技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大大尺寸鋁合金板材制備領(lǐng)域，具體的涉及一種低成本制備表面涂有耐磨層的大尺寸鋁合金板材的方法。
背景技術(shù)：
：
鋁合金具有許多特點(diǎn)：質(zhì)輕，比強(qiáng)度和比剛度高，導(dǎo)熱導(dǎo)電性好，無磁性與電磁屏蔽特性，良好的熱加工性和切割性能，對環(huán)境無不良影響等，而成為理想的結(jié)構(gòu)材料。早期鋁合金被廣泛地應(yīng)用于航空航天輕量化，而隨著時代的進(jìn)步和發(fā)展，它在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，特別是在建筑、化工、汽車、船舶、潛艇、儀器儀表、電子、通信等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，用量比例也越來越大。
鋁合金屬比較軟并且化學(xué)性質(zhì)比較活潑，在25℃時其標(biāo)準(zhǔn)電極電位是-1.66v，當(dāng)與比它活潑的金屬相接觸時，鋁會作為陽極而被腐蝕。大氣中鋁合金表面會氧化產(chǎn)生一層氧化膜，提供一定保護(hù)作用，但這種自然氧化膜層非常薄，通常不超過4nm，且不均勻、多孔、易破損、耐蝕性差，不足以抵抗惡劣條件的侵蝕，在550℃以上工作溫度下機(jī)械性能會變差。
隨著宇航、電子及軍工等尖端科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，工業(yè)中各種零件構(gòu)件對鋁合金的要求更為苛刻，在要求材料性能穩(wěn)定的同時，還要求材料具有大尺寸、質(zhì)輕、耐磨、耐蝕、抗震、耐高溫等優(yōu)良綜合性能，顯然單純的小尺寸金屬材料已經(jīng)不能滿足要求。
中國專利(201510157528.4)公開了一種鋁合金高筒件的制備工藝，包括以下工藝流程：準(zhǔn)備原材料→下料→加熱→鍛造→機(jī)加工→加熱→馬架擴(kuò)孔→加熱→芯軸拔長→加熱→平端面→加熱→馬架擴(kuò)孔→加熱→平端面→加熱→輾環(huán)→熱處理→機(jī)加工，該發(fā)明通過熱模鍛軋及優(yōu)化的熱處理方法，成型后的高筒件機(jī)次品率明顯減少。但是熱鍛處理時對設(shè)備要求高，能耗大。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低成本制備表面涂有耐磨層的大尺寸鋁合金板材的方法，該方法制得的鋁合金板材尺寸大成本低，性能好。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
低成本制備表面涂有耐磨層的大尺寸鋁合金板材的方法，包括以下步驟：
(1)將鋁合金鑄錠拋光處理，并用依次用堿液、去離子水清洗，干燥后將其放入滴加有鈦酸酯偶聯(lián)劑的去離子水中，常溫浸泡處理10-40min，勻速提出，90-100℃下固化0.5-2h；
(2)將上述處理后的鋁合金鑄錠加熱后，在鍛造機(jī)上沖孔、擴(kuò)孔和拔長處理，得到大直徑環(huán)軋筒坯；并將制得的環(huán)軋筒坯在環(huán)軋機(jī)上環(huán)軋成大直徑旋壓筒坯；
