专利摘要

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。

权利要求

1.一种镁/钢层状复合材料，其特征在于，由镁材和钢材通过界面冶金结合形成，所述镁材和所述钢材之间没有中间层，密度小于4.0g/cm3，室温屈服强度大于100MPa，抗拉强度大于200MPa，延伸率大于10％，以品质因数倒数表征的阻尼值大于0.01，可在工作温度200～600℃条件下长期服役且所述镁材和所述钢材的界面不会生成固溶体或金属间化合物，界面结合强度在所述工作温度范围内稳定，甚至因缺陷-原子扩散界面结合机制的作用而逐渐增加；所述镁材是纯镁或镁合金，所述镁合金包括ZK61、Mg-0.6Zr、Mg-1.5Cu、Mg-1Cu-0.04Be、Mg-2.8Cu-0.5Si、Mg-0.4Ni-0.6Nb、Mg-0.5Si、Mg-0.5Ti和Mg-0.2Fe-0.6(Zr-Hf)中的至少一种。

2.如权利要求1所述的一种镁/钢层状复合材料，其特征在于，所述钢材包括碳钢、不锈钢、耐热钢和合金钢中的至少一种。

3.如权利要求1所述的一种镁/钢层状复合材料，其特征在于，所述镁/钢层状复合材料是所述镁材和所述钢材交替层叠的金属层状复合材料，层数为2～15层，各层所述镁材和所述钢材的材质或厚度相同或不同，所述钢材的层厚比为1％～99％。

4.一种如权利要求1所述的镁/钢层状复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：采用机械打磨方法对所述镁材和所述钢材的待复合表面进行处理，去除所述待复合表面的污染层，使新鲜金属露出，同时获得凹凸不平的表面结构以及垂直于所述镁材和所述钢材的长度方向的打磨条纹，获得待复合镁材和待复合钢材；

第二步：将所述待复合镁材和所述待复合钢材按照镁/钢的顺序交替层叠组合，构成复合坯料，并采用金属套包裹所述复合坯料后抽真空并封套口，获得镁/钢层状复合坯料；

第三步：将所述镁/钢层状复合坯料置于加热炉中进行加热，加热温度为200～500℃、保温时间为5～600min；

第四步：将加热后的所述镁/钢层状复合坯料进行热轧，获得镁/钢层状复合材料，热轧压下量为10％～70％；

第五步：将所述镁/钢层状复合材料从所述金属套中取出后置于热处理炉中进行扩散热处理，促进缺陷-原子扩散，实现所述镁材和所述钢材的界面冶金结合，扩散热处理温度为250～630℃、保温时间为0.5～600h。

5.如权利要求4所述的一种镁/钢层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述机械打磨包括砂带打磨、砂轮打磨、钢丝刷打磨、砂纸打磨或激光打磨中的至少一种。

6.如权利要求4所述的一种镁/钢层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属套由厚度为0.01～0.2mm的铝箔或铜箔制成。

说明书

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。

综上所述，有必要开发一种新型的镁/钢层状复合材料，兼具镁和钢的性能优点，阻尼性能可与纯镁相当，密度远低于钢，力学性能、耐热性能和耐蚀性能显著优于纯镁，可以长时间处于高温条件下，同时也需要开发一种操作方便、适合规模化生产形状尺寸宽泛的镁/钢层状复合材料的低成本制备方法。

发明内容

本发明基于发明人提出的金属层状复合材料缺陷-原子扩散界面结合新机制，开发一种适于在高温条件下制备加工或长期服役的轻质耐热减振镁/钢层状复合材料，由镁材层和钢材层通过界面冶金结合形成，镁材和钢材之间没有中间层，兼具镁和钢的性能优点，阻尼性能可与纯镁相当，密度远低于钢，力学性能、耐热性能和耐蚀性能显著优于纯镁，并且解决现有镁/钢之间必须通过添加中间层材料才能实现固-固间接复合的问题，实现镁/钢之间的固-固直接复合，开发出一种镁/钢层状复合材料的制备新方法。本发明的目的在于提供一种镁/钢层状复合材料及其制备方法，特别适用于采用相互固溶度为0或几乎为0且不生成金属间化合物的两种或两种以上的组元金属材料为坯料复合形成金属层状复合材料及其制备成形。

