CN103691910B - 一种铝包镁复合板材制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种铝包镁复合板材制备方法，属于材料加工工程领域。步骤为：将预设尺寸的镁合金件经机械处理、化学清洗，去除表面的油污及氧化物后置于空气炉中进行预热处理；将熔铸模具连同铝合金底垫在450~650℃下预热50分钟；取出预热后的模具，将预热的镁合金块置于模具中，再将浇注温度控制在720~760℃的铝合金熔体均匀地浇注在镁合金块周围，到铝液刚盖过镁块为止；迅速将整个熔铸模具淬入室温水中冷却；将制备好的坯料加热至350~430℃保温0.5~15小时后，热轧至要求厚度。本发明可根据需要制备不同包覆比的铝镁复合铸坯，铸坯界面均为冶金结合，反应结合层薄，通过热轧变形后即得到结合良好的复合板材。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝包镁复合板坯制备方法，属于材料加工工程技术领域。
背景技术
镁合金具有密度小、比强度高、易于机械加工、减震性能好、电磁屏蔽及抗辐射性能好、铸造性能良好等一系列的优势性能，但由于其耐腐蚀性和室温变形能力的不足限制了其使用的范围。因此，在镁合金表面包覆一层耐腐蚀且变形能力优异的铝合金，可获得兼具铝合金和镁合金优势的铝包镁合金复层材料。目前铝/镁复层材料的制备主要依靠轧制复合、铸造复合、挤压复合、扩散连接、爆炸复合和搅拌摩擦焊等工艺。王宏等公开了一种铝包镁线材轧制复合制备方法，在镁合金线材的外部包覆有铝合金层（公开号：CN102642344A）。李亚江等公开了一种通过叠合焊接后460~520℃扩散反应，制备镁/铝金属复合板的方法，获得了无裂纹、无脆性化合物的镁/铝扩散复合板（公开号：CN101518848A）。王进华等公开了一种铝合金和镁合金叠层板爆炸复合制备方法（公开号：CN101992345A）。游国强等公开了一种镁、铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法（公开号：CN102689090A）。但是，这些工艺存在工序复杂，成材率低，界面结合强度低，制件尺寸受限，工艺参数控制困难，无法实现大规模生产等问题。
采用铸造复合法复合铝/镁合金的工艺相对简单，界面结合强度大，成材率较高，因而获得广泛的关注。宋晓阳等采用静态复合铸造的工艺制备外层为1060铝合金、内层为AZ91镁合金的铝/镁复层铸锭。[Song X Y, Sun J B, Zhong D S. Study on Al/Mgcompound materials by solid-liquid bonding method, Materials ResearchInnovations, 2012, 16(1): 51-55]。其工艺步骤如下：（1）将浇注温度为700℃的1060铝金属浇入模具内。（2）凝固35s后，将剩余未凝熔体倒出，获得外层铝合金凝固壳。（3）铝合金凝壳外表面在空气中冷却到400℃后，将浇注温度为637℃的镁合金熔体浇注至凝固壳。（4）施加电磁搅拌或直接空冷至复层铸锭完全凝固，随后铸锭同一高度获得宏观及微观试样。这种工艺工序复杂，对操作者经验要求较高，且无法控制形成的铝凝壳的表面温度，再者顶部浇注的方式无法控制镁液的温度均匀，导致界面反应层不均匀。而且采用空冷冷却方式获得的反应层都较厚，超过了2mm，有大量裂纹及孔洞等缺陷产生，界面结合质量差，界面结合强度较低。李坊平等公开了一种铸造铝包镁合金复合铸锭的制备方法（公开号：CN102350492A）。其工艺步骤如下：（1）将厚度为1~3mm的铝和铝合金板材经氩弧焊方法连续焊接成一侧开口的预制铝板盒；所述铝板包覆层厚度占铝包镁合金复合铸锭总厚度的10%-20%；（2）预热的铝板盒型腔经机械打磨、化学清洗，去除表面的油污及氧化物后置于通有保护气氛的电阻烘箱中进行200℃预热处理；（3）采用井式电阻炉并通入CO2+0.5%SF6保护气氛熔炼镁合金芯材，浇注温度660-720℃；（4）将预热的铝板盒装卡在自制模具中，再将熔融镁合金液浇注于铝盒型腔，冷却后即得铝包镁合金复合铸锭。工艺较为复杂，操作不便，且无法保证铝盒所有部位和模具紧密接触，且顶部浇注时熔体流动不均匀，无法保证薄且均匀的界面反应层宽度，裂纹和孔洞等缺陷较多，甚至出现铝盒局部熔穿的现象，并且制件尺寸受到限制。
发明内容
