D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2001.04.014 第23卷第4期 北京科技大学学报 Vol.23 No.4 2001年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ag2001 喷射成形+轧制A-Pb/Al/Steel复合板材界面 胡敦芜》杨滨”崔华)段先进》 张济山) 熊柏青) 1)北京科技大学新金属材料国家雕点实验室，北京1000832)北京有色金属研究总院，北京100088 精要对喷射成形+轧制A】-Pb/Al/Steel复合板材进行了热处理，用SEM观赛了A-Pb/Al及 Al/Steel界面的变化.结果表明：复合轧制后Al-Pb/Al及Al/Steel界面达到了良好的界面初结合； 复合板材热处理后，A/Steel界面在480℃/1h+300℃/3h的热处理后产生了FeAl金属间化合物. 关糖词喷射成形；轧制；A-Pb/Al/Steel复合板材；界面； 分类号TG450 长期以来，轴承、轴瓦诚磨材料多选用A1- 备A1-Pb板材.雾化喷射成形的工艺参数为：雾 Sn合金.但Sn是储量少而用途多的金属，因此 化压力0.6MPa;扫描压力为0.4MPa;沉积距离 研究其替代产品很有必要研究发现，A1-Pb合 400mm;基板运动速度7mm/s.将沉积态Al-Pb 金轴瓦具有良好的表面性能、可靠的承载能力 合金板坯及铝箔复合后在辊径为300mm的两 和适应性，采用铅取代部分锡，在技术上和经济 辊轧机上进行复合轧制，轧制温度为320℃.再 上具有很大的优势).然而在常规铸造A1-Pb合 将Al-Pb/A1复合板和O8AI钢板进行复合轧制， 金时，由于合金在液相两相区中不互溶，且由于 轧制温度为室温.从轧制好的A-Pb/Al/Steel三 A1和Pb的密度相差很大，易导致偏析，因此A1- 层复合带上取下小块试样，分别在300℃3h P%材料的推广与应用的关键在于如何获取在 460℃/1h+300℃/3h,480℃/1h+300℃/3h, A1基体上球状弥散的Pb颗粒.用粉末冶金的方 500℃/1h+300℃/3h,540℃/1h+300℃/3h, 法制备虽然能获得合格的A-Pb合金，但由于 560℃/1h+300℃/3h下进行热处理，以便在较短 工序增多成本上升影响了其推广与应用.喷射 的时间内消除其内应力并强化其结合.用Cam- 成形技术由于其特有的工艺流程短，所得材料 bridS250型扫描电镜观察热处理后试样的界面 具有快速凝固显微组织特征的技术特点，在 结合情况. 制备A1-P%合金减磨材料方面具有良好的前景. 基于此，本文采用喷射成形技术制备了 2结果与讨论 A16.5Pb-1.5Si-1.5Sm-1.5Cu合金，并与A1和 2.1复合轧制后界面的结合情况 08A1钢板进行了复合轧制，以备用于制造A上- 图1示出的是Al/Steel和AVA-Pb界面的 Pb轴瓦；并研究了不同热处理温度对A-Pb/AV SEM像.从图中可以看出，界面结合情况良好， steel界面稳定性的影响，为该技术的应用与推 无缝隙和气孔等缺陷.能谱分析结果表明，AV 广打下了一定的基础 Steel和AVA-Pb界面两侧不存在元素的扩散. 1试验 表明，复合轧制后AV钢以及AVA-Pb达到了良 好的界面初结合（机械咬合） 试验所用A1-Pb合金成分为A16.5Pb-1.5 2.2A-Pb/A/Steel复合板热处理后界面的结合 Si-1.5Sn-1.5Cu(质量分数，%).用中频感应炉将 情况 一定比例的Al,Cu和Si熔化并过热至900℃，然 热处理后A1VA1-Pb界面的结合情况，如图2 后加入纯Pb和Sn,升温至1000-1030℃并保温 和图3所示.能谱分析结果得出，在本试验的上 10min,然后再进行雾化喷射沉积成形步骤以制 述热处理温度下，在AVA-Pb界面的A-Pb一 收稿日期2000-10-27胡敦芫男，36岁，博士生 侧有A1原子的扩散，这是由于在此界面处存在 *国家“863”计划资助项目0N0.715-009-0032) AI原子的浓度梯度
