閆 洪/文

昆明冶金研究院有限公司

雙金屬復(fù)合材料是將兩種物理、化學(xué)性能不同的金屬在界面上實現(xiàn)結(jié)合的一種新型復(fù)合材料，與單一金屬不同，雙金屬復(fù)合材料通過兩種金屬的優(yōu)良特性，滿足了現(xiàn)代工業(yè)的較高需求。例如，雙金屬復(fù)合材料能將鋼的高強度、良好的韌性和鋁的耐腐蝕、抗氧化、銀色的表面有效的結(jié)合起來，應(yīng)用于工業(yè)各領(lǐng)域，稀土廣泛應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)中，通過添加稀土元素能提高鋅、鋁合金的流動性和浸潤性，增加鋅、鋁合金和鋼的附著力，同時，使鋅、鋁合金組織更細小,進一步提高雙金屬復(fù)合材料的耐腐蝕性和抗高溫氧化性能。實驗表明，制造雙金屬復(fù)合材料的關(guān)鍵在于較高的結(jié)合強度，在進行鋼／鋁（La）合金軋制復(fù)合之后，由于擠壓，促進了鋼與鋁合金（La）之間的復(fù)合，提高了鋼／鋁（La）合金雙金屬的結(jié)合強度。熱浸鍍技術(shù)是鋼鐵材料防腐蝕技術(shù)中最有效的方法，它可以顯著提高鋼鐵材料的耐蝕性能、延長材料的使用壽命，熱浸鍍合金生成的致密鍍層既可阻擋鋼與空氣的接觸，又可對鋼進行電化學(xué)保護，熱浸鍍由于熱擴散的作用，在鋼基體與鋅（La）合金之間形成冶金結(jié)合和附著力好的擴散層，由于擴散層的結(jié)構(gòu)致密，與基體結(jié)合良好，可以阻止空氣中的氧與鋼進一步反應(yīng)，使熱浸鍍鋼／鋅（La）合金雙金屬復(fù)合材料有良好的抗氧化性，而添加稀土能夠有效抑制鋅、鋁合金的晶界腐蝕，在合金表面形成一層保護膜，延緩雙金屬的腐蝕進程。鋼具有強韌性，而熱浸鍍鋅（La）合金表現(xiàn)出較好的耐腐蝕性和抗氧化性，因此，鋼表面熱浸鍍鋅（La）合金是一種綜合性能為一體的雙金屬復(fù)合材料。

雙金屬在組織和性能方面有較大差異，異種金屬復(fù)合材料金相試樣的制備與純金屬是不同的，所以，雙金屬金相試樣的制備存在許多難點。對于鋼／鋁（La）合金雙金屬來說，鋼容易被腐蝕，鋁的硬度較低，選擇合適的腐蝕試劑和腐蝕時間高質(zhì)量的顯示兩種金屬的顯微組織是很困難的，甚至在金相砂紙上磨光和機械拋光的過程中，試樣表面缺少鏡面光澤，影響金相圖像的觀測。界面結(jié)合是雙金屬材料的重點，為提高雙金屬間的結(jié)合強度，往往在兩金屬之間插入一種金屬作為中間擴散層，而鋼表面熱浸鍍鋅（La）合金的就是提高結(jié)合強度的較好方法，其擴散層比較明顯。

雙金屬結(jié)合是重要的質(zhì)量指標，用金相顯微鏡觀察雙金屬的結(jié)合是生產(chǎn)檢驗中常用的技術(shù)，它具有價格便宜、操作簡單的優(yōu)點，能在較大范圍內(nèi)掌握金相組織的變化，盡管國內(nèi)對雙金屬技術(shù)已有研究，但對含鑭（La）雙金屬的金相檢驗內(nèi)容報道較少，對界面結(jié)合的研究還不夠深入，對此，本文以鋼／鋁（La）合金和鋼／鋅（La）合金雙金屬復(fù)合材料為研究對象，通過金相顯微鏡對含鑭（La）雙金屬結(jié)合界面的組織形貌進行分析。

1 實驗材料

實驗材料為鋼／鋁（La）和鋼／鋅（La）雙金屬材料，其中，Q235 低碳鋼是基層材料，鋁（La）合金、鋅（La）合金為復(fù)層金屬，其化學(xué)成分列于表1。

表1 各材料的化學(xué)成分（%）

2 試樣的制備

2.1 鑲嵌

鑲嵌的目的是將小試樣制備成較大的試塊，使其不僅能研磨和拋光，而且適合金相顯微鏡的觀察，將試樣放進鑲嵌機的模具中，填滿膠木粉，然后加熱、加壓，保持一定時間后，取出試樣。

