4343铝合金复合锭的界面组织.pdf

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第442016年卷1月第第1期—1925页材料工程JournalofMaterialsEngineeringVo1.44No.1—Jan.2016pp.1925液固铸造4343/3003/4343铝合金复合锭的界面组织InterfaceMicr0structureofAlloyCladIngotPrepared4343/3003/4343Aluminum—byLiquidsolidCasting李滔,周海涛,王顺成。,戚文军。,郑开宏(1中南大学材料科学与工程学院,长沙410083;2广东省工业技术研究院,广州510650)——LITao,ZHOUHaitao,WANGShuncheng0.——QIWeniun,ZHENGKaihong(1SchoolofMaterialsScienceandEngineering,CentralSouthUniversitv。Changsha410083,China;2GuangdongGeneralResearchInstituteofIndustrialTechnology,Guangzhou510650,China)摘要:采用液固铸造法制备4343/3003/4343铝合金复合锭,研究了复合锭的界面组织、元素分布和界面结合强度,分析℃了复合锭的界面结合机理。结果表明:在725~750浇注4343铝合金,复合锭的界面冶金结合良好,复合界面清晰平—直。复合界面由AlSi固溶体层和Si,Mn元素扩散层构成,A1一Si固溶体层厚薄均匀,Mn,Si元素的扩散距离分别为1Om和32m,复合界面的结合强度高于3003铝合金的抗拉强度。液固铸造4343/3O。3/4343铝合金复合锭的界面复—合机理为:4343铝合金熔体首先在3003铝合金锭表面急冷形成A1一Si固溶体,Alsi固溶体中的si和3003铝合金中的Mn相互扩散,形成牢固冶金结合的复合锭。关键词:铝合金复合锭;液固铸造;界面组织;结合机理—doi:10.11868/j.issn.t0014381.2016.01.003中图分类号:TG244文献标识码:A———文章编号:10014381(2016)01001907——Abstract:4343/3003/4343aluminumalloycladingotswerepreparedbyliquidsolidcasting.Themicrostructure,elementsdistributionandinterfacebondingstrengthofthecladingotswereinvestiga-ted.Theinterfacebondingmechanismofthecladingotswasanalyzed.Theresultsshowthatwhen—℃thepouringtemperatureof4343aluminumalloyis725750,themetallurgicalbondingofcladingotsisgood,andwithclearandflatinterface.ThemetallurgicalbondinginterfaceofcladingotsconsistsofA1一SisolidsolutionlayeranddiffusionlayerofSiandMn.ThethicknessofA1一Sisolidsolution1ayerisuniform.ThediffusiondistancesofMnandSiare10/ ̄mand32um,respectively.Thebonding—strengthofcladingotsishigherthantheultimatetensilestrengthof3003aluminumalloy.Theinter——facebondingmechanismofliquidsolid4343/3O03/4343aluminumalloycladingotisasfollows:firstly,the4343aluminumalloymeltisrapidlysolidifiedonthesurfaceof3003aluminumalloyingottoformtheA1一Sisolidsolution1ayer,thentheSiintheA1一SisolidsolutionlayerandtheMninthe3003aluminumalloyinterdiffusedtoformthecladingotwithgoodmetallurgicalbondinginterface.—Keywords:aluminumalloycladingot;liquidsolidcasting;interfacemicrostructure;bondingmechanism铝合金钎焊箔是一类高附加值、高技术含量的层状金属复合材料,具有耐腐蚀、钎焊性和导热性能良好等优点,被广泛应用于汽车和电子电器等领域制造热Ⅲ交换器1]。热轧复合工艺是目前生产铝合金钎焊箔的主要方法,该方法将3XXX系和4XXX系铝合金互相叠轧,通过大的轧制变形量和产生的高温热效应,使两种铝合金产生冶金结合,获得3XXX/4XXX/3XXX三明治结构的铝合金钎焊箔[5]。热轧复合工艺首先需要铸造好两种铝合金锭,然后对铝合金锭进行铣面、热轧、清洗,最后再热轧复合成铝合金钎焊箔,因此,热轧复合工艺生产工序较多,工艺流程较长,生产成本较高L7]。采用铸造方法先将两种铝合金铸造成复合锭,24材料工程2016年1月互扩散,界面实现了部分冶金复合。当4343铝合金的浇注温度升高到725~750oC时,大量热起伏均匀分布在4343铝合金熔体与固态3003铝合金接触界面处。