（材料加工工程专业论文）az61镁合金板材热轧工艺研究.pdf

j f 。 l ! at h e s i si nm a t e r i a l sf o r m i n ge n g i n e e r i n g i i ii ii lli l l l lli t iiiil y 1 8 4 0 5 7 9 s t u d y o nh o t r o l l i n gp r o c e s s o fa z 61 m a g n e s i u ma l l o y b ys u m e i k e s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r x ug u a n 伊f i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 j 9 j 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导f 完成的。论文中取得的研 究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：荔纠 日 期：纱对。i ，j 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 0 瘪 j 东北大学硕士学位论文摘要 a z 6 1 镁合金板材热轧工艺研究 摘要 镁合金具有低密度、高比强度和高比刚度、高阻尼、电磁屏蔽良好及机械加工方便等 优点，特别适用于轻质结构件，近年来在航空、汽车和电子业中的应用得到了长足发展。 另一方面，为克服镁合金强度低和塑性变形能力差的缺点，开发变形镁合金材料成为高性 能镁合金的主要方向。 本文在研究了双辊铸轧镁合金薄板带的生产工艺基础上，利用铸轧坯直接进行热轧， 研究了热轧工艺、热轧对a z 6 1 镁合金薄板微观组织和性能的影响、以及添加稀土对a z 6 1 镁合金薄板性能的影响。并取得了下列有价值的结果： ( 1 ) 通过热轧工艺实验和组织性能检测表明，含稀土与不含稀土的a z 6 1 镁合金板材在 4 0 0 x7 0 热轧后获得的组织性能最佳，抗拉强度为2 9 0 m p a ，延伸率为1 8 9 。 ( 2 ) 研究表明热轧温度越高，a t _ 五l 镁合金发生动态再结晶越充分，压下率增加，a z 6 1 镁合金再结晶程度增加。在较低温度( 3 0 0 c 3 5 0 ) 热轧时，变形主要依靠滑移，但随 压下量增加孪晶组织增加。 ( 3 ) 稀土元素能够提高a z 6 1 镁合金的热轧性能，细化热轧后组织，提高镁合金板材 热轧后的综合性能。 ( 4 ) 随着稀土元素含量的增加，a z 6 1 镁合金的组织性能得到改善，当含量达到0 8 时其显微组织和性能达到最高。 关键词：a z 6 1 镁合金；稀土元素；热轧；力学性能；晶粒细化 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c l s t u d y o nh o t r o l l i n gp r o c e s s o fa z 61 m a g n e s i u ma l l o y a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y sh a v e b e e nw i d e l yu s e da st h el i g h tm a t e r i a l si nt h ea v i a t i o n ，a u t o m o t i v e a n de l e c t r o n i ci n d u s t r yd u et ot h e i rl o wd e n s i t y , h i g hs p e c i f i cs t r e n g t h , s p e 捌l cs t i f f n e s s ，f i n e d a m p i n gc a p a c i t y , g o o ds h i e l d i n gp r o p e r t i e s o nt h eo t h e rh a n d ，w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o yb a s e d o nm i c r o s t m c t u r er e f i n e m e n ti st h ec h i e fo r i e n t a t i o ni ne n h a n c i n gt h es t r e n g t ha n dd e f o r m a b i l i t y o fm