一種鎂鋁復合板的制備方法
【專利摘要】一種鎂鋁復合板的制備方法，本發明涉及一種對壓鑄鎂合金表面進行防腐蝕的預處理方法。其特征在于：該方法包括以下酸洗、磷化、成膜三個步驟：將預處理的鎂合金在酸溶液中浸泡25-30秒，待合金發出金屬色澤后用清水沖洗；將酸洗后的鎂合金在NaOH、Na3PO4和Na3SiO4的混合溶液中處理5-15分鐘，將經過酸洗、磷化之后的鎂合金放入到Na2O2溶液中處理成膜。該方法工藝簡單，成本較低，防腐蝕效果良好，既可以為鎂合金壓鑄件后續表面處理提供良好的腐蝕底層，也可以直接使用。
【專利說明】一種鎂鋁復合板的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于材料加工工程領域，特別涉及鎂鋁金屬復合板制造技術。
【背景技術】
[0002]鎂及鎂合金是當今最具發展潛力的綠色工程金屬材料之一。鎂不但是最輕的結構用金屬，而且與其他金屬結構材料相比，鎂和鎂合金具有比強度高、比剛度高、阻尼減震性能和電磁屏蔽性能強、能承受較大的沖擊振動負荷等特點，因此鎂合金被廣泛地應用在交通工具、電子工業產品、航空航天等領域，是繼鋼鐵和鋁合金之后發展起來的第三大類金屬結構材料。但是在很長一段時間，鎂合金的應用發展緩慢。其主要制約因素是鎂合金的加工變形能力差、耐腐蝕能力低。鎂具有密排六方晶體結構，因此塑性變形能力差，很難加工成板、帶、型、棒材。另外，鎂元素非常活潑，容易同空氣中的氧反應生成氧化鎂，而且氧化膜疏松，因此鎂合金耐腐蝕能力低。這些都使鎂合金的應用受到限制。
[0003]為了解決上面的問題，各國的科研工作者做了很多的嘗試，目前人們非常感興趣一種方法是在鎂合金表面包覆鋁的鎂鋁復合板制備技術。由于鋁合金具有塑性好、耐腐蝕能力強的特點，因此將鋁包覆在鎂合金的外表面，一方面，能夠阻止鎂合金與環境的腐蝕介質直接接觸，給與鎂合金有效的腐蝕防護；另一方面，在鎂合金表面形成負拉應力，減少鎂合金在變形過程中表面小裂紋的產生，進而提高鎂合金的加工變形能力。雖然關于制造鎂鋁復合板制備技術的發明專利在國內外已有一些申請或已經授權，但到目前為止，這些方法都很難被鎂合金制造企業所接受。關鍵的原因是在鎂鋁復合板的界面結合面上不可避免地存在高硬度的脆性Mg-Al系金屬間化合物相。這些金屬間化合物相大大地降低了Mg/ Al異種金屬結合面的塑韌性和結合強度，嚴重地惡化了鎂鋁復合板的成形性，因而極大地限制了其在工業領域的廣泛應用。
【發明內容】
[0004]發明目的:本發明提供一種鎂合金壓鑄件表面預處理方法，其目的在于針對現有技術的對環境危害較大、操作繁瑣等不足，提供一種更為綠色、簡單可行的鎂合金壓鑄件表面防腐蝕預處理方法。
[0005]技術方案:本發明是通過以下技術方案實施的:
一種鎂合金壓鑄件表面預處理方法，其特征在于:該方法包括以下酸洗、磷化、成膜三個步驟:
(1)、酸洗:將預處理的鎂合金在酸溶液中浸泡25-30秒，待合金發出金屬色澤后用清水沖洗;酸溶液為H2SO4和H3PO4的混合液，H2SO4 =H3PO4=I:3 ；
(2)、磷化:將酸洗后的鎂合金在Na0H、Na3P04和Na3SiO4的混合溶液中處理5_15分鐘，混合溶液中按體積比為 NaOH =Na3PO4:Na3Si04=30-35: 40-60: 20-30 ；
(3)、成膜:將經過酸洗、磷化之后的鎂合金放入濃度為25-40g/L的Na2O2溶液中處理成膜。[0006]優點及效果:鑒于以上，本發明提供了一種結合熱噴涂技術的軋制鎂鋁復合板制造工藝。本發明的熱噴涂預置釬料熱軋制備鎂鋁復合板技術利用電弧噴涂或火焰噴涂方法，預先在覆板或基板的待結合面上均勻地噴涂一層很薄的釬料，然后通過加熱軋制；釬料層熔化，在相對較小的變形量條件下，使復合板的覆板與基板可靠地結合在一起。釬料不但作為兩個異種材料連接的可靠過渡層，還可以在加熱過程中對覆板或基板給予有效的氧化防護。而且，由于在鎂鋁復合板的界面結合面上形成多元合金過渡層，避免了鎂合金與鋁的直接接觸，避免了高硬度的脆性二元Mg-Al金屬間化合物相的形成，從而很大程度地提高鎂合金與鋁界面的結合強度，降低了界面的脆性，非常有效地改善了鎂鋁復合板的拉伸、沖壓成形性。
