CN103586304A - 一种镁铝复合板的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种镁铝复合板的制备方法，本发明涉及一种对压铸镁合金表面进行防腐蚀的预处理方法。其特征在于：该方法包括以下酸洗、磷化、成膜三个步骤：将预处理的镁合金在酸溶液中浸泡25-30秒，待合金发出金属色泽后用清水冲洗；将酸洗后的镁合金在NaOH、Na₃PO₄和Na₃SiO₄的混合溶液中处理5-15分钟，将经过酸洗、磷化之后的镁合金放入到Na₂O₂溶液中处理成膜。该方法工艺简单，成本较低，防腐蚀效果良好，既可以为镁合金压铸件后续表面处理提供良好的腐蚀底层，也可以直接使用。

Description

一种镁铝复合板的制备方法

技术领域

本发明属于材料加工工程领域，特别涉及镁铝金属复合板制造技术。

背景技术

镁及镁合金是当今最具发展潜力的绿色工程金属材料之一。镁不但是最轻的结构用金属，而且与其他金属结构材料相比, 镁和镁合金具有比强度高、比刚度高、阻尼减震性能和电磁屏蔽性能强、能承受较大的冲击振动负荷等特点, 因此镁合金被广泛地应用在交通工具、电子工业产品、航空航天等领域, 是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三大类金属结构材料。但是在很长一段时间, 镁合金的应用发展缓慢。其主要制约因素是镁合金的加工变形能力差、耐腐蚀能力低。镁具有密排六方晶体结构, 因此塑性变形能力差, 很难加工成板、带、型、棒材。另外, 镁元素非常活泼, 容易同空气中的氧反应生成氧化镁, 而且氧化膜疏松, 因此镁合金耐腐蚀能力低。这些都使镁合金的应用受到限制。

为了解决上面的问题, 各国的科研工作者做了很多的尝试, 目前人们非常感兴趣一种方法是在镁合金表面包覆铝的镁铝复合板制备技术。由于铝合金具有塑性好、耐腐蚀能力强的特点, 因此将铝包覆在镁合金的外表面, 一方面, 能够阻止镁合金与环境的腐蚀介质直接接触, 给与镁合金有效的腐蚀防护；另一方面, 在镁合金表面形成负拉应力, 减少镁合金在变形过程中表面小裂纹的产生, 进而提高镁合金的加工变形能力。虽然关于制造镁铝复合板制备技术的发明专利在国内外已有一些申请或已经授权，但到目前为止，这些方法都很难被镁合金制造企业所接受。关键的原因是在镁铝复合板的界面结合面上不可避免地存在高硬度的脆性Mg-Al 系金属间化合物相。这些金属间化合物相大大地降低了Mg/ Al 异种金属结合面的塑韧性和结合强度, 严重地恶化了镁铝复合板的成形性，因而极大地限制了其在工业领域的广泛应用。

发明内容

发明目的：本发明提供一种镁合金压铸件表面预处理方法，其目的在于针对现有技术的对环境危害较大、操作繁琐等不足，提供一种更为绿色、简单可行的镁合金压铸件表面防腐蚀预处理方法。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实施的：

一种镁合金压铸件表面预处理方法，其特征在于：该方法包括以下酸洗、磷化、成膜三个步骤：

（1）、酸洗：将预处理的镁合金在酸溶液中浸泡25-30秒，待合金发出金属色泽后用清水冲洗；酸溶液为H₂SO₄和H₃PO₄的混合液， H₂SO₄：H₃PO₄=1：3；

（2）、磷化：将酸洗后的镁合金在NaOH、Na₃PO₄和Na₃SiO₄的混合溶液中处理5-15分钟，混合溶液中按体积比为NaOH：Na₃PO₄：Na₃SiO₄=30-35：40-60：20-30；

