专利名称：：镁基层状复合材料及其复合铸造制备方法
技术领域：
：本发明涉及镁基新材料及其制皿术，具体地说是一种新型多功能镁基层状复合材料及其复合铸造帝l」备方法。本发明提供一种制备镁基新材料的新途径，并用铸造方法制备，扩大镁基材料的种类。
背景技术：
：镁合金作为最轻的工业金属结构材料，具有高比强度、比刚度，优良的阻尼性能等许多特性，其产品在航空、航天、汽车及3C产品(计算机、通信、消费类电子)制，等领域的应用日益广泛。近年来，由于日益紧迫的汽车减重需求，镁合金的低密度使得它在交通运输领域再次产生了极强的吸引力，ff^金的需求出现了一个快速增长期。然而，相对较弱的强度和塑性，以及高温下的抗蠕变能力差严動蹄ij了镁合金的应用。另外，镁是化学性能最活跃的金属结构材料，在潮湿空气环境或氯离子环境中，镁的腐蚀破坏非常严重。因此，繊镁合金的应用需要研究发展具有优异综合性能的镁基材料M其腐蚀问题的解决。金属层状复合材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属结合在一起的一种新型材料，它弥补了各组元的不足，综合了各种材料的优点，通31^寸各组元合金的优化配合，可以实现整体性能的多样性，已经广泛应用于汽车、机械、船舶、冶金、矿山、环保设备和化工设备等方面。例如铜/钢层状复合材料具有铜的高导电性，良好的焊接性和钢的高强度、价格便宜等优点；不锈钢/铝层状复合材料既具有不锈钢的优良耐蚀性、高强度、高塑tt&表面光亮的特点，又具有铝合金质量轻、成形性好及优良的导电、导热性能。f力铝层状复合材料(如TA1/LY12)综合了钛质量轻、高强、耐磨损、耐腐蚀和铝材轻质、导电性好、耐腐蚀、美观及廉价等特点。钢/锌层状复合材料综合了锌合金具有的良好的摩擦磨损性能和钢的高强度，在减磨、耐磨、减振及模具、轴套等方面受到重视。然而关于镁基层状复合材料的研究还鲜有报道，仅有的是日本Hiroaki等人综合考虑利用铝和镁合金的优点，经过冷轧加工，在镁-锂(Mg-5.5lP/。Li)合金板材的两侧复合纯铝层制成了层状复合板材，除此之外，尚没有公开检索到其它镁基层状复合材料的研究报道。与此同时，层状复合材料制备的关键在于复合技术的发展。常见的复合制备方法有铸造复合法、轧制复合法、挤压复合法、爆炸复合法和爆炸+轧制复合法等。复合铸造是指将两种或两禾中以上具有不同性能的金属材料铸造成为一个完整的铸件或铸坯，使铸件或材料的不同部位具有不同盼性能，以满足各种使用性能的要求。常规复合铸造工艺有镶铸工艺、重力复合铸造、离心复合铸造，近年来出现了水平磁场制动复合连铸银MF)、包覆层连续铸造銜CPC)、电渣包覆铸造fe(ESSLM)、反向凝固连铸复合法、复合线材铸拉法、双涼遂铸梯度复合法、双结晶器连铸复合法、充芯连铸法(CFC)等复合铸造新技术和新工艺。然而，目前现有的铸造方法尚没有应用到镁基层状复合材料的制备中。镁合金作为"二十一世纪的绿色工程材料"受到越来越多的军工与民口的关注，各国纷纷投入巨资发展新型镁基材料，努力微镁合金的大规模应用。而层状复合材料不仅综合了组成材料的各自的优点，而且具有单一材料不易具备的功能。因此，镁基层状复合材料开拓了一条设计并制备镁基新材料的亲膽径，具有广泛的工业应用前景。
发明内容本发明的目的在于提供一种多功能的镁基层状复合材料及其复合铸造制备方法，解决^^金在潮湿空气环境或氯离子环境中腐蚀破坏严重、综合力学性能差等问题。具体为一种镁基层状复合材料，并且通过合理选择组元搭配，恰当的制备工艺参数，提供一种成^低而工艺简捷有效的制备方法。本发明基于镁合金发展现状，及层状复合材料现有的制备方法，成功制备出多种镁基层状复合材料。本发明提供一种制备镁基新材料的新途径，适用于镁合金与其它各种金属材料的复合，如铝、钛、铜、锌、镍或钢等，扩大镁基材料的种类，推进镁合金的应用。