CN110722013B - 一种鼓形波纹辊轧制镁铝层状层合板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属层合板带的加工领域，具体是一种鼓形波纹辊轧制镁铝层状层合板的方法。选取长宽相同的镁合金板作为复板、纯铝或铝合金板作为基板，对金属板表面进行清理，将基板和复板的打磨面进行对扣组装在一起，或者对扣且叠放组装在一起。第一道次采用鼓形轧辊进行镁铝层合板轧制时，可在层合板的最低处金属界面上形成应力峰值，促进层合板中间部分以及波纹界面的波谷处的结合。第二道次轧平过程中，会在板材第一道次轧制时结合较差的层合板边部以及波峰处的金属界面上形成应力峰值，同时产生较大的塑性变形，又促进了层合板边部的结合。该工艺先后两次轧制，对整个界面的结合产生促进作用，提高了层合板界面的结合强度。

Description

一种鼓形波纹辊轧制镁铝层状层合板的方法

技术领域

本发明涉及金属层合板带的加工领域，具体是一种鼓形波纹辊轧制镁铝层状层合板的方 法。

背景技术

镁合金由于具有密度低、比强度高、比刚度高、导热导电性能好、切削性能好的优点， 被誉为“21世纪的绿色工程材料”，是目前可实现工业化应用最轻的金属结构材料。但其 不耐腐蚀的缺点很大程度上限制了镁合金在各行业中的广泛应用。而同为轻金属的铝合金， 具有很好的耐蚀性能和塑性成形性能，且表面可修复性和可修饰性好，铝元素也是镁合金中 应用最多的一种改善强度和耐蚀性的合金元素。因此，在镁合金表面复盖一层铝合金，可以 获得兼具镁合金轻质和铝合金耐蚀优点的镁铝层合板。可以预见，这种新型的轻质高强、耐 蚀良好的镁铝层合板通过冲压成形制备出来的各种薄壁零件将广泛应用于航空航天、汽车、 3C等工业领域。

传统镁/铝层合板轧制复合法存在的问题：

由于镁合金特殊的密排六方晶体结构，在室温条件下的塑性变形仅限于基面{0001}<1120>滑移以及锥面{1012}<1011>孪生，只有3个几何滑移系和2个独立滑移系， 塑性变形困难，较大的塑性变形容易导致镁/铝层合板在轧制过程中产生边裂，边裂的产生不仅对板材的性能影响较大，更是大大降低其成材率，增加了生产本。

相关研究表明，大塑性变形和强正应力可以有效促进金属层合板之间的结合。传统镁/ 铝层合板轧制塑性变形太小，层合板结合强度太低或者根本无法结合。采用波纹形轧辊轧制 层合板可以有效促进波纹辊侧难变形金属的变形，同时在波谷处形成应力峰值促进局部界面 的高强度结合。然后采用平辊轧平，使波峰处再次形成应力峰值，从而全面提升镁铝层合板 界面的结合强度。但是，由于第二道次镁合金剧烈变形导致边部出现明显边裂，边部裂纹放 大图见图7。这使得镁铝层合板成材率大大降低，同时给材料的使用带来很大的安全隐患。

因此，开发一种既能提高层合板结合强度，又可以减少镁/铝层合板边裂的工艺是非常 有必要的。

发明内容

本发明的目的是为了解决镁铝层合板生产时界面结合强度低、边裂严重、机械性能差的 技术问题，提供了一种鼓形波纹辊轧制镁铝层状层合板的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种鼓形波纹辊轧制镁铝层状层合板的方法，包括 以下步骤：

1)制坯：选取长宽相同的镁合金板作为复板、纯铝或铝合金板作为基板，对复板和基 板的表面进行清理，将基板和复板的打磨面进行对扣组装在一起，或者对扣且叠放组装在一 起；

