含镧（La）双金属结合界面的研究

闫 洪/文

昆明冶金研究院有限公司

双金属复合材料是将两种物理、化学性能不同的金属在界面上实现结合的一种新型复合材料，与单一金属不同，双金属复合材料通过两种金属的优良特性，满足了现代工业的较高需求。例如，双金属复合材料能将钢的高强度、良好的韧性和铝的耐腐蚀、抗氧化、银色的表面有效的结合起来，应用于工业各领域，稀土广泛应用于钢铁行业中，通过添加稀土元素能提高锌、铝合金的流动性和浸润性，增加锌、铝合金和钢的附着力，同时，使锌、铝合金组织更细小,进一步提高双金属复合材料的耐腐蚀性和抗高温氧化性能。实验表明，制造双金属复合材料的关键在于较高的结合强度，在进行钢／铝（La）合金轧制复合之后，由于挤压，促进了钢与铝合金（La）之间的复合，提高了钢／铝（La）合金双金属的结合强度。热浸镀技术是钢铁材料防腐蚀技术中最有效的方法，它可以显著提高钢铁材料的耐蚀性能、延长材料的使用寿命，热浸镀合金生成的致密镀层既可阻挡钢与空气的接触，又可对钢进行电化学保护，热浸镀由于热扩散的作用，在钢基体与锌（La）合金之间形成冶金结合和附着力好的扩散层，由于扩散层的结构致密，与基体结合良好，可以阻止空气中的氧与钢进一步反应，使热浸镀钢／锌（La）合金双金属复合材料有良好的抗氧化性，而添加稀土能够有效抑制锌、铝合金的晶界腐蚀，在合金表面形成一层保护膜，延缓双金属的腐蚀进程。钢具有强韧性，而热浸镀锌（La）合金表现出较好的耐腐蚀性和抗氧化性，因此，钢表面热浸镀锌（La）合金是一种综合性能为一体的双金属复合材料。

双金属在组织和性能方面有较大差异，异种金属复合材料金相试样的制备与纯金属是不同的，所以，双金属金相试样的制备存在许多难点。对于钢／铝（La）合金双金属来说，钢容易被腐蚀，铝的硬度较低，选择合适的腐蚀试剂和腐蚀时间高质量的显示两种金属的显微组织是很困难的，甚至在金相砂纸上磨光和机械抛光的过程中，试样表面缺少镜面光泽，影响金相图像的观测。界面结合是双金属材料的重点，为提高双金属间的结合强度，往往在两金属之间插入一种金属作为中间扩散层，而钢表面热浸镀锌（La）合金的就是提高结合强度的较好方法，其扩散层比较明显。

双金属结合是重要的质量指标，用金相显微镜观察双金属的结合是生产检验中常用的技术，它具有价格便宜、操作简单的优点，能在较大范围内掌握金相组织的变化，尽管国内对双金属技术已有研究，但对含镧（La）双金属的金相检验内容报道较少，对界面结合的研究还不够深入，对此，本文以钢／铝（La）合金和钢／锌（La）合金双金属复合材料为研究对象，通过金相显微镜对含镧（La）双金属结合界面的组织形貌进行分析。

1 实验材料

实验材料为钢／铝（La）和钢／锌（La）双金属材料，其中，Q235 低碳钢是基层材料，铝（La）合金、锌（La）合金为复层金属，其化学成分列于表1。

表1 各材料的化学成分（%）

2 试样的制备

2.1 镶嵌

镶嵌的目的是将小试样制备成较大的试块，使其不仅能研磨和抛光，而且适合金相显微镜的观察，将试样放进镶嵌机的模具中，填满胶木粉，然后加热、加压，保持一定时间后，取出试样。

2.2 研磨

研磨的目的是去掉试样表面的磨痕和毛刺，它是获得试样平整的关键，研磨试样在金相砂纸上进行，所用的砂纸从粗到细分别为180 号、260 号、400 号、600 号、800 号、1000 号、1200 号、1500 号，由于铝合金软较。磨光至露出金属光泽，在更换不同粒度砂纸时，磨面方向与前一号砂纸磨面方向呈90°，当前一道磨痕消除时，再进行下一道磨制，为避免摩擦升温导致微观组织的变化，用自来水浸湿砂纸，研磨后用自来水和无水乙醇清洗试样，然后吹干。

2.3 抛光

为进一步去除磨面上的细微磨痕，将经过研磨的试样置于抛光机上抛光，选择的抛光布是海军呢，将海军呢用水浸润，平铺在抛光机的转盘上，抛光时，选用W0.5 的氧化铬抛光液进行抛光，其转速为1200 r/min,当试样表面上的磨痕被清除，即可停止抛光。

2.4 浸蚀

为提高双金属之间的反差并显示出清晰的分界线，用3%的硝酸酒精溶液进行浸蚀，当试样表面发暗时用自来水冲洗试样，再用无水乙醇清洗后吹干。经过研磨、抛光和浸蚀后的试样，在显微镜下能显示出清晰的结合界面。

3 含镧（La）双金属结合界面的显微组织分析

3.1 钢／铝（La）合金双金属的结合界面

在进行低温轧制复合过程中，钢／铝（La）合金双金属复合板的压下量为20%，轧制温度是300 ℃。图1 为钢／铝（La）合金双金属结合界面的显微组织，在轧机挤压力的作用下，钢／铝（La）合金双金属实现了机械结合，但复合板结合界面处仍有间隙存在，由于轧制温度较低，冶金反应难于进行，所提供的能量有限，原子运动较为困难，因此，铁元素和铝元素无相互扩散，表现为复合板的结合情况较差。轧制时由于挤压形成的金属变形，表面的氧化膜被粉碎而露出金属，当两种原子相互接近到原子间作用力范围时，就形成了钢、铝之间金属键的结合，这就是轧制复合的结合方式。

图1 钢／铝（La）合金双金属复合板结合界面的显微组织

3.2 钢／热镀锌（La）合金双金属的结合界面

热浸镀是在640 ℃的温度下浸镀10 s，这时分界线消失，钢／锌合金界面之间出现了一层扩散层，见图2。由于热浸镀的温度高于轧制温度，因此，原子有较高的能量进行运动并发生相互扩散，形成明显的扩散层。在界面处，扩散层连续使两金属牢固的结合在一起。在浸镀的过程中，发生了Fe-Zn合金的化学反应，Fe 原子溶入Zn（La）合金液中，Zn（La）合金液中的Zn、Al 原子向钢中扩散，在界面处形成了扩散层，在原子扩散的作用下，两种金属实现了冶金结合，此时钢／锌（La）合金双金属复合板的结合情况良好，具有很强的结合力。

图2 钢／锌（La）合金双金属复合界面的显微组织

4 结束语

含镧（La）双金属复合材料具有两种金属的优良特性，这是单一金属无法比拟的，随着稀土双金属复合新工艺的不断开发，对复合材料性能的要求会越来越高，并要求适应恶劣的工作环境。但是，对稀土双金属复合的研究并没有结束，由于对结合机理深入的了解，人们会不断开发出工艺简单和综合性能较好的稀土双金属复合材料，以满足生产的需要。当然，低温轧制存在原子扩散难于进行的问题，从而影响双金属的结合，而在高温热浸镀的复合过程中会出现了扩散层，导致了稀土双金属复合材料的新特性，使材料的性能进一步提高，这将成为稀土双金属复合材料的发展方向。