CN109047368A - 一种铝包镁复合棒线材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种铝包镁复合棒线材的制备方法。该方法包括以下步骤：对镁合金芯材表面进行清洗，然后将其放置于结晶器中心位置并与牵引装置连接固定；将铝合金加热熔化后浇入结晶器的浇注内腔，铝合金液与镁合金芯材接触，在芯材表面冷却凝固形成包覆铝合金层，同时启动牵引装置将复合后的坯料从结晶器下方拉出，实现连续包覆；其中：控制结晶器的浇注内腔的内径尺寸与镁合金芯材内径尺寸比为1.5‑2.3：1；最后将铝包镁复合坯料加热后进行连续多道次轧制，通过调节轧制道次和轧孔形状，制备不同截面尺寸和截面形状的铝包镁复合棒线材。本发明得到的材料具有良好的组织性能，成本低、效率高，适用性广。

Description

一种铝包镁复合棒线材的制备方法

技术领域

本发明属于复合金属加工技术领域，尤其涉及一种铝包镁复合棒线材的制备方法。

背景技术

镁合金是目前工业中密度最小的金属结构材料，且具有高的比强度，良好的消震性和电磁屏蔽性，但是塑性和耐蚀性差；铝合金具有较好的塑性和耐蚀性，但是密度相比镁合金较大。铝包镁双金属棒线材可以结合两种材料的优势，在通讯、电子、交通运输等行业有着广阔的市场和应用前景。

制备双金属复合棒线材的关键是获得具有良好结合性能的界面。冶金结合界面是通过原子相互扩散使两种金属材料紧密的结合在一起，相比机械结合界面，具有结合强度高、稳定性好、杂质缺陷少等优点。目前国内生产双金属复合棒线材的方法主要有：

1)焊接包覆法。CN102642344A公开了一种铝包镁合金线材及其制备方法，首先将表面预处理后的铝带材包覆在镁合金线材外部，然后在氩气保护下进行氩弧焊接将铝焊接在一起，最后经拉拔和热处理后得到铝包镁线材。该方法工艺难度大，流程复杂，加工成本高，且界面不能形成均匀的冶金结合。

2)套管法。CN104475478A公开了一种多金属复合棒材的制备方法，将处理后的空心辅材套到实心基材上，再进行多道次拉拔成型。该方法需要对原材料内外层进行除污处理，装配时还要控制间隙量和内外层长度，工艺繁琐，效率低，界面结合质量不均匀。

3)浸涂法。仅适用于熔点相差较大的合金的复合，由于铝和镁的熔点仅相差约10℃，该方法不能用于铝包镁复合材料的制备。

3)电镀法。具有能耗高，有污染，可生产产品领域过窄等缺点，由于铝的化学性质活泼，该方法并不能用于铝包镁双金复合材料的制备。

发明内容

本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种铝包镁复合棒线材的制备方法。该方法采用铸造复合法制备铝包镁复合铸锭后直接轧制成型，通过在结晶器内壁设计环形分体导热模块调节结晶器内径尺寸和内壁高度，控制覆层金属液厚度与芯材尺寸之间的比例，实现覆层和芯层在界面处形成良好的冶金结合，再经过多道次轧制获得界面无氧化皮残留、无分层的铝包镁复合材料；本发明省去金属表面预处理工艺、包覆焊接工艺和抽真空工艺，有效提高生产效率，降低生产成本，获得良好均匀冶金结合界面，可实现不同截面形状和尺寸的铝包镁复合棒线材的制备。

本发明的技术方案：

一种铝包镁复合棒线材的制备方法，包括以下步骤：

(1)芯材处理：对镁合金芯材表面进行清洗，然后将其放置于结晶器中心位置并与牵引装置连接固定；

(2)连铸包覆：将铝合金加热至600-750℃熔化后浇入结晶器的浇注内腔，铝合金液与镁合金芯材接触，在芯材表面冷却凝固形成包覆铝合金层，同时启动牵引装置将复合后的坯料从结晶器下方拉出，实现连续包覆；