本发明的技术方案是本发明镁基层状复合材料，在镁或镁合金的一侧或者两侧复合不同成分和性能的金属材料，各层之间以冶金方式结合。本发明的技术思路是通过设计组元材料的配合，在镁或镁合金的一侧或者两侧复合不同成分和性能的合金材料，获得的镁基层状复合材料表现出优异的综合性能，满足不同场合X寸材料提出的要求。如用表层铝与心部镁合金复合，形成f劳铝层状复合材料，禾,铝的抗蚀特点和镁更加轻质靴势，提高复合材料的综合性能。再如，禾,高塑性和超塑性材料同难加工镁合金的复合也可以提高复合材料的可加工性，或制备超塑性复合材料。本发明的镁基新材料设计思路实现镁合金和异种材料优缺点的统一，制备优异综合鹏卽勺镁基层状复合材料。本发明的复合铸造制备镁基层状复合材料的质量除取决于铸造合金本身的性能外，更主要地取决于两种合金材料界面结合的质量。在双金属复，造过程中，两种金属材料的主要元素在一定，场内可以相互扩散，相互熔融形成一层成分与组织介于两种金属之间的过渡合金层。控帝恪工艺因素以获得理想的过渡层成分、组织、性能和厚度，是制造优质复合铸造铸件的技术关键。本发明首次采用铸造技术实现了镁合金与其它同种或异种合金的复合连接，构成了优良综合性能的新型镁基材料体系。本发明禾拥^/固复合铸造技术制备相应镁基层状复合材料，其关键工艺歩骤如下1)对固相材料结合表面施以预处理，使用物理、化学方法，如机械法(如用砂轮、铁刷、砂纸或喷砂处理等)或液,洗法(如酸、碱或酒精等)等去除不利于复合的金属表面油污、氧化皮和夹杂等附着物。2)固相材料的表面活化处理，在随后的铸造阶段可以保证结合界面的茅賴羊。表面活化的方法可以为表面镀层或涂层技术，镀层或涂层采用与液相材料和固相材料均有较好合金化性能的金属材料，如适用于镁或镁合金和铝复合的表面镀锌层，适用于镁或镁合金和钢复合的表面镀锌层，适用于镁或f美合金和镍复合的表面镀铜层，适用于镁或镁合金和钛复合的表面喷涂铝层，适用于镁或镁合金和铜复合的表面喷涂锌层，等等。表面活化处理的选用原则遵循以下两点其一，增加固相与液相金属之间的润湿性；其二，调节复合界面层的成分，减少或抑制金属间化合物的生成，增强冶金结合强度。3)固相材料在预热的过程中要施加表面保护，表面保护处理可以为采用保护气体进行预热处理，,氩气或氮气；或者，表面f度层或涂层处理，镀层或涂层为熔点介于固相材料预热》显度和液相材料浇注温度之间的金属材半斗，如适用于镁或镁合金和铝复合的表面镀锌层，适用于镁或镁合金和铜复合的表面喷涂锌或铝层，等等。表面镀层处理可以采用置换、电镀、真空镀、化学镀或热浸镀等方法。表面涂层处理可以采用热喷涂或冷喷涂等方法。4)通过计算固相材料和液相材料的体积比、接触面积，考虑两种材料的熔点，确定固相材料的预热驗和液相材料的浇注離，这两个工艺参数的选择原则是:固相材料的预热温度应该和液相材料的浇注温度搭配，按照两者体积比和熔点的匹配恰当选择，固相材料在铸造过程中吸收高温液相的热量，两种材料在界面处发生相互扩散、相互烙融形成一层成分与组织介于两种金属之间的过渡合金层。如果齟對荅配不当，贝何能造成固相材料的大量烧损或者界面处的扩散和熔融被抑制，影响复合铸件表面的结合。^/固复合铸造工艺参数主要包括，固相材料的页热温度和液相材料的浇注温度，固相材料的预热驗为5crc至该固相材料熔点温度以下io(rc，或者固相材料不预热。液相材料的浇注温度为该液相材料液相线温度以上5030(TC。镁或镁合金可以作为液相材料参与复合铸造，也可以作为固相材料参与复合铸造。一般情况下，复合材料中两种金属熔点差别较大时，采用熔点较低的作为翻材料。与镁或,齢金复合的各种金属材料为单层、双层或间隔多层，各层之间层厚比为1:1100:1，优选范围1:110:1;体积比为1:1100:1，怖选范围为1:110:1。镁基层状复合材料采用的铸造方法可以为重力铸造、低压铸造、高压铸造或挤压铸造。