本发明的内容是克服现有技术的不足，用固-液复合法制备铝镁复合铸坯，旨在解决现有工艺制备铝镁复合铸锭存在的工艺复杂，重复性差，产品形状和尺寸受到限制，界面反应层厚且不均匀，裂纹和孔洞等缺陷较多，界面结合强度不高等问题。并通过轧制对该方法制备的镁铝复合铸坯进行变形，进而获得可以结合良好的铝包镁复合板材。
本发明的技术方案是：一种铝包镁复合板材制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：将镁合金铸锭机加工成预设尺寸，备用；
步骤2：将步骤1预制的镁合金块经机械处理、化学清洗，去除表面的油污及氧化物后置于空气炉中进行预热处理，温度为100~300℃，备用；
步骤3：将包覆铝合金采用井式炉熔炼，得到铝合金熔体，将铝合金熔体冷却到温度720~760℃，备用；
步骤4：将熔铸模具连同铝合金底垫放入温度稳定的井式电阻炉中预热，预热温度为450~650℃，时间为50分钟；
步骤5：将经步骤2预热的镁合金块置于经步骤4预热后的熔铸模具中，再将步骤3得到铝合金熔体均匀地浇注在镁合金块周围，使铝合金熔体刚把镁块盖过时停止浇注；
步骤6：迅速将整个熔铸模具淬入室温水中，20秒后放回空气中冷却，得到铝包镁复合坯料；
步骤7：将步骤6得到的铝包镁复合坯料加热至350~430℃，保温0.5~15小时后，经过热轧后得到铝包镁复合板材。
进一步，所述步骤1中所述的镁合金铸锭为镁-铝系列合金、镁-锰系列合金、镁-锂系列合金、镁-锌系列合金或镁-稀土系列合金。
进一步，所述步骤2中所述机械处理为1200#号砂纸打磨；所述化学清洗为依次使用5%NaOH溶液、去离子水、5%草酸溶液、去离子水和无水乙醇。
进一步，所述步骤3中包覆铝合金为纯铝系列、铝-锰系列、铝-镁系列或铝硅系列合金。
进一步，所述步骤4中所述的熔铸模具为碳钢、铸铁或不锈钢；所述铝合金底垫为与包覆铝合金相同成分。
进一步，所述步骤5所述浇注过程需要保证铝熔体温度不小于700℃。
进一步，所述步骤6中熔铸模具应迅速放入水中并不断搅拌以获得大的冷却速度，待界面凝固后要放回空气中继续冷却。
进一步，所述步骤7热轧过程中单道次变形量不大于30%，且第一道次轧制变形量不大于10%。
本发明的特点是避免了由于铝和镁界面处发生反应后产生大量低熔点的液相，作为铝和镁元素快速扩散的通道长时间存在，导致反应层不均匀且较厚的问题。本发明通过水淬加强冷却强度，从而迅速导出热量，有效控制界面反应层厚度。采用本发明制备的铸件界面反应层薄且均匀，裂纹及孔洞等缺陷少，并且经轧制变形后界面结合良好。
附图说明
图1是实例1中铝包镁复合铸坯的界面宏观形貌图。
图2是实例1中界面反应层图变形前后的扫描电镜元素面扫描图。
图3是实例2中铝包镁复合铸坯的界面宏观形貌图。
图4是实例2中界面反应层图变形前后的扫描电镜元素面扫描图。
图5是铝包镁复合板坯铸造装置示意图。
图中：
1为铝熔体，2为镁合金锭，3为铝合金底垫，4为模具。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1：
铝合金牌号及成分：
1050铝合金，其质量分数：含Fe 0.16%，Si 0.07%，Cu 0.01%，Mn 0.01%，Mg 0.01%，Zn 0.02%，Ti 0.17%，其余为Al。
镁合金牌号及成分：
AZ31镁合金锭，其质量分数：含Al 3.06%，Zn 1.18%，Mn 0.47%，Si 0.016%，Cu≤0.002%，Fe≤0.002%，Ni≤0.0001%，其余为Mg。
具体步骤：
（1）将镁合金铸锭机加工到预定尺寸，规格为50mm×50mm×18mm。
（2）将镁合金块依次用600#，800#，1000#，1200#号砂纸进行打磨，使预制铝板各个面平整光滑；化学清洗为依次使用5%NaOH溶液、去离子水、5%草酸溶液、去离子水和无水乙醇清洗镁合金块，去除表面油污及氧化物后置于空气炉中进行200℃预热处理。
（3）采用井式电阻加热炉将1050铝合金加热熔化后，于720℃保温待用。
（4）将内腔尺寸为90mm×60mm×30mm的低碳钢模具连同1050铝合金底垫放入温度为500℃的井式电阻炉中，预热50min。
（5）将预热的镁合金块放置在模具的中间，再将熔融的铝合金液均匀地浇铸在镁合金块周围，铝液刚把镁块盖过时停止浇注。
（6）迅速将整个熔铸模具淬入室温水中，20秒后放于空气中冷却。
（7）将所制备的坯料加热至400℃，保温0.5小时后，分四道次热轧到15mm厚。单道次压下量分别为10%、18%、24%、11%。
