唐超兰1，许秋平1，翁 浩1，刘志木1，周钰波1，周德敬2
（1．广东工业大学机电工程学院，广东广州510006；2．银邦金属复合材料股份有限公司，江苏省金属层状复合材料重点实验室，江苏无锡214145）
摘要：根据冷轧金属复合板的结合机制，通过改变表面处理工艺参数（不同打磨磨具、不同打磨次数、不同载物台水平移动速度打磨、不同打磨方向等），研究了表面处工艺对冷轧铝／钢(4A60/08AL)复合板结合性能的影响。结果表明，采用钢丝直径为0. 35 mm~ 0.6 mm的钢丝刷打磨钢表面有利于铝／钢复合，结合强度在50 M Pa以上；采用平行于轧制方向打磨钢表面更有利于铝／钢轧制复合。打磨次数在2~3次时，4A60/08AL的结合性能较好；载物台水平移动速度在6 mm/s~ 10 mm/s之间钢表面处理的效果最佳，铝／钢结合强度较好。
关键词：冷轧复合；表面形貌；打磨参数；结合强度
中图分类号：TG335. 85文章编号：1007 - 7235( 2016) 06 - 0025 - 06
铝／钢轧制复合材料兼具钢材良好力学性能和铝的耐腐蚀性好、材质轻、热导率高等优点，可广泛用于航空航天、汽车、冶金、机械、炊具、电厂冷却塔制造等领域。目前铝／钢复合材料生产多采用轧制复合技术。轧制复合铝／钢复合材料一般经过表面处理、轧制复合和后续的热处理。而表面处理的效果对复合带材的结合性能至关重要。因此，研究表面处理工艺参数对复合带材结合性能的影响，对制备高性能铝／钢复合材料具有重要意义。目前国内外许多研究者对铝／钢复合表面处理工艺开展了大量的研究。
本试验根据金属复合板界面的结合机制，通过改变钢表面处理的各类工艺参数（改变打磨磨具、打磨方向、打磨次数、打磨速度等），研究钢表面处理工艺对铝／钢( 4A60/08AL)复合板结合性能的影响。
1 试样制备与试验方法
1.1试样制备
08AL钢板尺寸250 mm×95 mm×3.75 mm;4A60铝板尺寸250 mm x95 mm x0.23 mm。其化学成分见表1，力学性能见表2。备注：钎焊材料4343/3003复合铝板尺寸:150 mm×120 mm x2 mm，其中4343铝面与4A60铝板钎焊。
1)采用国际公认的化学+机械结合表面处理方式
A．化学处理：室温下用10%的盐酸浸泡钢板40min左右，直到钢板表面产生均匀的气泡，取出样品，用水冲洗后再丙酮擦拭，酒精擦拭，最后用吹风机吹干。
B．机械处理：试验室专用在线打磨机(专利号ZL201420327122.7)。
选取4 mm厚08AL钢板和0.23 mm厚4A60铝板，按照表面处理、轧制复合步骤进行：
采用单一变量的方法表面处理钢表面。方式一是采用不同粗细钢丝的刷子打磨钢表面，不改变其他条件；方式二打磨1~5次，不改变其他条件；方式三改变载物台水平推杆速度（全速23 mm/s，分别取20%、30%…80%全速），其他条件不变；方式四采用垂直轧制方向(即横向Transverse Direction，TD)、沿轧制方向( Rolling Direction，RD)、900交叉方向打磨钢板表面，其他条件不变。表面处理工艺参数如表3所示。
2)冷轧复合
采用四辊轧机，压下率55%，轧制速度为0.05m/s。测试过程：按照IS0 25178标准选用OLS4000激光共聚焦显微镜测定轧制复合前后表面的面粗糙度Sa和三维形貌（其中，轧制复合后钢表面Sa是通过Na OH溶液腐蚀铝层后测得）。每个样品随机测量了7个点。每个点的测量面积为640×640 μm2。
轧制复合后，实测铝／钢复合板厚度为2 mm。在铝板面上钎焊一层2 mm厚4343/3003复合铝板（4343铝与4A60铝板面钎焊，如图1、表4所示），钎焊工艺如图1所示。根据复合板力学性能测试方法( GB/T 6369 - 2008)，通过线切割制备出5 mm深槽，保留了(2.5 t0.1)mm重叠部分，拉剪试验样品如图2所示。在万能拉伸机进行拉剪试验，拉伸方向为RD( Rolling Direction)，拉伸速度2 mm/min。
