CN114632835A - 一种镁铝多层复合板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复合材料领域，具体而言，涉及一种镁铝多层复合板及其制备方法。镁铝多层复合板的制备方法包括：利用离心铸造制备初次镁铝复合板，然后将多块所述初次镁铝复合板按照铝层和镁层交替间隔的方式叠放并固定形成叠层镁铝复合板坯，且相邻两块所述初次镁铝复合板之间设置有锌层。该方法有利于镁铝多层复合板在低温(150‑250℃)下轧制复合，实现了复合板界面处良好的冶金结合，突破了传统镁铝复合板在低温下轧制难以获得良好界面的瓶颈。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料领域，具体而言，涉及一种镁铝多层复合板及其制备方法。
背景技术
镁合金是目前最轻的金属结构材料，具有比强度高、压铸性好、切削性好、电磁屏蔽、减震降噪性能好、散热性好、易于再生循环等诸多优点，被誉为“21世纪绿色工程金属”。与铝和钢相比，镁由于密度低、质量轻(仅相当于铝的2/3、钢的1/4)，具有明显的结构性能优势，在航空、航天等军事领域及汽车、3C电子、精密仪器等行业都有广泛的应用。而铝及铝合金是目前工业生产(特别是汽车工业)中应用最为广泛的一种金属，具有密度小、成型性好、强度高、良好的耐腐蚀性能等特点。因此，如果能够大量地采用镁合金来取代部分铝合金零部件材料，在保证产品使用性能的前提下，可以大幅度减轻产品重量，这样不仅极大的减少了能源消耗，节约了资源，还能减少排放，减少环境污染。因此，制备镁铝双金属复合材料在亟需轻量化的领域(尤其是汽车和航空航天工业)中具有潜在的应用前景，并且对于世界工业界所面临的节约能源和保护环境两大问题具有重要的战略意义。
传统的镁铝复合板制备方法主要包括复合挤压法、轧制复合法、扩散焊接法、爆炸复合法、搅拌摩擦焊接法等。由于轧制复合具有较高的生产效率，容易实现大规模的工业化生产，是目前发展最为迅速、应用最为广泛的一种生产镁铝复合板的方法。由于镁合金自身的密排六方晶体结构导致其塑性变形能力较差，加上一般的商业镁合金板材都具有很强的基面织构，为了获得较好的轧制成形能力，镁合金的轧制温度通常在300℃以上。由于镁合金和铝合金两者之间存在较大的塑性变形能力差异，当两者在300℃下轧制时，通常界面处出现大量的裂纹，导致复合板界面结合较差，严重影响复合板的力学性能。目前国内外制备镁铝复合板的轧制温度通常在300℃以上，在低温下(150-250℃)制备界面结合良好的镁铝复合板鲜有报道。
发明内容
本发明提供了一种镁铝多层复合板的制备方法，其有利于镁铝多层复合板在低温(150-250℃)下轧制复合，实现了复合板界面处良好的结合，突破了传统镁铝多层复合板在低温下轧制难以获得良好界面的瓶颈。同时，利用离心铸造制备初次镁铝复合板坯，有助于细化复合板的晶粒尺寸，提高强度和塑性成形能力，对后续轧制变形极为有利，可进一步提升镁铝多层复合板的性能。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供一种镁铝多层复合板的制备方法，包括：利用离心铸造制备初次镁铝复合板，然后将多块所述初次镁铝复合板按照铝层和镁层交替间隔的方式叠放并固定形成叠层镁铝复合板坯，且相邻两块所述初次镁铝复合板之间设置有锌层。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，制备初次镁铝复合板的步骤包括：先浇注镁合金的熔融液，待镁合金的熔融液冷却凝固后对其表面进行处理得到镍基合金涂层，最后再浇入铝合金的熔融液，冷却后得到镁铝复合管坯，而后对所述镁铝复合管坯进行切割、展开、矫平和初次轧制。