第 23 卷 第 4 期 2 0. 1 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Jo u ru a l o f U n i v . 俪ty o f 歇加, c e a . d 工留如川邺口 B iej 恤g Vo L23 如吞 N 0 . 4 2的 1 夕 尸 喷射成形+ 轧制 A -IP b A/ US et .el 复合板材界面 胡敦芜 ” 杨 滨 ” 崔 华 ” 段先进 ” 张济山 ” 熊柏青 2) l) 北京科技大学新金属材料国家重点实脸 室 , 北京 10 仪旧3 幻北京有色金属研究总院 , 北京 1以犯8 8 摘 要 对喷射成形 + 轧制 A I-P b从始姗l 复合板材进行了热处理 , 用 s EM 观察了 A I - p b了A I及 A 岭et l界 面的变化 . 结果表明 : 复合轧制后 A l , p b Z川及人刀S加 el 界面达到了 良好的界面 初结合 ; 复合板材热处理后 , A 始 et l 界 面在 480 ℃ l +h 30 ℃ 3/ h 的热处理后 产生 了 F eA I 金属 间化合物 , 关扭润 喷射成形 ; 轧制 ; A 即blA 盯S te el 复合板材 ; 界面 ; ` 分类号 T G 450 长期 以 来 , 轴承 、 轴瓦减磨材料 多选 用 A 卜 sn 合金 . 但 sn 是储 量少而用途 多的金属 , 因此 研究其替代产品很有必要lt] . 研究发现 , A l一 Pb 合 金轴瓦具有 良好的表 面性 能 、 可靠 的承载能力 和适应性 , 采用铅取代部分锡 , 在技术上 和经济 上具有很 大 的优势】 . 然而在常规铸造 川一P b 合 金时 , 由于合金在液相两相 区 中不互溶 , 且 由于 lA 和 bP 的密度相差很 大 , 易导致偏析 , 因此 A 卜 bP 材 料 的推广与应用 的关键在 于如何获取在 lA 基体上球状弥散的 bP 颗粒 . 用粉末 冶金 的方 法制备虽然能获得合格 的 A -IP b 合金 , 但 由于 工序增多成本上升影 响了其推广与应用 . 喷射 成形 技术 由于其特有 的工艺流程短 , 所得材料 具有快 速凝 固显微组 织特 征 的技术特 点 ` 2,3] , 在 制备 A 】, Pb 合金减磨材料方面具有 良好 的前景 . 基 于 此 , 本 文 采 用 喷 射 成 形 技 术 制 备 了 A 】, 6 . SP b一 1 . S S i- 1 . S S-n 1 . S C u 合 金 , 并与 lA 和 0 8A I 钢板进行 了复合轧制 , 以备 用于制造 A 卜 bP 轴瓦 ;并研究 了不同热处理温度对 A 州bP /A F s往冷 1界 面稳 定性的影 响 , 为该技术的应用 与推 广 打下 了一定 的基础 . 备 A l-1 几 板材 . 雾化喷射成形 的工艺参数为 : 雾 化 压力 .0 6 M P a ; 扫描压力为 .0 4 M P a ; 沉积距离 40 0 ~ ; 基板 运动速度 7 m m 了5 . 将沉 积态 A】-P b 合金板坯 及铝箔复合后 在辊径为中3 0 ~ 的两 辊轧机 上进行复合轧制 , 轧制温度 为 3 20 ℃ . 再 将 A I - p bA/ 1复合板 和 08 IA 钢板 进行复合轧制 , 轧制 温度为室 温 . 从轧制 好的 A 】, Pb lA F Set el 三 层 复合带 上取 下小块 试样 , 分 别在 3 0 ℃3/ 权 4 6 0 ℃八 h + 3 0 0 ℃ /3 h , 4 8 0 ℃ / l h + 3 0 0 ℃ 13 h , 5 0 0 ℃ / l h + 3 0 0 ℃ /3 h , 5 4 0 ℃八 h + 3 0 0 ℃ / 3 h , 5 60 ℃八 +h 30 o ℃ 3/ h 下进行热处 理 , 以便在较短 的时间内消除其 内应力并强化 其结合 . 用 C aln - b r id S 2 5 0 型扫描 电镜观察热处理后试样 的界 面 结合情 况 . 1 试验 试 验所用 A -I Pb 合金 成分为 A -6I . S P b一 1 . 5 5-1 . 5 s -n 1 . c5 u( 质量分数 , % ) . 