CN106319167A - 一种耐腐蚀的轧制铝钢复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐腐蚀的轧制铝钢复合材料及其制备方法。该制备方法包括：材料准备、轧制、退火和热处理四个步骤。材料准备：准备铝板和钢板，并将所述铝板和所述钢板的表面进行打磨处理；轧制：将准备好的铝板和钢板用冷轧法轧制复合成铝钢复合材料；退火：将轧制步骤轧制复合好的铝钢复合材料进行退火处理，使钢完全再结晶；热处理：将退火步骤处理好的轧制铝钢复合材料在610‑620℃下保温10‑30min，使得铝层和钢层的界面处均有一层厚度为4‑12μm的铁铝金属间化合物。本发明公开的制备方法制备出的轧制铝钢复合材料的耐腐蚀性能良好。

Description

一种耐腐蚀的轧制铝钢复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及轧制铝钢复合材料，具体涉及一种耐腐蚀的轧制铝钢复合材料及其制备方法。
背景技术
钢铁作为工业建设中最重要的基础材料，其腐蚀和磨损一直是困扰人们的主要问题。目前国内外普遍采用复合铝层的表面处理技术，该技术不仅把铝的耐蚀性和钢的强度结合起来，而且使钢材具有新的性能即耐热性，并对光、热有良好的反射性，使钢材具备耐蚀性高、抗高温氧化、耐磨、硬度高等优点。
近年来，随着新材料、新工艺在工业生产中的广泛应用，热浸镀铝(热浸镀铝是将经过一定前处理的钢铁材料或制品放入一定温度的熔融铝或铝合金溶液中，浸渍适当时间，使固态基底材料和液态铝之间发生一系列冶金反应，从而达到表面防护和表面强化相结合的一种表面处理技术。)是目前国内采用最多的钢铁材料表面处理工艺方法，因质优价廉的特点成为世界各国金属材料的主要防腐方法。热浸镀铝难以控制镀层厚度以及酸碱洗、覆盖剂、助镀剂对设备的腐蚀和环境污染以及能耗问题，迫使人们不断改进热浸镀铝技术工艺并寻求新的高效、节能、环保、无污染的覆盖剂及助镀剂配方。
轧制复合生产的复合材料表面质量好、尺寸精度高，其生产过程比较环保，轧制复合带材覆层的厚度调整空间大，覆层的包覆比易于控制，生产的复合带材性能均匀、一致性好，装备及技术较为成熟，可进行成卷连续生产，生产效率高，生产成本低，易实现铝钢复合带材的批量生产。然而，轧制铝钢复合材料的耐腐蚀性却远远不及镀铝钢。因此，要想用轧制铝钢复合材料替代镀铝钢的使用，有必要提出一种提高轧制铝钢复合材料腐蚀性能的方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种耐腐蚀的轧制铝钢复合材料及其制备方法。
根据本发明的一个方面，本发明公开了一种制备耐腐蚀的轧制铝钢复合材料的方法，所述方法包括如下步骤：
材料准备：准备铝板和钢板，并将所述铝板和所述钢板的表面进行打磨处理；
轧制：将准备好的所述铝板和所述钢板用冷轧法轧制复合成铝钢复合材料；
退火：将所述轧制步骤轧制复合好的铝钢复合材料进行退火处理，使钢完全再结晶；
热处理：将所述退火步骤处理好的轧制铝钢复合材料在610-620℃下保温10-30min，使得铝层和钢层的界面处均有一层厚度为4-12μm的铁铝金属间化合物。
在本发明的一个实施方案中，所述铝板的厚度为60-80μm。在本发明的一个实施方案中，在所述退火步骤中，将所述退火的温度和时间分别设置为500-540℃和20-28h。
在本发明的一个实施方案中，所述钢板为低碳钢。