5)复合铸造完毕根据具体瞎，寸复合铸件进行热处理。通舰一步的热处理可以促进界面处原子间扩散或者进一步的冶金反应或者调节界面组织，从而提高层与层间结合强度。热处理温度优选范围10050(TC，保温时间优选范围0.510h;直接进行热处理，或者采用保护性气氛进行热处理，保护性气氛,氩气或氮气。6)具有良好塑性的复合铸件经过轧制、挤压、锻造等工艺可以制备镁基层状复合材料的各种型材、板材等。本发明具有如下优点1.本发明提供了一种设计并制备镁基新材料的新途径，扩大了镁基材料的种类，概了镁合金的应用。2.本发明的新型镁基材料，充分发挥了镁及其合金的优点，同时通过与其它材料的搭配弥补了镁合金的不足，实现了镁合金和异种材料优缺点的统一，可制备出各种镁基层状复合材料，使其表现不同盼鹏g，满足各种工业场合f顿，具有广泛的工业应用前景。3.本发明适用于散金与其它各种金属材料的复合，如铝、钛、铜、锌、镍或钢等，可以根据实际需要和材料盼性质进行灵活的选择和搭配。4.本发明的镁基层状复合材料适用各种铸造工艺，工艺简单易操作，成本低廉。5.本发明的漱固复合铸造制紐术工艺简单，成本低廉。6.本发明首次采用复，造技术制备镁基层状复合材料。图l(a)-(b)是Mg/Al层状复合材料的宏观形貌及力学性能测试试样。其中图l(a)为宏观形貌；图l(b)为力学性能测试试樹右侦lj为左侦啲放大照片)。图2是Mg/Al层状复合材料的微观组织形貌。图3(a)-(c)是Mg/Cu层状复合材料的宏观形t級力学鹏测试试样。其中，图3(a)为宏观形貌(右侧为左侦啲放大照片)；图3(b)为拉伸力学性能测试试样；图3(c)为剪切力学性能测试试样。图4是Mg/Cu层状复合材料的微观组织形貌。具体实施例方式本发明基于镁合金发展现状，及层状复合材料现有的制备方法，成功制备出多种镁基层状复合材料。本发明提供一种制备镁基新材料的新途径，扩大镁基材料的种类，概镁合金的应用。本发明的镁基层状复合材料是通过设计组元材料的配合，在镁或镁合金的一侧或者两侧复合不同成分和性能的合金材料，获得的镁基层状复合材料表现出优异的综合性能，满足不同场合X寸材料提出的要求。按照本发明，根据实际需要和材料盼性质进行灵活的选择和搭配可以设计,I^金与其它各种金属材料的层状复合材料，如铝、钛、铜、锌、镍或钢等。如用表层铝与心部镁合金复合，形成镲铝层状复合材料，禾U用铝的抗蚀特点和镁更加轻质等优势，提高复合材料的综合性能。再如，禾佣高塑性和超塑性材料与难加工镁合金的复合也可以提高复合材料的可加工性，或制备超塑性复合材料。本发明的镁基新材料设计思路实现镁合金和异种材料优缺点的统一，制备优异综合性能的镁基层状复合材料。本发明通过采用铸造技术制备镁合金与其它同种或异种合金的层状复合材料。本发明利用^/固复合铸造技术制备相应镁基层状复合材料，其关键工艺步骤如下1)对固相材料结合表面施以预处理，使用砂纸打磨和酸洗、碱洗去除不利于复合的金属表面油污、氧化皮和夹杂等附着物。2)采用表面镀层或涂层对固相材料进行表面活化处理。3)采用表面镀层或涂层对固相材料进行表面保护处理。某些情况下，采用一种表面镀层或涂层处理可以同时达到步骤2和步骤3所述的表面活化和表面保护的目的。4)通过计算固相材料和液相材料的体积比、接触面积，考虑两种材料的熔点，确定固相材料的预热温度、液相材料的浇注温度。如果温度搭配不当，贝何'會隨成固相材料的大量烧损或者界面处的扩散和熔融被抑制，影响复合铸件表面的结合。漱固复合铸造工艺参类姓要包括，固相材料的预热温度和液相材料的浇注温度，固相材料的预热温度为5(TC至该固相材料熔点温度以下10(rC，或者固相材料不预热。液相材料的浇注温度为该液相材料液相线温度以上5030(TC。镁或镁合金可以作为液相材料参与复合铸造，也可以作为固相材料参与复合铸造。