(3)在大型強(qiáng)力數(shù)控旋壓機(jī)上對上述制得的大直徑旋壓筒坯進(jìn)行多道次溫強(qiáng)力變薄旋壓成形，并進(jìn)行中間退火處理，之后在大型強(qiáng)力數(shù)控旋壓機(jī)上進(jìn)行多道次冷強(qiáng)力變薄旋壓成形，最后依次進(jìn)行拋光、固溶時效、時效處理，得到超大直徑薄壁筒體，并將其剖開展平制得超大尺寸鋁合金薄板；
(4)用大型噴涂機(jī)在上述制得的超大尺寸鋁合金薄板上噴涂一層耐磨層，制得高耐磨大尺寸鋁合金板材。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(1)中，所述鋁合金鑄錠的成分為cu3-6％、si15-30％、mg1-4％，其余為al。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(1)中，所述鈦酸酯偶聯(lián)劑與鋁合金鑄錠的質(zhì)量比為(0.01-0.04)：50。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(2)中，所述大直徑環(huán)軋筒坯的外徑為1-2m，壁厚為150-300mm；所述大直徑旋壓筒坯的外徑為1.5-3m，壁厚為50-150mm。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(3)中，所述溫強(qiáng)力變薄旋壓處理的溫度為200-400℃，道次減薄率為25-45％；多道次溫強(qiáng)變薄旋壓的總減薄率為50-86％。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(3)中，所述中間退火處理的溫度為400-500℃，保持時間為3h。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(3)中，所述冷強(qiáng)力變薄旋壓的道次減薄率為25-45％；多道次冷強(qiáng)力變薄旋壓成形之間進(jìn)行中間退火處理，所述中間退火處理的溫度為300-550℃，保持時間為2-3h。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(3)中，所述固溶處理的條件為500-550℃下處理1-3h，所述時效處理的條件為150-180℃下處理8-10h。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(4)中，所述高耐磨大尺寸鋁合金板材板寬為3-7m，板長為4-6m，板厚為2-4mm。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(4)中，所述耐磨涂層以重量份計(jì)，由納米si3n41-2份，氟樹脂18-32份，羥基有機(jī)硅樹脂10-20份，羧甲基纖維素0.5-3份，固化劑0.06-1份組成。
本發(fā)明具有以下有益效果：
(1)首先，本發(fā)明采用鈦酸酯偶聯(lián)劑對鋁合金鑄錠進(jìn)行表面處理，從而在鋁合金表面形成一層薄膜，薄膜與鋁合金基體表面形成ti-o-al共價鍵，以及分子內(nèi)部的ti-o-ti鍵，沒有成鍵的組分可以與耐磨涂層中的活性基團(tuán)發(fā)生鍵合，有效提高了涂層與基體的結(jié)合力；且鈦酸酯偶聯(lián)劑中的長碳鍵烷烴基，比較柔軟，能和涂層中的有機(jī)聚合物進(jìn)行彎曲纏結(jié)，而其分子中的羥基、氨基、環(huán)氧基等可以與涂層中的納米粒子表面的活性基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，提高了納米顆粒與有機(jī)基體的相容性，使得涂層更加均勻，性能更優(yōu)異。