根据本发明的另一个方面，本发明还公开了一种耐腐蚀的轧制铝钢复合材料，所述耐腐蚀的轧制铝钢复合材料是由上述方法制造而成。
由于铁铝金属间化合物会影响铝钢界面的结合性能，大部分的研究都集中在如何减少铁铝金属间化合物的厚度。而本发明却是利用铁铝金属间化合物良好的耐腐蚀性能，保护轧制铝钢复合材料的钢层不受到腐蚀。
本发明公开的轧制铝钢复合材料的耐腐蚀性能非常好。
此外，本发明公开的制备该种耐腐蚀的轧制铝钢复合材料的方法仅需在现有工艺的基础上增加热处理工序，即可使得制备出的轧制铝钢复合材料具有良好的耐腐蚀性能，还不会影响铝钢界面的结合性能。就腐蚀性能而言，此方法为轧制铝钢复合材料替代镀铝钢提供了依据。
附图说明
图1为现有技术中一种镀铝钢的界面显微组织的放大图。
图2为现有技术中一种轧制铝钢复合材料的界面显微组织的放大图。
图3为图1所示的镀铝钢盐雾腐蚀10天后的照片。
图4为图2所示的轧制铝钢复合材料盐雾腐蚀4天后的照片。
图5为本发明实施例中的一种制备耐腐蚀的轧制铝钢复合材料的工艺流程图。
图6为本发明实施例中的一种耐腐蚀的轧制铝钢复合材料的界面显微组织的放大图。
图7为图6所示的耐腐蚀的轧制铝钢复合材料盐雾腐蚀10天后的照片。
图8为本发明实施例中的另一种耐腐蚀的轧制铝钢复合材料的界面显微组织的放大图。
图9为图8所示的耐腐蚀的轧制铝钢复合材料盐雾腐蚀10天后的照片。
图10为本发明实施例中的另一种耐腐蚀的轧制铝钢复合材料的界面显微组织的放大图。
图11为图10所示的耐腐蚀的轧制铝钢复合材料盐雾腐蚀10天后的照片。
图12为图10所示的耐腐蚀的轧制铝钢复合材料盐雾腐蚀15天后的照片。
图中：
1：铝层；2：钢层；3：铁铝金属间化合物。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
需要说明是，本文中，中性盐雾试验所用试剂采用化学纯或化学纯以上的试剂。在温度为25℃±2℃时电导率不高于20μS/cm的蒸馏水或去离子水中溶解氯化钠，将其配制成浓度为50g/L±5g/L的溶液。所收集的盐雾液浓度为50g/L±5g/L。在25℃时，配制的溶液密度在1.029-1.036范围内。其中，氯化钠中的铜含量应低于0.001wt％，镍含量应低于0.001wt％。铜和镍的含量有原子吸收分光光度法或其他具有相同精度的分析方法测定。氯化钠中碘化钠含量不应超过0.1wt％或以干盐计算的总杂质不应超过0.5wt％。试验溶液的pH值应调整至使盐雾箱收集的喷雾溶液的pH值在6.5-7.2之间。pH值的测量应在25℃±2℃用酸度计测量，也可以用测量精度不大于0.3的精密pH试纸进行日常检测。超出范围时，可加入分析纯盐酸、氢氧化钠或碳酸氢钠来进行调整。盐雾试验期间，每天开箱取出轧制复合铝钢板和镀铝钢板各一块观察其各自的腐蚀情况。盐雾试验时试样四周用透明胶带封闭，防止铁、铝及铁铝相间形成原电池出现自腐蚀现象。
图1为现有技术中一种镀铝钢的界面显微组织的放大图，该镀铝钢的界面间有一层厚度为4μm的铁铝金属间化合物。图2为现有技术中一种轧制铝钢复合材料的界面显微组织的放大图，该轧制铝钢复合材料的界面间无铁铝金属间化合物。该镀铝钢和该轧制铝钢复合材料的总厚度均为0.44mm。