[0007]此外，此工藝方法工藝方法簡單，需要額外添置的設備較少，增加的成本也不多，只需在通常鎂合金板的熱軋工藝實施之前增加一個熱噴涂預置釬料及組對工序，其后的軋制過程與相應的鎂合金板軋制工藝相似，適合用于鎂鋁復合板的大規模工業生產。
[0008]【具體實施方式】:
本發明涉及的具體工藝步驟如下:
1、在本發明的方法中，通常選擇在厚度較大的鎂合金組元一側預置釬料層，而對鋁金屬一側的軋制前準備步驟與常規軋制復合方法基本相同，包括:除油、鋼絲刷打磨去除表面氧化物和污物。
[0009]2、對于需要鎂合金的待結合表面在除油處理后，經過砂輪或砂帶打磨處理或噴砂方法進行粗化處理。
[0010]3、經過表面預處理后，盡快在鎂合金或純鋁板的待結合表面噴涂一薄層的釬料。預置釬料噴涂方法既可以是電弧噴涂，也可以選擇氧乙炔火焰噴涂方法。電弧噴涂使用的材料既要求導電良好，又要求材料可拉拔成連續的絲材。所以這些材料既可以是實芯線材，又可以是藥芯包覆釬料絲。而對于氧乙炔火焰噴涂使用絲材或粉末都可以。由于多數可用于連接鋁與鎂合金釬料都脆性很大，很難拉拔成可供電弧噴涂送絲要求的連續線材，所以通常釬料以藥芯包覆釬料絲形式被使用。
[0011]根據復合板的材質和經濟性，選擇鋅基釬料。鋅基釬料主要為Zn-Al-Cu-Ag系、Zn-Sn-Cu 系和 Zn- Cu-Al-Ni 系。其中 Zn-Al-Cu-Ag 系的成分范圍是:Al 3-25%, Cu 5-36%,Ag 2-10%，余為 Zn ；Zn-Sn-Cu 系的成分范圍是:Sn 5-30%, Cu 5_36%，余為 Zn ；Zn -Cu-Al-Ni系的成分范圍是:Cu 5-25%, Al 5-20%, Ni 3_15%，余為Zn。電弧噴涂使用的釬料形式是直徑為2?3mm的絲材。
[0012]4、電弧噴涂的工藝參數選擇取決于使用絲材的種類和直徑。例如，對于直徑為2mm的鋅基合金釬料絲材，電弧噴涂的工藝參數為:電弧電壓28?30V，工作電流100?150A，噴槍與工件距離120?150mm，使用壓力為0.5?0.6Mpa的氬氣霧化。預置釬料層的厚度一般在20?30 μ m,均勻噴涂。
[0013]5、如果使用火焰噴涂方法，可使用氧氣-乙炔噴涂。噴涂的釬料可以是如電弧噴涂用的金屬絲材，還可以直接使用釬料合金粉末。根據使用的火焰噴涂槍的種類和型號的不同，噴涂參數略有差異。例如，使用合金粉末噴涂槍時，氧氣壓力通常0.4-0.5MPa，氧氣流量 1000-1200L/h，乙炔壓力 0.07-0.08MPa,乙炔流量 900_960H/h，噴涂距離 110_130mm，中性偏碳化焰。[0014]6、將兩塊已經過表面預處理或預置釬料的鋁板分別疊合在經預置釬料的鎂合金組元的兩個表面上，使用氬弧焊或機械固定的方法連接組元金屬的邊緣。
[0015]7、完成鋁/鎂合金/鋁復合板的組對后進行熱軋加工。根據不同材料組合、釬料種類及待復合的組元板厚度選擇加熱溫度和保溫時間。通常初軋的加熱溫度范圍是450?500°C，加熱保溫時間通常為30-120分鐘，加熱過程中也可采用保護氣體。
[0016]8、加熱后，復合板坯料立即進行初軋。使用兩棍軋機或四輥軋機，道次變形量12-20%，軋制速度為0.4-0.8m/s,終軋溫度大等于300°C，如果溫度低于300°C，需重新對板坯加熱，初軋的總變形量約80%。