2)加热：将组装好的层合板送往加热炉直接进行加热或在惰性气氛保护环境以及真空 环境中进行加热；

3)鼓形波纹辊轧制：采用装有鼓形波纹辊的二辊轧机对层合板进行轧制复合，轧得镁 铝波纹层合板；

4)再加热：将采用鼓形波纹辊轧制复合的镁铝波纹层合板再次进行加热；

5)平辊轧制：将加热后的镁铝波纹层合板放入上下辊均为平辊的二辊轧机进行轧平， 轧得表面平整、结合界面为波纹状的镁铝层合板；

6)退火：将轧平的镁铝层合板在惰性气氛保护环境或者真空环境中进行退火处理，然后冷却；

7)精整：然后进行矫直、切头、切尾、切边处理，最后进行捆绑打包。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述层合板的组装形式包括：Mg/Al、Mg/Al/Mg、 Mg/Al/隔离剂/Al/Mg。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述步骤3)鼓形波纹辊轧制过程中，二辊轧机的 上下辊系组合可为鼓形波纹辊加普通平辊、鼓形波纹辊加鼓形平辊或上下辊均为鼓形波纹 辊。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述层合板的组装形式为不对称形式时，鼓形波纹 辊位于镁合金板侧，普通平辊或鼓形平辊位于纯铝或铝合金板侧；所述层合板的组装形式为 对称形式时，层合板的上下两侧均为鼓形波纹辊。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述步骤1)制坯过程中，复板和基板的表面均采 用钢丝刷打磨、喷丸处理、砂纸砂带打磨、化学试剂清理或电化学腐蚀进行清理。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述步骤2)加热过程中，加热时间为0.1h～3h， 加热温度为200℃～600℃。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述步骤3)鼓形波纹辊轧制过程中，所述鼓形波 纹辊为辊面刻有波纹形的鼓形辊，其中鼓形高H与辊身长L的关系满足：0＜H/L≤0.3。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述步骤3)鼓形波纹辊轧制过程中，层合板在进 入轧机前需要进行对中操作，使层合板的中部与鼓形波纹辊的最低点G对正。

作为本发明技术方案的进一步改进，第一道次鼓形波纹辊轧后镁铝波纹层合板中部厚度 H1、边部厚度H2，和第二道次平辊轧后的镁铝层合板厚度H3以及原始复板厚度h1和基板 厚度h2满足：0＜1-H1/(h1+h2)＜0.5，0＜(H2-H3)/H2＜0.6。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述步骤6)退火过程中，退火温度为300℃～500℃， 退火时间为20min～60min，退火结束进行空冷。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.第一道次采用鼓形轧辊进行镁铝层合板轧制时，可在层合板的最低处金属界面上形成 应力峰值，促进层合板中间部分以及波纹界面的波谷处的结合。第二道次轧平过程中，会在 板材第一道次轧制时结合较差的层合板边部以及波峰处的金属界面上形成应力峰值，同时产 生较大的塑性变形，又促进了层合板边部的结合。和传统镁铝层合板轧制工艺相比，该工艺 先后两次轧制，对整个界面的结合产生促进作用，提高了层合板界面的结合强度；

2.由于镁合金的温降对板材塑性有很大影响，而板材边部温降较快，容易导致轧制过程 中产生边裂。采用该工艺轧制时，第一道次轧制过程中边部变形较小，中间变形较大，协调 了整个板材的塑性特点，可有效降低层合板的边裂；

3.采用鼓形波纹辊轧制镁铝层合板，可有效改变镁、铝板边部应力与应变分布，使得边 部与中部金属尽可能同步流动，降低边部晶粒位错，减少边部易产生裂纹位置的细小晶粒， 提高中部区域的组织均匀性，有利于降低镁板边部损伤，降低镁铝层合板边裂。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术 描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一 些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些 附图获得其他的附图。

图1为本发明所述镁铝复合板坯料的组坯图。图中：1-镁合金板，2-纯铝或铝合金板， g-隔离剂，3-板坯。

图2为本发明所述鼓形波纹辊结构示意图。图中：(a)图为鼓形波纹辊的主视图，(b) 图为鼓形波纹辊的侧视图，(c)图为鼓形波纹辊的A-A剖视图，(d)图为图(c)中Ⅰ的 局部放大图。

图3为本发明所述双层镁铝复合板鼓形波纹辊+普通平辊轧制加平轧方法的工艺流程 图。图中：(a)图为工艺流程图，其中1-镁合金板，2-纯铝或铝合金板，4-加热炉，5-鼓形 波纹辊，6-普通平辊，7-镁铝波纹层合板，8-镁铝层合板。(b)图为板材的P向示意图，(c)图为板材的F向示意图。

图4为本发明所述多种镁铝复合板鼓形波纹辊轧制加平轧方法的工艺流程图。

图5为本发明所述实施例1所述方法中步骤5)的鼓形波纹辊轧制加平轧方法得到的波 纹界面镁铝复合板板形图。

图6为本发明所述对比例1所述方法中步骤5)的两道次平轧的第一镁铝层合板的板形 图。

图7为本发明所述对比例2所述方法中步骤5)的普通波纹辊轧制加平轧方法得到的第 二镁铝层合板板形图。

图8为本发明所述双层镁铝复合板鼓形波纹辊+鼓形平辊轧制加平轧方法的工艺流程 图。图中：(d)图为工艺流程图，其中1-镁合金板，2-纯铝或铝合金板，4-加热炉，5-鼓形波纹辊，9-鼓形平辊。(e)图为板材的R向示意图，(f)图为板材的E向示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的 描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发 明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施 方式，都属于本发明所保护的范围。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