4343铝合金熔体以整个3003铝合金表面为基底,急——冷形成厚度均匀的Alsi固溶体层。同时,Alsi固溶体中的Si和3003铝合金中的Mn在高温作用下进行互扩散,从而实现良好的冶金复合。当4343铝合金的浇注温度升高到775。C时,在过热4343铝合金熔体作用下,3003铝合金表面受到温度较高的热起伏作用,表层金属局部熔化,形成了富含si和Mn的局部区域。随着铝熔体温度的下降,4343铝合金在3003铝—合金表面形成AlSi固溶体层,随后凝固形成弯曲的4343/3003复合界面。由于3003铝合金表层金属局—部熔化,铝熔体冷却凝固形成的Alsi固溶体层厚薄不一。高温下,4343/3003复合界面附近处的A1-Si固溶体中的Si和3003铝合金中的Mn发生互扩散。扩散时,Si和Mn并不发生反应,没有金属间化合物的形—成,扩散层内只存在成分连续变化的Alsi固溶体,溶质原子的浓度呈梯度变化,如图6所示。对于给定的扩散系统,任意时刻的浓度分布曲线可用以下方程描述:C(x,)=一erf()(1)式中:32为扩散距离;t为扩散时间;C,C分别为界面两侧原始的起始浓度;一x/2 ̄/D;erf(f1)为高斯误差函数;D为扩散系数,它与温度T之间的关系可以用Arrhenius方程表示:。===Doexp(一)式中:D。为扩散常数或频率因子;Q为扩散激活能;D。和Q均取决于合金的成分与结构,与温度无关;T为绝对温度;k为玻尔兹曼常数。由式(2)可见,扩散系数D与温度T成指数增长关系。随着温度的升高,溶质原子更容易借助铝熔体中的热起伏获得更高能量,越过势垒进行扩散。从式(1)可知,扩散系数D增大,相同时间内,元素的扩散浓度增加。当温度较低时,扩散系数D较小,溶质原子si和Mn难以快速扩散形成连续固溶体,不能实现良好的冶金复合,甚至完全不能冶金结合。温度较高时,4343/3003复合界面处的溶质原子si和Mn元素能在较短时间内扩散至较高浓度,有利于在4343/3003复合界面处形成成分梯度变化的连续固溶体,实现良好的冶金复合。温度过高时,4343/3003复合界面处存在能量较高的热起伏,3003铝合金的表层金属局部熔化,形成了富含溶质原子si和Mn的熔体,该熔体先进行液一液扩散,冷却到一定温度后进行固一液扩散和固一固扩散;虽能实现冶金复—合,但复合界面已经弯曲不平整,AlSi固溶体层厚度不均匀。液固铸造法制备4343/3()()3/4343铝合金复合锭时,当4343铝合金的浇注温度为725~750。C时,4343铝合金熔体在4343/3003复合界面处形成厚薄均匀的A1一si固溶体层,然后通过A1-Si固溶体层中的Si和3003铝合金中的Mn发生互扩散,形成了成分梯度变化的连续固溶体,两种铝合金实现良好的冶金结合。4343/3003复合界面处的扩散层内,Si和Mn含量呈梯度变化,使得结合区内的晶体结构、原子配位、弹性模量、线膨胀系数等呈现连续梯度变化,保证了4343/3003复合界面的结合强度及稳定性。4结论(1)液固铸造法制备4343/3O03/4343铝合金复合℃锭,4343铝合金最佳浇注温度为725~750,复合锭的复合界面冶金结合良好,界面清晰平直、厚薄均匀,由A1一si固溶体和Si,Mn元素扩散层构成。(2)复合锭复合界面的Mn,Si元素的扩散距离分别为10/ ̄m和32t ̄m,复合界面的结合强度高于3003铝合金的抗拉强度。(3)液固铸造4343/3003/4343铝合金复合锭的界面复合机理为:4343铝合金熔体首先在3003铝合金锭表面急冷形成A1-Si固溶体,AI-Si固溶体中的si和3003铝合金中的Mn相互扩散,形成牢固冶金结合的复合锭。参考文献口]徐涛.热轧钎焊铝板带材复合工艺要点及复合机制EJ].轻合金加—工技术,2012,40(7):3942.XUTao.Compositetechnologyandmechanismofhotrollingbrazingforaluminumstrip[J].LightAlloyFabricationTechnology,2O12,40(7):39~42.—[2]MILIERWS,ZHUANGL,BOTTEMAJ,eta1.Recentdevel—opmentinaluminiumalloysfortheautomotiveindustry[J].Mate—rialsScienceandEngineering:A,2000,280(1):3749.[33TURRIFFDM,CORBINSF,KOZDRASM.Dif—fusionalsolidificationphenomenaincladaluminumautomotivebrazesheet[J].—ActaMaterialia,2010,58(4):13321341.—E4]QINJN,KANGSB,CHOJH.SaggingmechanismsinthebrazingofaluminumheatexchangersEJ].ScriptaMaterialia,2013,—68(12):941944.Es]KIMSH,KIMHW,EUHK,eta1.Effectofwirebrushingon第44卷第1期液固铸造4343/3。03/4343铝合金复合锭的界面组织25warmrollbondingof6XXX/5XXX/6XXXaluminumalloyclad—sheets[J].Materials&Design,2012,35:290295.——[63LIUJT,LIM,SHEUS,eta1.Macroandmicrosurfaceengineeringt0improvehotrollbondingofaluminumplateandsheet—EJ].MaterialsScienceandEngineering:A,2008,479(12):45—57.