CN114558903A - 一种镁铝层状复合板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及层状复合材料领域，具体而言，涉及一种镁铝层状复合板及其制备方法。镁铝层状复合板的制备方法包括：采用离心铸造制备复合管坯；将复合管坯进行预处理形成复合板材；取2块或以上相同尺寸的复合板材按照铝层和镁层交替间隔的方式叠放并叠轧，得到镁铝层状复合板，其中，相邻2块所述复合板之间设置有镍层。采用离心铸造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。叠轧前复合板之间设置镍层，避免在中高温(350‑500℃)下复合板界面处产生大量硬脆的金属间化合物，有利于提高镁铝复合板的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及层状复合材料领域，具体而言，涉及一种镁铝层状复合板及其制备方法。
背景技术
镁合金是最具应用潜力的轻量化材料，具有比强度高、比刚度高、电磁屏蔽优异、减震降噪性能好等诸多优点，被誉为“21世纪绿色工程金属”，但镁合金塑性成形能力低、刚度不够、耐蚀性差、绝对强度较低等问题极大限制其规模化应用。铝合金是目前工业生产中应用最为广泛的有色金属结构材料，具有密度低、成形性好、强度高、耐腐蚀性优异等特点。镁铝复合材料兼具镁合金和铝合金两种金属的自身优势，能够获得比单一材料更为优异的综合性能，在航空航天、汽车、交通运输等领域具有广阔的应用前景，目前已成为国内外轻金属领域的研究热点。
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,若使镁合金和铝合金在界面处实现良好的冶金结合，轧制温度通常在350℃以上。从国内外文献报道中发现，当热加工温度为350-500℃时，镁铝复合材料的界面处极易形成厚度为几十微米到几百微米的扩散层，其主要成分是以金属间化合物Mg17Al12和Mg2Al3为主，然而这些金属间化合物都是硬脆相，会极大影响复合材料的强度和塑性。因此，如何避免中高温下镁铝复合材料界面产生大量的金属间化合物已成为国内外研究的热点。然而，目前在中高温(350-500℃)下制备界面无金属间化合物的镁铝复合板鲜有报道。
发明内容
本发明提供了一种镁铝层状复合板及其制备方法，旨在改善上述问题。
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层状复合板的制备方法，制备步骤包括：采用离心铸造制备复合管坯；将复合管坯进行预处理形成复合板材；取2块或以上相同尺寸的复合板材按照铝层和镁层交替间隔的方式叠放并叠轧，得到镁铝层状复合板，其中，相邻2个所述复合板材之间设置有镍层。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，制备复合管坯的复合方式为固-液复合。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，制备复合管坯的步骤包括：先浇注铝合金的熔融液，待铝合金的熔融液冷却凝固后对其表面进行处理得到镍合金涂层，最后再浇入镁合金的熔融液，冷却后得到复合管坯。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，预处理包括：将所述复合管坯沿轴线开口，而后进行矫平，矫平后进行初次轧制。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，初次轧制和叠轧的温度分别为350-500℃，保温时间分别为15-120min，轧制速率分别为1-10m/min，轧制变形量分别为15-50％。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述镍合金涂层的厚度为1-40μm。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，形成所述镍层的方式包括化学镀镍或电镀镍或添加镍金属夹层。
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层状复合板，其通过上述镁铝层状复合板的制备方法制备得到。
本发明的有益效果是：本发明实施例通过采用离心铸造制备复合管坯，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。叠轧前复合板之间设置镍层可有效避免在中高温(350-500℃)下镁铝界面处产生大量硬脆的金属间化合物，有利于提高镁铝复合板的力学性能。
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为本发明实施例1提供的镁铝复合板的界面SEM图；
图2为本发明实施例2提供的镁铝复合板的界面SEM图；