将该轧制铝钢复合材料和该镀铝钢放入盐雾箱进行中性盐雾试验。盐雾试验4天后发现轧制铝钢复合材料的钢层开始出现生锈现象，而此时镀铝钢的钢层没有生锈迹象。该轧制铝钢复合材料盐雾试验4天的照片请见图4。盐雾试验10天后发现轧制铝钢复合材料的钢层已存在严重腐蚀生锈，而此时镀铝钢的钢层还未开始腐蚀，仅露出了铁铝金属间化合物。镀铝钢盐雾试验10天的照片请见图3。由此可知，相同腐蚀条件下，镀铝钢的耐腐蚀性能优于轧制铝钢复合材料，这主要是由镀铝钢在铝层和钢层中间存在一层铁铝金属间化合物的中间层，该层具有良好的耐腐蚀性能。从该试验还可得知，铁铝金属间化合物的厚度仅有4μm即能保护钢层不受腐蚀。
研究表明，铁铝金属间化合物的成分主要为Fe2Al5、FeAl2和FeAl3，其性能十分稳定，耐腐蚀性强。
铁铝金属间化合物会降低界面的结合性能，其结合强度与金属间化合物的厚度有一定的关系。有研究表明，当铁铝金属间化合物的厚度在12μm以下时，铝钢界面仍然保持很好的结合性能，其界面结合强度大于45MPa；当铁铝金属间化合物的厚度为25-45±2.5μm时，其界面结合强度降至10-20MPa；随着铁铝金属间化合物的厚度增加至55-70±2μm时，其界面结合强度只有5-10MPa，甚至出现铝钢界面分层现象。
本发明公开了一种制备耐腐蚀的轧制铝钢复合材料的方法，包括如下步骤：
材料准备：准备铝板和钢板，并将铝板和钢板的表面进行打磨处理；
轧制：将准备好的铝板和钢板用冷轧法轧制复合成铝钢复合材料；
退火：将轧制步骤轧制复合好的铝钢复合材料进行退火处理，使钢完全再结晶；
热处理：将退火步骤处理好的轧制铝钢复合材料在610-620℃下保温10-30min，使得铝层和钢层的界面处均有一层厚度为4-12μm的铁铝金属间化合物。
为了使铝板和钢板能更好的轧制复合，在轧制前，需将铝板和钢板的表面进行打磨处理。
发明人发现，退火处理后的钢层需完全再结晶，才能保证制备出的轧制铝钢复合材料的成形性能好。
热处理步骤的保温温度为610-620℃。保温温度太低，生成铁铝化合物，需要较长的时间，甚至不能生成铁铝金属间化合物；温度太高，难以控制铁铝金属间化合物的生长速率，容易导致生成的铁铝金属间化合物的厚度太大。在此温度下，合适的保温时间为10-30min。
铁铝金属间化合物的厚度为4-12μm，既能保证铝钢界面保持良好的结合性能，也能使该轧制铝钢复合材料具有良好的耐腐蚀性。
轧制步骤所用的铝板和钢板的厚度不需要特别限定。铝本身的腐蚀性能是较好的，从耐腐蚀的角度说，铝钢复合材料的铝层的厚度越大越好，但是考虑到冷轧铝钢复合的条件以及减重等各方面因素，铝钢复合材料的铝层的厚度最好为20-30μm。要想使得铝钢复合材料的铝层的厚度为20-30μm，铝板的厚度最好为60-80μm。当然，在铝钢能复合的前提下，根据实际应用的需要，钢板和铝板的厚度可以按照实际需要任意调整。
退火步骤的退火温度及退火时间不需要特别限定，只要退火后钢能完全再结晶即可。退火温度太高或太低，钢都不能完全再结晶。退火温度太低，即使保温很长时间，钢层也很难完全再结晶，进而影响铝钢复合材料的成形性能；温度太高，虽说保温短时间钢层可以完全再结晶，但将会影响后续铝钢复合材料的使用，因此，最佳的退火温度为500-540℃，在此温度下，最佳的退火时间为20-28h。
金属复合材料的轧制方法分为冷轧和热轧，对于铝钢复合材料来说，因为钢表面很容易形成一层氧化层，而该氧化层的存在将会阻止铝和钢的结合，使得铝钢很难结合，因此本发明选用冷轧法轧制。此外，冷轧产品表面质量优良，热轧产品表面质量较差，而且需要在控制气氛中使铝钢轧制结合，成本较高。。