（3）、成膜：将经过酸洗、磷化之后的镁合金放入浓度为25-40g/L的Na₂O₂溶液中处理成膜。

优点及效果：鉴于以上，本发明提供了一种结合热喷涂技术的轧制镁铝复合板制造工艺。本发明的热喷涂预置钎料热轧制备镁铝复合板技术利用电弧喷涂或火焰喷涂方法，预先在覆板或基板的待结合面上均匀地喷涂一层很薄的钎料，然后通过加热轧制；钎料层熔化，在相对较小的变形量条件下，使复合板的覆板与基板可靠地结合在一起。钎料不但作为两个异种材料连接的可靠过渡层，还可以在加热过程中对覆板或基板给予有效的氧化防护。而且，由于在镁铝复合板的界面结合面上形成多元合金过渡层，避免了镁合金与铝的直接接触，避免了高硬度的脆性二元Mg-Al金属间化合物相的形成，从而很大程度地提高镁合金与铝界面的结合强度，降低了界面的脆性，非常有效地改善了镁铝复合板的拉伸、冲压成形性。

此外，此工艺方法工艺方法简单，需要额外添置的设备较少，增加的成本也不多，只需在通常镁合金板的热轧工艺实施之前增加一个热喷涂预置钎料及组对工序，其后的轧制过程与相应的镁合金板轧制工艺相似，适合用于镁铝复合板的大规模工业生产。

具体实施方式：

本发明涉及的具体工艺步骤如下：

1、在本发明的方法中，通常选择在厚度较大的镁合金组元一侧预置钎料层，而对铝金属一侧的轧制前准备步骤与常规轧制复合方法基本相同，包括：除油、钢丝刷打磨去除表面氧化物和污物。

2、对于需要镁合金的待结合表面在除油处理后，经过砂轮或砂带打磨处理或喷砂方法进行粗化处理。

3、经过表面预处理后，尽快在镁合金或纯铝板的待结合表面喷涂一薄层的钎料。预置钎料喷涂方法既可以是电弧喷涂，也可以选择氧乙炔火焰喷涂方法。电弧喷涂使用的材料既要求导电良好，又要求材料可拉拔成连续的丝材。所以这些材料既可以是实芯线材，又可以是药芯包覆钎料丝。而对于氧乙炔火焰喷涂使用丝材或粉末都可以。由于多数可用于连接铝与镁合金钎料都脆性很大，很难拉拔成可供电弧喷涂送丝要求的连续线材，所以通常钎料以药芯包覆钎料丝形式被使用。

根据复合板的材质和经济性，选择锌基钎料。锌基钎料主要为Zn-Al-Cu-Ag系、Zn-Sn-Cu系和Zn- Cu-Al-Ni系。其中Zn-Al-Cu-Ag系的成分范围是：Al 3-25%，Cu 5-36%，Ag 2-10%，余为Zn；Zn-Sn-Cu系的成分范围是：Sn 5-30%，Cu 5-36%，余为Zn；Zn -Cu-Al –Ni系的成分范围是： Cu 5-25%，Al 5-20%，Ni 3-15%，余为Zn。电弧喷涂使用的钎料形式是直径为2～3mm的丝材。

4、电弧喷涂的工艺参数选择取决于使用丝材的种类和直径。例如，对于直径为2mm的锌基合金钎料丝材，电弧喷涂的工艺参数为：电弧电压28～30V，工作电流 100～150A，喷枪与工件距离120～150mm，使用压力为 0.5～0.6Mpa的氩气雾化。预置钎料层的厚度一般在20～30μm，均匀喷涂。

5、如果使用火焰喷涂方法，可使用氧气-乙炔喷涂。喷涂的钎料可以是如电弧喷涂用的金属丝材，还可以直接使用钎料合金粉末。根据使用的火焰喷涂枪的种类和型号的不同，喷涂参数略有差异。例如，使用合金粉末喷涂枪时，氧气压力通常0.4-0.5MPa，氧气流量1000-1200L/h，乙炔压力0.07-0.08MPa，乙炔流量900-960H/h，喷涂距离110-130mm，中性偏碳化焰。

6、将两块已经过表面预处理或预置钎料的铝板分别叠合在经预置钎料的镁合金组元的两个表面上，使用氩弧焊或机械固定的方法连接组元金属的边缘。

7、完成铝/镁合金/铝复合板的组对后进行热轧加工。根据不同材料组合、钎料种类及待复合的组元板厚度选择加热温度和保温时间。通常初轧的加热温度范围是450～500℃，加热保温时间通常为30-120分钟，加热过程中也可采用保护气体。