g a l l o y s i nt h i sp a p e r ，b a s e do nf i n i s h i n gt h es t u d yo ft w i n - r o uc a s t i n gt e c h n o l o g y ，t h et w i n - r o l lc a s t i n g s t r i pb i l l e tw a sr o l l e di n t ot h i ns t r i p s t u d y i n gt h er o l l i n gm e t h o d s ，e f f e c t o f h o t r o l l i n go nt h e m i c r o s t r u c t u r ea n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 、t h ee f f e c t i o no fa d d i t i o no fr e a n das e r i a l so f r e s u l t sw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： ( 1 ) a z 6 1m a g n e s i u ma n o ys h e e t so b t a i n st h e b e s ts t r u c t u r ep r o p e r t i e sa f t e r4 0 0 c x7 0 h o t r o l l i n gt h r o u g ht h eh o tr o l l i n ge x p e r i m e n ta n dt h es t r u c t u r ep r o p e r t ye x a m i n a t i o n t h et e n s i l e s t r e n g t hi s2 9 0 m p a , t h ee l o n g a t i o nr a t i oi s1 8 9 ( 2 ) t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a tt h eh o tr o l l i n gt e m p e r a t u r ei sh i g h e r , n u c l e u sa m o u n to f d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nw a si n c r e a s e da n dm o l eg r a i n sw e r er e f i n e d w h e nl o wt e r n p e m t u r e ( 3 0 0 ( 2 3 5 0 c ) h o tr o l l i n g , d i s t o r t i o nm a i nd e p e n d ss l i p p i n g , w i t ht h ei n c r e a s i n go fd e f o r m a t i o nr a t i ot h e t w i nc r y s t a l so r g a n i z a t i o ni n c r e a s e d 0 ) t h er a r e - e a r t he l e m e n tc a ne n h a n c et h eh o tr o l l i n gp e r f o r m a n c eo f a z 6 1m a g n e s i u ma l l o y , r e f i n eh o tm f l i n go r g a n i z e s ，e n h a n c et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f a z 6 1m a g n e s i u ma l l o y ( 4 ) t h ea z 6 1m a g n e s i u ma l l o y ss t r u c t u r ep r o p e r t i e si si m p r o v e da l o n gw i t hr a r e e a r t he l e m e n t co n t e n t sk a c r e a s e ，w h e nt h ec o n t e n ta c h i e v e s0 8 ，i t sm i c r o s t m c t u r ea n dt h ep e r f o r m a n c ea c h i e v e l l i 曲 k e yw o r d s ：a z 6 1m ga l l o y ；h o t r o l l i n g ；r a r ee a r t h ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；g r a i nr e f i n e m e n t i i i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 蕴虫创 生声明。