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，當裝爐溫度為900℃，保溫溫度為1 015℃，保溫時間為5 min并采用氮氣冷卻時，銅鋼界面具有優(yōu)異的冶金結(jié)合性能，界面拉伸斷裂強度達到200 MPa；銅合金區(qū)鉛顆粒分布較均勻，鉛元素燒損量低于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，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；擴散復(fù)合法制備周期長，長時間保溫易造成嚴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　試驗方案

1.1　試驗材料

試驗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所示組裝后進行熔鑄試驗。 

1.2　試驗步驟

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。熔鑄試驗在型號為SG-XQL1400的電阻加熱爐中進行，試驗過程中爐膛內(nèi)通入高純氮氣作為保護氣體。當爐膛內(nèi)溫度升至900℃時，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。 

熔鑄試驗中主要控制保溫溫度、保溫時間和冷卻方式三個工藝參數(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℃，保溫時間設(shè)為0、5 min和10 min，冷卻方式分別采用爐外空冷、氮氣冷卻和水冷三種方式。 

1.3　微觀組織觀察與性能測試

試驗后獲得的銅鋼雙金屬試樣，經(jīng)機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的光譜儀分析試驗前后銅合金中鉛元素的含量變化。通過單向拉伸試驗進行力學(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國家標準GB/T 228.1—2010，設(shè)計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）的萬能試驗機上進行拉伸試驗，以測試復(fù)合材料界面結(jié)合強度。其中，拉伸速度設(shè)置為1 mm/min，試驗結(jié)束后根據(jù)試樣斷口直徑和載荷計算拉伸斷裂強度。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1　顯微組織分析

當裝爐溫度為900℃，保溫溫度為1 000℃，保溫時間為10 min時，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，與擴散法等復(fù)合工藝相比，由于熔鑄試驗保溫時間較短，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

當裝爐溫度為900℃，保溫時間為5 min，冷卻方式為空冷時，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℃，當銅合金溫度超過液相線溫度后，良好的導(dǎo)熱性促進銅合金快速熔化，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，當保溫溫度為1 000℃和1 030℃時，試樣界面拉伸斷裂強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，當保溫溫度偏低時，較短的保溫時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，有利于促進合金元素擴散并加強界面的冶金結(jié)合效果。但當保溫溫度過高時，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優(yōu)先斷裂脫落，進而造成拉伸斷裂強度的下降。

為進一步研究保溫溫度和保溫時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間意味著較低的過熱度和較短的傳熱時間，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小孔洞缺陷。此時，銅鋼界面在宏觀尺寸仍能形成冶金結(jié)合，但拉伸斷裂強度偏低。當保溫溫度提高至1 015℃后，盡管在不同的保溫時間下均會形成冶金結(jié)合，但保溫時間過短也會造成類似的結(jié)合強度偏低現(xiàn)象。因此，只有在適當保溫溫度和保溫時間的綜合作用下，才能實現(xiàn)良好的界面冶金結(jié)合效果。

當保溫溫度為1 000℃，保溫時間分別為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。可以發(fā)現(xiàn)，相對于鉛顆粒尺寸較為細小均勻的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，鉛元素由于熔點低會較早完成熔化，繼而快速聚集長大，而保溫時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)鉛元素燒損。第三階段，隨著保溫時間的延長，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。當保溫溫度為1 015℃，保溫時間為5 min時，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)細小點狀分布。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%，較試驗前下降約20%，而8b和8c試樣的鉛元素含量均在14%以上。三個試樣從爐內(nèi)取樣至冷卻到室溫所用時間不同，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間，造成一定程度的鉛元素燒損，而采用氮氣冷卻及水冷方式，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。采用氮氣冷卻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：當爐膛溫度為900℃時試樣裝爐，保溫溫度為1 015℃，保溫時間為5 min，試樣采用氮氣冷卻。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）當銅鋼試樣尺寸確定后，裝爐溫度、保溫溫度、保溫時間和冷卻方式是關(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℃，保溫時間5 min，冷卻方式為氮氣冷卻。

（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，界面的拉伸斷裂強度達到200MPa，表現(xiàn)出良好的熔鑄復(fù)合效果。

來源:鑄造雜志