近固相线温度轧制复合制备金属叠层复合材料的方法

摘要

本发明公开了一种近固相线温度轧制复合制备金属叠层复合材料的方法，通过控制轧前板坯的预热温度，使预热温度接近板坯中的至少一种金属板的固相线，通过控制轧制速度使轧制变形热导致金属板界面处一侧或两侧板面出现液相，从而使金属板表面处于液态或半固态，并在复合轧制压力的作用下，利用液相破坏表面氧化膜复合障碍，实现两侧表面的冶金结合。本发明适用于液相不易控制而不易采用液－液或固－液复合的材料之间的复合，而固态下又难以变形而难以采用常规固－固复合的材料；可以大幅度减小首次压下量，所需轧制力更小，且可以不需后续的热处理来提高结合强度；不需要专有设备，可以在现有大规模使用的普通轧机上使用，且所需能耗小。

说明书

技术领域

本发明属于轧制复合制备金属叠层复合材料技术，特别是一种近固相线温度轧制复合制备金属叠层复合材料的方法。

背景技术

叠层复合材料是由两种性能不同的金属板通过特殊的加工制备方法复合而成的，与单一金属组元相比，经过合理设计组合后的叠层复合材料结合了两种金属组元各自的优点，可以获得单一金属所不具有的力学、物理和化学性能。近几十年来，叠层复合材料的研制、生产和应用越来越引起人们的关注，成了世界各国竞相研制的新型材料。到目前为止，这种复合材料已经在航空航天、石油、化工、冶金、机械、汽车、轮船、建筑、核能以及电力和电子等领域得到了应用(G.Reyes，H.Kang.Mechanicalbehavior of lightweight thermoplastic fiber-metal laminates[J].Journal of MaterialsProcessing Technology，186(1-3)2007：284-290；N.Masahashi，S.Watanabe，N.Nomura，S.Semboshi，S.Hanada.Laminates based on an iron aluminide intermetallic alloy and a CrMosteel[J].Intermetallics，13(7)2005：717-726)。

直接轧制复合是制备叠层复合材料的有效方法(马志新，胡捷，李德富等.层状金属复合板的研究和生产现状[J].稀有金属.2003，11，27(6)：799-803；吴彩虹，李廷举，金俊泽.双金属复层材料制备现状及研究进展[J].铸造，2005，54(2)：103-107.)。综合文献资料，目前直接轧制复合方法为固-固轧制复合和液-固轧制复合。固-固轧制复合过程中基板均为固态，由于轧制复合过程中没有充分的扩散和化学反应，因此复合界面的过渡结构在很大程度上并未完全实现，结合强度仍然存在缺憾。为了保证结合强度，一方面必须施以大的初始道次压下量，促使复合面的物理接触，这对轧机的轧制能力提出了高的要求，另一方面需要后续的热处理以提高结合强度，同时需要注意的是该方法不适合难变形金属的复合。有人提到在金属基板之间加入中间层，轧制时使中间层处于瞬间的液相，实现液相扩散连接(李红，韩静涛.金属板材轧制-扩散复合机理研究进展[J].材料工程.2006，S1：507-513.)。而液-固轧制复合时，将液态金属浇覆在涂覆有焊剂的固态金属基材表面上后加压轧制，使液态金属在快速轧制冷却下，固化附着于固态金属基材表面上，形成二种或多种金属的冶金结合(崔建忠.液-固相异种金属轧制复合方法及设备[P].中国，1274432，2004.)。这种方法需要专有设备，无法在现有大规模使用的普通轧机上使用，而且需要比固-固轧制复合所需的能耗更大，元素烧损更严重。

发明内容

本发明的目的在于提供一种近固相线温度轧制复合制备金属叠层复合材料的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种近固相线温度轧制复合制备金属叠层复合材料的方法，通过控制轧前板坯的预热温度，使预热温度接近板坯中的至少一种金属板的固相线，通过控制轧制速度使轧制变形热导致金属板界面处一侧或两侧板面出现液相，从而使金属板表面处于液态或半固态，并在复合轧制压力的作用下，利用液相破坏表面氧化膜复合障碍，实现两侧表面的冶金结合。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)适用于液相不易控制而不易采用液-液或固-液复合的材料之间的复合，而固态下又难以变形而难以采用常规固-固复合的材料。例如，高性能Mg-Gd-Y-Zr合金，由于镁合金液态极易氧化燃烧而难以操作，无法采用其液相进行复合。而镁合金又是典型的难变形材料，无法采用传统固-固轧制复合方法实现复合界面的冶金结合。采用本发明提出的近固相线轧制出界面为冶金结合的铝合金7075/Mg-Gd-Y-Zr/7075三明治复合板材料。(2)与固-固轧制复合方法相比，可以大幅度减小首次压下量，所需轧制力更小，且可以不需后续的热处理来提高结合强度。(3)与液-固轧制复合方法相比，不需要专有设备，可以在现有大规模使用的普通轧机上使用，且所需能耗小。(4)在金属基板之间加入中间层，引入了其他物质，而本发明在板材之间不需要铺设、涂敷焊剂等低熔点中间层，有利于提高金属板之间的结合强度。(5)能够取代传统的轧制复合，生产各类复合金属板带材，尤其适合于生产需要复合的金属熔点与轧制温度接近的叠层复合材料，如：钢-铝(合金)，钢-铜(合金)，钢-锌(合金)，铝-镁(合金)，铜-钼-铜等等。