i 摘要 目录 第一章绪论 1 1 1 镁及镁合金1 1 1 1 镁及镁合金的基本性质和特点。1 1 1 2 镁合金的合金成分与牌号标记方法3 1 1 3 镁合金的分类3 1 2 铸轧工艺及其特点4 1 2 1国外镁合金双辊铸轧工艺研究现状4 1 2 2国内镁合金双辊铸轧工艺研究现状。6 1 3 镁合金热轧技术介绍7 1 3 1 薄板轧制7 1 3 2 轧制过程中的晶粒细化机制：8 1 3 3 轧制工艺参数对镁合金板材的影响8 1 4 镁合金热轧概况9 1 5 本课题研究的主要目的，意义及内容1 l 1 5 1 本课题研究主要目的1 1 1 5 2 本课题研究的意义1 1 1 5 3 本课题研究的内容1 1 第二章实验设备及实验内容 2 1 实验目的1 3 2 2 实验设备13 2 2 1 铸轧实验设备l3 2 2 2 热轧实验设备一1 4 2 3 实验材料成分二l5 2 4 镁合金铸轧板轧制实验过程1 5 2 4 1 镁合会铸轧15 2 4 2 镁合会热轧l6 2 5 会相试样的制备1 6 2 6 实验成果展示，17 2 6 1 铸轧板及铸轧卷成果o 17 2 6 2 不同工艺得到的热轧板实验成果展示1 8 2 7 本章小结一19 第三章a z 6 1 镁合金热轧实验结果及分析 i v 2 1 ， 毒 皇 冬 疋 * 委 东北大学硕士学位论文目录 3 1a z 6 1 镁合金的铸轧组织分析2 1 3 2 镁合金薄板的热轧组织分析2 1 3 2 1 压下量对镁合金显微组织的影响2 l 3 2 2 温度对镁合金显微组织的影响2 4 3 2 3 不同热轧工艺镁合金显微组织的变化。2 6 3 3 镁合金塑性变形孪生机制3 0 3 4 镁合金薄板的力学性能分析3 2 3 4 1 拉伸实验试样标准3 2 3 4 2 拉伸实验力学性能3 3 3 5 本章小结。3 6 第四章含稀土a z 6 1 镁合金热轧组织性能研究 4 1 含稀土镁合金热轧工艺设计3 7 4 2 含稀土镁合金热轧。3 7 4 2 1 含稀土镁合金组织性能3 7 4 2 2 含稀土镁合金力学性能。4 0 4 3 含稀土o 4 镁合金板按不同工艺得到的薄板组织和性能4 4 4 4 含稀土o 8 镁合金板按不同工艺得到的薄板组织和性能4 6 4 5 稀土对镁合金性能的影响4 8 4 5 1 稀土对镁合金组织性能的影响4 8 4 5 2 稀土对镁合金力学性能的影响5 2 4 6 本章小结5 6 第五章结论 参考文献 致谢 v 5 7 鼹 6 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 镁及镁合金 第一章绪论弟一早珀v 匕 1 1 1 镁及镁合金的基本性质和特点 金属镁及其合金是迄今在工程中应用的最轻的结构材料。在元素周期表中，镁的原 子序数为1 2 ，属a 族碱土金属。配位数为1 2 时的原子半径为0 1 6 2 n m 。镁的一些 重要的物理参数见表1 1 【m l t 镁在2 0 。c 时的体积热容为1 7 8 1 k j ( m 3 - k ) ，在同样条 件下铝的体积热容是2 4 3 0 k j ( m 3 k ) ，钛为2 3 9 4 k j ( m 3 - k ) ，镍为4 1 9 2 k j ( m 3 k ) ，铁 为3 5 2 1 k j ( m 3 k ) ，铜为3 4 5 9 k j ( m 3 - k ) ，锌为2 7 2 7 k j ( m 3 k ) ，钼为2 8 1 5 k j ( m 3 k ) ， 银为2 4 6 8 k j ( m 3 k ) ，钽为2 3 0 7 k j ( m 3 k ) 4 1 。可见，镁的体积热容比其他所有金属都 低。此外，合金元素对镁的热容影响也不大。因此，镁及其合金的一个重要特征是 加热升温与散热降温都比其他金属快。 。 表1 1 纯镁的一些物理参数随温度的变化 t a b l e1 51v a r i a t i o no fs o m ep h y s i c a lp a r a m e t e r so fm a g n e s i u mw i t ht e m p e r a t u r e s 6 5 0 ( 同) 6 5 0 ( 液) 1 7 3 8 1 7 2 4 1 6 9 2 1 6 2 2 1 6 1 0 1 5 8 0 镁的晶体结构为密排六方( h c p ) ，如图1 1 所示。