所用的铝板和钢板的具体型号及具体成分并不需要特别限定。铝板可以是工业级纯铝(如1050铝或1060铝)，也可以是铝合金(如6061铝合金或镁铝合金)。有研究表明，对于铝钢复合材料，钢中碳的含量和铝中硅的含量会影响铁铝金属间化合物的生成。钢中碳的含量越高，铁铝金属间化合物越难形成，而且碳含量越高在保证铝合金不过烧条件下实现钢的完全再结晶是不可能的，以至于铝钢复合板不能有良好的成形性能，因此，钢板最好选用低碳钢。硅的含量高也会抑制铁铝金属间化合物的生成，但是在一定的条件下，铝层和钢层还是能生成铁铝金属间化合物。4A60铝和08Al钢是轧制铝钢复合材料常用的原料，是制备耐腐蚀的轧制铝钢复合材料的优选的原料。08Al钢碳含量低，在保证铝合金不过烧和熔化的前提下可以实现钢层冷轧组织能够完全再结晶，以便铝钢复合材料后续成形使用；4A60铝合金的选择基于硅含量考虑，研究表明，此时的硅含量能保证覆层与铝合金翅片钎焊过程铝钢界面化合物不影响铝钢复合材料的使用。
本发明还公开了一种耐腐蚀的轧制铝钢复合材料，该耐腐蚀的轧制铝钢复合材料由上述方法制备而成。
本发明的耐腐蚀的轧制铝钢复合材料的结构可以是“铝-钢-铝”结构，也可以是“铝-钢”结构，即，钢层可以两面都被铝层覆盖，也可以仅有一面被铝层覆盖，可根据实际需要进行选择。
下面参考具体实施例，对本发明进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述发明内容中所示。下述实施例和对比例所用的检测方法均为本行业常规的检测方法。
下述实施例和对比例所用的铝板和钢板的具体成分请见表1。下述实施例和对比例制备出的轧制铝钢复合材料的结构为“铝-钢-铝”结构，即钢层两面都被铝层覆盖。
对比例
本对比例采用图5所示的工艺制备轧制铝钢复合材料。其中，轧制步骤所用的轧制方法为冷轧法，所用的铝板的厚度为70μm、钢板为0.8mm；退火步骤的退火温度为520℃、退火时间为24h。
按照下面5种条件分别设置热处理步骤的保温温度和保温时间，观察是否有铁铝金属间化合物生成并测量该铁铝金属间化合物的厚度：
(1)保温温度为605℃、保温时间为40min；
(2)保温温度为615℃、保温时间为3min；
(3)保温温度为615℃、保温时间为30min；
(4)保温温度为615℃、保温时间为60min；
(5)保温温度为620℃、保温时间为30min。
结果如下：(1)组界面间无铁铝金属间化合物；(2)组界面间无铁铝金属间化合物；(3)组界面的铁铝金属间化合物的厚度为8μm；(4)组界面的铁铝金属间化合物的厚度为29μm；(5)组界面的铁铝金属间化合物的厚度为12μm。
实施例1
本实施例采用图5所示的工艺制备耐腐蚀的轧制铝钢复合材料。其中，轧制步骤所用的轧制方法为冷轧法，所用的铝板的厚度为60μm、钢板为0.2mm；退火步骤的退火温度为500℃、退火时间为28h；热处理步骤的保温温度为610℃、保温时间为30min。
制备出的轧制铝钢复合材料的界面显微组织请见图6，铁铝金属间化合物的厚度为5μm。
将该轧制铝钢复合材料放入盐雾箱进行中性盐雾试验，盐雾腐蚀10天后，铝层穿孔，铁铝金属间化合物暴露但钢层未生锈。盐雾腐蚀10天后的照片请见图7。
实施例2
本实施例采用图5所示的工艺制备耐腐蚀的轧制铝钢复合材料。其中，轧制步骤所用的轧制方法为热轧法，所用的铝板的厚度为70μm、钢板为0.6mm；退火步骤的退火温度为540℃、退火时间为20h；热处理步骤的保温温度为620℃、保温时间为10min。
制备出的轧制铝钢复合材料的界面显微组织请见图8，铁铝金属间化合物的厚度为7μm。