具体实施方式

本发明近固相线温度轧制复合制备金属叠层复合材料的方法，通过控制轧前板坯的预热温度，使预热温度接近板坯中的至少一种金属板的固相线，通过控制轧制速度使轧制变形热导致金属板界面处一侧或两侧板面出现液相，从而使金属板表面处于液态或半固态，并在复合轧制压力的作用下，利用液相破坏表面氧化膜复合障碍，实现两侧表面的冶金结合。具体的步骤如下：

(1)清洗，洗去金属板表面的油污，对于氧化较严重的表面需经酸洗；

(2)打磨，将金属板表面的氧化物打磨干净，并增加粗糙度；

(3)组装，将需要复合的金属板组合成板坯；

(4)预热，使预热温度接近板坯中的至少一种金属板的固相线，预热温度接近固相线，利用轧制时产生的热量在加压轧制时金属板接触面形成液相区，从而实现冶金结合；

(5)轧制，将板坯取出，将板坯送入两轧辊之间的辊缝中加以轧制，金属板形成结合，送出轧辊后形成叠层复合金属板。

其中，板坯叠层的层数是两层或两层以上。打磨的方式也可以是金属刷刷洗。组装的方式可以铆接，焊接，包覆，镶嵌；根据需要，轧制过程中轧辊温度可以是室温，也可以是低于室温，还可以是高于室温。

