[发明专利]一种镁/钢层状复合材料及其制备方法

说明书

一种镁/钢层状复合材料及其制备方法，属于金属层状复合材料领域。本发明的镁/钢层状复合材料由镁材和钢材通过界面冶金结合形成，在镁材和钢材之间没有中间层，通过机械打磨表面处理、交替层叠组合坯料、金属套包裹复合坯料抽真空处理、加热、热轧、去除金属套后进行扩散热处理等工序制备。本发明的优点是镁/钢层状复合材料兼具优良的力学性能和减振性能，可在工作温度200～600℃条件下长期服役且镁材和钢材的界面不会生成固溶体或金属间化合物，界面结合强度在工作温度范围内稳定甚至逐渐增加，不用在真空或惰性气体气氛条件下对镁/钢层状复合坯料进行加热，操作方便，对设备要求低，所需设备的价格便宜，生产成本低，具有普遍的推广应用价值。

技术领域

本发明属于金属层状复合材料领域，具体涉及一种镁/钢层状复合材料及其制备方法。

技术背景

减振板于20世纪70年代由美国发明，先经由美国和日本的实用化研究及工业生产，再传入中国得到迅速发展，不仅能够满足武器装备日益提高的稳定性、精密性和消音降噪等需求，还以1984年第二次噪音限制为契机，成为满足民众对生活空间静肃性等更高生活品质追求的关键材料。

目前，获得最广泛军民用途的减振板是钢/树脂层状复合板(简称减振钢板)，钢层的厚度通常为0.3～1.6mm，树脂层的厚度通常为0.03～0.15mm，但是这并非严格的尺寸限制，可以根据具体使用场合对材料性能的要求调整钢层和树脂层的厚度。减振钢板依靠机械损耗因子大的粘弹性树脂层的反复剪切变形吸收振动能量，降低因机械运动产生的振动和噪音。粘弹性树脂的工作温度必须在玻璃化转变温度和粘流温度之间，耐热温度通常不超过180℃。日本住友金属工业公司研制的高耐热减振钢板，其使用温度范围仅为20～130℃。目前所开发的耐热减振复合材料的使用温度范围都不太高(≤150℃)，难以满足实际应用对更高耐热性能(如≥200℃)减振复合材料的迫切需求。因此，有必要开发使用温度范围超过200℃的新一代轻质耐热减振复合材料。

轻金属纯镁具有优良的阻尼性能，其密度约为钢的1/5，阻尼衰减系数是铸铁的5倍、铝合金的12倍，非常适于制造减振板，并在实现优良减振效果的同时实现轻量化。但是，纯镁的力学性能、耐热性能和耐蚀性能都较差。轧制态纯镁的室温屈服强度为90～105MPa，抗拉强度为160～196MPa，延伸率为3％～15％；温度升至130℃以上，纯镁会发生较明显的软化和氧化；纯镁的耐蚀性很低，容易被自来水腐蚀，更不耐酸性介质。合金化虽然能够显著提高纯镁的力学性能和耐热性能，但通常也会显著降低其阻尼性能，并且对其耐蚀性能的提高很有限。因此，镁合金普遍面临力学性能、阻尼性能、耐热性能和耐蚀性能难以同时提高的困难局面，严重制约了其广泛使用。

在纯镁表面复合钢层是显著提高纯镁的力学性能、耐热性能和耐蚀性能，同时又不会降低纯镁的阻尼性能的有效方式。镁和钢的弹性模量分别为45GPa和200GPa，前者仅为后者的22.5％，二者复合后在界面处因弹性模量的差异会产生附加的能量损耗，提高减振效果。

由Fe-Mg二元相图可知，镁和铁的相互固溶度均几乎为0，二者之间也不会生成任何金属间化合物，因此根据传统的固溶原子扩散界面结合机制和金属间化合物生成界面结合机制，镁和钢之间难以实现界面冶金结合。所以，通常采用在镁和钢之间加入中间层材料的方法来间接实现镁和钢的复合。专利(CN103551383B，镁-钢复合板及其制备方法)公开了一种镁/钢复合板及其制备方法，其制备方法特征是：对镁板和/或钢板的待贴合面镀锌和/或铝层→组坯→真空或惰性气体气氛条件下加热→热轧复合→镁/钢复合板；实际上制得的是镁/中间层/钢复合板，中间层为镀锌层和/或镀铝层。但是，由于锌或铝均能与铁和镁形成金属间化合物，所述镁/中间层/钢复合板无法在高温条件下长时间加热、塑性成形、热处理或使用，否则层间界面处将会逐渐形成厚度不断增加的脆性金属间化合物层，导致层间的界面结合强度随着在高温条件下时间的延长而逐渐下降，在外力作用下极易导致界面开裂失效。同时，该制备方法需要在真空或惰性气体气氛条件下对镁/钢组合坯料进行加热，操作繁琐，对设备要求高，所需设备的价格昂贵，导致镁/钢复合板的生产成本高，并且由于设备尺寸的原因使得所能生产的镁/钢复合板的宽度和长度受限。