用 中频感应 炉将 一定 比例 的 lA ,C u 和 is 熔化并过热至 9 0 ℃ , 然 后加入纯 bP 和 sn , 升温至 1 0 0 一 1 0 30 ℃ 并保 温 10 m in , 然后再进行雾化喷射沉积成形步骤 以制 收稿 日期 2 0 0( 卜 1卜2 7 胡敦芫 男 , 36 岁 , 博士生 * 国家 “ 8 6 3 , , 计划资助项 目困0 7 15 一 0 0 9 一 0 0 3 2 ) 2 结果与讨论 .2 1 复合轧制后界面的结合情况 图 1 示 出的是 A 比te el 和 A琳卜P b 界 面的 SEM 像 . 从 图中可 以 看出 , 界面结合情况 良好 , 先缝隙和气孔等缺陷 . 能谱分析结果表明4[] , A u set el 和入以-lbP 界 面两侧 不存在元素的扩散 . 表明 , 复合轧制后 A F钢 以及 A UA -I -P b 达 到了 良 好 的界面初结合 (机械咬合) . .2 2 A 卜护b lA 盯S et el 复合板热处理后界面的续合 情况 热处理后 A F A I一P b 界面的 结合情 况 , 如 图 2 和图 3 所示 . 能谱分析结果得 出 , 在本试验的上 述热处理 温度 下 , 在 A UA I一P b 界面 的 A 】, Pb 一 侧有 lA 原子 的扩散 , 这是 由于在此界面处存在 lA 原 子的浓度梯度 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2001. 04. 014
Vol.23 No.4 胡敦芫等：喷射成形+轧制A-Pb/AV/Steel复合板材界面 .31· 图4和图5分别是经过480℃/1h+300℃/3h 热力学温度(T刀及加热时间的平方根(F)之间的 和540℃/1h+300℃3h热处理后炉冷至室温时 关系式为： Al的线分布和A/Steel界面处的扫描电镜下的 -82×1心2 T=9.94×10'eXP RT (1) 相形貌.从形貌上看反应层向钢背侧生长，定点 式中，R为气体常数，取值为8314J/(molK)；T 能谱分析的结果表明，反应层内的平均化学成 为热力学温度(K):t为时间(s):I为FeAl金属间 分为48.7%Fe+49.4%Al,其Fe:A1e1:l,h此可以 化合物的厚度(m). 椎断此化合物为FeAl金属间化合物.根据Fe 从式(1)界面反应动力学方程可以看出，界 Al的二元相图，在富Fe区A!在铁素体中固溶 面反应的平均速度常数为9.94×102m/s”,界面 度可达20%，在24%A1处能生成FeA1金属间化 反应的激活能为8.2×10J/moL.FeAl金属间化合 合物.但文献[6指出FeAl对成分很敏感，大于 物的长大机制为扩散控制的界面反应规律，相 或小于24%A1时FeA1相都不存在.FeA1相则可 应的A]在FeAI金属间化合物中的扩散激活能 以在较大的成分范围内与富A1铁素体共存，共 为16.4×10Jmol.由于晶界扩散一般较快，因而 存的低限成分大约为20%A1,即只要某处A1的 FeAl相呈锯齿状向钢背侧生长.由式(I)可以计 质量分数达到20%A1就有FeAl化合物生成.而 算出在500℃以下，FeAl相生长速度非常缓慢. 在富A]区Fe在Al中的固溶度很小，即使在 也就是说，热处理温度低于500℃时，复合板的 655℃下，Fe在A1中的扩散速率也只有A1在Fe 界面基本上没有形成冶金结合，但是由于本试 中扩散速率的1/10000周，因此FeAl,相很雅形 验的复合板是处于变形状态的，其界面反应激 成 活能要更低，因此在480℃的温度下就开始产生 根据文献[)】，钢背和纯铝在没有经过变形 了FeAl相，但这时的FeAl相厚度小于10m, 的情况下，FeAl金属间化合物的厚度()与加热 可以认为此时AV钢背界面产生了冶金结合，而 Steel Steel 图】没有进行热处理的界面形貌 图2在300℃3h处理后界面的形貌 Fig.I Morphalogy of as-spray-deposifed steel Al/Al-Ph Fig.2 Marphology of heat treated steel Al/Al-Pb at interfaces interfaces at 300C for 3 h Steel 图3在480℃1h+300℃3b处理后界面的形貌 图4在480℃1h+300℃/3h处理后界面A1的线扫描 Fig.3 Marphology of heat treated steel AVAl-Pb Fig.4 Scaning marphology of element Al of steel/Al Inte- interfaces at 480 C for 1 h,then at 300Cfor 3 h rfaces heat treated at 480C for 1 h,then at 300C for3 h