在2 5 时的品格常数为： 一 5 一 一 一 一 一 2 0 9 8 5 3 巧 拍 勰 记 弘 一 一 5 4 7 o 2 眈 一 一 砣 弘 乾 ) o o o o 孔 加 加 、 一 惹 葱一 燕 司_ 东北大学硕士学位论文第一章绪论 a = 0 3 2 0 2 n m ，c = 0 5 1 9 9 r i m ；晶胞的轴比为c a = 1 6 2 3 7 。由于晶体发生塑性变形时滑 移面总是原子排列的最密面，而滑移方向总是原子排列的最密方向，因此多晶密排六方 结构的镁，其塑性变形在低于4 9 8 k 时仅限于基面 0 0 0 1 ( 1 1 2 0 滑移及锥面 1 0 1 2 ) ( 1 0 1 1 ) 孪生。与其它常用金属相比，如铝( f c c 结构) 、铁( b c c 结构) 、铜( f c c 结构) ， 镁的滑移系少是造成其塑性变形能力差的主要原因。纯镁单晶体的临界切应力只有 ( 4 8 , - 4 9 ) x 1 0 5 p a ，纯镁多晶体的强度和硬度也很低，因此不能直接用做结构材料。纯镁的 主要用途是配制镁合金及其他合金。镁在金属中是电化学顺序最后一个，具有很高的化 学活泼性。 i - 一口叫 图1 1 镁的密排六方晶胞结构 f i g 1 1c l o s e - p a c k e dh e x a g o n a ls u - u c t u r eo f m a g n e s i u m 纯镁的密度为1 7 3 6 x 1 0 3 k g m 3 ，普通镁合金密度为( 1 3 1 9 ) x 1 0 3 k g m 3 【5 6 】，最轻的镁 合金( m g l i 合金) 的密度仅为0 9 5 x 1 0 3 k g m 3 ，可漂浮于水上。与其它金属和工程塑料相 比，镁合金具有无可比拟的优点，主要表现在以下几个方面【5 1 ： ( 1 ) 质量轻，密度比铝、钢小，用于汽车制造业上可减轻整车重量，间接减少燃油 消耗量。 ( 2 ) 比强度明显高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能够承受一定的负荷。 ( 3 ) 具有良好的阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，其壳体可降低噪声，制作座 椅、轮圈可减少振动，提高汽车的安全性和舒适性。 ( 4 ) 镁合会热传导性好，是工程塑料的3 0 0 倍，可用于制造要求散热性能好的电子产 品。 ( 5 ) 镁合金是非磁性材料，电磁屏蔽性能很好，抗电磁波干扰能力强，可用于手机 等通讯产品。 2 一- 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 6 ) 镁合金机加工性很好，外观美丽，质感好，可做笔记本电脑，照相机等部件的 外壳。 ，一。一。， ( 7 ) 镁合金尺寸稳定，收缩率很小，不易因环境的改变而改变( 相对于工程塑料) 。 镁的这些优点使其被誉为“2 l 世纪绿色工程金属结构材料”，并将成为2 1 世纪重要 的商用轻质结构材料。 镁合金的合金成分与牌号标记方法及其分类： 纯镁的力学性能很低，不能直接用做结构材料，向镁中加入一些合金元素，即镁的 合金化是实际应用中最基本、最常用和最有效的强化途径，而其他强化方法往往都首先 建立在镁的合金化基础上。目前在应用中已有很多商业化的镁合金，了解这些镁合金的 成分、合金分类、牌号、显微组织和力学性能特点，有利于深入系统地掌握镁合金的基 本属性。 1 1 2 镁合金的合金成分与牌号标记方法 镁合金的标记方法有多种，各国的标准也不一样，其中美国a s t m 标准的标记规 则应用最为广泛。按a s t m 标准的标记规则，化学元素用l 2 个字母标记，其后的数 字表示该元素在合金中的名义成分，用质量分数表示，四舍五入到最接近的整数。字母 的顺序按在实际合金中含量的多少排列，含量高的化学元素在前，如果两种元素的含量 相同，则按英文字母的先后顺序排列。例如，a z 9 1 表示合金m g 一9 a i 1 z n ，但该合金的 实际化学成分是w ( a 1 ) = 8 3 9 7 和w ( z n ) = 0 4 1 o 。 我国对镁合金的标记方法比较简单，用两个汉语拼音字母和其后的合金顺序号 ( 阿拉伯数字) 组成。依据前两个汉语拼音字母将镁合金分为4 类：变形镁合金、 铸造镁合金、压铸镁合金和航空镁合金。合金的顺序号表示合金之间的化学成分差 异。