8、加热后，复合板坯料立即进行初轧。使用两棍轧机或四辊轧机，道次变形量12-20%，轧制速度为0.4-0.8m/s，终轧温度大等于300℃，如果温度低于300℃，需重新对板坯加热，初轧的总变形量约80%。

9、经过初轧后的复合板还需进行中轧，加热温度360-420℃，加热时间取决于复合板的总厚度。中轧的道次变形量不超过12%，终轧温度大等于260℃，轧制速度为0.4-0.7m/s，总变形量约60%。

10、中轧加工的镁铝复合板可进行温轧或冷轧，温轧的温度范围230-300℃，道次变形量小于10%，总变形量不超过50%。

11、轧制后的复合板再经过加热扩散处理，加热扩散的温度通常为260～300℃之间，扩散加热的保温时间通常为1-2小时。

12、根据需要，对扩散处理后的复合板还可以进一步地做冷轧加工，冷轧的道次变形量不超过5%，总变形量不超过30%。冷轧加工后通常还要经过去应力退火处理，退火温度通常为250～270℃之间，退火加热的保温时间通常为1-2小时。 

具体实施方式

实施例1：

1、选用300Х200mm，厚度为2.0mm的纯铝板作为覆板。铝板表面先经过丙酮去脂处理，再使用电动砂纸磨轮去除表面氧化膜。

2、选用300Х200mm，厚度为8mm的AZ31镁合金板作为基板。AZ31镁合金板的表面前处理方式与铝板的处理方式类似，先是丙酮去脂处理，再使用电动砂纸磨轮去除表面氧化膜，同时起到表面粗化的目的。

3、对经前处理后的AZ31镁合金板立即进行电弧喷涂钎料层。电弧喷涂使用的材料是在0.15mm厚纯铜管内添装了Zn-Al-Ag合金粉末的Zn-Al-Cu-Ag系药芯钎料丝。药芯丝的直径为2.0mm，名义化学成分为： 35%Cu，8%Al，Ag 5%，Zn 52%。

4、电弧喷涂Zn-Al-Cu-Ag钎料层的工艺参数为：电弧电压31V，工作电流 150A，喷枪与工件距离140mm，氩气雾化压力 0.5Mpa。喷涂时快速地移动喷涂枪，预置钎料层均匀地覆盖在AZ31镁合金板的待复合表面上，覆盖面积50%左右，涂层厚度大约20～30μm。

5、将已经预置钎料的AZ31镁合金板表面与待复合的纯铝表面相对叠合在一起，使用氩弧焊焊合边缘。

6、在热处理炉中，480℃的加热温度下，加热保温时间30分钟后取出，立即轧制。

7、把加热的复合板坯在两棍轧机上初轧，道次变形量15%，终轧温度大等于300℃，得到厚度为3.5mm的镁铝复合板，总变形量约71%。 

8、加热轧制后的复合板再经过加热扩散处理，加热扩散温度为260℃，保温时间120分钟。

9、对扩散处理后的复合板进行剪切，可直接使用。对其余部分进行中轧，中轧的加热温度360℃，加热30分钟。中轧的道次变形量12%，终轧温度大等于240℃，复合板轧制到1.5mm厚，总变形量约57%。

10、为改善轧制加工后的应力情况，又对复合板做了去应力退火处理，退火温度为260℃，加热退火的保温时间1小时。

经过以上工艺轧制的镁铝复合板结合可靠，90度弯曲变形无肉眼可见的层间分离现象，按照GB8642-88标准测定了复合板的层间结合强度，均高于50MPa。 

实施例2：

1、选用300Х200mm，厚度为2.0mm的纯铝板作为覆板。铝板表面先经过丙酮去脂处理，再使用电动不锈钢磨轮去除表面氧化膜。

2、选用300Х200mm，厚度为8mm的AZ31镁合金板作为基板。AZ31镁合金板的表面前处理方式与铝板的处理方式类似，先是丙酮去脂处理，再使用电动不锈钢磨轮去除表面氧化膜，同时起到表面粗化的目的。