一般瞎况下，复合材料中两种金属熔点差别较大时，采用熔点较低的作为液相材料。与镁或镁合金复合的各种金属材料为单层、双层或间隔多层，各层之间层厚比为l:l100:l，ite范围1:110:1;体积比为1:1100:1，优选范围为1:110:1。5)复合铸造完毕根据具体情7i^寸复合铸件进行热处理。通aS—步的热处理可以促进界面处原子间扩散或者进一步的冶金反应或者调节界面组织，从而提高层与层间结合强度。热处理温度j，范围10050(TC，保温时间优选范围0.510h;直接进行热处理，或者采用保护性气氛进行热处理，保护性气氛fte氩气或氮气。6)具有良好塑性的复合铸件经过轧制、挤压、锻造等工艺可以制备镁基层状复合材料的各种型材、板材等。下面结合实施例详述本发明实施例1本实施例l，设计材料AZ31镁合金/纯铝层状复合材料，AZ31镁合金层厚度为18mm，纯铝层厚度为12mm，界面接触面积为100X60mm2。新材料设计原则同样作为轻质的工禾呈禾才茅斗，相X寸铝合金来说，,f^金的强度和塑性较差。另外，绝大多数商用镁合金的耐蚀性都较差，而铝合金则天然形成了致密的氧化膜，耐蚀性能优良，同时具有自修复功能。因此，镁/铝层状复合材料可以极大的解决ff^金的腐蚀问题。通过制备镁/铝层状复合材料可以综，合金和铝合金各自的优势，满足更多场合的使用，扩大镁合金的应用。制皿术漱固复合金属型重力铸造，具体操作步骤如下<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>11)、^/固复合铸造的具体步骤:1)先将纯铝欲结合表面进行预处理，去除表面油污后在砂纸上磨平。2)经碱洗、酸洗清除表面氧化物和杂质，然后电镀锌保护层处理，锌保护层的厚度约为2030pm。3)铝材预处理完毕，将其装入模具，同模具一起预热，预热纟鹏为200250。C。4)熔炼齢金。5)待镁合金冶炼完毕，抬出镁合金坩锅冷却，此时应ffiil取出预热的模具，在镁合金液达到730740。C浇注成型。III)、复合铸件的组织形貌如附图1(a)-(b)所示为采用^/固复合铸造制备的徵铝双层复合材料的宏观形貌。附图2为采用澈固复合铸造制备的徵铝层状复合材料的^H组织形貌。从结合界面处的微观组织形貌可以看出，界面处发生了明显的冶金反应，中间过渡层连接两侧材料，中间过渡层厚度约为150,，界面结合紧密，无明显的裂纹和孔洞。实施例2与实施例1不同之处在于本实施例2，设计材料AZ91镁合勃纯Cu层状复合材料，AZ91镁合金层厚度为100mm，纯铜层厚度为3mm，界面接触面积为80X60mm2。新材料设计原则综合镁合金轻质和铜的优良导电、导热性能。制紐术衝固复合金属型重力铸造，具##作步骤如下I)、合金成分A会O亚元素含量(名义重量百分比％)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>II)、漱固复合铸造的具体步骤:1)先将纯铜进行预处理，去除表面油污后在砂纸上磨平，然后经碱洗、酸洗清除表面氧化物和杂质。2)随后进行表面活化处理，采用电镀锌保护层处理，锌保护层的厚度约为20um。3)铜材处理完毕，将其装入模具，同模具一起预热，预热温度为200250摄氏度。4)熔炼散金。5)待镁合金冶炼完毕，抬出镁合金柑锅冷却，并取出预热的模具，在镁合金液达到760摄氏度浇注成型。IID、复合铸件的组织形貌如附图3(a)-(c)所示为采用漱固复合铸造制备的徵铜双层、三层复合材料的宏观形貌。附图4为采用^/固复合铸造制备的镁/铜层状复合材料的微见组织形貌。从结合界面处的微观组织形貌可以看出，界面处发生了明显的冶金反应，中间过渡层连接两侧材料，中间过渡层厚度约为60100,，界面结合紧密，无明显的裂纹和孔洞。基于相同原理，与镁或^金复合的各种金属材料可以为单层、双层或间隔多层。