[0017]9、經過初軋后的復合板還需進行中軋，加熱溫度360_420°C，加熱時間取決于復合板的總厚度。中軋的道次變形量不超過12%，終軋溫度大等于260°C，軋制速度為0.4-0.7m/s，總變形量約60%。
[0018]10、中軋加工的鎂鋁復合板可進行溫軋或冷軋，溫軋的溫度范圍230-300°C，道次變形量小于10%,總變形量不超過50%。
[0019]11、軋制后的復合板再經過加熱擴散處理，加熱擴散的溫度通常為260?300°C之間，擴散加熱的保溫時間通常為1-2小時。
[0020]12、根據需要，對擴散處理后的復合板還可以進一步地做冷軋加工，冷軋的道次變形量不超過5%，總變形量不超過30%。冷軋加工后通常還要經過去應力退火處理，退火溫度通常為250?270°C之間，退火加熱的保溫時間通常為1-2小時。
【具體實施方式】
[0021]實施例1:
1、選用300X200mm，厚度為2.0mm的純鋁板作為覆板。鋁板表面先經過丙酮去脂處理，
再使用電動砂紙磨輪去除表面氧化膜。
[0022]2、選用300 X 200mm，厚度為8mm的AZ31鎂合金板作為基板。AZ31鎂合金板的表面前處理方式與鋁板的處理方式類似，先是丙酮去脂處理，再使用電動砂紙磨輪去除表面氧化膜，同時起到表面粗化的目的。
[0023]3、對經前處理后的AZ31鎂合金板立即進行電弧噴涂釬料層。電弧噴涂使用的材料是在0.15mm厚純銅管內添裝了 Zn-Al-Ag合金粉末的Zn-Al-Cu-Ag系藥芯釬料絲。藥芯絲的直徑為2.0mm，名義化學成分為:35%Cu，8%Al，Ag 5%, Zn 52%。
[0024]4、電弧噴涂Zn-Al-Cu-Ag釬料層的工藝參數為:電弧電壓31V，工作電流150A，噴槍與工件距離140_，氬氣霧化壓力0.5Mpa。噴涂時快速地移動噴涂槍，預置釬料層均勻地覆蓋在AZ31鎂合金板的待復合表面上，覆蓋面積50%左右，涂層厚度大約20?30μπι。
[0025]5、將已經預置釬料的ΑΖ31鎂合金板表面與待復合的純鋁表面相對疊合在一起，使用氬弧焊焊合邊緣。
[0026]6、在熱處理爐中，480°C的加熱溫度下，加熱保溫時間30分鐘后取出，立即軋制。
[0027]7、把加熱的復合板坯在兩棍軋機上初軋，道次變形量15%，終軋溫度大等于300°C，得到厚度為3.5mm的鎂鋁復合板，總變形量約71%。
[0028]8、加熱軋制后的復合板再經過加熱擴散處理，加熱擴散溫度為260°C，保溫時間120分鐘。[0029]9、對擴散處理后的復合板進行剪切，可直接使用。對其余部分進行中軋，中軋的加熱溫度360°C，加熱30分鐘。中軋的道次變形量12%，終軋溫度大等于240°C，復合板軋制到1.5mm厚，總變形量約57%。
[0030]10、為改善軋制加工后的應力情況，又對復合板做了去應力退火處理，退火溫度為260°C，加熱退火的保溫時間I小時。
[0031]經過以上工藝軋制的鎂鋁復合板結合可靠，90度彎曲變形無肉眼可見的層間分離現象，按照GB8642-88標準測定了復合板的層間結合強度，均高于50MPa。
[0032]實施例2:
1、選用300X200mm，厚度為2.0mm的純鋁板作為覆板。鋁板表面先經過丙酮去脂處理，再使用電動不銹鋼磨輪去除表面氧化膜。
[0033]2、選用300 X 200mm，厚度為8mm的AZ31鎂合金板作為基板。AZ31鎂合金板的表面前處理方式與鋁板的處理方式類似，先是丙酮去脂處理，再使用電動不銹鋼磨輪去除表面氧化膜，同時起到表面粗化的目的。
[0034]3、對經前處理后的AZ31鎂合金板和純鋁板的待結合表面立即電弧噴涂釬料層。電弧噴涂使用的材料為由0.15mm厚純銅管添裝ZnSn合金粉末的Zn-Sn-Cu系藥芯釬料絲。藥芯絲的直徑為2.0mm，名義化學成分為:30%Cu，Sn 21%，Zn 49%。