(2)其次，本發(fā)明采用局部加載省力成形的方法對鈦酸酯偶聯(lián)劑處理后的鋁合金鑄錠進(jìn)行環(huán)軋和旋壓處理，并對處理后的筒坯進(jìn)行固溶、時效處理，制得的鋁合金板材寬度可達(dá)7m，避免了采用無縫焊制備鋁合金薄板成本高，質(zhì)量差的問題。
具體實(shí)施方式：
為了更好的理解本發(fā)明，下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，實(shí)施例只用于解釋本發(fā)明，不會對本發(fā)明構(gòu)成任何的限定。
實(shí)施例1
低成本制備表面涂有耐磨層的大尺寸鋁合金板材的方法，包括以下步驟：
(1)將鋁合金鑄錠拋光處理，并用依次用堿液、去離子水清洗，干燥后將其放入滴加有鈦酸酯偶聯(lián)劑的去離子水中，常溫浸泡處理10min，勻速提出，90℃下固化0.5h；其中，鋁合金鑄錠的成分為cu3％、si15％、mg1％，其余為al；鈦酸酯偶聯(lián)劑與鋁合金鑄錠的質(zhì)量比為0.01：50；
(2)將上述處理后的鋁合金鑄錠加熱后，在鍛造機(jī)上沖孔、擴(kuò)孔和拔長處理，得到大直徑環(huán)軋筒坯；并將制得的環(huán)軋筒坯在環(huán)軋機(jī)上環(huán)軋成大直徑旋壓筒坯；
(3)在大型強(qiáng)力數(shù)控旋壓機(jī)上對上述制得的大直徑旋壓筒坯進(jìn)行多道次溫強(qiáng)力變薄旋壓成形，并進(jìn)行中間退火處理，之后在大型強(qiáng)力數(shù)控旋壓機(jī)上進(jìn)行多道次冷強(qiáng)力變薄旋壓成形，最后依次進(jìn)行拋光、固溶時效、時效處理，得到超大直徑薄壁筒體，并將其剖開展平制得超大尺寸鋁合金薄板；
其中，溫強(qiáng)力變薄旋壓處理的溫度為200℃，道次減薄率為25％；多道次溫強(qiáng)變薄旋壓的總減薄率為50％；所述中間退火處理的溫度為400℃，保持時間為3h；所述冷強(qiáng)力變薄旋壓的道次減薄率為25％；多道次冷強(qiáng)力變薄旋壓成形之間進(jìn)行中間退火處理，所述中間退火處理的溫度為300℃，保持時間為3h；所述固溶處理的條件為500℃下處理1h，所述時效處理的條件為150℃下處理8h；
(4)用大型噴涂機(jī)在上述制得的超大尺寸鋁合金薄板上噴涂一層耐磨層，制得高耐磨大尺寸鋁合金板材；
其中，高耐磨大尺寸鋁合金板材板寬為3m，板長為4m，板厚為4mm；
耐磨涂層以重量份計(jì)，由納米si3n41份，氟樹脂18份，羥基有機(jī)硅樹脂10份，羧甲基纖維素0.5份，固化劑0.06份組成。
實(shí)施例2
低成本制備表面涂有耐磨層的大尺寸鋁合金板材的方法，包括以下步驟：
(1)將鋁合金鑄錠拋光處理，并用依次用堿液、去離子水清洗，干燥后將其放入滴加有鈦酸酯偶聯(lián)劑的去離子水中，常溫浸泡處理40min，勻速提出，100℃下固化2h；其中，鋁合金鑄錠的成分為cu6％、si30％、mg4％，其余為al；鈦酸酯偶聯(lián)劑與鋁合金鑄錠的質(zhì)量比為0.01：50；
(2)將上述處理后的鋁合金鑄錠加熱后，在鍛造機(jī)上沖孔、擴(kuò)孔和拔長處理，得到大直徑環(huán)軋筒坯；并將制得的環(huán)軋筒坯在環(huán)軋機(jī)上環(huán)軋成大直徑旋壓筒坯；