3、对经前处理后的AZ31镁合金板和纯铝板的待结合表面立即电弧喷涂钎料层。电弧喷涂使用的材料为由0.15mm厚纯铜管添装ZnSn合金粉末的Zn-Sn-Cu系药芯钎料丝。药芯丝的直径为2.0mm，名义化学成分为： 30%Cu，Sn 21%，Zn 49%。

4、电弧喷涂Zn-Al-Cu-Ag钎料层的工艺参数为：电弧电压30V，工作电流 120A，喷枪与工件距离150mm，氩气雾化压力为 0.5Mpa。喷涂时快速地移动喷涂枪，预置钎料层均匀地覆盖在AZ31镁合金板的待复合表面上，覆盖面积50%左右，涂层厚度大约20～30μm。

5、将已经预置钎料的AZ31镁合金板表面与待复合的纯铝表面相对叠合在一起，使用氩弧焊焊合边缘。

6、在热处理炉中，480℃的加热温度下，加热保温时间30分钟后取出，立即轧制。

7、把加热的复合板坯在两棍轧机上初轧，道次变形量15%，终轧温度大等于300℃，得到厚度为4mm的镁铝复合板，总变形量约67%。 

8、加热轧制后的复合板再经过加热扩散处理，加热扩散温度为260℃，保温时间120分钟。

9、对扩散处理后的复合板进行剪切，可直接使用。对其余部分进行温轧，温轧的加热温度260℃，加热30分钟。温轧的道次变形量10%，复合板轧制到2mm厚，总变形量约50%。

10、为改善轧制加工后的应力情况，对复合板做了去应力退火处理，退火温度260℃，退火加热的保温时间1小时。

经过以上工艺轧制的镁铝复合板结合可靠，90度弯曲变形无肉眼可见的层间分离现象，按照GB8642-88标准测定了复合板的层间结合强度，均大于40MPa。

Claims (5)

1.一种镁铝复合板的制备方法，其特征在于：首先分别将待复合的镁合金板及纯铝板的待复合表面清洗、粗化处理，然后分别在镁合金板及纯铝板的待复合表面上均匀地喷涂一薄层钎料层，再它们组对、焊合，然后进行加热轧制。

2.根据权利要求1所述的镁铝复合板的制备方法，其特征在于：热喷涂钎料层的使用的方法既可以是电弧喷涂，又可以是氧乙炔火焰喷涂。

3.根据权利要求1所述的镁铝复合板制备技术，其特征在于：热喷涂钎料层的使用的钎料既可以是实芯材料，又可以是药芯包覆钎料丝；热喷涂的材料为锌基钎料，锌基钎料主要为Zn-Al-Cu-Ag系、Zn-Sn-Cu系和Zn- Cu-Al-Ni系；其中Zn-Al-Cu-Ag系的成分范围是：Al 3-25%，Cu 5-36%，Ag 2-10%，余为Zn；Zn-Sn-Cu系的成分范围是：Sn 5-30%，Cu 5-36%，余为Zn；Zn -Cu-Al –Ni系的成分范围是： Cu 5-25%，Al 5-20%，Ni 3-15%，余为Zn。

4.根据权利要求1所述的镁铝复合板制备技术，其特征在于：根据不同材料组合、钎料种类及待复合的组元板厚度，轧制前复合板坯料需要在400-500℃，30-120分钟的炉中加热；加热后，复合板坯料立即进行初轧，道次变形量12-20%，终轧温度大等于300℃，总变形量约80%；经过初轧后的复合板还需进行中轧，中轧的加热温度是360-420℃，加热时间取决于复合板的总厚度；中轧的道次变形量不超过12%，终轧温度大等于260℃，总变形量约60%；中轧加工后的镁铝复合板可进行温轧或冷轧，温轧的温度范围230-300℃，道次变形量小于10%，总变形量不超过50%；冷轧的道次变形量不超过5%，总变形量在30%以内。

5.根据权利要求1所述的镁铝复合板制备技术，其特征在于：热轧加工后需要对复合板做去加热扩散处理，扩散处理温度240-280℃，保温时间1-2小时。