其中：控制结晶器的浇注内腔的内径尺寸与镁合金芯材内径尺寸比为1.5-2.3：1，牵引速度为80-200mm/min；

(3)轧制成型：将铝包镁复合坯料加热至150-350℃保温0.5-2h，然后在孔型轧机上进行连续轧制，轧制道次1-18道次，道次变形量为10-26％，总变形量10-97％，获得铝包镁复合棒线材；

(4)精校整型：通过校直平台或工具对轧制后的复合材料进行校直，最后进行精修光，即可生产出不同截面形状和尺寸的铝包镁复合棒线材。

所述镁合金为金属镁、镁-铝系列、镁-锰系列、镁-锌系列或镁-稀土系列合金；

所述铝合金为金属铝、铝-镁系列、铝-锰系列或铝-硅系列合金；

所述镁合金芯材截面形状优选为圆形，直径优选为5-40mm；

所述包覆铝合金层的厚度优选为1-8mm；

所述结晶器的浇注内腔的高度为20-100mm，内径尺寸为10-60mm，内部通冷却水；

所述孔型轧机特征为在一对轧辊上设计8-20个轧制孔型；所述轧制孔型为圆形、方菱形或椭圆形；

所述的控制结晶器的浇注内腔的内径尺寸与镁合金芯材内径尺寸比的方法为：通过调节环形分体导热模块的厚度来改变结晶器内腔尺寸，即将环形分体导热模块装配于结晶器内壁位置处，分体导热模块外壁与结晶器内壁贴紧，模块内壁形成结晶器的圆柱形浇注内腔；

通过调节环形分体导热模块的高度改变结晶器的浇注内腔的高度；

所述环形分体导热模块的材质优选为高纯石墨；

所述环形分体导热模块拼接处缝隙尺寸为0.1-0.6mm。

本发明的实质性特点为：

①轧制坯料的制备采用直接铸造复合法，而不是传统的包覆焊接工艺或套管工艺，简化工艺流程；②轧制时采用在一对轧辊上开设多个孔型的方法进行连续多道次往复轧制，即可以在一台轧机上实现不同尺寸样品的轧制制备，简化流程，降低成本。

制备方法中的关键步骤：①铸造复合时通过在结晶器内壁设计环形分体导热模块调节结晶器浇注内腔的直径和高度，从而控制包覆铝合金层与镁合金芯材尺寸之间的比例关系和结晶器内液面高度，制备界面无氧化、实现良好冶金结合的铝包镁复合坯料；②轧制时通过调节轧制道次和轧孔形状，制备不同截面尺寸和截面形状的铝包镁复合棒线材。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1)良好的组织性能。本发明采用铸造包覆法制备铝包镁复合坯料，在复合时界面无氧化物产生，在后续轧制过程中消除了氧化层对界面结合质量的不利影响；同时在垂直连铸包覆时铝合金熔体与镁合金芯材接触时间短，避免铝熔体与芯材发生过度熔合和扩散反应，界面所形成的较薄的反应层在后续轧制过程中，在轧制力作用下碎化开裂并镶嵌于界面处，起到弥散颗粒强化作用，从而获得具有良好组织性能的铝包镁复合材料，分析结果表明，采用本发明方法制备的铝包镁复合材料界面无氧化皮残留和分层现象，经过8道次轧制得到的铝包镁复合棒材抗拉强度为68MPa，与相同工艺制备的纯铝棒强度相当，但是其比重仅为纯铝棒的66％-72％。

2)成本低、效率高。铸造包覆法一次制备界面结合良好的铝包镁复合坯料，与传统包覆焊接法和套管法相比，省去了表面预复合处理、装配、包覆焊接和抽真空等工艺；同时通过在一对轧辊上设计多个孔型进行连续往复多道次轧制，减少了轧机数量，可以更灵活方便的改变轧制工艺和孔型结构，从而降低了成本，提高了制备效率，缩短了产品周期。