(3)在大型強(qiáng)力數(shù)控旋壓機(jī)上對上述制得的大直徑旋壓筒坯進(jìn)行多道次溫強(qiáng)力變薄旋壓成形，并進(jìn)行中間退火處理，之后在大型強(qiáng)力數(shù)控旋壓機(jī)上進(jìn)行多道次冷強(qiáng)力變薄旋壓成形，最后依次進(jìn)行拋光、固溶時效、時效處理，得到超大直徑薄壁筒體，并將其剖開展平制得超大尺寸鋁合金薄板；
其中，溫強(qiáng)力變薄旋壓處理的溫度為400℃，道次減薄率為25％；多道次溫強(qiáng)變薄旋壓的總減薄率為75％；所述中間退火處理的溫度為500℃，保持時間為3h；所述冷強(qiáng)力變薄旋壓的道次減薄率為45％；多道次冷強(qiáng)力變薄旋壓成形之間進(jìn)行中間退火處理，所述中間退火處理的溫度為550℃，保持時間為3h；所述固溶處理的條件為550℃下處理1h，所述時效處理的條件為180℃下處理10h；
(4)用大型噴涂機(jī)在上述制得的超大尺寸鋁合金薄板上噴涂一層耐磨層，制得高耐磨大尺寸鋁合金板材；
其中，高耐磨大尺寸鋁合金板材板寬為7m，板長為6m，板厚為2mm；
耐磨涂層以重量份計(jì)，由納米si3n42份，氟樹脂32份，羥基有機(jī)硅樹脂20份，羧甲基纖維素3份，固化劑1份組成。
實(shí)施例3
低成本制備表面涂有耐磨層的大尺寸鋁合金板材的方法，包括以下步驟：
(1)將鋁合金鑄錠拋光處理，并用依次用堿液、去離子水清洗，干燥后將其放入滴加有鈦酸酯偶聯(lián)劑的去離子水中，常溫浸泡處理20min，勻速提出，95℃下固化1h；其中，鋁合金鑄錠的成分為cu4％、si15％、mg2％，其余為al；鈦酸酯偶聯(lián)劑與鋁合金鑄錠的質(zhì)量比為0.02：50；
(2)將上述處理后的鋁合金鑄錠加熱后，在鍛造機(jī)上沖孔、擴(kuò)孔和拔長處理，得到大直徑環(huán)軋筒坯；并將制得的環(huán)軋筒坯在環(huán)軋機(jī)上環(huán)軋成大直徑旋壓筒坯；
(3)在大型強(qiáng)力數(shù)控旋壓機(jī)上對上述制得的大直徑旋壓筒坯進(jìn)行多道次溫強(qiáng)力變薄旋壓成形，并進(jìn)行中間退火處理，之后在大型強(qiáng)力數(shù)控旋壓機(jī)上進(jìn)行多道次冷強(qiáng)力變薄旋壓成形，最后依次進(jìn)行拋光、固溶時效、時效處理，得到超大直徑薄壁筒體，并將其剖開展平制得超大尺寸鋁合金薄板；
其中，溫強(qiáng)力變薄旋壓處理的溫度為250℃，道次減薄率為30％；多道次溫強(qiáng)變薄旋壓的總減薄率為60％；所述中間退火處理的溫度為450℃，保持時間為3h；所述冷強(qiáng)力變薄旋壓的道次減薄率為30％；多道次冷強(qiáng)力變薄旋壓成形之間進(jìn)行中間退火處理，所述中間退火處理的溫度為350℃，保持時間為2.3h；所述固溶處理的條件為510℃下處理1.5h，所述時效處理的條件為160℃下處理8.5h；
(4)用大型噴涂機(jī)在上述制得的超大尺寸鋁合金薄板上噴涂一層耐磨層，制得高耐磨大尺寸鋁合金板材；
其中，高耐磨大尺寸鋁合金板材板寬為4m，板長為4m，板厚為4mm；
耐磨涂層以重量份計(jì)，由納米si3n41.2份，氟樹脂20份，羥基有機(jī)硅樹脂15份，羧甲基纖維素1份，固化劑0.5份組成。
實(shí)施例4
低成本制備表面涂有耐磨層的大尺寸鋁合金板材的方法，包括以下步驟：