一种鼓形波纹辊轧制镁铝层状层合板的方法，包括以下步骤：

1)制坯：选取长宽相同的镁合金板作为复板、纯铝或铝合金板作为基板，对金属板表 面进行清理，将基板和复板的打磨面进行对扣组装在一起，或者对扣且叠放组装在一起；

2)加热：将组装好的板坯送往加热炉直接进行加热或在惰性气氛保护环境以及真空环 境中进行加热；

3)鼓形波纹辊轧制：采用装有上辊为鼓形波纹辊，下辊为普通平辊的二辊轧机对镁铝 层合板坯进行轧制复合，轧得镁铝波纹层合板；

4)再加热：将上述轧制复合的镁铝波纹层合板再次进行加热；

5)平辊轧制：将加热后的镁铝波纹层合板放入上下辊均为普通平辊的二辊轧机进行轧 平，轧得表面平整、结合界面为波纹状的镁铝层合板；

6)退火：将轧平的镁铝层合板在惰性气氛保护环境或者真空环境中进行退火处理，然 后冷却；

7)精整：然后进行矫直、切头、切尾、切边处理，最后进行捆绑打包。

在本发明中，在步骤1)制坯过程中，板坯组合在一起后需要采用焊合或铆接等工艺进 行接合。具体的，可根据板材轧制温度和表面易氧化程度等的差异，采用坯料界面周边进行 点焊并抽真空的接合方式或采用铆钉将组合坯料的头尾进行铆接的接合方式。

优选的，如图1所示，所述板坯的组装形式包括：Mg/Al、Mg/Al/Mg、Mg/Al/隔离剂 /Al/Mg。以图1中的组装形式为例，所述对扣组装在一起指的是如Mg/Al、Mg/Al/Mg所示 的直接将金属板扣合在一起，而对扣且叠放组装在一起指的是如Mg/Al/隔离剂/Al/Mg所示 的将在两份Mg/Al之间涂抹隔离剂并且叠放组装在一起。其中，所述Mg指的是镁合金板， Al指的是纯铝或铝合金板。

具体的，所述步骤3)鼓形波纹辊轧制过程中，二辊轧机的上下辊系组合可为鼓形波纹 辊加普通平辊、鼓形波纹辊加鼓形平辊、上下辊均为鼓形波纹辊。

进一步的，所述板坯的组装形式为不对称形式时，鼓形波纹辊位于镁合金板侧，普通平 辊或辊形平辊位于纯铝或铝合金板侧；所述板坯的组装形式为对称形式时，板坯的上下两侧 均为鼓形波纹辊。

更进一步的，所述步骤1)制坯过程中，金属板表面采用钢丝刷打磨、喷丸处理、砂纸 砂带打磨、化学试剂清理或电化学腐蚀进行清理。

其中，抽真空的板坯可直接进行加热。进行头尾铆接的板坯需在惰性气氛保护环境或者 真空环境中进行加热，以减少金属打磨面的氧化。加热温度和加热时间需根据具体的轧制工 艺而定，大致范围为：加热时间0.1h～3h，加热温度200℃～600℃。

具体的，所述步骤3)鼓形波纹辊轧制过程中，所述鼓形波纹辊为表面刻有一定数量周 期式的鼓形波纹形花辊，其中鼓形高H与辊身长L的关系满足：0＜H/L≤0.3。其中，波纹 形可为圆弧、正弦、余弦、梯形、三角形等曲线或折线。

优选的，所述步骤3)鼓形波纹辊轧制过程中，板坯在进入轧机前需要进行对中操作， 使板坯的中部与鼓形波纹辊的最低点G对正。

进一步的，所述步骤5)平辊轧制过程中，第一道次鼓形波纹辊轧后板材中部厚度H1、 边部厚度H2，和第二道次平轧轧平的厚度H3以及原始镁板厚度h1和铝板厚度h2满足：0＜1-H1/(h1+h2)＜0.5，0＜(H2-H3)/H2＜0.6。

进一步的，所述步骤6)退火过程中，退火温度为300℃～500℃，退火时间为 20min～60min，退火结束进行空冷。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

采用附图3所示方法制备镁/铝层合板：

1)制坯：选取长宽分别为200mm(长)×50mm(宽)×2mm(高)的AZ31镁合金板作为复板1和200mm(长)×50mm(宽)×2mm(高)的1060铝板作为基板2，采用钢丝直径为0.3mm 的钢丝刷对金属板表面进行打磨清理，将基板2和复板1的打磨面进行对扣在一起，将对扣 好后的板坯3用铆钉进行铆接；