3)适用性广。本发明不用更换结晶器，仅需通过改变环形分体导热模块的尺寸即可实现不同直径尺寸和包覆层厚度的铝包镁复合坯料的制备；同时轧制时通过选择不同的轧制孔型和轧制道次，即可生产出不同截面形状和尺寸的铝包镁复合棒线材。

4)应用前景广泛。本发明涉及的铝包镁复合棒线材制备方法具有界面结合质量好、成本低、流程短、能耗低、污染小的特点，能较好的满足通讯、电子及交通运输领域的需求。

附图说明

图1为本发明一种铝包镁复合棒线材的制备方法的流程图；

图2为本发明实施例连铸包覆示意图；

图3为本发明实施例2轧制孔型示意图；

图4为本发明实施例1制备的铝包镁复合线材结构示意图；

图5为本发明实施例1制备的铝包镁复合线材结合界面扫描电镜图。

图示说明：

其中，1-镁合金，2-液态铝合金，3-环形分体导热模块，4-结晶器，5-包覆铝合金层， 6-轧辊，7-孔型，8-铝合金层，9-镁合金层。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，并非对本发明保护范围的限制。

本发明的机理为：由于铝和镁的熔点仅相差约10℃，铸造复合时若工艺控制不当，浇入的高温铝金属液会使镁合金芯材表面大面积重熔，根据铝-镁二元合金相图可知铝-镁之间存在低熔点脆性第二相，重熔以后的镁合金芯材熔体与铝合金熔体混合，冷却凝固后就在界面形成厚的脆性第二相层，其厚度可达几毫米至几十毫米，严重降低界面结合质量，甚至造成界面开裂。所以传统方法都避免采用铸造复合法制备铝包镁复合材料，而是采用包覆焊接或套管法。但是由于包覆焊接或套管法都是在两种材料为固态的情况下进行复合，其表面质量 (油污、杂质、特别是氧化层)对最终界面结合质量有重要影响，在包覆前都要进行特别的处理(酸洗、碱洗、丙酮清洗、超声清洗、打磨等)，板材包覆后还需对连接部位进行焊接处理，同时为了保证轧制时界面质量，有时还需抽真空处理(轧制或拉拔前需要预热，为防止预热过程中结合表面再次氧化形成氧化皮)，相比而言，铸造复合一步成型，不存在氧化层对界面的影响，这是铸造复合的优势。难点在于浇注覆层金属液的时候需要控制工艺参数从而控制界面反应在一定范围内，即：镁合金芯材表面有一定的重熔，但不能太多，从而形成较薄的界面反应层(小于1mm)；不能不反应，不反应的话界面就是“两层皮”的状态，其结果就与套管法相似，在后续加热时会在界面产生氧化。本发明通过在结晶器内壁设计环形分体导热模块调节结晶器内腔尺寸和内腔高度，从而控制包覆铝合金层与镁合金芯材尺寸之间的比例关系和结晶器内液面高度，配合合适的铸造速度，实现较薄界面反应层的铝包镁复合坯料的制备。在后续的轧制过程中，利用轧制过程中的大应变作用迫使反应层碎化开裂并镶嵌于界面处，两侧基体金属挤入裂缝形成接触并结合，获得多相复合的界面特性，起到弥散颗粒强化作用，从而改善和优化界面性能，消除铸造复合时形成的界面反应层的不利影响，获得具有良好结合性能的铝包镁复合棒线材。

参阅图1、图2和图3，本发明实施例提供了一种铝包镁复合棒线材的制备方法，具体包括以下步骤：

S1、选用镁合金1和铝合金2为原料，将所述镁合金1表面进行除油和清洗处理；

S2、将所述铝合金2加热熔化后浇入环形分体导热模块3的内腔，环形分体导热模块3 装配于结晶器4内壁，液态铝合金2与镁合金1表面接触并在其表面凝固形成包覆铝合金层 5，获得铝包镁复合坯料；