图3为对比例1提供的镁铝复合板的界面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层状复合板及其制备方法具体说明。
本发明提供一种制备镁铝层状复合板的方法，包括：
S1、形成复合管坯；
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℃。
利用离心铸造制备复合管坯，复合方式为固-液复合：先浇注铝合金的熔融液，待铝合金的熔融液冷却凝固后对其表面进行处理得到镍合金涂层，最后再浇入镁合金的熔融液，冷却后得到复合管坯。其中，镍合金涂层的厚度为1-40μm。
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，对后续材料的塑性变形极为有利。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，改善复合管坯的性能。
需要说明的是，表面处理的操作和条件为本领域技术人员公知的，本发明实施例不再进行详述。
S2、形成复合板材；
对复合管坯进行预处理，具体地，沿着复合管坯轴线方向开口，将展开的复合管坯通过矫平机矫平。将矫平的复合管坯通过轧机进行初次轧制，得到复合板材。初次轧制的温度为350-500℃，保温时间为15-120min，轧制速率为1-10m/min，轧制变形量为15-50％。
S3、形成镁铝层状复合板；
将2块或以上相同尺寸的所述复合板材按照铝层和镁层交替间隔的方式叠放，用铆钉铆合固定在一起，形成叠层复合板坯，其中，相邻2个所述复合板材之间设置有镍层。设置镍层的目的是避免在中高温(350-500℃)下镁铝复合板界面处产生大量硬脆的金属间化合物，有利于提高复合板的力学性能。
然后进行叠轧，叠轧的条件可以与上述初次轧制的条件相同，即叠轧可以是重复上述初次轧制1-3次。即每次叠轧的温度为350-500℃，保温时间为15-120min，轧制速率为1-10m/min，轧制变形量为15-50％。
叠轧后形成的具有多层结构的板材即为镁铝层状复合板。
第二，本发明实施例提供一种镁铝层状复合板，其通过上述制备镁铝层状复合板的方法得到。
以下结合具体实施例对本发明提供的一种镁铝层状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层状复合板的制备方法，包括：
(1)分炉同时冶炼镁合金和铝合金，镁合金熔炼温度为700℃，铝合金熔炼温度为735℃。
(2)先将铝合金的熔融液浇入到滚筒式离心铸造金属铸型内，浇注温度为660℃，待熔融液冷却凝固后对其表面进行处理得到镍合金涂层,其中涂层厚度为10μm。表面处理后立即浇注镁合金的熔融液，浇注温度为670℃，冷却后得到复合管坯。
(3)沿着复合管坯轴线方向开口，将展开的复合管坯通过矫平机矫平。
(4)将矫平的复合管坯通过轧机进行初次轧制，初次轧制温度为400℃，保温时间为30min，初次轧制速率为2.5m/min，初次轧制变形量为40％，得到复合板材。
(5)将初次轧制得到的复合板材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，形成叠层复合板坯，叠放前对两块板中的铝合金表面进行电镀镍，厚度约为8μm，再经过一次叠扎(与初次轧制的参数相同)得到镁铝层状复合板。
该镁铝层状复合板的界面SEM结果如图1所示，根据图1可见，镁铝层状复合板界面处形成了厚度为5μm的镍层，界面处未形成明显的金属间化合物。
实施例2
本实施例提供一种镁铝层状复合板的制备方法，包括：
(1)分炉同时冶炼镁合金和铝合金，镁合金熔炼温度为715℃，铝合金熔炼温度为745℃。
(2)先将铝合金的熔融液浇入到滚筒式离心铸造金属铸型内，浇注温度为660℃，待熔融液冷却凝固后对其表面进行处理得到镍合金涂层，其中涂层厚度为5μm。表面处理后立即浇注镁合金的熔融液，浇注温度为670℃，冷却后得到复合管坯。
(3)沿着复合管坯轴线方向开口，将展开的复合管坯通过矫平机矫平。
(4)将矫平的复合管坯通过轧机进行初次轧制，初次轧制温度为450℃，保温时间为15min，初次轧制速率为4m/min，初次轧制变形量为30％，得到初次轧制后的复合板材。
(6)将初次轧制得到的复合板材切割成尺寸相同的三块板材，将三块板料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，形成叠层复合板坯，叠放前在三块板材之间添加厚度为0.2mm的金属镍，经过两次叠轧(每次叠轧的参数与初次轧制的参数相同)，最终得到三次轧制复合板即镁铝层状复合板。
该镁铝层状复合板的界面SEM结果如图2所示，根据图2可见，该镁铝层状复合板界面形成了厚度约为50μm的镍层，界面处未形成明显的金属间化合物。
实施例3
本实施例提供一种镁铝层状复合板的制备方法，包括：
(1)分炉同时冶炼镁合金和铝合金，镁合金熔炼温度为715℃，铝合金熔炼温度为730℃。
