CN103551383B - 镁-钢复合板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种镁-钢复合板及其制备方法。所述镁-钢复合板的制备方法包括以下步骤：将镁板和钢板的待贴合面贴合，形成组合坯料；其中，镁板和/或钢板的待贴合面镀有镀层，所述镀层材料包括锌和/或铝；用夹具将组合坯料夹紧后置于真空或惰性气体氛围条件下，加热并保温；将加热完成的组合坯料送入轧机中轧制得到镁-钢复合板。本发明镁-钢复合板的制备方法简单、合理，通过在镁板和/或钢板的待贴合面添加金属镀层，有效解决了镁板和钢板界面在轧制过程中的冶金结合性差的问题，制备出一种界面结合强度高的镁-钢复合板。
Description
技术领域
本发明涉及材料技术，尤其涉及一种镁-钢复合板及其制备方法。
背景技术
金属复合板材是指在一层金属板上覆以另外一种或几种金属板，金属复合板可以在不降低使用效果的前提下达到节约资源、降低成本的效果。镁和镁合金具有密度小、比强/钢度高、弹性模量大、散热好和消震性好等一系列优点。钢铁是目前工业上应用最为广泛的金属材料。由镁板和钢板复合的镁-钢复合板材具有优异的化学和物理特性：一方面，含有低密度镁板的镁-钢复合板相比单一钢板能有效的降低结构件的整体重量，且镁-钢复合板的抗震、吸波等特点也弥补了钢铁板材不足；另一方面，钢铁板材的加入可以有效的增强镁合金板材整体的强度，并且使镁合金板抗拉强度、表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性和抗冲击性等一系列性能显著提高。基于这些特性，镁-钢复合板材在工业上，特别是在航空航天、高铁和汽车等领域均具有广泛的应用前景。
目前，工业上生产金属复合板的方法主要分为两种：爆炸复合法和轧制复合法。爆炸复合法生产的金属复合板尺寸较小，很难以满足大尺寸用户的要求；同时该方法影响金属复合板结合强度的因素多，能量消耗大，污染环境，成材率低，这一系列的问题极大地制约了该方法的使用。轧制复合法能够比较容易地生产大尺寸的金属复合板，该方法采用将两种板材直接重叠加热后进行轧制，从而形成复合板材。轧制复合法的应用较为广泛，可以成功实现钢材(碳钢-不锈钢)之间复合板材的制备，以及部分异质金属复合板材的制备，例如：骆宗安等人公开了碳钢-不锈钢复合板材的制备和钛合金-不锈钢复合板材的制备，杜云慧等人公开了铜合金-钢材的制备、孔凡涛等人公开了TiAl-钛合金复合板材的制备。
目前公开的金属复合板材方法都是直接将板材接触轧制，主要用于复合能发生反应的板材之间，采用现有轧制方法制备高性能镁-钢复合板材还存在一定困难，主要是因为：镁和钢两种金属熔、沸点差异大，镁的沸点仅为1090℃，远低于铁的熔点1538℃，二者在液态下难以共存；镁在钢上的润湿性差，两者之间难以实现有效的铺展；镁和钢这两种异质金属冶金性差，镁在铁中的溶解度接近于0，同时没有其它金属间化合物或中间相的产生，二者之间几乎不存在冶金结合或者是冶金反应。镁/钢异质材料界面两侧存在巨大的性质差异梯度，因此使用现有轧制复合法直接制备镁-钢复合板材难以实现优质的界面连接，从而制备得到的金属复合板材之间界面结合强度低，无法满足工业领域对金属复合板材性能的需求。因此，实现镁和钢板材界面高强度结合是镁-钢轧制复合方法的技术关键。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有轧制方法难以将镁/钢异种金属之间形成优质的界面连接，无法满足工业领域对金属复合板材性能的需求的问题，提出一种镁-钢复合板的制备方法，以实现镁/钢异种金属的高强度连接。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种镁-钢复合板的制备方法，包括以下步骤：