将该轧制铝钢复合材料放入盐雾箱进行中性盐雾试验，盐雾腐蚀10天后，铝层穿孔，铁铝金属间化合物暴露但钢层未生锈。盐雾腐蚀10天后的照片请见图9。
实施例3
本实施例采用图5所示的工艺制备耐腐蚀的轧制铝钢复合材料。其中，轧制步骤所用的轧制方法为冷轧法，所用的铝板的厚度为80μm、钢板为0.4mm；退火步骤的退火温度为520℃、退火时间为24h；热处理步骤的保温温度为620℃、保温时间为20min。
制备出的轧制铝钢复合材料的界面显微组织请见图10，铁铝金属间化合物的厚度为9μm。
将该轧制铝钢复合材料放入盐雾箱进行中性盐雾试验，盐雾腐蚀10天后，铝层穿孔，铁铝金属间化合物暴露但钢层未生锈；盐雾腐蚀15天后，钢层依然未生锈。盐雾腐蚀10天后的照片请见图11，盐雾腐蚀15天后的照片请见图12。
表1铝和钢的具体成分(wt％)
从对比例可知，制备该种耐腐蚀的轧制铝钢复合材料的保温温度及保温时间需特别注意。保温温度太低，难以生成铁铝金属间化合物；在一定的时间内，温度越高，生成铁铝金属间化合物的厚度越大。从而可以得知，保温的温度有一个比较合适的范围，温度太高，难以控制铁铝金属间化合物的生长速率，容易导致生成的铁铝金属间化合物的厚度太大，从而影响铝钢界面的结合性能。此外，在一定的温度下，保温时间越长，生成的铁铝金属间化合物的厚度越大。
从实施例1到实施例3可知，本发明公开的方法制备出的轧制铝钢复合材料的耐腐蚀性能非常好，盐雾试验10天，钢层都还未受到腐蚀。实施例3制备出的轧制铝钢复合材料，盐雾试验15天，钢层也丝毫未受到腐蚀。由此可知，铁铝金属间化合物能有效的保护轧制铝钢复合材料的钢层不受到腐蚀。
综上可知，本发明公开的轧制铝钢复合材料的耐腐蚀性能非常好。
此外，本发明公开的制备该种耐腐蚀的轧制铝钢复合材料的方法仅需在现有工艺的基础上增加热处理工序，即可使得制备出的轧制铝钢复合材料具有良好的耐腐蚀性能，还不会影响铝钢界面的结合性能。就腐蚀性能而言，此方法为轧制铝钢复合材料替代镀铝钢提供了依据。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (5)

1.一种制备耐腐蚀的轧制铝钢复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
材料准备：准备铝板和钢板，并将所述铝板和所述钢板的表面进行打磨处理；
轧制：将准备好的所述铝板和所述钢板用冷轧法轧制复合成铝钢复合材料；
退火：将所述轧制步骤轧制复合好的铝钢复合材料进行退火处理，使钢完全再结晶；
热处理：将所述退火步骤处理好的轧制铝钢复合材料在610-620℃下保温10-30min，使得铝层和钢层的界面处均有一层厚度为4-12μm的铁铝金属间化合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝板的厚度为60-80μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述退火步骤中，将所述退火的温度和时间分别设置为500-540℃和20-28h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢板为低碳钢。
5.一种耐腐蚀的轧制铝钢复合材料，其特征在于，所述耐腐蚀的轧制铝钢复合材料是由权利要求1-4中任一所述的方法制造而成。
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