表面處理工藝?yán)滠堜X/（4 A60/08AL)復(fù)合板結(jié)合性能的影響
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唐超蘭1，許秋平1，翁 浩1，劉志木1，周鈺波1，周德敬2
（1．廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006；2．銀邦金屬復(fù)合材料股份有限公司，江蘇省金屬層狀復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214145）
摘要：根據(jù)冷軋金屬復(fù)合板的結(jié)合機(jī)制，通過改變表面處理工藝參數(shù)（不同打磨磨具、不同打磨次數(shù)、不同載物臺(tái)水平移動(dòng)速度打磨、不同打磨方向等），研究了表面處工藝對冷軋鋁／鋼(4A60/08AL)復(fù)合板結(jié)合性能的影響。結(jié)果表明，采用鋼絲直徑為0. 35 mm~ 0.6 mm的鋼絲刷打磨鋼表面有利于鋁／鋼復(fù)合，結(jié)合強(qiáng)度在50 M Pa以上；采用平行于軋制方向打磨鋼表面更有利于鋁／鋼軋制復(fù)合。打磨次數(shù)在2~3次時(shí)，4A60/08AL的結(jié)合性能較好；載物臺(tái)水平移動(dòng)速度在6 mm/s~ 10 mm/s之間鋼表面處理的效果最佳，鋁／鋼結(jié)合強(qiáng)度較好。
關(guān)鍵詞：冷軋復(fù)合；表面形貌；打磨參數(shù)；結(jié)合強(qiáng)度
中圖分類號(hào)：TG335. 85文章編號(hào)：1007 - 7235( 2016) 06 - 0025 - 06
鋁／鋼軋制復(fù)合材料兼具鋼材良好力學(xué)性能和鋁的耐腐蝕性好、材質(zhì)輕、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于航空航天、汽車、冶金、機(jī)械、炊具、電廠冷卻塔制造等領(lǐng)域。目前鋁／鋼復(fù)合材料生產(chǎn)多采用軋制復(fù)合技術(shù)。軋制復(fù)合鋁／鋼復(fù)合材料一般經(jīng)過表面處理、軋制復(fù)合和后續(xù)的熱處理。而表面處理的效果對復(fù)合帶材的結(jié)合性能至關(guān)重要。因此，研究表面處理工藝參數(shù)對復(fù)合帶材結(jié)合性能的影響，對制備高性能鋁／鋼復(fù)合材料具有重要意義。目前國內(nèi)外許多研究者對鋁／鋼復(fù)合表面處理工藝開展了大量的研究。
本試驗(yàn)根據(jù)金屬復(fù)合板界面的結(jié)合機(jī)制，通過改變鋼表面處理的各類工藝參數(shù)（改變打磨磨具、打磨方向、打磨次數(shù)、打磨速度等），研究鋼表面處理工藝對鋁／鋼( 4A60/08AL)復(fù)合板結(jié)合性能的影響。
1 試樣制備與試驗(yàn)方法
1.1試樣制備
08AL鋼板尺寸250 mm×95 mm×3.75 mm;4A60鋁板尺寸250 mm x95 mm x0.23 mm。其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。備注：釬焊材料4343/3003復(fù)合鋁板尺寸:150 mm×120 mm x2 mm，其中4343鋁面與4A60鋁板釬焊。
1)采用國際公認(rèn)的化學(xué)+機(jī)械結(jié)合表面處理方式
A．化學(xué)處理：室溫下用10%的鹽酸浸泡鋼板40min左右，直到鋼板表面產(chǎn)生均勻的氣泡，取出樣品，用水沖洗后再丙酮擦拭，酒精擦拭，最后用吹風(fēng)機(jī)吹干。