一种镁/钢层状复合材料，由镁材和钢材通过界面冶金结合形成，所述镁材和所述钢材之间没有中间层，密度小于4.0g/cm3，室温屈服强度大于100MPa，抗拉强度大于200MPa，延伸率大于10％，以品质因数倒数表征的阻尼值大于0.01，可在工作温度200～600℃条件下长期服役且所述镁材和所述钢材的界面不会生成固溶体或金属间化合物，界面结合强度在所述工作温度范围内稳定，甚至因缺陷-原子扩散界面结合机制的作用而逐渐增加。

所述镁材是纯镁或镁合金，所述镁合金包括但不限于ZK61、Mg-0.6Zr、Mg-1.5Cu、Mg-1Cu-0.04Be、Mg-2.8Cu-0.5Si、Mg-0.4Ni-0.6Nb、Mg-0.5Si、Mg-0.5Ti和Mg-0.2Fe-0.6(Zr-Hf)中的至少一种。

所述钢材包括但不限于碳钢、不锈钢、耐热钢和合金钢中的至少一种。

所述镁/钢层状复合材料是所述镁材和所述钢材交替层叠的金属层状复合材料，层数为2～15层，各层所述镁材和所述钢材的材质或厚度相同或不同，所述钢材的层厚比(＝所述钢材厚度与所述镁/钢层状复合材料总厚度的比值×100％)为1％～99％。

一种镁/钢层状复合材料的制备方法，包括如下步骤：

第一步：采用机械打磨方法对所述镁材和所述钢材的待复合表面进行处理，去除所述待复合表面的污染层，使新鲜金属露出，同时获得凹凸不平的表面结构以及垂直于所述镁材和所述钢材的长度方向的打磨条纹，获得待复合镁材和待复合钢材；

第二步：将所述待复合镁材和所述待复合钢材按照镁/钢的顺序交替层叠组合，构成复合坯料，并采用金属套包裹所述复合坯料后抽真空并封套口，获得镁/钢层状复合坯料；

第三步：将所述镁/钢层状复合坯料置于加热炉中进行加热，加热温度为200～500℃、保温时间为5～600min；

第四步：将加热后的所述镁/钢层状复合坯料进行热轧，获得镁/钢层状复合材料，热轧压下量为10％～70％；

第五步：将所述镁/钢层状复合材料从所述金属套中取出后置于热处理炉中进行扩散热处理，促进缺陷-原子扩散，实现所述镁材和所述钢材的界面冶金结合，扩散热处理温度为250～630℃、保温时间为0.5～600h。

所述机械打磨包括但不限于砂带打磨、砂轮打磨、钢丝刷打磨、砂纸打磨或激光打磨中的至少一种。

所述金属套由厚度为0.01～0.2mm的铝箔或铜箔制成。

本发明具有以下优势：

1.镁/钢层状复合材料为一种新型的轻质耐热减振复合材料，在镁材和钢材之间没有中间层，密度小于4.0g/cm3，室温屈服强度大于100MPa，抗拉强度大于200MPa，延伸率大于10％，以品质因数倒数表征的阻尼值大于0.01，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，甚至因缺陷-原子扩散界面结合机制的作用而逐渐增加。

2.镁/钢层状复合材料的制备方法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，镁/钢复合材料的生产成本低，特别适合规模化生产长度或/和宽度大的镁/钢层状复合材料。

3.镁/钢层状复合材料的制备方法具有普遍的推广应用价值，特别适用于采用相互固溶度为0或几乎为0且不生成金属间化合物的两种或两种以上的组元金属材料为坯料制备成形金属层状复合材料。