将镁板和钢板的待贴合面贴合，形成组合坯料；其中，所述镁板和/或钢板的待贴合面镀有镀层，所述镀层材料包括锌和/或铝；
用夹具将组合坯料夹紧后置于真空或惰性气体氛围下，加热并保温；
将加热完成的组合坯料送入轧机中轧制得到镁-钢复合板。
进一步地，所述镁板为单质镁板或镁合金板。
进一步地，所述镁板和钢板尺寸相配合。
进一步地，在对镁板和/或钢板的待贴合面镀镀层前，需对待贴合面除杂。
进一步地，所述镁板和/或钢板的待贴合面通过电镀或热浸镀的方法镀有镀层。
进一步地，所述镀层厚度为2-30μm。
进一步地，所述真空的真空度达到0.005Pa以下。
进一步地，所述加热温度为350～500℃，所述保温时间为0.1～1h。
进一步地，所述轧制条件为：轧制速度0.3～2m/s，总压下率在5-30%之间，末道次压下率5-10%，在该轧制条件下轧制能得到界面结合强度较高的镁-钢复合板，以满足工业领域对性能需求。
本发明还公开了一种镁-钢复合板，由所述镁-钢复合板的制备方法制备而成。
本发明镁-钢复合板的制备方法简单、科学，与现用技术相比较具有以下几方面优点：（1）本发明采用轧制复合法，能实现镁、钢异质金属的大面积连接；（2）先在钢板和/或镁板表面添加镀层，然后再进行复合板材轧制制备，镀层金属能作为过渡元素与镁、钢同时发生反应，实现了异质金属的冶金结合，并且可以改善了镁在钢表面的润湿性；（3）真空条件或惰性气氛条件加热后复合轧制能有效解决镁-钢复合板制备过程中界面容易氧化的问题。得到界面结合强度高、表面耐磨性好、抗拉强度高、耐腐蚀性好和抗冲击性强的镁-钢复合板，这也将进一步拓展镁-钢复合板的应用范围。
附图说明
图1为实施例1所述镁合金-碳钢双层复合板材的制备方法示意图；
图2为实施例2所述碳钢-镁合金-碳钢三层复合板材的制备方法示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种高界面结合强度镁-钢复合板的制备方法，具体包括以下步骤：
将镁板和钢板的待贴合面贴合，形成组合坯料；其中，镁板和/或钢板的待贴合面镀有镀层；在待贴合面添加镀层能有效解决镁-钢异种金属冶金结合性，镀层金属的加入能有效的实现镁/钢异质材料的过渡，降低二者因熔点差异较大导致的连接困难，即镀层金属能起到桥梁作用改善镁/钢冶金相容性差问题，实现镁/钢异种金属的高强度连接。本发明镀层材料选取的原则为：能同时与镁、钢发生冶金反应，所述镀层材料包括但不限于锌和/或铝。所述镁板和/或钢板的待贴合面通过电镀或热浸镀的方法镀有镀层。所述镀层厚度为2-30μm，优选的厚度为5μm。本发明所述待贴合面（待拟合面）即为镁板和钢板的结合面。
本发明所述镁板不仅包括单质镁板，还包括各种镁合金板。为了便于实施，本发明所述镁板和钢板尺寸相配合，所述尺寸相配合是指镁板和钢板的长、宽尺寸相等，在镁板和钢板的待贴合面贴合时，能完全重合；可以理解也可采用形状不同的镁板和钢板贴合后再进一步裁切制备复合板。在对镁板和/或钢板的待贴合面镀镀层前，需对待贴合面除杂以避免杂质影响镁板和钢板的结合强度，除杂包括清除附着在待贴合面上的氧化层，例如去除钢板表面的铁锈。
用夹具将组合坯料夹紧后置于真空条件下或惰性气体氛围，加热并保温；所述真空的真空度达到0.005Pa以下，所述加热温度为350～500℃，所述保温时间为0.1～1h，所述加热设备包括但不限于电阻加热炉。本发明在真空或惰性气体氛围环境加热组合坯料，能有效减少或杜绝镁-钢复合板制备过程中界面的氧化。
