素分布較為均勻，形態(tài)呈顆粒狀或條帶狀，鉛顆粒尺寸范圍為20～100μm。在熔鑄復(fù)合的銅合金凝固冷卻階段，Cu元素以樹枝晶凝固析出，Pb元素由于熔點(diǎn)低則填滿樹枝晶間隙，從而形成條帶狀的分布特征。

2.2　保溫條件對組織性能的影響

當(dāng)裝爐溫度為900℃，保溫時(shí)間為5 min，冷卻方式為空冷時(shí)，不同保溫溫度條件制備得到的銅鋼熔鑄試樣界面結(jié)合形貌如圖4所示。由圖4可以看出，在不同的保溫溫度下，經(jīng)過一定時(shí)間的保溫，銅合金均能完全熔化并與45鋼在界面處形成良好的冶金結(jié)合。由于采用的高鉛青銅理論液相線溫度為986℃，當(dāng)銅合金溫度超過液相線溫度后，良好的導(dǎo)熱性促進(jìn)銅合金快速熔化，熔融的銅合金液滲入45鋼表面的微小縫隙從而實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。這表明采用共同加熱的熔鑄復(fù)合工藝，可以實(shí)現(xiàn)鋼銅界面獲得優(yōu)異的冶金結(jié)合狀態(tài)。

 值得注意的是，圖4中三種界面結(jié)合形貌，其形成的冶金結(jié)合效果存在細(xì)微差別，這可從拉伸測試結(jié)果體現(xiàn)出來，三組試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度如表2所示。綜合分析表2的測試結(jié)果，與保溫溫度1 015℃相比，當(dāng)保溫溫度為1 000℃和1 030℃時(shí)，試樣界面拉伸斷裂強(qiáng)度均有一定程度降低。分析鋼銅界面結(jié)合狀態(tài)和形貌可以發(fā)現(xiàn)，冶金結(jié)合的形成首先需要銅合金完全熔化，當(dāng)保溫溫度偏低時(shí)，較短的保溫時(shí)間無法保證銅合金完全熔化，由于過熱度低，其在界面形成的冶金結(jié)合并不牢固。隨著保溫溫度的升高，過熱度增加，銅合金完全熔化，有利于促進(jìn)合金元素?cái)U(kuò)散并加強(qiáng)界面的冶金結(jié)合效果。但當(dāng)保溫溫度過高時(shí)，由于鉛元素快速聚集長大，且鉛本身質(zhì)地較脆硬，大尺寸的鉛顆粒在拉伸變形過程易在界面處發(fā)生分離而產(chǎn)生微孔洞，導(dǎo)致鉛顆粒在拉伸斷裂過程會(huì)優(yōu)先斷裂脫落，進(jìn)而造成拉伸斷裂強(qiáng)度的下降。

為進(jìn)一步研究保溫溫度和保溫時(shí)間對銅合金組織形貌的影響，分別在保溫溫度1 000℃和1 015℃，保溫時(shí)間為0并空冷條件下制備了復(fù)合試樣，兩組試樣的界面結(jié)合形貌如圖5所示。其中，圖5a所示試樣中的銅合金未完全熔化，結(jié)合界面處存在明顯的孔洞形貌；而圖5b中的銅合金試樣完全熔化，界面完全冶金結(jié)合。結(jié)合前述不同保溫溫度下試樣均完全熔化的結(jié)果可以推斷，在1 000℃保溫0～5 min的過程恰好是銅合金逐步熔化的過程。然而，較低的保溫溫度和較短保溫時(shí)間意味著較低的過熱度和較短的傳熱時(shí)間，銅合金無法完全熔化，這導(dǎo)致界面處已熔化合金流失而形成細(xì)小孔洞缺陷。此時(shí)，銅鋼界面在宏觀尺寸仍能形成冶金結(jié)合，但拉伸斷裂強(qiáng)度偏低。當(dāng)保溫溫度提高至1 015℃后，盡管在不同的保溫時(shí)間下均會(huì)形成冶金結(jié)合，但保溫時(shí)間過短也會(huì)造成類似的結(jié)合強(qiáng)度偏低現(xiàn)象。因此，只有在適當(dāng)保溫溫度和保溫時(shí)間的綜合作用下，才能實(shí)現(xiàn)良好的界面冶金結(jié)合效果。

當(dāng)保溫溫度為1 000℃，保溫時(shí)間分別為0和5 min并空冷而制備的銅鋼復(fù)合試樣，其銅合金區(qū)域的組織形貌如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，相對于鉛顆粒尺寸較為細(xì)小均勻的6a試樣，6b試樣中存在較多大尺寸鉛顆粒，表現(xiàn)出明顯的鉛元素富集長大現(xiàn)象。前述試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)表明，在1 000℃保溫0～5 min的過程是銅合金逐步熔化過程。因此，在銅合金熔化過程，鉛元素由于熔點(diǎn)低會(huì)較早完成熔化，繼而快速聚集長大，而保溫時(shí)間的長短直接影響鉛元素的尺寸和分布狀態(tài)。在熔鑄復(fù)合工藝過程中，鉛元素的聚集長大是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題，這也是判斷熔鑄工藝參數(shù)是否合理的因素之一。

保溫時(shí)間的長短同樣影響銅合金完全熔化后的鉛元素尺寸和分布狀態(tài)，在1 015℃保溫不同時(shí)間并空冷制備了三組試樣，其組織形貌如圖7所示。其中，7a試樣未完全熔化，結(jié)合界面處存在較寬較長的孔洞間隙，鉛元素尺寸較為細(xì)小。7b試樣和7c試樣完全熔化，界面處均形成冶金結(jié)合。然而，7b試樣的銅合金區(qū)域存在較多大尺寸鉛顆粒，而7c試樣中的鉛顆粒尺寸相對較小，主要表現(xiàn)為條帶狀。三個(gè)試樣的ICP測試結(jié)果表明，7a、7b試樣的鉛元素含量與原材料相差不大，均為14.8%左右，而7c試樣的鉛元素含量僅為9%，氧化燒損了約40%。 