附图说明

图1为本发明实施例1所制备的Q235钢/纯镁/Q235钢层状复合材料的界面形貌和能谱表征结果。其中，Q235钢侧有深度约10μm的镁扩散层，说明在本发明实施例1的制备工艺下发生了镁元素向Q235钢侧的扩散，实现了Q235钢和纯镁的界面冶金结合。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

实施例1：

制备Q235钢/纯镁/Q235钢层状复合材料。

以厚度为7mm的纯镁板和厚度为1.5mm的Q235钢板为原材料，采用钢丝刷打磨方法对纯镁板和Q235钢板的待复合表面进行处理，去除待复合表面的污染层，使新鲜金属露出，同时获得凹凸不平的表面结构以及垂直于纯镁板和Q235钢板的长度方向的打磨条纹，获得待复合纯镁板和待复合Q235钢板；

将待复合纯镁板和待复合Q235钢板按照Q235钢/纯镁/Q235钢的顺序层叠组合，构成复合坯料，并采用厚度为0.01mm的铝箔套包裹复合坯料后抽真空并封套口，获得Q235钢/纯镁/Q235钢层状复合坯料；

将Q235钢/纯镁/Q235钢层状复合坯料置于加热炉中进行加热，加热温度为415℃、保温时间为25min；

将加热后的Q235钢/纯镁/Q235钢层状复合坯料进行热轧，获得Q235钢/纯镁/Q235钢层状复合材料，热轧压下量为47％；

将Q235钢/纯镁/Q235钢层状复合材料从铝箔套中取出后置于热处理炉中进行扩散热处理，促进缺陷-原子扩散，实现Q235钢和纯镁的界面冶金结合，扩散热处理温度为380℃、保温时间为30h；

制备得到的Q235钢/纯镁/Q235钢层状复合材料的室温屈服强度为145MPa、抗拉强度为250MPa、延伸率为18％、以品质因数倒数表征的阻尼值为0.011，钢材层的层厚比为30％，且界面结合良好。

实施例2：

制备SUS310s钢/纯镁/Mn13钢层状复合材料。

以厚度为7.5mm的纯镁板、厚度为1mm的SUS310s钢板和厚度为1.5mm的Mn13钢板为原材料，采用砂轮打磨方法对纯镁板、SUS310s钢板和Mn13钢板的待复合表面进行处理，去除待复合表面的污染层，使新鲜金属露出，同时获得凹凸不平的表面结构以及垂直于纯镁板、SUS310s钢板和Mn13钢板的长度方向的打磨条纹，获得待复合纯镁板、待复合SUS310s钢板和待复合Mn13钢板；

将待复合纯镁板、待复合SUS310s钢板和待复合Mn13钢板按照SUS310s钢/纯镁/Mn13钢的顺序层叠组合，构成复合坯料，并采用厚度为0.05mm的铝箔套包裹复合坯料后抽真空并封套口，获得SUS310s钢/纯镁/Mn13钢层状复合坯料；

将SUS310s钢/纯镁/Mn13钢层状复合坯料置于加热炉中进行加热，加热温度为435℃、保温时间为30min；

将加热后的SUS310s钢/纯镁/Mn13钢层状复合坯料进行热轧，获得SUS310s钢/纯镁/Mn13钢层状复合材料，热轧压下量为55％；

将SUS310s钢/纯镁/Mn13钢层状复合材料从铝箔套中取出后置于热处理炉中进行扩散热处理，促进缺陷-原子扩散，实现SUS310s钢和纯镁、Mn13钢和纯镁的界面冶金结合，扩散热处理温度为385℃、保温时间为48h；

制备得到的SUS310s钢/纯镁/Mn13钢层状复合材料的室温屈服强度为175MPa、抗拉强度为330MPa、延伸率为17％、以品质因数倒数表征的阻尼值为0.012，SUS310s钢层的层厚比为10％、Mn13钢层的层厚比为15％，且界面结合良好。