2.2 研磨

研磨的目的是去掉試樣表面的磨痕和毛刺，它是獲得試樣平整的關(guān)鍵，研磨試樣在金相砂紙上進行，所用的砂紙從粗到細分別為180 號、260 號、400 號、600 號、800 號、1000 號、1200 號、1500 號，由于鋁合金軟較。磨光至露出金屬光澤，在更換不同粒度砂紙時，磨面方向與前一號砂紙磨面方向呈90°，當(dāng)前一道磨痕消除時，再進行下一道磨制，為避免摩擦升溫導(dǎo)致微觀組織的變化，用自來水浸濕砂紙，研磨后用自來水和無水乙醇清洗試樣，然后吹干。

2.3 拋光

為進一步去除磨面上的細微磨痕，將經(jīng)過研磨的試樣置于拋光機上拋光，選擇的拋光布是海軍呢，將海軍呢用水浸潤，平鋪在拋光機的轉(zhuǎn)盤上，拋光時，選用W0.5 的氧化鉻拋光液進行拋光，其轉(zhuǎn)速為1200 r/min,當(dāng)試樣表面上的磨痕被清除，即可停止拋光。

2.4 浸蝕

為提高雙金屬之間的反差并顯示出清晰的分界線，用3%的硝酸酒精溶液進行浸蝕，當(dāng)試樣表面發(fā)暗時用自來水沖洗試樣，再用無水乙醇清洗后吹干。經(jīng)過研磨、拋光和浸蝕后的試樣，在顯微鏡下能顯示出清晰的結(jié)合界面。

3 含鑭（La）雙金屬結(jié)合界面的顯微組織分析

3.1 鋼／鋁（La）合金雙金屬的結(jié)合界面

在進行低溫軋制復(fù)合過程中，鋼／鋁（La）合金雙金屬復(fù)合板的壓下量為20%，軋制溫度是300 ℃。圖1 為鋼／鋁（La）合金雙金屬結(jié)合界面的顯微組織，在軋機擠壓力的作用下，鋼／鋁（La）合金雙金屬實現(xiàn)了機械結(jié)合，但復(fù)合板結(jié)合界面處仍有間隙存在，由于軋制溫度較低，冶金反應(yīng)難于進行，所提供的能量有限，原子運動較為困難，因此，鐵元素和鋁元素?zé)o相互擴散，表現(xiàn)為復(fù)合板的結(jié)合情況較差。軋制時由于擠壓形成的金屬變形，表面的氧化膜被粉碎而露出金屬，當(dāng)兩種原子相互接近到原子間作用力范圍時，就形成了鋼、鋁之間金屬鍵的結(jié)合，這就是軋制復(fù)合的結(jié)合方式。

圖1 鋼／鋁（La）合金雙金屬復(fù)合板結(jié)合界面的顯微組織

3.2 鋼／熱鍍鋅（La）合金雙金屬的結(jié)合界面

熱浸鍍是在640 ℃的溫度下浸鍍10 s，這時分界線消失，鋼／鋅合金界面之間出現(xiàn)了一層擴散層，見圖2。由于熱浸鍍的溫度高于軋制溫度，因此，原子有較高的能量進行運動并發(fā)生相互擴散，形成明顯的擴散層。在界面處，擴散層連續(xù)使兩金屬牢固的結(jié)合在一起。在浸鍍的過程中，發(fā)生了Fe-Zn合金的化學(xué)反應(yīng)，F(xiàn)e 原子溶入Zn（La）合金液中，Zn（La）合金液中的Zn、Al 原子向鋼中擴散，在界面處形成了擴散層，在原子擴散的作用下，兩種金屬實現(xiàn)了冶金結(jié)合，此時鋼／鋅（La）合金雙金屬復(fù)合板的結(jié)合情況良好，具有很強的結(jié)合力。

圖2 鋼／鋅（La）合金雙金屬復(fù)合界面的顯微組織

4 結(jié)束語

含鑭（La）雙金屬復(fù)合材料具有兩種金屬的優(yōu)良特性，這是單一金屬無法比擬的，隨著稀土雙金屬復(fù)合新工藝的不斷開發(fā)，對復(fù)合材料性能的要求會越來越高，并要求適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。但是，對稀土雙金屬復(fù)合的研究并沒有結(jié)束，由于對結(jié)合機理深入的了解，人們會不斷開發(fā)出工藝簡單和綜合性能較好的稀土雙金屬復(fù)合材料，以滿足生產(chǎn)的需要。當(dāng)然，低溫軋制存在原子擴散難于進行的問題，從而影響雙金屬的結(jié)合，而在高溫?zé)峤兊膹?fù)合過程中會出現(xiàn)了擴散層，導(dǎo)致了稀土雙金屬復(fù)合材料的新特性，使材料的性能進一步提高，這將成為稀土雙金屬復(fù)合材料的發(fā)展方向。