备注：图1中基体表示4A60/08AL复合板，覆盖层为涂在4A60铝表面的助焊剂，钎焊层为4343/3003（当时现有3003/4343复合板，且只需用到4343钎焊性能）。钎焊炉有6个温区，样品必须从第1温区以1 000 mm/min的速度缓慢移动到第6区，整个过程大约历时24 min，氩气保护。
2. 结果与分析
2.1 打磨磨具对结合强度的影响
用不同粗细钢丝的刷了（见表3的方式一）打磨后，表面形成了不同的微观形貌，如图3所示。
图4和图5表示随着钢丝的直径增加，打磨后的钢表面粗糙度和铝／钢结合界面平均剪切强度都呈现增加趋势。当钢丝直径达到0.6 mm时，粗糙度达到最大值，结合强度也达最大状态。当钢丝直径较小时，钢丝刷显得较软，表面处理过程中其变形程度大，对钢表面形成的粗糙度和加工硬化层较小，这些因素都不利于轧制复合，导致结合强度低。随着钢丝直径增大，钢丝刷强度增大，打磨的钢表面粗糙程度和表面硬化层厚度增加，有利于在轧制过程中粗糙的钢峰和破裂硬化层刺入铝层，形成机械嵌入式咬合，从而使铝／钢的结合强度增加。当钢丝直径达0.9 mm时，在钢表面形成较宽的沟壑，导致钢表面钢峰数量减少，不利于铝／钢轧制复合过程的机械嵌入式咬合，最终导致使铝／钢的结合强度降低。
2.2 打磨方向对结合强度的影响
图6为沿着平行轧制方向( RD)、垂直轧制方向(TD)、900交叉三种打磨方式表面处理后轧制复合的钢的表面形貌。轧制复合后，在大的压力作用下，钢表面形成的微裂纹与打磨方向形成的纹路有一定的关系。
由图7可以看出，三种打磨方式形成的表面的面粗糙度Sa从大到小依次为RD打磨、TD打磨、900交叉打磨，铝／钢结合强度从大到小依次为RD打磨、TD打磨、900交叉打磨。这是由于平行轧制方向打磨，钢表面形成的纹路与轧制复合方向相同，根据金属塑形变形流动特性，由轧制复合最小阻力定律可知，新鲜金属在沿轧制方向流动阻力最小，在大的压力作用下，与刺破的铝板形成充分的机械交合，冷接触焊点点位明显高于其他打磨方式的，最终形成较高的结合强度。
2.3打磨次数对结合强度的影响
图8表示打磨次数与钢表面粗糙度和铝／钢复合材料平均剪切强度的关系。可以看出，随着打磨次数增加钢表面粗糙度先增大后减小，最后趋于稳定；铝／钢界面剪切强度的变化规律与钢面粗糙度变化相似。这是由于在前三次打磨中，钢表面的覆盖物逐渐被打磨洁净，露出新鲜金属并且形成一定粗糙度的波峰，有利于铝／钢轧制复合。随着打磨次数增多，表面原有的粗糙波峰被破坏，已露出的新鲜金属在钢丝刷的作用下发生严重的氧化，从而导致铝／钢的结合强度降低。
2.4 不同水平推杆速度下打磨对结合强度的影响
图9表示载物台水平移动速度与钢表面粗糙度及铝／钢复合材料平均剪切强度的关系。可以看出，随着移动速度增加钢表面粗糙度先增加后降低，最后趋于稳定，铝／钢复合材料的平均剪切强度变化规律基本上与其相似。当初始移动速度为4.6 mm/s时，由于钢板水平移动速度较慢，表面过度打磨，表面形成的钢峰被破坏，新鲜金属氧化过度，导致比水平移动速度6.9 mm/s时的结合强度低，随着速度从6.9 mm/s再进一步增加，钢表面打磨效果不充分，残留有原始覆盖层，形成的表面粗糙度低，导致铝／钢的结合强度降低，如图10所示。
3 结论
1)采用钢丝直径在0. 35 mm~0.6 mm之间的钢丝刷打磨钢板，有利于铝／钢轧制复合，其结合强度在50 M Pa以上；
2)采用平行于轧制方向的表面打磨处理工艺更有利于铝／钢轧制复合；
3)打磨次数在2～3次时，表面处理效果最佳，铝／钢结合性能较好；
4)在载物台水平移动速度为6 mm/s～10 mm/s之间的表面处理效果最佳，铝／钢结合强度较好。