.342· 北京科技大学学报 2001年第4期 该金属间化合物对复合板的变形性能没有不利 该金属间化合物对复合板的变形性能就有不利 的影响，如图3所示.随着热处理温度的升高， 的影响，如图6所示.因此APb/Al/Steel复合板 FeAl相长大增厚，当FeAl相厚度大于10m时， 的热处理温度应在460℃480℃. Steel A-Ph 图5540℃/1h+300℃/3h处理后的Al/Steel界面形魏 图6560℃/1h+300℃/3h处理后的A/Steel界面形貌 Fig.5 Marphology of heat treated Al/steel interface first Fig.6 Marphology of heat treated Al/steel interface first mt540℃for1h,then at300℃for3h at560℃for1h,then300℃for3b 3结论 2 Mathur P.Annavarepu S.Numerical Results of Spray For- ming.Materials and Engineering,1991A142(4):261 (I)经过复合轧制后A/Steel以及AlVA-Pb 3 Grant P S.Spray Forming of Aluminum-copper Alloys. 到达了良好的界面初结合（机械咬合） Progress in Materials Science.1995.39(6):497 (②)复合轧制后的A-Pb/Al/Steel复合板材合 4李晓学，喷射成形过程的基板限位控制及AP%轴A 合金：硕士论文]北京：北京科技大学，1999 适的热处理温度为460480℃，通过这样的热处 5冯伟年，金属与合金的电化学热处理.北京：机械工 理可以使复合板材的界面达到较好冶金的结合， 业出版社，1989 而对它的变形性能又没有不利的影响 6刘中青.异种材料的焊接，北京：机械工业出版社，1989 参考文献 7周世权，沈像立，刘龙江，等，铝一钢复合板在加热过程 中界面和性能的稳定性.机械工程材料，1993,17(3) 1倪红军.APb合金轴瓦材料的发展综述.特种铸造 21 及有色合金，1994,121（⑤）：29 Interface of Spray-Deposited Rolled Al-Pb/Al/Steel Composite Plate HU Dunyuan,YANG Bin,CUI Hua",DUAN Xianjing",ZHANG Jishan",XIONG Baiqing" 1)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,UST Beijing.Beijing 100083.China 2)Generul Research Institute for Nonferrous Metals,Beijing 100088,China ABSTRACT Heat treatment was conducted to spray-deposited+rolled Al-Pb/Al/steel composite plate.The morphology of the interfaces between Al-Pb and Al,and between Al and steel was observed by SEM.The ex- perimental results showed that a good pre-cohesion in the interfaces after rolling.FeAl intermetallic,however, was found in the interface between Al and steel after heat treatment of 480C/1 h+300C/3 h. KEY WORDS spray forming;Al-Pb/Al/steel composite plate;roll;interface