S3、将所述铝包镁复合坯料进行加热；

S4、将所述加热后的铝包镁复合坯料经多道次孔型轧制加工和精校整型，得到铝包镁复合棒线材。

具体地，步骤S1、选用镁合金1和铝合金2为原料，将所述镁合金1表面进行除油和清洗处理。

本发明实施例提供的铝包镁复合棒线材的制备方法中，制备原料使用镁合金1和铝合金 2，镁合金1作为内芯材料，铝合金2作为外层包覆材料。

其中，镁合金1为金属镁、镁-铝系列、镁-锰系列、镁-锌系列或镁-稀土系列合金材料，铝合金2为金属铝、铝-镁系列、铝-锰系列或铝-硅系列合金材料。

镁合金1的形状和尺寸可根据产品的使用需要来选择，镁合金1可以为圆形，椭圆形或方形，直径尺寸优选为5-40mm；

在进行复合之前，要对镁合金1外表面进行除油和清洗处理，以保证镁合金1外表面达到无油污、无氧化等效果；其中，机械处理方法可采用钢刷进行打磨处理，化学清洗方法可采用NaOH溶液或丙酮清洗相结合的清洗方式；本发明实施例中公开的清洗方式并不限于上述方式，还可采用其它清洗方式处理。

步骤S2、将所述铝合金2加热熔化后浇入环形分体导热模块3的内腔，环形分体导热模块3装配于结晶器4内壁，液态铝合金2与镁合金1表面接触并在其表面凝固形成包覆铝合金层5，获得铝包镁复合坯料。

将环形分体导热模块3装配于结晶器4内壁位置处，分体导热模块3外壁与结晶器4内壁紧密接触，内壁形成结晶器4的浇注内腔，然后将液态铝合金2在加热炉内加热熔化，加热温度600-750℃，进行精炼和拔渣处理后浇入结晶器4的浇注内腔与镁合金1接触，液态铝合金2受到结晶器4和镁合金芯材1的冷却作用，在芯材表面凝固形成包覆铝合金层5，与芯材形成良好冶金结合。

通过调节分体导热模块3的厚度改变浇注内腔的内径尺寸，获得不同的包覆铝合金层5 的厚度，控制结晶器的浇注内腔的内径尺寸与镁合金芯材内径尺寸比为1.5-2.3：1，包覆铝合金层5的厚度优选为1-8mm；通过调节分体导热模块3的高度改变浇注内腔的高度，以及液态铝合金2与结晶器4之间的热量传输过程，从而控制液态铝合金2的凝固过程。

步骤S3、将所述铝包镁复合坯料进行加热。

根据镁合金1具有室温脆性大、不容易塑性变形的特点，在进行轧制之前需对铝包镁复合坯料进行加热；加热选择在电阻炉内进行，加热温度控制在150-350℃，保温0.5-2h，加热温度不宜过高，否则可能产生过热、过烧，或在界面区域由于原子扩散反应生成较厚的脆性相层；保温时间不宜过长，提高生产效率。

步骤S4、将所述加热后的铝包镁复合坯料经多道次孔型轧制加工和精校整型，得到铝包镁复合棒线材。

孔型轧制过程中采用连续加压的方式，从大尺寸孔型逐步轧至小尺寸孔型；通过控制轧制道次，获得不同截面尺寸的包覆材料；通过调节通过的轧制孔型位置，改变轧制过程中的变形量，调节包覆率；通过改变轧制孔型形状，可获得不同截面形状的包覆材料；因此，可根据需要非常容易地轧制成想要的形状和尺寸的铝包镁复合棒线材产品。

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面将结合具体实施例对本发明做进一步的举例说明。

本发明涉及的结晶器为公知器件，主要部分为一个内部为空心的金属套(钢或铝合金)，在结晶器外壁上下两个位置处设计水口对结晶器内部通冷却水，浇入结晶器内腔的金属液通过内腔壁与冷却水进行热交换，实现强制冷却和快速凝固。

实施例1

本实施例选用直径10mm的工业纯镁(≧99.94wt.％)作为芯材，工业纯铝(≧99.79wt.％) 作为包覆层材料。将纯镁棒外表面采用钢刷打磨和化学方法清理干净，去除油污和氧化层，然后将其放置于结晶器中心位置并与牵引装置固定。