所得到的铝镁复合铸坯的界面宏观形貌如图1所示，整个界面反应层薄且均匀，厚度约为150微米，裂纹和孔洞等缺陷少。界面反应层图变形前后的形貌如图2所示，可见轧制后界面结合紧密，界面层金属间化合物呈不连续分布。
实施例2：
铝合金牌号及成分：
1050铝合金，其质量分数：含Fe 0.16%，Si 0.07%，Cu 0.01%，Mn 0.01%，Mg 0.01%，Zn 0.02%，Ti 0.17%，其余为Al。
镁合金牌号及成分：
AZ31镁合金锭，其质量分数：含Al 3.06%，Zn 1.18%，Mn 0.47%，Si 0.016%，Cu≤0.002%，Fe≤0.002%，Ni≤0.0001%，其余为Mg。
具体步骤：
（1）将镁合金铸锭机加工到预定尺寸，规格为50mm×50mm×22mm。
（2）为将镁合金块依次用600#，800#，1000#，1200#号砂纸进行打磨，使预制铝板各个面平整光滑；化学清洗为依次使用5%NaOH溶液、去离子水、5%草酸溶液、去离子水和无水乙醇清洗镁合金块，去除表面油污及氧化物后置于空气炉中进行150℃预热处理。
（3）采用井式电阻加热炉，将1050铝合金加热熔化后，于740℃保温待用。
（4）将内腔尺寸为90mm×60mm×30mm的低碳钢模具连同1050铝合金底垫一起放入温度为500℃的井式电阻炉中，预热50min。
（5）将预热的镁合金块放置在模具的中间，再将熔融的铝合金液均匀地浇铸在镁合金块周围，铝液刚把镁块盖过时停止浇注。
（6）迅速将整个熔铸模具淬入室温水中，20秒后放于空气中冷却。
（7）将所制备的坯料加热至400℃，保温1小时后，分五道次热轧到15mm厚。单道次压下量分别为9%、11%、19%、16%、8%。
所得到的铝镁复合铸坯的界面宏观形貌如图3所示，复合铸造后整个界面反应层薄且均匀，厚度约为650微米，裂纹和孔洞等缺陷少。界面反应层图变形前后的形貌如图4所示，可见轧制后结合更为紧密。
图5所示为以上各例所采用的铝包镁复合板坯铸造装置的示意图。
Claims (8)
1.一种铝包镁复合板材制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：将镁合金铸锭机加工成预设尺寸，备用；
步骤2：将步骤1预制的镁合金块经机械处理、化学清洗，去除表面的油污及氧化物后置于空气炉中进行预热处理，温度为100~300℃，备用；
步骤3：将包覆铝合金采用井式炉熔炼，得到铝合金熔体，将铝合金熔体冷却到温度720~760℃，备用；
步骤4：将熔铸模具连同铝合金底垫放入温度稳定的井式电阻炉中预热，预热温度为450~650℃，时间为50分钟；
步骤5：将经步骤2预热的镁合金块置于经步骤4预热后的熔铸模具中，再将步骤3得到铝合金熔体均匀地浇注在镁合金块周围，使铝合金熔体刚把镁块盖过时停止浇注；
步骤6：迅速将整个熔铸模具淬入室温水中，20秒后放回空气中冷却，得到铝包镁复合坯料；
步骤7：将步骤6得到的铝包镁复合坯料加热至350~430℃，保温0.5~15小时后，经过热轧后得到铝包镁复合板材。
2.如权利要求1所述的一种铝包镁复合板材制备方法，其特征在于：所述步骤1中所述的镁合金铸锭为镁-铝系列合金、镁-锰系列合金、镁-锂系列合金、镁-锌系列合金或镁-稀土系列合金。
3.如权利要求1所述的一种铝包镁复合板材制备方法，其特征在于：所述步骤2中所述机械处理为1200#号砂纸打磨；所述化学清洗为依次使用5%NaOH溶液、去离子水、5%草酸溶液、去离子水和无水乙醇。
4.如权利要求1所述的一种铝包镁复合板材制备方法，其特征在于：所述步骤3中包覆铝合金为纯铝系列、铝-锰系列、铝-镁系列或铝硅系列合金。
5.如权利要求1所述的一种铝包镁复合板材制备方法，其特征在于：所述步骤4中所述的熔铸模具为碳钢、铸铁或不锈钢；所述铝合金底垫为与包覆铝合金相同成分。
6.如权利要求1所述的一种铝包镁复合板材制备方法，其特征在于：所述步骤5所述浇注过程需要迅速以保证铝熔体温度不小于700℃。
7.如权利要求1所述的一种铝包镁复合板材制备方法，其特征在于：所述步骤6中熔铸模具应迅速放入水中并不断搅拌以获得大的冷却速度，待界面凝固后要放回空气中继续冷却。
8.如权利要求1所述的一种铝包镁复合板材制备方法，其特征在于：所述步骤7热轧过程中单道次变形量不大于30%，且第一道次轧制变形量不大于10%。
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