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，初次轧制的温度为150-250℃,保温时间为10-90min，轧制速率为0.5-5m/min，轧制变形量为25-60％。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，镍基合金涂层的厚度为1-20微米。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，形成所述锌层的方式包括：化学镀、电镀、浸镀、金属夹层中的任意一种。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，还包括：对所述叠层镁铝复合板坯进行二次轧制，二次轧制的轧制参数可与初次轧制一样。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，在浇注之前，分别对铝合金和镁合金进行冶炼。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述镁合金的冶炼温度为700-720℃，所述铝合金的冶炼温度为730-760℃。
第二方面，本发明实施例提供一种镁铝多层复合板，其通过上述镁铝多层复合板的制备方法制备得到。
本发明的有益效果是：本发明通过采用离心铸造有助于细化镁铝多层复合板的晶粒尺寸，提高材料的强度和塑性变形能力。且通过在相邻两块所述初次镁铝复合板之间设置锌层有利于镁铝多层复合板在低温(150-250℃)下轧制复合，实现复合板界面处良好的结合，突破了传统镁铝多层复合板在低温下轧制难以获得良好界面的瓶颈。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例1提供的镁铝多层复合板的界面SEM图；
图2是本发明对比例1提供的镁铝多层复合板的界面SEM图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例提供一种镁铝多层复合板及其制备方法具体说明。
第一，本发明提供一种镁铝多层复合板的制备方法，包括：
S1、制备初次镁铝复合板；
首先，分别对镁合金和铝合金进行冶炼，所述镁合金的冶炼温度为700-720℃，所述铝合金的冶炼温度为730-760℃。
采用离心铸造制备初次镁铝复合板的步骤如下：先浇注镁合金的熔融液，待镁合金的熔融液冷却凝固后对其表面进行处理得到镍基合金涂层，最后再浇入铝合金的熔融液，冷却后得到镁铝复合管坯。其中，镍基合金涂层的厚度为1-20微米。
采用离心铸造有助于细化材料的晶粒尺寸，可显著提高材料的强度和塑性成形能力。目前，已有大量文献报道利用离心铸造制备双金属复合材料，主要包括钢/铁和钢/铜复合材料等，然而关于利用离心铸造制备镁铝复合材料的鲜有报道。此外，在大量的文献报道中，利用固-液复合制备镁铝复合材料极易在界面处形成大量的脆性金属间化合物。本发明表面处理得到镍基合金涂层的目的是抑制固-液复合过程中镁铝界面形成大量脆性金属间化合物，改善镁铝复合管坯的性能。
而后对所述镁铝复合管坯沿着轴线方向开口，将展开的镁铝复合管坯通过矫平机矫平。将矫平的镁铝复合管坯通过轧机进行初次轧制，得到初次镁铝复合板。初次轧制的温度为150-250℃,保温时间为10-90min，轧制速率为0.5-5m/min，轧制变形量为25-60％。
S2、制备镁铝多层复合板；
将多块所述初次镁铝复合板按照铝层和镁层交替间隔的方式叠放并固定(例如采用铆钉铆合固定在一起)形成叠层镁铝复合板坯，且相邻两块所述初次镁铝复合板之间设置有锌层，设置锌层的目的是有利于镁铝多层复合板在低温(150-250℃)下轧制复合，实现复合板界面处良好的结合，突破了传统镁铝复合板在低温下轧制难以获得良好界面的瓶颈。
其中，形成所述锌层的方式包括：化学镀、电镀、浸镀、金属夹层中的任意一种。且形成该锌层可以是设置在两块初次镁铝复合板之间的金属夹层，也可以是对其中一块初次镁铝复合板进行表面处理形成的金属镀层。且多块初次镁铝复合板的尺寸一致。