将环形分体石墨模块(材质为高纯石墨，含碳量99.96％)安装于结晶器内壁，模块外壁与结晶器内壁紧密接触，厚度为11mm，内壁高度23mm，内腔尺寸20mm；在电阻加热炉内将纯铝加热熔化，加热温度740℃，精炼拔渣后降温至700℃保温5min，然后将铝金属液浇入结晶器的浇注内腔与镁芯材接触进行连续包覆，牵引速度160mm/min,铝金属液在结晶器和芯材的冷却作用下迅速凝固，与镁芯材形成良好的冶金结合，获得铝包镁复合坯料；由于金属熔体凝固过程中的收缩，包覆铝层平均厚度为4.2mm。

将铝包镁复合坯料放置于电阻加热炉中加热至240℃，保温0.5h，然后进行连续多道次孔型轧制，轧制孔型为圆型，轧辊直径400mm，轧辊转速50转/分钟，轧制道次8道次，获得直径为7.8mm、铝层厚度为1.2mm的铝包镁复合材料，其中，包覆铝层8和镁芯层9的结构示意图如图4所示。

图5是实施例1中铝包镁复合材料结合界面扫描电镜图，可以看出，结合界面处也没有明显的化合物、孔洞和裂纹等缺陷，形成了良好的冶金结合界面。在万能试验机上对铝包镁复合线材进行拉伸测试，显示其抗拉强度为68MPa。

实施例2

本实施例选用直径16mm的工业纯镁(≧99.94wt.％)作为芯材，工业纯铝(≧99.79wt.％) 作为包覆层材料。将纯镁棒外表面采用钢刷打磨和化学方法清理干净，去除油污和氧化层，然后将其放置于结晶器中心位置并与牵引装置固定。

将环形分体石墨模块安装于结晶器内壁，模块外壁与结晶器内壁紧密接触，厚度为6mm，内壁高度42mm，内腔尺寸30mm；在电阻加热炉内将纯铝加热熔化，加热温度740℃，精炼拔渣后降温至700℃，然后将铝金属液浇入结晶器内腔与镁芯材接触进行连铸复合，牵引速度 180mm/min,铝金属液在结晶器和芯材的冷却作用下迅速凝固，与镁芯材形成良好的冶金结合，获得铝包镁复合坯料；由于金属熔体凝固过程中的收缩，包覆铝层平均厚度为6mm。

将铝包镁复合坯料放置于电阻加热炉中加热至240℃，保温1h，然后进行连续多道次孔型轧制，轧制孔型为方型，轧辊直径400mm，轧辊转速50转/分钟，轧制道次13道次，获得截面形状为方形、边长为7mm的铝包镁复合材料，其中，铝层厚度为1.1mm。

实施例3

本实施例选用直径16mm的AZ31镁合金作为芯材，其化学质量百分比为：Al：3.05％，Zn： 1.16％，Mn：0.48％，其余为Mg；包覆层为6061铝合金，其化学质量百分比为：Mg：1.08％， Si:0.6％，Cu：0.22％，Mn：0.10％，Zn：0.18％，Fe：0.35％，其余为Al；将AZ31镁合金棒外表面采用钢刷打磨和化学方法清理干净，去除油污和氧化层，然后将其放置于结晶器中心位置并与牵引装置固定。

将环形分体石墨模块安装于结晶器内壁，模块外壁与结晶器内壁紧密接触，厚度为6mm，内壁高度42mm，内腔尺寸30mm；在电阻加热炉内将6061铝合金加热熔化，加热温度720℃，精炼拔渣后降温至680℃，然后将铝金属液浇入内径30mm的结晶器内与镁芯材接触进行连铸复合，牵引速度180mm/min,铝金属液在结晶器和芯材的冷却作用下迅速凝固，与镁芯材形成良好的冶金结合，获得铝包镁复合坯料；由于金属熔体凝固过程中的收缩，包覆铝合金层平均厚度为6.1mm。