B．機(jī)械處理：試驗(yàn)室專用在線打磨機(jī)(專利號(hào)ZL201420327122.7)。
選取4 mm厚08AL鋼板和0.23 mm厚4A60鋁板，按照表面處理、軋制復(fù)合步驟進(jìn)行：
采用單一變量的方法表面處理鋼表面。方式一是采用不同粗細(xì)鋼絲的刷子打磨鋼表面，不改變其他條件；方式二打磨1~5次，不改變其他條件；方式三改變載物臺(tái)水平推桿速度（全速23 mm/s，分別取20%、30%…80%全速），其他條件不變；方式四采用垂直軋制方向(即橫向Transverse Direction，TD)、沿軋制方向( Rolling Direction，RD)、900交叉方向打磨鋼板表面，其他條件不變。表面處理工藝參數(shù)如表3所示。
2)冷軋復(fù)合
采用四輥軋機(jī)，壓下率55%，軋制速度為0.05m/s。測試過程：按照IS0 25178標(biāo)準(zhǔn)選用OLS4000激光共聚焦顯微鏡測定軋制復(fù)合前后表面的面粗糙度Sa和三維形貌（其中，軋制復(fù)合后鋼表面Sa是通過Na OH溶液腐蝕鋁層后測得）。每個(gè)樣品隨機(jī)測量了7個(gè)點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)的測量面積為640×640 μm2。
軋制復(fù)合后，實(shí)測鋁／鋼復(fù)合板厚度為2 mm。在鋁板面上釬焊一層2 mm厚4343/3003復(fù)合鋁板（4343鋁與4A60鋁板面釬焊，如圖1、表4所示），釬焊工藝如圖1所示。根據(jù)復(fù)合板力學(xué)性能測試方法( GB/T 6369 - 2008)，通過線切割制備出5 mm深槽，保留了(2.5 t0.1)mm重疊部分，拉剪試驗(yàn)樣品如圖2所示。在萬能拉伸機(jī)進(jìn)行拉剪試驗(yàn)，拉伸方向?yàn)镽D( Rolling Direction)，拉伸速度2 mm/min。
備注：圖1中基體表示4A60/08AL復(fù)合板，覆蓋層為涂在4A60鋁表面的助焊劑，釬焊層為4343/3003（當(dāng)時(shí)現(xiàn)有3003/4343復(fù)合板，且只需用到4343釬焊性能）。釬焊爐有6個(gè)溫區(qū)，樣品必須從第1溫區(qū)以1 000 mm/min的速度緩慢移動(dòng)到第6區(qū)，整個(gè)過程大約歷時(shí)24 min，氬氣保護(hù)。
2. 結(jié)果與分析
2.1 打磨磨具對結(jié)合強(qiáng)度的影響
用不同粗細(xì)鋼絲的刷了（見表3的方式一）打磨后，表面形成了不同的微觀形貌，如圖3所示。
圖4和圖5表示隨著鋼絲的直徑增加，打磨后的鋼表面粗糙度和鋁／鋼結(jié)合界面平均剪切強(qiáng)度都呈現(xiàn)增加趨勢。當(dāng)鋼絲直徑達(dá)到0.6 mm時(shí)，粗糙度達(dá)到最大值，結(jié)合強(qiáng)度也達(dá)最大狀態(tài)。當(dāng)鋼絲直徑較小時(shí)，鋼絲刷顯得較軟，表面處理過程中其變形程度大，對鋼表面形成的粗糙度和加工硬化層較小，這些因素都不利于軋制復(fù)合，導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度低。隨著鋼絲直徑增大，鋼絲刷強(qiáng)度增大，打磨的鋼表面粗糙程度和表面硬化層厚度增加，有利于在軋制過程中粗糙的鋼峰和破裂硬化層刺入鋁層，形成機(jī)械嵌入式咬合，從而使鋁／鋼的結(jié)合強(qiáng)度增加。當(dāng)鋼絲直徑達(dá)0.9 mm時(shí)，在鋼表面形成較寬的溝壑，導(dǎo)致鋼表面鋼峰數(shù)量減少，不利于鋁／鋼軋制復(fù)合過程的機(jī)械嵌入式咬合，最終導(dǎo)致使鋁／鋼的結(jié)合強(qiáng)度降低。