最后将加热完成的组合坯料送入轧机中轧制，得到界面结合强度较高的镁-钢复合板，可以满足工业领域对性能需求。所述轧制条件为：轧制速度0.3～2m/s，总压下率在5-30%之间，末道次压下率5-10%，在该轧制条件下轧制能得到界面结合强度较高的镁-钢复合板，以满足工业领域对性能需求。
本发明镁-钢复合板的制备方法，关键在于在镁板和/或钢板的待贴合面添加了金属镀层，从而解决了镁板和钢板界面（待贴合面）在轧制过程中冶金结合性差的问题，提高了复合板界面结合强度，实现了镁-钢复合板材的高性能制备。采用该方法制备的镁-钢复合板具有合金抗拉强度高、表面耐磨性强、抗冲击性和耐腐蚀性佳的优点。
以下结合具体实施例对本发明进一步说明：
实施例1
图1为实施例1所述镁合金-碳钢双层复合板材的制备方法示意图。
本实施例公开了一种镁合金-碳钢双层复合板材的制备方法，如图1所示，该制备方法包括以下步骤：
首先通过初步轧制获得一定厚度的镁合金板材，并进行裁剪，制得长宽尺寸一致的镁合金板2和钢板1各一块，除去镁合金板2和钢板1上的锈层等氧化层，本实施例中镁合金板2的材质为AZ31，尺寸为700mm×700mm×5mm，钢板1的材质为Q235钢，尺寸为700mm×700mm×1mm。
采用电镀法在钢板1的一面制备厚度为2μm的纯锌层5；将镁合金板2和钢板1镀锌层5相对，使其完全重合，形成镁-镀锌钢的组合坯料；将组合坯料夹紧放入电阻加热炉中，开始抽真空，当真空度达到0.005Pa时，开启电阻加热炉将组合坯料加热到350℃，保温30min；最后，将经过热处理的组合坯料送入轧机4中轧制，轧制速度2m/s，末道次压下率为10%，总压下率为20%，将轧制后的镁-钢复合板进行裁剪，最终得到尺寸为700×700mm×5mm的镁-钢复合板，其中镁层厚度为4mm，钢层厚度为1mm。本实施例制备的镁合金-碳钢双层复合板材具有合金抗拉强度高、表面耐磨性强、抗冲击性和耐腐蚀性佳的优点。
实施例2
图2为实施例2所述碳钢-镁合金-碳钢三层复合板材的制备方法示意图。
本实施例公开了一种碳钢-镁合金-碳钢三层复合板材的制备方法，如图2所示，该制备方法包括以下步骤：
首先通过初步轧制并进行裁剪，制得长宽尺寸一致的一块镁合金板2和两块钢板1，除去镁合金板2和钢板1上的锈层等氧化层，其中镁合金板2材质为AZ61，尺寸为600mm×600mm×5mm，钢板1材质为Q235钢，尺寸为600mm×600mm×0.5mm。
然后采用热镀法分别在钢板1的两面分别制备厚度10μm的铝锌合金层3；将镁合金板2和钢板1叠加，其中镁合金板2位于两块钢板中间，钢板1的镀铝锌合金层3表面与镁合金板2相对，使其完全重合，形成钢-镁-钢的组合坯料；再将组合坯料夹紧放入电阻加热炉内，并在炉通入中氩气，然后加热到400℃，保温40min；最后将经过热处理的组合坯料送入轧机4中轧制，轧制速度0.4m/s末道次压下率为5%，总压下率为10%，将轧制后的钢-镁-钢复合板进行裁剪，最终得到尺寸为600×600mm×5.5mm的钢-镁-钢三层复合板，其中镁层厚度为4.5mm，两侧钢层厚度分别为0.5mm。本实施例制备的碳钢-镁合金-碳钢三层复合板材具有合金抗拉强度高、表面耐磨性强、抗冲击性和耐腐蚀性佳的优点。
实施例3
本实施例公开了一种镁合金-不锈钢双层复合板材的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
首先通过初步轧制并进行裁剪，制得长宽尺寸一致的镁板和钢板各一块，并除去镁板和钢板上的锈层等氧化层，本实施例中镁板的材质为AZ31，尺寸为500mm×500mm×4.8mm，钢板的材质为304不锈钢，尺寸为500mm×500mm×1mm。