(1)將鋁合金鑄錠拋光處理，并用依次用堿液、去離子水清洗，干燥后將其放入滴加有鈦酸酯偶聯(lián)劑的去離子水中，常溫浸泡處理30min，勻速提出，95℃下固化1.5h；其中，鋁合金鑄錠的成分為cu5％、si25％、mg3％，其余為al；鈦酸酯偶聯(lián)劑與鋁合金鑄錠的質(zhì)量比為0.03：50；
(2)將上述處理后的鋁合金鑄錠加熱后，在鍛造機(jī)上沖孔、擴(kuò)孔和拔長處理，得到大直徑環(huán)軋筒坯；并將制得的環(huán)軋筒坯在環(huán)軋機(jī)上環(huán)軋成大直徑旋壓筒坯；
(3)在大型強(qiáng)力數(shù)控旋壓機(jī)上對上述制得的大直徑旋壓筒坯進(jìn)行多道次溫強(qiáng)力變薄旋壓成形，并進(jìn)行中間退火處理，之后在大型強(qiáng)力數(shù)控旋壓機(jī)上進(jìn)行多道次冷強(qiáng)力變薄旋壓成形，最后依次進(jìn)行拋光、固溶時效、時效處理，得到超大直徑薄壁筒體，并將其剖開展平制得超大尺寸鋁合金薄板；
其中，溫強(qiáng)力變薄旋壓處理的溫度為300℃，道次減薄率為40％；多道次溫強(qiáng)變薄旋壓的總減薄率為80％；所述中間退火處理的溫度為450℃，保持時間為3h；所述冷強(qiáng)力變薄旋壓的道次減薄率為35％；多道次冷強(qiáng)力變薄旋壓成形之間進(jìn)行中間退火處理，所述中間退火處理的溫度為400℃，保持時間為2.6h；所述固溶處理的條件為520℃下處理2h，所述時效處理的條件為170℃下處理9h；
(4)用大型噴涂機(jī)在上述制得的超大尺寸鋁合金薄板上噴涂一層耐磨層，制得高耐磨大尺寸鋁合金板材；
其中，高耐磨大尺寸鋁合金板材板寬為5m，板長為4m，板厚為3mm；
耐磨涂層以重量份計(jì)，由納米si3n41.4份，氟樹脂25份，羥基有機(jī)硅樹脂14份，羧甲基纖維素2份，固化劑0.5份組成。
實(shí)施例5
低成本制備表面涂有耐磨層的大尺寸鋁合金板材的方法，包括以下步驟：
(1)將鋁合金鑄錠拋光處理，并用依次用堿液、去離子水清洗，干燥后將其放入滴加有鈦酸酯偶聯(lián)劑的去離子水中，常溫浸泡處理35min，勻速提出，100℃下固化1.5h；其中，鋁合金鑄錠的成分為cu5％、si25％、mg3％，其余為al；鈦酸酯偶聯(lián)劑與鋁合金鑄錠的質(zhì)量比為0.03：50；
(2)將上述處理后的鋁合金鑄錠加熱后，在鍛造機(jī)上沖孔、擴(kuò)孔和拔長處理，得到大直徑環(huán)軋筒坯；并將制得的環(huán)軋筒坯在環(huán)軋機(jī)上環(huán)軋成大直徑旋壓筒坯；
(3)在大型強(qiáng)力數(shù)控旋壓機(jī)上對上述制得的大直徑旋壓筒坯進(jìn)行多道次溫強(qiáng)力變薄旋壓成形，并進(jìn)行中間退火處理，之后在大型強(qiáng)力數(shù)控旋壓機(jī)上進(jìn)行多道次冷強(qiáng)力變薄旋壓成形，最后依次進(jìn)行拋光、固溶時效、時效處理，得到超大直徑薄壁筒體，并將其剖開展平制得超大尺寸鋁合金薄板；
其中，溫強(qiáng)力變薄旋壓處理的溫度為350℃，道次減薄率為35％；多道次溫強(qiáng)變薄旋壓的總減薄率為70％；所述中間退火處理的溫度為450℃，保持時間為3h；所述冷強(qiáng)力變薄旋壓的道次減薄率為40％；多道次冷強(qiáng)力變薄旋壓成形之間進(jìn)行中間退火處理，所述中間退火處理的溫度為500℃，保持時間為2.8h；所述固溶處理的條件為530℃下處理2.5h，所述時效處理的條件為170℃下處理9h；
(4)用大型噴涂機(jī)在上述制得的超大尺寸鋁合金薄板上噴涂一層耐磨層，制得高耐磨大尺寸鋁合金板材；