2.2 打磨方向?qū)Y(jié)合強(qiáng)度的影響
圖6為沿著平行軋制方向( RD)、垂直軋制方向(TD)、900交叉三種打磨方式表面處理后軋制復(fù)合的鋼的表面形貌。軋制復(fù)合后，在大的壓力作用下，鋼表面形成的微裂紋與打磨方向形成的紋路有一定的關(guān)系。
由圖7可以看出，三種打磨方式形成的表面的面粗糙度Sa從大到小依次為RD打磨、TD打磨、900交叉打磨，鋁／鋼結(jié)合強(qiáng)度從大到小依次為RD打磨、TD打磨、900交叉打磨。這是由于平行軋制方向打磨，鋼表面形成的紋路與軋制復(fù)合方向相同，根據(jù)金屬塑形變形流動(dòng)特性，由軋制復(fù)合最小阻力定律可知，新鮮金屬在沿軋制方向流動(dòng)阻力最小，在大的壓力作用下，與刺破的鋁板形成充分的機(jī)械交合，冷接觸焊點(diǎn)點(diǎn)位明顯高于其他打磨方式的，最終形成較高的結(jié)合強(qiáng)度。
2.3打磨次數(shù)對結(jié)合強(qiáng)度的影響
圖8表示打磨次數(shù)與鋼表面粗糙度和鋁／鋼復(fù)合材料平均剪切強(qiáng)度的關(guān)系�？梢钥闯�，隨著打磨次數(shù)增加鋼表面粗糙度先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定；鋁／鋼界面剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律與鋼面粗糙度變化相似。這是由于在前三次打磨中，鋼表面的覆蓋物逐漸被打磨潔凈，露出新鮮金屬并且形成一定粗糙度的波峰，有利于鋁／鋼軋制復(fù)合。隨著打磨次數(shù)增多，表面原有的粗糙波峰被破壞，已露出的新鮮金屬在鋼絲刷的作用下發(fā)生嚴(yán)重的氧化，從而導(dǎo)致鋁／鋼的結(jié)合強(qiáng)度降低。
2.4 不同水平推桿速度下打磨對結(jié)合強(qiáng)度的影響
圖9表示載物臺(tái)水平移動(dòng)速度與鋼表面粗糙度及鋁／鋼復(fù)合材料平均剪切強(qiáng)度的關(guān)系。可以看出，隨著移動(dòng)速度增加鋼表面粗糙度先增加后降低，最后趨于穩(wěn)定，鋁／鋼復(fù)合材料的平均剪切強(qiáng)度變化規(guī)律基本上與其相似。當(dāng)初始移動(dòng)速度為4.6 mm/s時(shí)，由于鋼板水平移動(dòng)速度較慢，表面過度打磨，表面形成的鋼峰被破壞，新鮮金屬氧化過度，導(dǎo)致比水平移動(dòng)速度6.9 mm/s時(shí)的結(jié)合強(qiáng)度低，隨著速度從6.9 mm/s再進(jìn)一步增加，鋼表面打磨效果不充分，殘留有原始覆蓋層，形成的表面粗糙度低，導(dǎo)致鋁／鋼的結(jié)合強(qiáng)度降低，如圖10所示。
3 結(jié)論
1)采用鋼絲直徑在0. 35 mm~0.6 mm之間的鋼絲刷打磨鋼板，有利于鋁／鋼軋制復(fù)合，其結(jié)合強(qiáng)度在50 M Pa以上；
2)采用平行于軋制方向的表面打磨處理工藝更有利于鋁／鋼軋制復(fù)合；
3)打磨次數(shù)在2～3次時(shí)，表面處理效果最佳，鋁／鋼結(jié)合性能較好；
4)在載物臺(tái)水平移動(dòng)速度為6 mm/s～10 mm/s之間的表面處理效果最佳，鋁／鋼結(jié)合強(qiáng)度較好。