只要根据具体情况，恰当搭配固相材料的预热温度和液相材料的浇注温度，使两种材料在界面处发生相互扩散、相互熔融形成一层成分与组织介于两种金属之间的过渡合金层即可。试验表明，与镁或齢金复合的各种金属材料为铝、钛、铜、锌、镍或钢，各层之间层厚比在1:1100:1范围内，体积比在1:1100:1范围内，均可实现本发明目的。同时，除了本实例1和实例2戶脱的重力铸造方法外，其它各种铸造方法，如低压铸造、高压铸造、挤压铸造等，通过采用特定的浇注方式或浇注系统都可以用来制备本发明所述的镁基层状复合材料。权利要求1.一种镁基层状复合材料，其特征在于，在镁或镁合金的一侧或者两侧复合不同成分和性能的金属材料，各层之间以冶金方式结合。2.按照权利要求1所述的镁基层状复合材料，其f寺征在于，与镁或镁合金复合的各种金属材料为铝、钛、铜、锌、镍或钢。3.按照权利要求1所述的镁基层状复合材料，其特征在于，与镁或镁合金复合的各种金属材料为单层、双层或间隔多层；各层之间层厚比为1:1100:1，体积比为1:1100:1。4.按照权利要求1所述的镁基层状复合材料的复合铸造制备方法，其特征在于，采用相邻两层衝固复合铸造技术制备镁基层状复合材料，镁或齢金作为液相材料参与复賴造；或者，镁或镁合金作为固相材料参与复满造。5.按照权禾腰求4所述的镁基层状复合材料的复合铸造制备方法，其特征在于，镁基层状复合材料采用的铸造方法为重力铸造、低压铸造、高压铸造或挤压铸造。6.按照权利要求4戶诚的镁基层状复合材料的复合铸造制备方法，其特征在于，激固复錄造工艺参数主要包括，固相材料的预热鹏和液相材料的浇注温度，固相材料的预热温度为5(TC至该固相材料熔点温度以下10(rC，或者固相材料不预热；液相材料的浇注温度为该液相材料液相线温度以上50300°C。7.按照权禾腰求4所述的镁基层状复合材料的复合铸造制备方法，其特征在于，固相材料预热过程中的欲结合表面的保护处理。表面保护处理为采用保护气体进行预热处理，保护气体雌氩气或氮气；或者表面镀层或涂层处理，镀层或涂层为熔点介于固相材料预热温度和液相材料浇注温度之间的金属材料。8.按照权利要求4所述的镁基层状复合材料的复合铸造制备方法，其特征在于，复合铸造之前，对固相材料结合表面施以预处理，去除不利于复合的金属表面附着物；预处理后，固相材料的表面活化处理，表面活化处理为表面镀层或涂层，镀层或涂层采用与液相材料和固相材料均有较好合金化性能的金属材料。9.按照权利要求4戶/M的镁基层状复合材料的复合铸造制备方法，其特征在于，复合铸造完毕，根据具体斷，寸复合铸件进行扩散热处理，热处理^M趟范围10050(TC，保温时间范围0.510h;直接进行热处理，或者采用保护性气氛进行热处理，保护性气氛雌氩气或氮气。10.按照权利要求4所述的镁基层状复合材料的复合铸造制备方法，其特征在于，复合铸造所得的铸件经过轧制、挤压或者l^t制备镁基层状复合材料的各种型材、板材。全文摘要本发明涉及镁基材料及其制备技术，具体地说是一种新型多功能镁基层状复合材料及其复合铸造制备方法，解决镁合金在潮湿空气环境或氯离子环境中腐蚀破坏严重、综合力学性能差等问题。本发明的技术思路是通过设计组元材料的配合，在镁或镁合金的一侧或者两侧复合不同成分和性能的合金材料，各层之间以冶金方式结合，获得的镁基层状复合材料表现出优异的综合性能，满足不同场合对材料提出的要求。本发明的复合铸造制备技术可以采用各种铸造方法制备出界面致密冶金结合的镁基层状复合材料。本发明提供一种制备镁基新材料的新途径，适用于镁或镁合金与其它各种金属材料的复合，如铝、钛、铜、锌、镍或钢等，扩大镁基材料的种类，推进镁合金的应用。文档编号C23C30/00GK101104325SQ200710012340公开日2008年1月16日申请日期2007年8月1日优先权日2007年8月1日发明者陈荣石,韩恩厚,磊高申请人:中国科学院金属研究所