[0035]4、電弧噴涂Zn-Al-Cu-Ag釬料層的工藝參數為:電弧電壓30V，工作電流120A，噴槍與工件距離150_，氬氣霧化壓力為0.5Mpa。噴涂時快速地移動噴涂槍，預置釬料層均勻地覆蓋在AZ31鎂合金板的待復合表面上，覆蓋面積50%左右，涂層厚度大約20?30 μ m。
[0036]5、將已經預置釬料的AZ31鎂合金板表面與待復合的純鋁表面相對疊合在一起，使用氬弧焊焊合邊緣。
[0037]6、在熱處理爐中，480°C的加熱溫度下，加熱保溫時間30分鐘后取出，立即軋制。
[0038]7、把加熱的復合板坯在兩棍軋機上初軋，道次變形量15%，終軋溫度大等于300°C，得到厚度為4mm的鎂鋁復合板，總變形量約67%。
[0039]8、加熱軋制后的復合板再經過加熱擴散處理，加熱擴散溫度為260°C，保溫時間120分鐘。
[0040]9、對擴散處理后的復合板進行剪切，可直接使用。對其余部分進行溫軋，溫軋的加熱溫度260°C，加熱30分鐘。溫軋的道次變形量10%，復合板軋制到2mm厚，總變形量約50%。
[0041]10、為改善軋制加工后的應力情況，對復合板做了去應力退火處理，退火溫度260°C，退火加熱的保溫時間I小時。
[0042]經過以上工藝軋制的鎂鋁復合板結合可靠，90度彎曲變形無肉眼可見的層間分離現象，按照GB8642-88標準測定了復合板的層間結合強度，均大于40MPa。
【權利要求】
1.一種鎂鋁復合板的制備方法，其特征在于:首先分別將待復合的鎂合金板及純鋁板的待復合表面清洗、粗化處理，然后分別在鎂合金板及純鋁板的待復合表面上均勻地噴涂一薄層釬料層，再它們組對、焊合，然后進行加熱軋制。
2.根據權利要求1所述的鎂鋁復合板的制備方法，其特征在于:熱噴涂釬料層的使用的方法既可以是電弧噴涂，又可以是氧乙炔火焰噴涂。
3.根據權利要求1所述的鎂鋁復合板制備技術，其特征在于:熱噴涂釬料層的使用的釬料既可以是實芯材料，又可以是藥芯包覆釬料絲；熱噴涂的材料為鋅基釬料，鋅基釬料主要為Zn-Al-Cu-Ag系、Zn-Sn-Cu系和Zn- Cu-Al-Ni系；其中Zn-Al-Cu-Ag系的成分范圍是:Al 3-25%, Cu 5-36%, Ag 2_10%，余為 Zn ;Zn-Sn_Cu 系的成分范圍是:Sn 5-30%, Cu 5-36%,余為 Zn;Zn -Cu-Al -Ni 系的成分范圍是:Cu 5-25%, Al 5-20%, Ni 3_15%，余為 Zn。
4.根據權利要求1所述的鎂鋁復合板制備技術，其特征在于:根據不同材料組合、釬料種類及待復合的組元板厚度，軋制前復合板坯料需要在400-500°C，30-120分鐘的爐中加熱；加熱后，復合板坯料立即進行初軋，道次變形量12-20%，終軋溫度大等于300°C，總變形量約80% ;經過初軋后的復合板還需進行中軋，中軋的加熱溫度是360-420°C，加熱時間取決于復合板的總厚度；中軋的道次變形量不超過12%，終軋溫度大等于260°C，總變形量約60% ;中軋加工后的鎂鋁復合板可進行溫軋或冷軋,溫軋的溫度范圍230-300°C,道次變形量小于10%，總變形量不超過50% ;冷軋的道次變形量不超過5%，總變形量在30%以內。
5.根據權利要求1所述的鎂鋁復合板制備技術，其特征在于:熱軋加工后需要對復合板做去加熱擴散處理，擴散處理溫度240-280°C，保溫時間1-2小時。
【文檔編號】C23C4/08GK103586304SQ201310554818
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月11日 優先權日:2013年11月11日
【發明者】張忠禮, 張楠楠, 李德元, 李子健 申請人:沈陽工業大學