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可以總結(jié)銅合金組織及鉛元素在熔鑄過程中的變化規(guī)律。***階段，在加熱至銅合金熔化前，由于鉛元素不溶于銅合金基體，也不與其他元素形成化合物，低熔點(diǎn)的鉛元素較早熔化，在固態(tài)銅合金的束縛和外界熱量的不斷輸入下，熔融的鉛元素處于較為活躍狀態(tài)。第二階段，在銅合金逐步熔化過程中，熔融的鉛元素快速聚集長大，并趨向于形成較大尺寸的鉛顆粒，但這一階段并未出現(xiàn)鉛元素?zé)龘p。第三階段，隨著保溫時(shí)間的延長，大尺寸的鉛顆粒開始出現(xiàn)燒損現(xiàn)象，并轉(zhuǎn)化為條帶狀和點(diǎn)狀分布形貌，其含量也由于燒損快速降低。

2.3　冷卻方式對組織性能的影響

與鋼材熱處理工藝相類似，冷卻速率對于采用熔鑄工藝制備的復(fù)合材料組織性能有顯著影響。當(dāng)保溫溫度為1 015℃，保溫時(shí)間為5 min時(shí)，不同冷卻方式制備的銅鋼復(fù)合材料銅合金區(qū)域組織如圖8所示。可以看出，三組試樣的銅合金區(qū)域鉛元素分布均較為均勻。 

宏觀來看，相比于8b和8c試樣，采用空冷方式制備的8a試樣鉛顆粒尺寸較小，更多呈現(xiàn)細(xì)小點(diǎn)狀分布。測試三組試樣的鉛元素含量發(fā)現(xiàn)，8a試樣的鉛元素含量為12%，較試驗(yàn)前下降約20%，而8b和8c試樣的鉛元素含量均在14%以上。三個(gè)試樣從爐內(nèi)取樣至冷卻到室溫所用時(shí)間不同，因此可以推斷，采用空冷方式，冷卻速率相對較低，意味著較長高溫階段停留時(shí)間，造成一定程度的鉛元素?zé)龘p，而采用氮?dú)饫鋮s及水冷方式，冷卻速率較大，能夠有效避免鉛原始的燒損。 

圖8中三組試樣的45鋼基體組織形貌，如圖9所示。采用空冷方式制備的試樣，其組織主要為珠光體和鐵素體，并含有少量魏氏體組織。采用氮?dú)饫鋮s的試樣主要為珠光體、鐵素體及少量奧氏體，晶粒大小與試驗(yàn)前相近。采用水冷方式制備的試樣，由于取出溫度在1 000℃左右，水冷溫度在奧氏體單相區(qū)，***終水冷后為晶粒尺寸較大的奧氏體與馬氏體組織。 

因此，對于以45鋼為基體、高鉛青銅合金為復(fù)合層制備的雙金屬層狀復(fù)合材料及其零件，在保證銅合金中鉛元素含量和尺寸的前提下，應(yīng)將冷卻速率控制在適中水平，提高冷卻后鋼基體中珠光體和鐵素體的比例，從而保證冷卻后45鋼的晶粒尺寸和復(fù)合材料整體的力學(xué)性能。

2.4合理的熔鑄工藝參數(shù)

通過對銅鋼復(fù)合材料的顯微組織觀察和界面結(jié)合力學(xué)性能測試，分析了保溫條件和冷卻速率對復(fù)合材料界面結(jié)合情況和銅合金區(qū)域組織形貌的影響，根據(jù)上述結(jié)果和分析，對于本次試驗(yàn)的銅鋼試樣尺寸，采用共同加熱熔鑄復(fù)合工藝制備銅鋼雙金屬復(fù)合材料的合理工藝參數(shù)為：當(dāng)爐膛溫度為900℃時(shí)試樣裝爐，保溫溫度為1 015℃，保溫時(shí)間為5 min，試樣采用氮?dú)饫鋮s。采用合理的熔鑄復(fù)合工藝參數(shù)制備的銅鋼復(fù)合材料，銅合金基體鉛顆粒分布均勻，鉛元素含量為14.6%，燒損量低于1%。銅鋼結(jié)合界面的拉伸斷裂強(qiáng)度超過200 MPa，能夠保證優(yōu)異的冶金結(jié)合效果。

3.結(jié)論

（1）當(dāng)銅鋼試樣尺寸確定后，裝爐溫度、保溫溫度、保溫時(shí)間和冷卻方式是關(guān)鍵的熔鑄復(fù)合工藝參數(shù)，直接影響銅鋼復(fù)合材料的組織性能和界面冶金結(jié)合質(zhì)量。對于本次銅鋼試樣，合理的熔鑄工藝參數(shù)為：裝爐溫度900℃，保溫溫度1 015℃，保溫時(shí)間5 min，冷卻方式為氮?dú)饫鋮s。

（2）采用合理的熔鑄工藝參數(shù)制備的銅鋼復(fù)合材料，銅合金基體鉛顆粒分布均勻，鉛元素含量為14.6%，燒損量低于1%；鋼基體的微觀組織和晶粒尺寸分布合理；銅鋼界面具有優(yōu)異的冶金結(jié)合性能，界面的拉伸斷裂強(qiáng)度達(dá)到200MPa，表現(xiàn)出良好的熔鑄復(fù)合效果。

來源:鑄造雜志