文/郝慶樂，韓靜濤·北京科技大學(xué)材料加工與控制工程系

利用旋鍛-擴(kuò)散工藝制備Cu-Al雙金屬復(fù)合管技術(shù)初探

文/郝慶樂，韓靜濤·北京科技大學(xué)材料加工與控制工程系

郝慶樂，博士研究生，主要從事塑性加工與模具設(shè)計(jì)研究。

雙金屬復(fù)合管綜合了兩種金屬管的優(yōu)勢(shì)，多應(yīng)用于石化、核工業(yè)、食品等行業(yè)。傳統(tǒng)上制造復(fù)合管的工藝包括熱擠壓、軋制、爆炸復(fù)合等。旋鍛作為制造管材的工藝，卻很少有人將其作為制備雙金屬管的工藝。本文利用一種旋鍛-擴(kuò)散工藝制備雙金屬管，獲得了銅-鋁復(fù)合管。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用旋鍛-擴(kuò)散工藝，銅鋁結(jié)合界面可以形成很薄的冶金結(jié)合層，而不是過去認(rèn)為的僅僅是機(jī)械結(jié)合；并且隨著退火溫度的提高或退火時(shí)間的延長(zhǎng)，冶金結(jié)合層會(huì)逐漸變厚。

旋鍛工藝常用來制造精密管棒材，圖1展示了旋鍛機(jī)核心部分結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的旋鍛機(jī)成形部分由外圈（outer cage）、輥柱（roller）、輥圈（roller cage）、主軸（spindle）、錘頭（hammer）、模具（die）和墊片（compensating shim）等組成。主軸受電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)；主軸的軸頭部分開有十字槽，十字槽里裝有模具、墊片和錘頭，此三者隨主軸的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，同時(shí)受離心力作用而沿十字槽向外運(yùn)動(dòng)，稱為張開運(yùn)動(dòng)；當(dāng)錘頭頂端與位于輥圈內(nèi)的輥柱接觸后，錘頭反向運(yùn)動(dòng)并推動(dòng)模具沿十字槽向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，稱為閉合運(yùn)動(dòng)，錘頭和模具的一張一合形成一次對(duì)工件的鍛壓加工。鍛模作上述快速的、周期性的鍛壓運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了工件截面的變化。

圖1 旋鍛機(jī)核心部分結(jié)構(gòu)示意圖

旋鍛工藝有兩個(gè)基本特征。第一個(gè)特征是高頻率的脈沖鍛壓。鍛造時(shí)，坯料伴隨著每次鍛壓的變形量很小，這一特點(diǎn)使坯料金屬流動(dòng)的路徑較短，摩擦阻力較小，與此同時(shí)高頻率（可達(dá)2000次/分鐘以上）變形產(chǎn)生的變形熱使坯料的溫度不降低甚至提高，降低了坯料的變形抗力，因此，旋鍛工藝可以大大減少工件變形所需的變形力。

第二個(gè)特征是多向鍛打。鍛造時(shí)，坯料受到多個(gè)錘頭同步徑向打擊，使其被鍛部位始終處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于提高金屬的塑性，同樣有利于工件的變形，并避免缺陷的產(chǎn)生。

試驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)材料為商業(yè)純銅管和純鋁管。純銅管外徑22mm，壁厚3.5mm，純鋁管外徑10.5mm，壁厚2mm。為了容易組裝，需保證二者之間的間隙大約有0.5mm。組裝之前需用800號(hào)砂紙對(duì)銅管內(nèi)表面和鋁管外表面進(jìn)行磨光處理以去除氧化層，然后用丙酮進(jìn)行徹底的清洗。

旋鍛-擴(kuò)散工藝的重點(diǎn)是使工件在高壓、高溫條件下促進(jìn)原子擴(kuò)散。因此，首先在旋鍛機(jī)上對(duì)工件進(jìn)行多道次成形，使其形成初步的機(jī)械結(jié)合。旋鍛所用設(shè)備如圖2所示，相關(guān)設(shè)備和工藝參數(shù)如表1所示。然后將成形后的復(fù)合管在350℃下保溫30min使原子進(jìn)行擴(kuò)散。所制備復(fù)合管的結(jié)合質(zhì)量通過SEM和EDS來檢驗(yàn)。