(2)先将铝合金的熔融液浇入到滚筒式离心铸造金属铸型内，浇注温度为660℃，待熔融液冷却凝固后对其表面进行处理得到镍合金涂层，其中涂层厚度为10μm。表面处理后立即浇注镁合金的熔融液，浇注温度为680℃，冷却后得到复合管坯。
(3)沿着复合管坯轴线方向开口，将展开的复合管坯通过矫平机矫平。
(4)将矫平的复合管坯通过轧机进行初次轧制，初次轧制温度为400℃，保温时间为60min，初次轧制速率为5m/min，初次轧制变形量为27％，得到初次轧制后的复合板材。
(5)将初次轧制得到的复合板材切割成尺寸相同的两块板材，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，形成叠层复合板坯，叠放前在两块复合板之间添加厚度为0.5mm的镍层，再经过一次叠扎(与初次轧制的参数相同)，最终得到镁铝层状复合板，复合板界面结合良好，界面处未形成明显的金属间化合物。
对比例1：本对比例提供一种镁铝层状复合板的制备方法，该方法与实施例1提供的制备镁铝层状复合板的方法操作和条件基本一致，区别在于：未对叠轧前的叠层复合板坯的表面进行镀镍处理。该镁铝层状复合板的界面SEM结果如图3所示，根据图3可见，镁铝层状复合板界面处形成了厚度为350μm的扩散层(成分主要为镁铝金属间化合物形式存在)，在叠轧过程中硬脆的镁铝金属间化合物发生破碎，导致界面处形成大量裂纹，导致复合板界面处严重开裂。
对比例2：本对比例提供一种镁铝层状复合板的制备方法，该方法与实施例2提供的制备镁铝层状复合板的方法操作和条件基本一致，区别在于：未对叠轧前的叠层复合板坯之间设置镍层。
对比例3：本对比例提供一种镁铝层状复合板的制备方法，该方法与实施例3提供的生产镁铝复合板的方法操作和条件基本一致，区别在于：未对叠轧前的叠层复合板坯之间设置镍层。
对比例4：本对比例提供一种镁铝层状复合板的制备方法，该方法与实施例1提供的制备镁铝复合板的方法操作和条件基本一致，区别在于：未对制备复合管坯过程中铝合金表面进行镍合金涂层处理。
对比例5：本对比例提供一种镁铝层状复合板的制备方法，该方法与实施例1提供的制备镁铝复合板的方法操作和条件基本一致，区别在于：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、2、3和对比例1、2、3、4、5的镁铝复合板进行界面结合强度测试，结果如表1所示：
表1各种镁铝复合板的界面性能
| 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 | 68MPa | 29MPa | 63MPa | 24MPa | 59MPa | 20MPa | 18MPa | 15MPa |
根据表1可知，与对比例1-5相比，本发明制备的镁铝复合板具有更高的界面结合强度。说明本发明实施例通过离心铸造并在相邻的复合板间设置镍层可以获得优异界面结合强度的镁铝层状复合板。
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 (10)
1.一种镁铝层状复合板的制备方法，其特征在于，制备步骤包括：采用离心铸造制备复合管坯；将复合管坯进行预处理形成复合板材；取2块或以上相同尺寸的所述复合板材按照铝层和镁层交替间隔的方式叠放并叠轧，得到镁铝层状复合板，其中，相邻2个所述复合板材之间设置有镍层。
2.根据权利要求1所述的镁铝层状复合板的制备方法，其特征在于，制备所述复合管坯的复合方式为固-液复合。
3.根据权利要求2所述的镁铝层状复合板的制备方法，其特征在于，制备所述复合管坯的步骤包括：先浇注铝合金的熔融液，待铝合金的熔融液冷却凝固后对其表面进行处理得到镍合金涂层，最后再浇入镁合金的熔融液，冷却后得到复合管坯。
4.根据权利要求1所述的镁铝层状复合板的制备方法，其特征在于，预处理包括：将所述复合管坯沿轴线开口，而后进行矫平，矫平后进行初次轧制。
5.根据权利要求4所述的镁铝层状复合板的制备方法，其特征在于，初次轧制和叠轧的温度分别为350-500℃，保温时间分别为15-120min，轧制速率分别为1-10m/min，轧制变形量分别为15-50％。
6.根据权利要求1所述的镁铝层状复合板的制备方法，其特征在于，形成所述镍层的方式包括化学镀镍或电镀镍或添加镍金属夹层。
7.根据权利要求3所述的镁铝层状复合板的制备方法，其特征在于，所述镍合金涂层的厚度为1-40μm。
8.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，在浇注之前，分别对铝合金和镁合金进行冶炼。
9.根据权利要求8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℃。
10.一种镁铝层状复合板，其特征在于，其通过权利要求1-9任一项所述的镁铝层状复合板的制备方法制备得到。
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