其中，高耐磨大尺寸鋁合金板材板寬為6m，板長為5m，板厚為3mm；
耐磨涂層以重量份計(jì)，由納米si3n41.6份，氟樹脂30份，羥基有機(jī)硅樹脂18份，羧甲基纖維素2.5份，固化劑1份組成。
對比例1
鋁合金鑄錠不采用鈦酸酯偶聯(lián)劑預(yù)處理，其他制備條件和實(shí)施例5相同。
對比例2
鋁合金鑄錠采用鈦酸酯偶聯(lián)劑處理時，二者質(zhì)量比為：鋁合金鑄錠：鈦酸酯偶聯(lián)劑＝50：0.5，其他制備條件和實(shí)施例5相同。
對比例3
在多道次冷強(qiáng)力變薄旋壓成形過程中不進(jìn)行中間退火，其他制備條件和實(shí)施例5相同。
對比例4
耐磨涂層中不包括納米si3n4，其他制備條件和實(shí)施例5相同。
下面對上述制得的大尺寸鋁合金板材進(jìn)行性能測試。
1、耐磨性測試
用自制的銷盤式薄膜涂層磨損試驗(yàn)機(jī)測定了薄膜的摩擦學(xué)性能。試驗(yàn)參數(shù)為：試驗(yàn)載荷36n，盤的轉(zhuǎn)速為50r/min，對磨件材料為高速鋼，硬度62hrc以上，采用失重法測量磨損量，稱量儀器使用精度為0.01mg的l-200sm分析天平。
測試結(jié)果顯示：磨損機(jī)運(yùn)行1h時，實(shí)施例1-實(shí)施例5的鋁合金板材的磨損量僅為0.01-0.05mg，對比例1-3的磨損量為0.15-0.3mg，對比例4的磨損量為3.6mg。從該結(jié)果可以看出，本發(fā)明在表面涂層中加入適量的納米氮化硅可以有效提高涂層的耐磨性能；且鋁合金的加工工藝條件也對其表面耐磨性有一定的改善。
2、涂層與基體的結(jié)合力
本實(shí)驗(yàn)采用蘭州大學(xué)的ws-2000型劃痕試驗(yàn)儀可以進(jìn)行定量分析。劃痕試驗(yàn)儀由兩部分組成一是工作臺，可以根據(jù)不同的需要改變參數(shù)對試樣進(jìn)行劃痕試驗(yàn)；二是主機(jī)部分，主要負(fù)責(zé)分析處理通過工作臺上的傳感器搜集信息，并輸出結(jié)果。
劃痕試驗(yàn)儀的工作方式主要有聲發(fā)射和摩擦力兩種，這兩種工作方式的原理大致相同，只是采集的信號分為聲發(fā)射信號和摩擦力信號而己。一般說來，聲發(fā)射信號穩(wěn)定但抗干擾能力較差而摩擦力信號抗干擾能力強(qiáng)但曲線變化不明顯，所以最好把這兩種方式結(jié)合起來。其簡單的工作原理如下：用120°的錐形金剛石壓頭壓在薄膜表面緩慢劃動，并連續(xù)不斷的增加載荷，當(dāng)載荷增加到一定的數(shù)值時，薄膜開始破裂，此時傳感器會同時收到破裂時的聲發(fā)射信號和摩擦力變化數(shù)據(jù)，傳到主機(jī)上進(jìn)行處理，這時的載荷即為臨界載荷，用lc表示。一般認(rèn)為lc含有結(jié)合力的成分，但不一定能完全代表結(jié)合力的大小，通常用下列公式來進(jìn)行運(yùn)算：
τc＝k(hv)a/(r2-a2)；
a＝lc/(hv)1/2
τc-膜層結(jié)合力(mpa)；lc-臨界載荷(n)；hv-基體硬度(mpa)
r-劃針半寬(mm)；a-劃痕半寬(mm)；k-修正系數(shù)(0.2-1.0)
測試結(jié)果顯示：實(shí)施例1-5涂層與鋁合金基體的結(jié)合力為37.8-41.5n，而對比例1-對比例3的涂層與基體的結(jié)合力僅為13.5-16.7n，對比例4的涂層與基體的結(jié)合力為25.4n。