圖2 試驗(yàn)用旋鍛機(jī)照片

表1 設(shè)備和工藝參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果

成品

旋鍛管材的變形量通過下式來評(píng)價(jià)：ψ ＝Tr/Tw，式中，Tr為壁厚減少量，Tw為管材組裝之后原始壁厚。

圖3給出了旋鍛后和擴(kuò)散后復(fù)合管結(jié)合質(zhì)量的檢驗(yàn)結(jié)果。從圖3a可以看出，當(dāng)變形量為45%時(shí)，旋鍛后的復(fù)合管結(jié)合面存在多條微裂紋，這些微裂紋可能是由于材料在變形初段的流動(dòng)而產(chǎn)生的，因?yàn)檠趸瘜优c基體力學(xué)性質(zhì)的差異，該區(qū)域的材料在變形初期傾向于相互分離，隨著變形量的增加，結(jié)合界面兩邊的金屬互相擠壓，界面壓力逐漸增加，在某一臨界值附近，界面壓力將足夠大從而阻止裂紋的擴(kuò)展，并逐漸使裂紋彌合，如圖3b所示，當(dāng)變形量為64%時(shí)，裂紋消失。

變形量為45%時(shí)，在結(jié)合界面附近Cu 和Al元素的分布變化非常劇烈，二者不存在相互擴(kuò)散區(qū)域，如圖3d所示，這意味著銅管和鋁管之間不存在結(jié)合。結(jié)合界面可能存在著殘余應(yīng)力，所以在擴(kuò)散之后，當(dāng)應(yīng)力釋放后，銅管和鋁管分開，沒有形成結(jié)合。當(dāng)變形量為64%時(shí)，嚴(yán)重的塑性變形使得結(jié)合界面附近開始產(chǎn)生機(jī)械結(jié)合，如圖3e所示，Cu和Al元素在結(jié)合面處存在著一個(gè)穩(wěn)定的分布平臺(tái)，盡管是原子相互擴(kuò)散區(qū)域，但是仍可以看到這一趨勢(shì)。當(dāng)變形量為82%時(shí)，結(jié)合界面由機(jī)械結(jié)合變?yōu)榱艘苯鸾Y(jié)合，Cu、Al二原子在結(jié)合面附近存在一個(gè)較寬的相互擴(kuò)散區(qū)域，如圖3f所示。

長(zhǎng)時(shí)間的高溫保溫過程有利于原子的進(jìn)一步擴(kuò)散。如圖3g所示，變形量為64%的樣品經(jīng)擴(kuò)散處理后形成了寬約1μm的結(jié)合界面；變形量為82%時(shí)，結(jié)合面寬度增加至2μm，如圖3h所示。

圖3 Cu-Al復(fù)合管SEM和EDS檢驗(yàn)結(jié)果

缺陷

隨著變形量的增加，組合后的銅管和鋁管壁厚逐漸被壓扁，如圖4所示。由于模具對(duì)銅管的壓力要大于芯棒對(duì)鋁管的壓力，因此銅管在成形過程中的變形量會(huì)比鋁管大，銅管材料在軸向的流動(dòng)會(huì)多于鋁管，因此在復(fù)合管一端可能形成一層非常薄的銅管。由于沒有鋁管的支撐，且厚度較薄，這層銅管非常容易受到機(jī)械振動(dòng)的影響而彎曲，導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生，如圖5a所示。

圖4 Cu-Al復(fù)合管樣品

飛邊是另外一個(gè)在實(shí)際旋鍛過程中常見到的缺陷。飛邊的出現(xiàn)是由于過大的進(jìn)給速度和變形量。通常情況下，模具第一次鍛壓會(huì)使材料流向模具的間隙，從而在工件表面產(chǎn)生飛邊，隨后的鍛壓動(dòng)作會(huì)使飛邊金屬流向工件表面凹陷部分，這樣飛邊高度會(huì)逐漸降低，工件產(chǎn)生軸向延伸，截面逐漸變圓。但是在過大的進(jìn)給速度和變形量的條件下，飛邊金屬來不及被壓平就被送出了變形區(qū)域，從而產(chǎn)生飛邊缺陷，如圖5b所示。因此，為了避免飛邊的出現(xiàn)，當(dāng)變形量很大時(shí)，應(yīng)減小進(jìn)給速度。

結(jié)束語

本文利用旋鍛-擴(kuò)散法對(duì)制備雙金屬復(fù)合管進(jìn)行了初步的研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著變形量的增加，銅鋁復(fù)合管經(jīng)過氧化層破裂-基體金屬接觸-機(jī)械結(jié)合過程，最終實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合；經(jīng)過高溫保溫過程，達(dá)到機(jī)械結(jié)合程度的銅鋁復(fù)合管會(huì)形成冶金結(jié)合，而已達(dá)到冶金結(jié)合程度的復(fù)合管，其結(jié)合界面寬度會(huì)進(jìn)一步增加。

此外，在利用旋鍛工藝對(duì)復(fù)合管進(jìn)行變形的時(shí)候，需要注意工藝參數(shù)之間的相互配合，避免出現(xiàn)彎曲和飛邊缺陷。

圖5 缺陷彎曲(a)和飛邊(b)