CN109500128A - 一种镁铝钢层状复合板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镁铝钢层状复合板及其制备方法，所述镁铝钢层状复合板为不锈钢板层/铝合金板层/镁合金板层/铝合金板层/不锈钢板层5层结构，其使用的化学物质材料为镁合金板、铝合金板和不锈钢板。本发明方法工艺简单、成本低廉、生产效率高，本发明是针对镁合金强度低、弹性模量低、塑性差的弊端，在镁合金板材两端包覆铝合金板和不锈钢板，经预热后热轧制成不锈钢/铝/镁/铝/不锈钢复合板，使镁合金板材提高了强度和刚度，其抗拉强度达355MPa，刚度达81GPa，延伸率达31％。此制备方法工艺先进，数据精确翔实，产物效率高，是先进的制备镁合金层合板的方法。

Description

一种镁铝钢层状复合板及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种镁铝钢层状复合板及其制备方法。
背景技术
镁和镁合金是所有常用工程材料中密度最小的金属结构材料。其密度约为铝的三分之二、钢的四分之一。镁合金由于其低密度和优异的机械性能，被广泛应用在汽车、航空、航天及3C等领域。然而与铝合金相比，镁合金的工程应用仍然有限，主要原因是镁合金的强度、刚度、耐腐蚀性、成形性和抗蠕变性在很多情况下难以满足工程应用要求。
通过在镁合金表面覆盖强度高和和耐蚀性好的金属材料，以焊接、轧制或热压的方法制成金属复合板，可以有效提高板材强度和耐蚀性。例如，将具有优良耐腐蚀性和塑性的铝合金薄板包覆于镁合金板材表面，通过热轧复合制备出的Al/Mg/Al复合板。该种复合板同时具有镁合金密度小、比强度高、减震性能优良和铝合金耐蚀性好、塑性高、方便回收重复利用等优点；以强度高、耐腐蚀性好的钛板作为复板，铝板为过渡层，镁板为基板通过轧制复合或爆炸焊接制作出的Ti/Al/Mg复合板，很好的发挥了钛合金和镁合金的优势，已成功应用在航天领域。
通过上述方法制备出的复合板虽然可以显著提高镁合金板材的强度和耐腐蚀性，但是对镁合金刚度的提升效果并不明显，极大限制了复合板的应用范围。随着科技的发展和新兴产业的不断出现，人们对于材料的综合性能有了更高的要求。研究具有优异性能的多元复合板已经成为材料研究领域日益迫切的趋势。为进一步提升金属复合板的刚度及耐腐蚀性，可以用刚度高、腐蚀性能好的钢或不锈钢包覆于镁合金板材表面，制备出具有良好综合性能的复合板。
发明内容
本发明的目的是为解决现有技术的不足，提供了一种工艺简单、成本低廉、生产效率高、具有良好综合力学性能的镁铝钢层状复合板及其制备方法。本发明的复合板为五层复合板，是由304不锈钢热轧板材、1060铝合金热轧板材和AZ31镁合金热轧板材叠轧在一起制备出的五层复合板。
为实现上述目的，本发明所设计的一种镁铝钢层状复合板为不锈钢板层/铝合金板层/镁合金板层/铝合金板层/不锈钢板层5层结构，其使用的化学物质材料为镁合金板、铝合金板和不锈钢板，组合用量如下，以毫米为计量单位：
镁合金板：AZ31B 60mm×50mm×2mm
铝合金板：1060 60mm×50mm×0.2mm
不锈钢板：304 100mm×50mm×0.4mm
上述镁铝钢层状复合板的制备方法如下：
1)原材料退火：
轧制开始之前对使用的板材分别进行退火处理，其退火条件如下：
镁合金板：300℃ 1h 空冷
铝合金板：350℃ 1h 空冷
不锈钢板：800℃ 1h 空冷
2)打磨、清洁板材的待接触表面：
用600#碳化硅砂纸对镁合金板、铝合金板和不锈钢板进行机械打磨，去除表面氧化层和油脂，用酒精清洗打磨后的板材表面，使其光洁，使板材表面具有一定的粗糙度，以增加复合板的界面结合强度。
3)热轧复合：