2)加热：将组装好的板坯3在氩气气氛保护环境中进行加热20min，加热温度为350℃；

3)鼓形波纹辊轧制：采用装有上轧辊为鼓形波纹辊5，下辊为普通平辊6的二辊轧机 对板坯3进行轧制复合，上下辊的平均直径为：D＝150mm，鼓形高H与辊身长L分别为2mm和150mm，轧制压下率为35％，轧得镁铝波纹层合板7。

4)加热，将采用上辊为鼓形波纹辊5，下辊为普通平辊6的二辊轧机轧制复合的镁铝 波纹层合板7在350℃氩气保护气氛下再次进行加热10min，以弥补轧制过程中损失的热量， 从而保证金属的塑性变形能力；

5)平辊轧制：将加热后的镁铝波纹层合板7放入上下辊均为普通平辊6的二辊轧机进 行轧平，轧辊直径为：D＝150mm，轧制压下率为25％，轧得表面平整，结合界面为波纹状的镁铝层合板8；

6)退火：将轧平的镁铝层合板8进行空冷；

7)精整：然后进行矫直、切头、切尾、切边处理，最后进行捆绑打包。

对比例1

1)制坯：选取长宽分别为200mm(长)×50mm(宽)×2mm(高)的AZ31镁合金板作为复板(1)和200mm(长)×50mm(宽)×2mm(高)的1060铝板作为基板2，采用钢丝直径为0.3mm 的钢丝刷对金属板表面进行打磨清理，将基板2和复板1的打磨面进行对扣在一起，将对扣 好后的层合板板坯3用铆钉进行铆接；

2)加热：将组装好的层合板板坯3在氩气气氛保护环境中进行加热20min，加热温度 为350℃；

3)平辊轧制：采用装有上下辊均为普通平辊的二辊轧机对层合板板坯3进行轧制复合， 上下辊的直径均为：D＝150mm，轧制压下率为35％，轧得第一镁铝层合板。

4)加热，将第一镁铝层合板在350℃氩气保护气氛下再次进行加热10min，以弥补轧 制过程中损失的热量，从而保证金属的塑性变形能力；

5)平辊轧制：将加热后的第一镁铝层合板放入上下辊均为普通平辊6的二辊轧机进行 第二道次轧制，轧辊直径为：D＝150mm，轧制压下率为25％，得到经过两道次平轧的第一 镁铝层合板；

6)退火：将镁铝层合板进行空冷；

7)精整：然后进行矫直、切头、切尾、切边处理，最后进行捆绑打包。

对比例2

1)制坯：选取长宽分别为200mm(长)×50mm(宽)×2mm(高)的AZ31镁合金板作为复板(1)和200mm(长)×50mm(宽)×2mm(高)的1060铝板作为基板2，采用钢丝直径为0.3mm 的钢丝刷对金属板表面进行打磨清理，将基板2和复板1的打磨面进行对扣在一起，将对扣 好后的层合板板坯3用铆钉进行铆接；

2)加热：将组装好的层合板板坯3在氩气气氛保护环境中进行加热20min，加热温度 为350℃；

3)波纹辊轧制：采用上辊为普通波纹辊5，下辊为普通平辊6的二辊轧机对层合板板 坯3进行轧制复合，上下辊的平均直径均为：D＝150mm，鼓形高H与辊身长L分别为2mm 和150mm，轧制压下率为35％，轧得第二镁铝层合板。

4)加热，将第二镁铝层合板在350℃氩气保护气氛下再次进行加热10min，以弥补轧 制过程中损失的热量，从而保证金属的塑性变形能力；

5)平辊轧制：将加热后的第二镁铝层合板放入上下辊均为普通平辊6的二辊轧机进行 第二道次轧制，轧辊直径为：D＝150mm，轧制压下率为25％，得到表面平直，界面为波纹 状的第二镁铝层合板；

6)退火：将镁铝层合板进行空冷；

7)精整：然后进行矫直、切头、切尾、切边处理，最后进行捆绑打包。

本发明进一步的实施例1方法中步骤5)的表面平整界面为波纹的镁铝层合板8和对比 例1及对比例2中经过两道次轧制得到的层合板的性能分别进行观察(参见图5至图7)及测 定，性能参见下表。

由上表可以看出：采用鼓形波纹辊加平辊连续轧制的镁铝波纹层合板结合强度明显高于 传统平辊两道次轧制，且和普通波纹辊加平辊连续轧制的镁铝层合板的结合强度非常接近。 可见，鼓形波纹辊加平辊连续轧制既可以保持波纹辊轧制可以促进镁铝复合板结合强度的优 点，同时又能有效降低复合板的边裂。