实施例3：

制备1Cr5Mo钢/纯镁/1Cr5Mo钢层状复合材料。

以厚度为8mm的纯镁板以及厚度分别为0.5mm和1mm的1Cr5Mo钢板为原材料，采用砂带打磨方法对纯镁板和1Cr5Mo钢板的待复合表面进行处理，去除待复合表面的污染层，使新鲜金属露出，同时获得凹凸不平的表面结构以及垂直于纯镁板和1Cr5Mo钢板的长度方向的打磨条纹，获得待复合纯镁板和待复合1Cr5Mo钢板；

将待复合纯镁板和待复合1Cr5Mo钢板按照1Cr5Mo钢/纯镁/1Cr5Mo钢的顺序层叠组合，构成复合坯料，并采用厚度为0.2mm的铝箔套包裹复合坯料后抽真空并封套口，获得1Cr5Mo钢/纯镁/1Cr5Mo钢层状复合坯料；

将1Cr5Mo钢/纯镁/1Cr5Mo钢层状复合坯料置于加热炉中进行加热，加热温度为385℃、保温时间为25min；

将加热后的1Cr5Mo钢/纯镁/1Cr5Mo钢层状复合坯料进行热轧，获得1Cr5Mo钢/纯镁/1Cr5Mo钢层状复合材料，热轧压下量为63％；

将1Cr5Mo钢/纯镁/1Cr5Mo钢层状复合材料从铝箔套中取出后置于热处理炉中进行扩散热处理，促进缺陷-原子扩散，实现1Cr5Mo钢和纯镁的界面冶金结合，扩散热处理温度为350℃、保温时间为20h；

制备得到的1Cr5Mo钢/纯镁/1Cr5Mo钢层状复合材料的室温屈服强度为126MPa、抗拉强度为245MPa、延伸率为15％、以品质因数倒数表征的阻尼值为0.014，钢材层的层厚比为17％，且界面结合良好。

实施例4：

制备SUS310s钢/ZK61镁合金/SUS310s钢层状复合材料。

以厚度为4mm的ZK61镁合金板和厚度为0.5mm的SUS310s钢板为原材料，采用砂轮打磨方法对ZK61镁合金板和SUS310s钢板的待复合表面进行处理，去除待复合表面的污染层，使新鲜金属露出，同时获得凹凸不平的表面结构以及垂直于ZK61镁合金板和SUS310s钢板的长度方向的打磨条纹，获得待复合ZK61镁合金板和待复合SUS310s钢板；

将待复合ZK61镁合金板和待复合SUS310s钢板按照SUS310s钢/ZK61镁合金/SUS310s钢的顺序层叠组合，构成复合坯料，并采用厚度为0.1mm的铜箔套包裹复合坯料后抽真空并封套口，获得SUS310s钢/ZK61镁合金/SUS310s钢层状复合坯料；

将SUS310s钢/ZK61镁合金/SUS310s钢层状复合坯料置于加热炉中进行加热，加热温度为400℃、保温时间为15min；

将加热后的SUS310s钢/ZK61镁合金/SUS310s钢层状复合坯料进行热轧，获得SUS310s钢/ZK61镁合金/SUS310s钢层状复合材料，热轧压下量为38％；

将SUS310s钢/ZK61镁合金/SUS310s钢层状复合材料从铜箔套中取出后置于热处理炉中进行扩散热处理，促进缺陷-原子扩散，实现SUS310s钢和ZK61镁合金的界面冶金结合，扩散热处理温度为370℃、保温时间为28h；

制备得到的SUS310s钢/ZK61镁合金/SUS310s钢层状复合材料的室温屈服强度为202MPa、抗拉强度为368MPa、延伸率为16％、以品质因数倒数表征的阻尼值为0.011，钢材层的层厚比为20％，且界面结合良好。

一种镁/钢层状复合材料及其制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。