而后进行二次轧制，二次轧制的条件与初次轧制的条件相同，且二次轧制可进行1-3次。
第二，本发明提供一种镁铝多层复合板，其通过上述制备方法制备得到。
以下结合具体实施例对本发明提供的一种镁铝多层复合板及其制备方法进行具体说明。
实施例1
本实施例提供一种镁铝多层复合板的制备方法，包括：
(1)分炉同时冶炼镁合金和铝合金，镁合金熔炼温度为710℃，铝合金熔炼温度为730℃；
(2)先将镁合金熔融液浇入到滚筒式离心铸造金属铸型内，浇注温度为680℃，待熔融液冷却凝固后对其表面进行处理得到镍基合金涂层,其中，镍基合金涂层厚度为5微米。表面处理后立即浇注铝合金的熔融液，浇注温度为665℃，冷却后得到镁铝复合管坯；
(3)沿着镁铝复合管坯轴线方向开口，将展开的镁铝复合管坯通过矫平机矫平；
(4)将矫平的镁铝复合管坯通过轧机进行初次轧制，初次轧制温度为250℃，保温时间为30min，初次轧制速率为2m/min，初次轧制变形量为25％，得到初次镁铝复合板；
(5)将初次镁铝复合板切割成尺寸相同的两块板，将两块板以铝层和镁层交替间隔的方式叠放，用铆钉铆合固定在一起，形成叠层镁铝复合板坯，叠放前在两块板之间添加厚度为0.2mm的锌层，再次经过相同的轧制参数的二次轧制(与初次轧制参数相同)得到二次轧制复合板，得到镁铝多层复合板。
镁铝多层复合板的界面SEM结果如图1所示，根据图1可见，镁铝多层复合板界面具有良好的冶金结合，无明显裂纹。
实施例2
本实施例提供一种镁铝多层复合板的制备方法，包括：
(1)分炉同时冶炼镁合金和铝合金，镁合金熔炼温度为720℃，铝合金熔炼温度为750℃；
(2)先将镁合金熔融液浇入到滚筒式离心铸造金属铸型内，浇注温度为670℃，待熔融液冷却凝固后对其表面进行处理得到镍基合金涂层,其中，镍基合金涂层厚度为10微米。表面处理后立即浇注铝合金的熔融液，浇注温度为663℃，冷却后得到镁铝复合管坯；
(3)沿着镁铝复合管坯轴线方向开口，将展开的镁铝复合管坯通过矫平机矫平；
(4)将矫平的镁铝复合管坯通过轧机进行初次轧制，初次轧制温度为200℃，保温时间为60min，初次轧制速率为3m/min，初次轧制变形量为30％，得到初次镁铝复合板；
(5)将初次镁铝复合板切割成尺寸相同的两块板，将两块板以铝层和镁层交替间隔的方式叠放，用铆钉铆合固定在一起，形成叠层镁铝复合板坯，叠放前对两块板中的镁合金表面进行电镀锌，厚度约为50微米，经过相同的轧制参数(与初次轧制参数相同)二次轧制两次，最终得到三次轧制的镁铝多层复合板，复合板界面结合良好，无明显裂纹。
实施例3
本实施例提供一种镁铝多层复合板的制备方法，包括：
(1)分炉同时冶炼镁合金和铝合金，镁合金熔炼温度为705℃，铝合金熔炼温度为740℃；
(2)先将镁合金熔融液浇入到滚筒式离心铸造金属铸型内，浇注温度为675℃，待熔融液冷却凝固后对其表面进行处理得到镍基合金涂层,其中，镍基合金涂层厚度为15微米。表面处理后立即浇注铝合金的熔融液，浇注温度为670℃，冷却后得到镁铝复合管坯；
(3)沿着镁铝复合管坯轴线方向开口，将展开的镁铝复合管坯通过矫平机矫平；
(4)将矫平的镁铝复合管坯通过轧机进行初次轧制，初次轧制温度为150℃，保温时间为70min，初次轧制速率为2.5m/min，初次轧制变形量为40％，得到初次镁铝复合板；
(5)将初次镁铝复合板切割成尺寸相同的两块板，将两块板以铝层和镁层交替间隔的方式叠放，用铆钉铆合固定在一起，形成叠层镁铝复合板坯，叠放前在两块板之间添加厚度为0.3mm的锌层，再次经过相同的轧制参数的二次轧制(与初次轧制参数相同)，最终得到二次轧制的多层复合板，镁铝多层复合板界面结合良好，无明显裂纹。