—[7]EIZADJOUM。MANESHHD,JANGHORBANK.Investigationofrollbondingbetweenaluminumalloystrips[J].Materials—&Design,2008,29(4):909913.E8]PAPISKJM,HALLSTEDTB,LOFFLERJF,eta1.Interfaceformationinaluminium~aluminiumcompoundcasting[J].Acta—Materialia,2008,56(13):30363043.—[9]SIMSIRM,KUMRUOGLULC,OZERA.Aninvestigationintostainless-steel/structural-alloy-steelbimetalproducedbyshell—mouldcasting[J].Materials&Design,2009,30(2):264270.[103蒋会学,秦克,张海涛,等.4o45/3004/4o45层状铝合金复合材料—连铸制备方法EJ].材料科学与工艺,2012,20(5):8589.——儿ANGHuixue,QINKe,ZHANGHaltao,eta1.Methodforpreparationoflayeredcompositematerialof4O45/3OO4/4O45aluminumalloybycontinuouscasting[J].MaterialsScience&—Technology。2012,20(5):8589.——[11]JIANGHX,ZHANGHT,QINK,eta1.Directchillsemi—continuouscastingprocessofthreelayercompositeingotof—4O45/30O4/4O45aluminumalloys[J].TransactionsofNonfer—rODSMetalsSocietyofChina,Z011,21(8):16921697.[12]李继展,付莹,接金川,等.连续铸造法制备3003/4004铝合金复—层圆铸坯[J].金属学报,2013,49(3):297302.——LIJizhan,FUYing,JIEJinchuan,eta1.Continuouscastingofthecladding3003/4004aluminumalloycircularingot[J].Acta—MetallurgicaSinica,2013,49(3):297302.[13]FUY,JIEJC,wuL,eta1.Microstructureandmechanical———propertiesofA1-1MnandA1-10Sialloycircularcladingotpre。[14][15][163[17]paredbydirectchillcasting[J].MaterialsScienceandEngineer—ing:A,2013,561(1):239244.张卫文,郑小平,黄强,等.7075/6009梯度复合铝合金的界面特—征[J].特种铸造及有色合金,2009,(增刊1):344346.——ZHANGWeiwen,ZHENGXiaoping,HUANGQiang,eta1.Interfacecharateristicsof7075/6009gradientaluminumalloy—preparedbycontinuouscasting[J].SpecialCasting&Nonfer—rousAlloys,2009,(Suppl1):344346.张卫文,李元元,龙雁,等.半连续铸造法制备A1Cu/A1梯度材料—[J].中国有色金属学报,2009,(增刊1):188191.——ZHANGWeiwen,LIYuanyuan,L0NGYan,eta1.A1Cu/Al—gradientmaterialproducedbysemicontinuouscasting[J].The—ChineseJournalofNonferrousMetals,2009,(Suppl1):188191.刘耀辉,刘海峰.液固结合双金属复合材料界面研究[J].机械工—程学报,2000,36(7):8185.———LIUYaohui,LIUHalfeng.Investigationoninterfaceof1iquid—solidbondingbimetalcompositematerials[J].JournalofMe—chanicalEngineering,2000,36(7):8185.BRAENOVICM,ALEXANDROVN.Intermetalliccompounds—ataluminumtocopperelectricalinterfaces:effectoftemperatureandelectriccurrent[J].IEEETransactionsonComponents,Packaging,andManufacturingTechnology,PartA,1994,17—(1):7885.基金项目:广东省科技厅科技计划项目(2014B030301012,2015B090926013);广州市科信局科技计划项目(201509010003)———收稿日期:2O140721;修订日期:2015-0724通讯作者:王顺成(1976一),男,高级工程师,主要从事有色金属新材料的制备与成形技术研究,联系地址:广东省广州市天河区长兴路363号—广州有色金属研究院(510650),Email:wangsunceng@163.tom
大叔大爷
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