将铝包镁复合坯料放置于电阻加热炉中加热至300℃，保温1h，然后进行连续多道次孔型轧制，轧制孔型为方型，轧辊直径400mm，轧辊转速50转/分钟，轧制道次8道次，获得截面形状为方形、边长为13.1mm的铝包镁复合材料，其中，铝合金层厚度为2.5mm。

实施例4

本实施例选用直径16mm的AZ91镁合金，其化学质量百分比为：Al：9.1％，Zn：0.76％， Mn：0.33％，其余为Mg；包覆层为5050铝合金，其化学质量百分比为：Mg：1.4％，Si:0.4％， Cu：0.18％，Mn：0.1％，其余为Al；其它步骤同实施例2。

通过以上实施例我们可以看出，本发明通过采用铸造复合法制备铝包镁原始坯料后进行连续多道次孔型轧制成型，获得具有良好冶金结合界面的铝包镁复合棒线材。本发明消除了金属表面氧化层对结合界面质量的不利影响，同时省去了传统方法制备双金属包覆棒线材所需的表面预复合处理、装配、包覆焊接和抽真空等流程，利用铸造复合效率高、工艺简单、直接形成冶金结合的特点，结合孔型轧制成型效率高、适用性广、成本低的特点，在保证获得良好结合性能的前提下，实现了铝包镁复合棒线材低成本、短流程、低能耗制备。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (8)

1.一种铝包镁复合棒线材的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：

（1）芯材处理：对镁合金芯材表面进行清洗，然后将其放置于结晶器中心位置并与牵引装置连接固定；

（2）连铸包覆：将铝合金加热至600-750℃熔化后浇入结晶器的浇注内腔，铝合金液与镁合金芯材接触，在芯材表面冷却凝固形成包覆铝合金层，同时启动牵引装置将复合后的坯料从结晶器下方拉出，实现连续包覆；

其中：控制结晶器的浇注内腔的内径尺寸与镁合金芯材内径尺寸比为1.5-2.3：1，牵引速度为80-200mm/min；

（3）轧制成型：将铝包镁复合坯料加热至150-350℃保温0.5-2h，然后在孔型轧机上进行连续轧制，轧制道次1-18道次，道次变形量为10-26%，总变形量10-97%，获得铝包镁复合棒线材；

（4）精校整型：通过校直平台或工具对轧制后的复合材料进行校直，最后进行精修光，即可生产出不同截面形状和尺寸的铝包镁复合棒线材。

2.如权利要求1所述的铝包镁复合棒线材的制备方法，其特征为所述镁合金为金属镁、镁-铝系列、镁-锰系列、镁-锌系列或镁-稀土系列合金；

所述铝合金为金属铝、铝-镁系列、铝-锰系列或铝-硅系列合金。

3.如权利要求1所述的铝包镁复合棒线材的制备方法，其特征为所述镁合金芯材截面形状优选为圆形，直径为5-40mm；

所述包覆铝合金层的厚度优选为1-8mm。

4.如权利要求1所述的铝包镁复合棒线材的制备方法，其特征为所述结晶器的浇注内腔的高度为20-100mm，内径尺寸为10-60mm。

5.如权利要求1所述的铝包镁复合棒线材的制备方法，其特征为所述孔型轧机特征为在一对轧辊上设计8-20个轧制孔型；所述轧制孔型为圆形、方菱形或椭圆形。

6.如权利要求1所述的铝包镁复合棒线材的制备方法，其特征为所述的控制结晶器的浇注内腔的内径尺寸与镁合金芯材内径尺寸比的方法为：通过调节环形分体导热模块的厚度来改变结晶器内腔尺寸，即将环形分体导热模块装配于结晶器内壁位置处，分体导热模块外壁与结晶器内壁贴紧，模块内壁形成结晶器的圆柱形浇注内腔；

通过调节环形分体导热模块的高度改变结晶器的浇注内腔的高度。

7.如权利要求1所述的铝包镁复合棒线材的制备方法，其特征为所述环形分体导热模块的材质为高纯石墨。

8.如权利要求1所述的铝包镁复合棒线材的制备方法，其特征为所述环形分体导热模块拼接处缝隙尺寸为0.1-0.6mm。