将步骤2)处理好的镁合金板、铝合金板和不锈钢板材按照不锈钢/铝/镁/铝/不锈钢的顺序叠放在一起，使用铝箔对叠层板进行包覆，然后将叠层板放入电阻炉中进行预热，预热温度为400～500℃，保温时间为10～20min，保温时间到后立即送入轧机进行轧制，轧制速度为10～20rpm，上轧辊温度为140℃～160℃，下轧辊温度为140℃～160℃，实际下压量为30～40％，复合板为一道次热轧复合。
4)热处理：
将步骤3)制备的不锈钢/铝/镁/铝/不锈钢复合板进行热处理。待炉温达到预设温度300～400℃后，将复合板竖直放入炉中，保温1～2h后，将复合板取出空冷。
5)切制、清理、清洗：
将步骤4)冷却的不锈钢/铝/镁/铝/不锈钢复合板置于钢制平板上，依次用机械切制复合板周边、用砂纸打磨复合板周边及正反表面、用无水乙醇清洗复合板周边及正反表面，使其整洁、洁净。
6)检测、分析、表征：
对制备的不锈钢/铝/镁/铝/不锈钢复合板的形貌、力学性能进行检测、分析、表征。
作为优选方案，所述镁铝钢层状复合的板强度达355MPa，刚度达81GPa，延伸率达31％。
作为优选方案，所述镁铝钢层状复合板采用辊轧机制备，制备过程中辊轧机的上下轧辊同时加热并且相向施压。
作为优选方案，所述辊轧机包括第一底座和顶座，所述第一底座和顶座之间垂直对称设置有左立柱和右立柱，设置在所述左立柱和右立柱顶端的顶座，所述第一底座和顶座之间水平对称设置有上轧辊和下轧辊，所述上轧辊和下轧辊相向转动，所述上轧辊和下轧辊之间放镁铝钢层状复合板，所述上轧辊和下轧辊的一端分别与轧辊加热器连接，所述上轧辊和下轧辊的另一端分别通过上联轴器和下联轴器与电机连接，所述电机设置在轧制总控箱上。
作为优选方案，所述轧制总控箱上设置有第二显示屏、第二指示灯、轧制速度控制器按钮、轧辊宽度控制器按钮和轧辊转动方向控制器按钮。
作为优选方案，所述第一底座上设置有第一显示屏、第一电源开关、上轧辊加热温度控制器按钮、下轧辊加热温度控制器按钮、第一指示灯。
本发明的有益效果是：
本发明方法工艺简单、成本低廉、生产效率高，本发明是针对镁合金强度低、弹性模量低、塑性差的弊端，在镁合金板材两端包覆铝合金板和不锈钢板，经预热后热轧制成不锈钢/铝/镁/铝/不锈钢复合板，使镁合金板材提高了强度和刚度，其抗拉强度达355MPa，刚度达81GPa，延伸率达31％。此制备方法工艺先进，数据精确翔实，产物效率高，是先进的制备镁合金层合板的方法。
附图说明
图1为制备本发明复合板采用的辊轧机示意图；
图2为本发明复合板横截面界面结合区域金相组织图；
图3为本发明复合板界面结合区域形貌图；
图4为本发明复合板拉伸曲线图。
图中：1-电机、2-第一底座、3-顶座、4-左立柱、5-右立柱、6-上轧辊、7-下轧辊、8-镁铝钢层状复合板、9-轧辊加热器、10-上联轴器、11-下联轴器、12-第一显示屏、13-第一电源开关、14-上轧辊加热温度控制器按钮、15-下轧辊加热温度控制器按钮、16-第一指示灯、17-第二显示屏、18-轧制总控箱、19-第二指示灯、20-轧制速度控制器按钮、21-轧辊宽度控制器按钮、22-轧辊转动方向控制器按钮。
具体实施例
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
一种镁铝钢层状复合板，所述镁铝钢层状复合板为不锈钢板层/铝合金板层/镁合金板层/铝合金板层/不锈钢板层5层结构，其使用的化学物质材料为镁合金板、铝合金板和不锈钢板，组合用量如下，以毫米为计量单位：
上述镁铝钢层状复合板的制备方法如下：
1)原材料退火：
轧制开始之前对使用的板材分别进行退火处理，其退火条件如下：
镁合金板：300℃1h空冷
铝合金板：350℃1h空冷
不锈钢板：800℃1h空冷
2)打磨、清洁板材的待接触表面：