其中，剪切强度的测定方式为：在DNS200电子万能试验机上测试个复合板试样的剪切 强度，拉伸速度为1mm/min，剪切试验试样的尺寸参照GB/T6396-1995复合板力学及工艺 性能试验方法制定，测试结果见上表。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉 本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本 发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种鼓形波纹辊轧制镁铝层状层合板的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）制坯：选取镁合金板作为复板、纯铝或铝合金板作为基板，所述复板和基板的长宽相同，对复板和基板的表面进行清理，将基板和复板的打磨面进行对扣组装在一起，或者对扣且叠放组装在一起；

2）加热：将组装好的并抽真空的层合板直接进行加热，将组装好的并进行头尾铆接的层合板在惰性气氛保护环境或者真空环境中进行加热；

3）鼓形波纹辊轧制：采用装有鼓形波纹辊的二辊轧机对层合板进行轧制复合，轧得镁铝波纹层合板；

4）再加热：将采用鼓形波纹辊轧制复合的镁铝波纹层合板再次进行加热；

5）平辊轧制：将加热后的镁铝波纹层合板放入上下辊均为普通平辊的二辊轧机进行轧平，轧得表面平整、结合界面为波纹状的镁铝层合板；

6）退火：将轧平的镁铝层合板在惰性气氛保护环境或者真空环境中进行退火处理，然后冷却；

7）精整：将步骤6）得到的镁铝层合板进行矫直、切头、切尾、切边处理，最后进行捆绑打包；

所述层合板的组装形式包括：Mg/Al、Mg/Al/ Mg、Mg/Al /隔离剂/Al/Mg；

所述对扣组装在一起指的是针对Mg/Al、Mg/Al/Mg组装形式，直接将金属板扣合在一起，而对扣且叠放组装在一起指的是针对Mg/Al/隔离剂/Al/Mg组装形式，将在两份Mg/Al之间涂抹隔离剂并且叠放组装在一起；其中，所述Mg指的是镁合金板，Al指的是纯铝或铝合金板。

2.根据权利要求1所述的一种鼓形波纹辊轧制镁铝层状层合板的方法，其特征在于，所述鼓形波纹辊轧制过程中，二辊轧机的上下辊系组合为鼓形波纹辊加普通平辊、鼓形波纹辊加鼓形平辊或上下辊均为鼓形波纹辊。

3.根据权利要求2所述的一种鼓形波纹辊轧制镁铝层状层合板的方法，其特征在于，所述层合板的组装形式为不对称形式时，鼓形波纹辊位于镁合金板侧，普通平辊或鼓形平辊位于纯铝或铝合金板侧；所述层合板的组装形式为对称形式时，层合板的上下两侧均为鼓形波纹辊。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种鼓形波纹辊轧制镁铝层状层合板的方法，其特征在于，所述步骤1）制坯过程中，复板和基板的表面均采用钢丝刷打磨、喷丸处理、砂纸砂带打磨、化学试剂清理或电化学腐蚀进行清理。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种鼓形波纹辊轧制镁铝层状层合板的方法，其特征在于，所述步骤2）加热过程中，加热时间为0.1h~3h，加热温度为200℃~600℃。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种鼓形波纹辊轧制镁铝层状层合板的方法，其特征在于，所述步骤3）鼓形波纹辊轧制过程中，所述鼓形波纹辊为辊面刻有波纹形的鼓形辊，其中鼓形高H与辊身长L的关系满足：0＜H/L≤0.3。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种鼓形波纹辊轧制镁铝层状层合板的方法，其特征在于，所述步骤3）鼓形波纹辊轧制过程中，层合板在进入轧机前需要进行对中操作，使层合板的中部与鼓形波纹辊的最低点（G）对正。

8.根据权利要求1或2或3所述的一种鼓形波纹辊轧制镁铝层状层合板的方法，其特征在于，第一道次鼓形波纹辊轧后镁铝波纹层合板中部厚度H1、边部厚度H2，和第二道次平辊轧后的镁铝层合板厚度H3以及原始复板厚度h1和基板厚度h2满足：0＜1-H1/(h1+h2)＜0.5，0＜(H2-H3)/H2＜0.6。

9.根据权利要求1或2或3所述的一种鼓形波纹辊轧制镁铝层状层合板的方法，其特征在于，所述步骤6）退火过程中，退火温度为300℃~500℃，退火时间为20min~60min，退火结束进行空冷。

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