变形镁合金用m b 两个汉语拼音字母表示，m 表示镁合金，b 表示变形；铸造 、 镁合金用z m 两个汉语拼音字母表示，z 表示铸造，m 表示镁合金；压铸镁合金虽 然也属于铸造镁合金，但还是专用两个汉语拼音字母y m 表示。用于航空的铸造镁 合金与其他铸造镁合金在牌号上略有区别，即z m 两个字母与代号的连接加一个横 杠。例如5 号航空铸造镁合金用z m 5 表示。可见，我国对镁合金标记的特点是按 成形工艺划分镁合金的。 1 1 3 镁合金的分类 - 3 啼1 _ 鬻 碧 鬣 谭 东北大学硕士学位论文第一章绪论 根据化学成分的不同，工业镁合金按主添加元素为m n 、a i 、z n 、z r 和稀土分为5 个基本合金系：m g m n 、m g a i - m n 、m g a i z n - m n 、m g z r 、m g z n z r 、m g 一稀土- z r 、 m g a g 一稀土一z r 和m g y 稀土一z r 等【7 】o 此外，在某些镁合金中n 也是添加元素之一。尽 管含t h 镁合金可具有优良的性能，但因t h 具有放射性，现已基本不用。 按产品形态，可分为铸造和变形合金，后者又可分为锻压合金、挤压合金和轧制合 金。除以上常用镁合金外，还有其它一些新系镁合金，如m g z n c u 系，典型合金有砂 铸合金z c 6 3 和变形合金z c 7 1 ；m g l i 系合金，其中l a l 4 1 a 和l s l 4 1 a 已在航空航天工业 得以应用。 近来，结合新工艺方法，一些新型镁合金体系得以开发和应用，如快凝( r s p ) 合金， 如e a 5 5 r s ；非晶镁合金，如著名的三元合金m g - m l n ，其中m 为c u 或n i ，l n 为 l a 系元素，如y ；金属基复合材料( m m c ) ，如以s i c ，玻璃，a 1 2 0 3 和石墨等作为纤维 强化添加剂的a z 9 1 ，a z 31 及m g l i 系合金等。这些合金的强度比一般镁合金高得多， 甚至高于一般铝合金的强度。 、 1 2 铸轧工艺及其特点 双辊铸轧是把熔融金属通过浇嘴浇入铸轧辊之间，在辊缝中完成浇注、冷却、结晶、 凝固、轧制和出坯这一系列的工艺过程。该技术的特点是金属凝固和轧制变形同时进行， 液态金属在结晶凝固的同时承受压力加工和塑性变形，在很短时间内完成从液态金属到 固态薄带的全部过程【1 4 , 1 5 】。 相对于传统的模铸法，双辊铸轧具有下列优点： ( 1 ) 简化了生产工序，缩短了生产周期，设备投资也相应减少： ( 2 ) 液态金属在双辊铸轧过程中实现了快速凝固，促进了亚稳相的形成，扩大了 固溶度，细化了组织，从而大大改善了材料性能； 毒 ( 3 ) 此外，利用薄带铸轧技术的快速凝固特点，还可以生产出传统工艺难以轧制 的材料以及具有特殊性能的新材料。 1 2 1 国外镁合金双辊铸轧工艺研究现状 据最近国外媒体报道，澳大利亚的联邦科学与工业研究组织( c o m m o nw e a l t h s c i e n t i f i c & i n d u s t r i a lr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n c s i r o ) 从2 0 0 0 年开始研究镁带材生产 新工艺与新设备，2 0 0 3 年1 1 月宣布，它在工业性试验厂的试生产设备上，成功地生产 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 出了近实形、接近深加工产品厚度的低成本镁板。报道文章没有细述设备构造，只是简 单的说这是一套非常确实的双辊铸造工艺，把熔融的镁注入两个冷却辊之间即可。报道 说，澳大利亚科工组织将标准合金，如a z 3 1 、a z 6 1 、a m 6 0 和a z 9 1 和新的锻造合金 成功的铸轧出了符合商业交易质量的、厚度在2 3 m m - 5 m m 的镁板。而且，科工组织开 发的特殊精轧工艺，可以将上述厚度的镁板进一步加工，使之达到0 5 m m - 4 ) 6 m m 。这 种镁薄板的样品已经生产出来，带材的宽度达6 0 0 m m 的薄带在其试验厂已经成功生产 出来。图1 2 为c s i r o 生产的厚度为2 5 m m 的a z 3 1 b 镁合金带卷【l 9 j 。 图1 2c s i r o 生产的厚度为2 5 m m 的a z 31 b 镁合金带卷 f i g 1 2 c o i l e da z 31 bs t r i po f 2 5 m mt h i c k n e s sp r o d u c e db yc s i r o 德国的蒂森集团弗莱堡镁板带公司是2 0 0 1 年提出研究镁直接铸造镁板带材这个课 题洲2 0 , 2 1 1 。