用600#碳化硅砂纸对镁合金板、铝合金板和不锈钢板进行机械打磨，去除表面氧化层和油脂，用酒精清洗打磨后的板材表面，使其光洁，使板材表面具有一定的粗糙度，以增加复合板的界面结合强度。
3)热轧复合：
将步骤2)处理好的镁合金板、铝合金板和不锈钢板材按照不锈钢/铝/镁/铝/不锈钢的顺序叠放在一起，使用铝箔对叠层板进行包覆，然后将叠层板放入电阻炉中进行预热，预热温度为400～500℃，保温时间为10～20min，保温时间到后立即送入轧机进行轧制，轧制速度为10～20rpm，上轧辊温度为140℃～160℃，下轧辊温度为140℃～160℃，实际下压量为30～40％，复合板为一道次热轧复合。
4)热处理：
将步骤3)制备的不锈钢/铝/镁/铝/不锈钢复合板进行热处理。待炉温达到预设温度300～400℃后，将复合板竖直放入炉中，保温1～2h后，将复合板取出空冷。
5)切制、清理、清洗：
将步骤4)冷却的不锈钢/铝/镁/铝/不锈钢复合板置于钢制平板上，依次用机械切制复合板周边、用砂纸打磨复合板周边及正反表面、用无水乙醇清洗复合板周边及正反表面，使其整洁、洁净。
6)检测、分析、表征：
对制备的不锈钢/铝/镁/铝/不锈钢复合板的形貌、力学性能进行检测、分析、表征。
具体地，所述镁铝钢层状复合的板强度达355MPa，刚度达81GPa，延伸率达31％。所述镁铝钢层状复合板采用辊轧机制备，制备过程中辊轧机的上下轧辊同时加热并且相向施压。
如图1所示，辊轧机包括第一底座2和顶座3，所述第一底座2和顶座3之间垂直对称设置有左立柱4和右立柱5，设置在所述左立柱4和右立柱5顶端的顶座3，所述第一底座2和顶座3之间水平对称设置有上轧辊6和下轧辊7，所述上轧辊6和下轧辊7相向转动，所述上轧辊6和下轧辊7之间放镁铝钢层状复合板8，所述上轧辊6和下轧辊7的一端分别与轧辊加热器9连接，所述上轧辊6和下轧辊7的另一端分别通过上联轴器10和下联轴器11与电机1连接，所述电机1设置在轧制总控箱18上。所述轧制总控箱18上设置有第二显示屏17、第二指示灯19、轧制速度控制器按钮20、轧辊宽度控制器按钮21和轧辊转动方向控制器按钮22。所述第一底座2上设置有第一显示屏12、第一电源开关13、上轧辊加热温度控制器按钮14、下轧辊加热温度控制器按钮15、第一指示灯16。
具体轧制过程如下：
(1)将镁铝钢层状复合板坯8在加热炉中预热至450℃，保温10min；
(2)启动轧制速度控制器按钮20，对应指示灯显示为绿色，调整轧机转速为10rpm。启动轧辊宽度控制器按钮21，对应指示灯显示为绿色，调整轧制下压量为30％。启动轧辊转动方向控制器按钮22，对应指示灯显示为绿色，调整轧辊转动方向。第二显示屏17上显示轧辊转速；
(3)启动上轧辊加热温度控制器按钮14，对应指示灯显示为绿色，调整上轧辊加热温度为150℃。启动下轧辊加热温度控制器按钮15，对应指示灯显示为绿色，调整上轧辊加热温度为150℃。第一显示屏12上显示上辊温度和下辊温度；
(4)启动第一电源开关按钮13，对应指示灯变为绿色，上轧辊6和下轧辊7同时开始转动。将经过预处理的镁铝钢层状复合板坯8放在上、下轧辊之间进行轧制；
(5)取出复合板板材并冷却到室温；
(6)关停轧机。
从图2中分析可知：镁合金层晶粒显著细化，且大小均匀，平均晶粒尺寸为9.5μm。
如图3所示，铝合金与不锈钢和镁合金实现了良好的冶金结合，界面处无明显的空洞和间隙，也没有形成脆性的金属间化合物。
如图4所示，不锈钢/铝/镁/铝/不锈钢五层复合板在拉伸过程中出现两次应力急剧下降的情况，分别对应镁合金板材的断裂和不锈钢板材的断裂。层合板抗拉强度达355MPa，刚度达81GPa，延伸率达31％。具有良好的综合力学性能。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种镁铝钢层状复合板，其特征在于：所述镁铝钢层状复合板为不锈钢板层/铝合金板层/镁合金板层/铝合金板层/不锈钢板层5层结构，其使用的化学物质材料为镁合金板、铝合金板和不锈钢板，组合用量如下，以毫米为计量单位：