在钢板的一面制备厚度为30μm的纯铝层以实现良好过渡；将镁板和钢板的铝层相对，使其完全重合，形成镁-镀铝钢的组合坯料；再将组合坯料夹紧放入电阻加热炉内，并在炉通入中氩气，然后加热到450℃，保温60min；最后将经过热处理的组合坯料送入轧机中轧制，轧制速度1m/s，末道次压下率为10%，总压下率为15%，将轧制后的镁-钢复合板进行裁剪，最终得到尺寸为500×500mm×5mm的镁-不锈钢复合板，其中镁层厚度为4mm，钢层厚度为1mm。本实施例制备的镁合金-不锈钢双层复合板材具有合金抗拉强度高、表面耐磨性强、抗冲击性和耐腐蚀性佳的优点。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (3)
1.一种镁-钢复合板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先通过初步轧制获得镁合金板材，并进行裁剪，制得长宽尺寸一致的镁合金板和钢板各一块，除去镁合金板和钢板上的锈层，镁合金板的材质为AZ31，尺寸为700mm×700mm×5mm，钢板的材质为Q235钢，尺寸为700mm×700mm×1mm；
采用电镀法在钢板的一面制备厚度为2μm的纯锌层；将镁合金板和钢板镀锌层相对，使其完全重合，形成镁-镀锌钢的组合坯料；将组合坯料夹紧放入电阻加热炉中，开始抽真空，当真空度达到0.005Pa时，开启电阻加热炉将组合坯料加热到350℃，保温30min；最后，将经过热处理的组合坯料送入轧机中轧制，轧制速度2m/s，末道次压下率为10％，总压下率为20％，将轧制后的镁-钢复合板进行裁剪，最终得到尺寸为700×700mm×5mm的镁-钢复合板，其中镁层厚度为4mm，钢层厚度为1mm。
2.一种镁-钢复合板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先通过初步轧制并进行裁剪，制得长宽尺寸一致的一块镁合金板和两块钢板，除去镁合金板和钢板上的锈层，其中镁合金板材质为AZ61，尺寸为600mm×600mm×5mm，钢板材质为Q235钢，尺寸为600mm×600mm×0.5mm；
然后采用热镀法分别在钢板的两面分别制备厚度10μm的铝锌合金层；将镁合金板和钢板叠加，其中镁合金板位于两块钢板中间，钢板的镀铝锌合金层表面与镁合金板相对，使其完全重合，形成钢-镁-钢的组合坯料；再将组合坯料夹紧放入电阻加热炉内，并在炉中通入氩气，然后加热到400℃，保温40min；最后将经过热处理的组合坯料送入轧机中轧制，轧制速度0.4m/s末道次压下率为5％，总压下率为10％，将轧制后的钢-镁-钢复合板进行裁剪，最终得到尺寸为600×600mm×5.5mm的钢-镁-钢三层复合板，其中镁层厚度为4.5mm，两侧钢层厚度分别为0.5mm。
3.一种镁-钢复合板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先通过初步轧制并进行裁剪，制得长宽尺寸一致的镁板和钢板各一块，并除去镁板和钢板上的锈层，镁板的材质为AZ31，尺寸为500mm×500mm×4.8mm，钢板的材质为304不锈钢，尺寸为500mm×500mm×1mm；
在钢板的一面制备厚度为30μm的纯铝层以实现良好过渡；将镁板和钢板的铝层相对，使其完全重合，形成镁-镀铝钢的组合坯料；再将组合坯料夹紧放入电阻加热炉内，并在炉中通入氩气，然后加热到450℃，保温60min；最后将经过热处理的组合坯料送入轧机中轧制，轧制速度1m/s，末道次压下率为10％，总压下率为15％，将轧制后的镁-钢复合板进行裁剪，最终得到尺寸为500×500mm×5mm的镁-不锈钢复合板，其中镁层厚度为4mm，钢层厚度为1mm。
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