下面以实施例来说明本发明近固相线温度轧制复合制备金属叠层复合材料的制备过程。

实施例1

7075铝合金板厚5mm，Mg-Gd-Y-Zr镁合金板厚10mm。

7075铝合金液固相线温度在477-635.0℃，Mg-Gd-Y-Zr镁合金固相线温度大于500℃。

按如下工序进行加工：

(1)清洗，将金属板脱脂→酸洗→碱中和；

(2)打磨，采用钢刷刷洗金属板面2-3分钟；

(3)组装，采用铆接的方法将铝合金/镁合金方式组装成二层的板坯；

(4)加热，上述板坯预热到450-500℃，保温0.5-2h；

(5)轧制复合，将板坯送入到带有内水冷却轧辊加以轧制，压下量为20-70％。

实施例2

7075铝合金板厚5mm，Mg-Gd-Y-Zr镁合金板厚10mm。

7075铝合金液固相线温度在477-635.0℃，Mg-Gd-Y-Zr镁合金固相线温度大于500℃。

按如下工序进行加工：

(1)清洗，将金属板脱脂→酸洗→碱中和；

(2)打磨，采用钢刷刷洗金属板面2-3分钟；

(3)组装，采用铆接的方法将铝合金/镁合金/铝合金方式组装成三层的板坯；

(4)加热，上述板坯预热到450-500℃，保温0.5-2h；

(5)轧制复合，将板坯送入到带有内水冷却轧辊加以轧制，压下量为20-70％。

实施例3

7075铝合金板厚5mm，Mg-Gd-Y-Zr镁合金板厚10mm。

7075铝合金液固相线温度在477-635.0℃，Mg-Gd-Y-Zr镁合金固相线温度大于500℃。

按如下工序进行加工：

(1)清洗，将金属板脱脂→酸洗→碱中和；

(2)打磨，采用钢刷刷洗金属板面2-3分钟；

(3)组装，采用铆接的方法将铝合金/镁合金/铝合金/镁合金/铝合金方式组装成五层的板坯；

(4)加热，上述板坯预热到450-500℃，保温0.5-2h；

(5)轧制复合，将板坯送入到带有内水冷却轧辊加以轧制，压下量为20-70％。

实施例4

7075铝合金板厚5mm，AZ63镁合金板厚10mm。

7075铝合金液固相线温度在477-635.0℃，AZ63镁合金固相线温度455-610.0℃。

按如下工序进行加工：

(1)清洗，将金属板脱脂→酸洗→碱中和；

(2)打磨，采用钢刷刷洗金属板面2-3分钟；

(3)组装，采用铆接的方法将铝合金/镁合金/铝合金方式组装成三层的板坯；

(4)加热，上述板坯预热到420-480℃，保温0.5-2h；

(5)轧制复合，将板坯送入到带有内水冷却轧辊加以轧制，压下量为20-70％。

实施例5

7075铝合金板厚5mm，AZ63镁合金板厚10mm。

7075铝合金液固相线温度在477-635.0℃，AZ63镁合金固相线温度455-610.0℃。

按如下工序进行加工：

(1)清洗，将金属板脱脂→酸洗→碱中和；

(2)打磨，采用钢刷刷洗金属板面2-3分钟；

(3)组装，采用铆接的方法将铝合金/镁合金/铝合金/镁合金/铝合金方式组装成五层的板坯；

(4)加热，上述板坯预热到420-480℃，保温0.5-2h；

(5)轧制复合，将板坯送入到带有内水冷却轧辊加以轧制，压下量为20-70％。

实施例6

7175铝合金板厚10mm，ZK61A镁合金板厚10mm。

7175铝合金液固相线温度在477-635.0℃，ZK61A镁合金固相线温度520-635℃。

按如下工序进行加工：

(1)清洗，将金属板脱脂→酸洗→碱中和；

(2)打磨，采用钢刷刷洗金属板面2-3分钟；

(3)组装，采用铆接的方法将铝合金/镁合金/铝合金方式组装成三层的板坯；

(4)加热，上述板坯预热到420-480℃，保温0.5-2h；

(5)轧制复合，将板坯送入到带有内水冷却轧辊加以轧制，压下量为20-70％。

实施例7

7175铝合金板厚10mm，ZK61A镁合金板厚10mm。

7175铝合金液固相线温度在477-635.0℃，ZK61A镁合金固相线温度520-635℃。

按如下工序进行加工：

(1)清洗，将金属板脱脂→酸洗→碱中和；

(2)打磨，采用钢刷刷洗金属板面2-3分钟；

(3)组装，采用铆接的方法将铝合金/镁合金/铝合金/镁合金/铝合金方式组装成五层的板坯；

(4)加热，上述板坯预热到420-480℃，保温0.5-2h；

(5)轧制复合，将板坯送入到带有内水冷却轧辊加以轧制，压下量为20-70％。

实施例8

45钢板厚3mm，ZK61A镁合金板厚10mm。

45钢液固相线温度大于1000℃，ZK61A镁合金固相线温度520-635℃。

按如下工序进行加工：

(1)清洗，将金属板脱脂→酸洗→碱中和；

(2)打磨，采用钢刷刷洗金属板面2-3分钟；

(3)组装，采用铆接的方法将45钢/镁合金/45钢方式组装成三层的板坯；

(4)加热，上述板坯预热到450-560℃，保温0.5-2h；

(5)轧制复合，将板坯送入到带有内水冷却轧辊加以轧制，压下量为20-70％。

实施例9

45钢板厚3mm，ZK61A镁合金板厚10mm。

45钢液固相线温度大于1000℃，ZK61A镁合金固相线温度520-635℃。

按如下工序进行加工：

(1)清洗，将金属板脱脂→酸洗→碱中和；

(2)打磨，采用钢刷刷洗金属板面2-3分钟；

(3)组装，采用铆接的方法将45钢/镁合金/45钢/镁合金/45钢方式组装成五层的板坯；

(4)加热，上述板坯预热到450-560℃，保温0.5-2h；

(5)轧制复合，将板坯送入到带有内水冷却轧辊加以轧制，压下量为20-70％。

实施例10

45钢板厚3mm，7075铝合金板厚10mm。

45钢液固相线温度大于1000℃，7075铝合金液固相线温度在477-635.0℃。

按如下工序进行加工：

(1)清洗，将金属板脱脂→酸洗→碱中和；

(2)打磨，采用钢刷刷洗金属板面2-3分钟；

(3)组装，采用铆接的方法将45钢/7075铝合金/45钢方式组装成三层的板坯；

(4)加热，上述板坯预热到420-480℃，保温0.5-2h；

(5)轧制复合，将板坯送入到带有内水冷却轧辊加以轧制，压下量为20-70％。

实施例11

45钢板厚3mm，7075铝合金板厚10mm。

45钢液固相线温度大于1000℃，7075铝合金液固相线温度在477-635.0℃。

按如下工序进行加工：

(1)清洗，将金属板脱脂→酸洗→碱中和；

(2)打磨，采用钢刷刷洗金属板面2-3分钟；

(3)组装，采用铆接的方法将45钢/镁合金/45钢/镁合金/45钢方式组装成五层的板坯；

(4)加热，上述板坯预热到420-480℃，保温0.5-2h；

(5)轧制复合，将板坯送入到带有内水冷却轧辊加以轧制，压下量为20-70％。