镁合金板：AZ31B 60mm×50mm×2mm
铝合金板：1060 60mm×50mm×0.2mm
不锈钢板：304 100mm×50mm×0.4mm。
2.根据权利要求1所述的镁铝钢层状复合板的制备方法如下：
1)原材料退火：
轧制开始之前对使用的板材分别进行退火处理，其退火条件如下：
镁合金板：300℃ 1h空冷
铝合金板：350℃ 1h空冷
不锈钢板：800℃ 1h空冷
2)打磨、清洁板材的待接触表面：
用600#碳化硅砂纸对镁合金板、铝合金板和不锈钢板进行机械打磨，去除表面氧化层和油脂，用酒精清洗打磨后的板材表面，使其光洁，使板材表面具有一定的粗糙度，以增加复合板的界面结合强度。
3)热轧复合：
将步骤2)处理好的镁合金板、铝合金板和不锈钢板材按照不锈钢/铝/镁/铝/不锈钢的顺序叠放在一起，使用铝箔对叠层板进行包覆，然后将叠层板放入电阻炉中进行预热，预热温度为400～500℃，保温时间为10～20min，保温时间到后立即送入轧机进行轧制，轧制速度为10～20rpm，上轧辊温度为140℃～160℃，下轧辊温度为140℃～160℃，实际下压量为30～40％，复合板为一道次热轧复合。
4)热处理：
将步骤3)制备的不锈钢/铝/镁/铝/不锈钢复合板进行热处理。待炉温达到预设温度300～400℃后，将复合板竖直放入炉中，保温1～2h后，将复合板取出空冷。
5)切制、清理、清洗：
将步骤4)冷却的不锈钢/铝/镁/铝/不锈钢复合板置于钢制平板上，依次用机械切制复合板周边、用砂纸打磨复合板周边及正反表面、用无水乙醇清洗复合板周边及正反表面，使其整洁、洁净。
6)检测、分析、表征：
对制备的不锈钢/铝/镁/铝/不锈钢复合板的形貌、力学性能进行检测、分析、表征；
用光学显微镜和扫描电子显微镜进行显微组织分析。
3.根据权利要求2所述的镁铝钢层状复合板的制备方法，其特征在于：所述镁铝钢层状复合的板强度达355MPa，刚度达81GPa，延伸率达31％。
4.根据权利要求3所述的镁铝钢层状复合板的制备方法，其特征在于：所述镁铝钢层状复合板采用辊轧机制备，制备过程中辊轧机的上下轧辊同时加热并且相向施压。
5.根据权利要求4所述的镁铝钢层状复合板的制备方法，其特征在于：所述辊轧机包括第一底座(2)和顶座(3)，所述第一底座(2)和顶座(3)之间垂直对称设置有左立柱(4)和右立柱(5)，设置在所述左立柱(4)和右立柱(5)顶端的顶座(3)，所述第一底座(2)和顶座(3)之间水平对称设置有上轧辊(6)和下轧辊(7)，所述上轧辊(6)和下轧辊(7)相向转动，所述上轧辊(6)和下轧辊(7)之间放镁铝钢层状复合板(8)，所述上轧辊(6)和下轧辊(7)的一端分别与轧辊加热器(9)连接，所述上轧辊(6)和下轧辊(7)的另一端分别通过上联轴器(10)和下联轴器(11)与电机(1)连接，所述电机(1)设置在轧制总控箱(18)上。
6.根据权利要求5所述的一种镁铝钢层状复合板的制备方法，其特征在于：所述轧制总控箱(18)上设置有第二显示屏(17)、第二指示灯(19)、轧制速度控制器按钮(20)、轧辊宽度控制器按钮(21)和轧辊转动方向控制器按钮(22)。
7.根据权利要求5所述的一种镁铝钢层状复合板的制备方法，其特征在于：所述第一底座(2)上设置有第一显示屏(12)、第一电源开关(13)、上轧辊加热温度控制器按钮(14)、下轧辊加热温度控制器按钮(15)、第一指示灯(16)。
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