该公司的试验设备是法国彼施涅( p e c h i n e y ) 铝公司的设计院提供的，它是 一套卧式的双辊铸轧设备，带有水冷却的钢辊，能生产出一条连续的镁合金带，其宽度 达7 0 0 m m 。目前，他们主要开发的是a z 3 1 镁合金。与传统的镁带材轧制方法相比， 这种直接铸造带材的方法，是一种工艺流程短、成才率高的方法，公司的试生产表明， 最终厚度为2 m m 的带材，成材率可以达到8 0 9 0 。这种新方法生产所需的镁锭原料， 比传统方法生产所需的扁锭还便宜。因此，这种新方法生产的成本还有进一步下降的可 能。弗莱堡镁板带公司称这套工艺将在2 0 0 5 年可以实现工业化生产，该公司研究发现， 与传统的铸锭热轧板材的显微组织相比，双辊连续铸轧镁合金薄板的显微组织均匀细 小，极少偏析，镁固溶体内的第：二相质点密而弥散地分布着。由于材料显微组织的改善， 其力学性能有相当大的提高。 挪威的h y d r o 公司也已经成功的丌发出了一套镁合金铸轧实验设备，该设备是在铸 轧铝合金的基础上成功改造的，目前已经生产出了厚度为4 5 m m ，宽度为4 1 0 m m ，铸 轧速度在1 4 m m i n 2 1 m m i n 之间的a z 3 1 镁合金薄板，目前他们连续生产的最大产量 - 5 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 为1 t 左右，这主要是因为熔炼炉容量的限制。并且他们还利用铸轧生产出来的镁合金 薄板进行了热轧实验研究，热轧的温度在4 0 0 。c ，每道次的压下率在1 0 左右，最大可 达4 0 而没有产生明显的缺陷。其最终的组织性能也明显优于传统热轧方法生产的镁合 金板带。图1 3 为挪威h y d r o 公司生产镁合金铸轧薄带的实验性设备蚴。 图1 3 挪威h y d r o 公司的镁合金铸轧实验设备 f i g 1 3t h ee q u i p m e n to f t w i n r o l l s t r i p - c a s t i n go f m a g n e s i u ma l l o yo w n e db yh y d r o 此外，日本的h w a t a r i 等人开发了双辊铸轧半固态镁合金的生产工艺阳3 洲。该技 术是在倾斜式双辊铸轧机的基础上，在熔炼炉与供料箱之间增加了一个冷却斜坡 ( c o o l i n gs l o p e ) ，斜坡的温度保持恒定，该斜坡的作用是将熔融的镁合金熔体冷却为 半固态浆料，随后进入供料箱，最终铸轧出镁合金薄板。采用此技术，h w a t a r i 等人已 经成功的铸轧出了a z 3 1 b 、a z 9 1 d 、a m 5 0 和a m 6 0 的镁合金薄板，其厚度在2 5 - 一4 0 m m 之间，铸轧速度在1 5 - 2 0 m m i n 、浇注温度为6 2 5 时可以生产出表面质量良好的a z 3 1 镁合金薄带，在铸轧速度为1 5 - - - 2 5 m m i n 、浇注温度为6 2 0 。c 时可以生产出表面质量良好 的a m 5 0 a 和a m 5 0 b 镁合金薄带，平均晶粒尺寸在3 0pm 左右，最小达到lo1 tm 。 1 2 2 国内镁合金双辊铸轧工艺研究现状 国内的研究中，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室采用立式双辊铸轧 7 机，进行了关于a z 3 l 镁合金的铸轧实验，研究结果表明，当浇铸温度在6 5 5 6 6 5 。c ， 辊速为1 3 1 5 r m i n ，预留辊缝为0 9 m m 时，可以得到边部整齐，表面质量较好的镁合金 托彭善薯 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 薄带。铸带组织细小，组织由q m g 及m g 的过饱和固溶体组成f 1 3 2 6 - 2 7 i 。 重庆大学前期对薄带钢铸轧过程实验及基础理论研究做了细致工作。主要对硅钢、 碳钢铸轧过程进行理论实验分析，开发了相应的数学模型，并对铸带显微组织及热处理 中变化进行了初步研究，为控制铸轧过程及薄带质量提供了依据。 重庆大学于2 0 0 3 年开始将薄带铸轧工艺应用于变形镁合金生产，通过实验研究， 基本解决铸轧过程成型问题。采用立式双辊铸机进行薄带连铸的实验研究工作，实验材料 为a z 3 1 镁合金。镁合金薄带厚度为1 2m m ，宽度为1 5 0m m 。研究结果表明，当浇铸温 度在6 5 5 - - - - 6 6 5 c ( 高于液相线2 0 3 0 ) ，辊速为1 3 - 1 5r m i n ，预留辊缝为0 9m n ，此时， 镁合金在凝固过程中的冷却速度约为2 0 0 - - - - 3 0 0 * c s ，可以得到边部整齐，表面质量较好的 镁合金薄带 2 02 1 1 。 