对比例1：本对比例提供一种镁铝多层复合板的制备方法，其操作方法与实施例1提供的镁铝多层复合板的制备方法基本相同，不同仅在于，未对二次轧制前的叠层镁铝复合板添加锌层，即相邻两块所述初次镁铝复合板之间未设置锌层。该镁铝多层复合板的界面SEM结果如图2所示，复合板界面结合差，界面处开裂严重，出现大量裂纹。
对比例2：本对比例提供一种镁铝多层复合板的制备方法，其操作方法与实施例2提供的镁铝多层复合板的制备方法基本相同，不同仅在于，未对二次轧制前的复合板进行电镀锌处理，即相邻两块所述初次镁铝复合板之间未设置锌层。
对比例3：本对比例提供一种镁铝多层复合板的制备方法，其操作方法与实施例3提供的镁铝多层复合板的制备方法基本相同，不同仅在于，未对二次轧制前的叠层镁铝复合板添加锌层，即相邻两块所述初次镁铝复合板之间未设置锌层。
对比例4：本对比例提供一种镁铝多层复合板的制备方法，其操作方法与实施例1提供的镁铝多层复合板的制备方法基本相同，不同仅在于，未对制备的镁铝复合管坯过程中镁合金表面进行镍基合金涂层处理。
对比例5：本对比例提供一种镁铝多层复合板的制备方法，其操作方法与实施例1提供的镁铝多层复合板的制备方法基本相同，不同仅在于，初次轧制制备的复合板不是通过离心铸造制备的，而是通过原始镁板和铝板直接轧制复合而成。
分别选取实施例1-3和对比例1-5的镁铝多层复合板进行界面结合强度测试，结果如表1所示：
表1镁铝多层复合板的界面性能
| 试样 | 实施例1 | 对比例1 | 实施例2 | 对比例2 | 实施例3 | 对比例3 | 对比例4 | 对比例5 |
| 界面结合强度 | 47MPa | 16MPa | 41MPa | 12MPa | 35MPa | 10MPa | 9MPa | 7MPa |
根据表1可以看出，与对比例1-5相比，本发明制备的镁铝多层复合板具有更高的界面结合强度。说明，本发明实施例通过设置锌层不仅仅可以实现中低温(150-250℃)下镁铝复合板的轧制，且轧制制备的镁铝多层复合板具有优异的界面结合强度。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种镁铝多层复合板的制备方法，其特征在于，包括：利用离心铸造制备初次镁铝复合板，然后将多块所述初次镁铝复合板按照铝层和镁层交替间隔的方式叠放并固定形成叠层镁铝复合板坯，且相邻两块所述初次镁铝复合板之间设置有锌层。
2.根据权利要求1所述的镁铝多层复合板的制备方法，其特征在于，制备初次镁铝复合板的步骤包括：先浇注镁合金的熔融液，待镁合金的熔融液冷却凝固后对其表面进行处理得到镍基合金涂层，最后再浇入铝合金的熔融液，冷却后得到镁铝复合管坯，而后对所述镁铝复合管坯进行切割、展开、矫平和初次轧制。
3.根据权利要求2所述的镁铝多层复合板的制备方法，其特征在于，还包括：对所述叠层镁铝复合板坯进行二次轧制。
4.根据权利要求1所述的镁铝多层复合板的制备方法，其特征在于，形成所述锌层的方式包括：化学镀、电镀、浸镀和金属夹层中的任意一种。
5.根据权利要求2所述的镁铝多层复合板的制备方法，其特征在于，所述镍基合金涂层的厚度为1-20微米。
6.根据权利要求3所述的镁铝多层复合板的制备方法，其特征在于，初次轧制和二次轧制的温度均为150-250℃,保温时间均为10-90min，轧制速率均为0.5-5m/min，轧制变形量均为25-60％。
7.根据权利要求2或3所述的镁铝多层复合板的制备方法，其特征在于，在浇注之前，分别对铝合金和镁合金进行冶炼。
8.根据权利要求7所述的镁铝多层复合板的制备方法，其特征在于，所述镁合金的冶炼温度为700-720℃，所述铝合金的冶炼温度为730-760℃。
9.一种镁铝多层复合板，其特征在于，其通过权利要求1-8任一项所述的镁铝多层复合板的制备方法制备得到。
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