2 0 0 5 年5 月，洛铜集团成功开发出了变形镁合金连续铸轧技术，铸轧坯料的力学性 能，表面质量、板形、厚度公差及其深加工产品的适用性等方面已经达到或超过热轧同 类产品的质量【2 8 - 2 9 。 1 3 镁合金热轧技术介绍 1 3 1 薄板轧制 预热：薄板生产采用板坯，其加热温度一般比铸锭温度低3 0 - - 6 0 ，其加热时间 主要取决于加热温度、板坯厚度、装炉量的多少及采用加热炉的形式。常用的板坯加热 炉有箱式电阻空气循环加热炉和链条或履带式空气循环电阻加热炉。 粗轧：镁合金的粗轧基本属于热轧。在粗轧过程中，压下量比较大，在干轧的情况 下，轧辊温度上升快，粘辊严重。在生产中粗轧板坯的最终厚度一般为5 - - - 6 m m ，特殊 情况为3 m m 。粗轧中应注意：开轧的头两道次应尽量提高压下量，减少道次，此后 道次压下量逐步减小。粗轧动作尽量快，时间短。轧辊预热温度应保证。 中轧和精轧：在镁合金的中轧和精轧过程中，随着轧制道次的增加，板坯的温度逐 渐降低，轧件可以得到与冷轧制品相似的性能。中轧和精轧的道次压下量取决于轧辊温 度、轧制速度和润滑条件。在于轧的情况下，道次压下量的分配原则是，多道次和小压 下量。 镁合金中轧和精轧时，轧辊的温度维持在2 0 0 - - - 2 5 0 。c 最佳。轧辊温度过低会降低 合会的轧制性能和表面质量，而温度过高难以保证板材平直度。为避免以上问题，在生 - 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 产中，可采取以下措施：降低开轧温度。降低轧制速度或减少道次压下量。采用 合适的润滑。轧制过程中，在一定的变形量下，组织中位错开始滑移，并于旧晶界处聚 集纠缠进而形核，形核的机制比较复杂，目前有晶界弓出、亚晶旋转、连续动态再结晶。 1 3 2 轧制过程中的晶粒细化机制 晶粒细化是提高镁合金综合性能的重要手段，通过细化晶粒不仅可以提高材料的强 度，还可以改善其塑性和韧性。根据h a l l p e t c h 公式【1 7 】可以直观的观察到屈服强度与 晶粒尺寸的关系oy i e l d = oo + k d - 1 2 式中o0 反映晶内对变形的阻力，相当于单晶体的屈 服强度，+ k 为h a l l p e t c h 斜率，d 为晶体直径。由公式可知随着晶粒尺寸的减小，材料 的屈服应力增大。研究表明，伴随晶粒尺寸的减小，镁合金的屈服强度、抗拉强度、延 伸率等指标均得到有效的提高。与此同时，晶粒细化增加了晶界数量，而晶界是滑移传 递的有效障碍，晶界前方的应力集中使得更多的滑移系被激活，从而使合金整体变形均 匀，也带来合金强度和韧性的提高【1 0 2 1 。目前镁合金细化晶粒可通过变质处理、半固态 成型或挤压铸造、快速凝固粉末冶金等方法实现。在热轧过程中，则主要依靠动态再 结晶来实现晶粒的细化。轧制过程中，在一定的变形量下，组织中位错开始滑移，并于 旧晶界处聚集纠缠进而形核，形核的机制比较复杂，目前共有晶界弓出、亚晶旋转、连 续动态再结晶、旋转动态再结晶等机制【8 】。这里不一一介绍。总体来说，动态再结晶是 一个形核与核心长大的过程，当旧的再结晶晶粒于旧晶界处形核长大时，新的晶粒又在 正在长大的再结晶晶粒边界处形核长大，这样就形成了再结晶晶粒的增厚带【3 3 1 。当轧制 温度较低时，与原始晶粒相比，再结晶晶粒直径较小，围绕在原始大晶粒周围形成了 “项链 结构；但伴随着轧制的进行，应变足够大时，组织中将会发生完全再结晶。形 成大小不均且晶内位错密度较低的等轴晶粒。轧制过程中动态再结晶的晶粒不仅与变形 量的大小有关，并且与变形温度、应变速率有关，变形温度越高，动态再结晶进行得越 充分，组织越为均匀，但晶界扩散和晶界迁移能力增强，晶粒容易长大而导致晶粒粗大。 随着应变速率增加，变形过程中产生的位错来不及抵消，位错增多，再结晶形核数增加， 导致晶粒细化。动态再结晶晶粒一般在晶界或晶界附近形核长大，由于再结晶晶粒在形 核与长大的同时变形还在继续，所以动态再结晶晶粒不同于静态再结晶时得到的完全无 畸变的等轴晶粒，在动态再结晶晶粒内有一定程度的应变。 1 3 3 轧制工艺参数对镁合金板材的影响 一r - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 材料的力学性能是由其微观组织特征决定的，具体来说变形镁合金板材的力学性能 主要受晶粒度、晶粒尺寸分布及晶粒取向分布的影响，而轧制工艺参数可通过影响镁合 金的塑性变形机制或恢复和动态再结晶过程来左右材料的最终组织，成为决定板材性能 最重要的因素【3 4 1 。 1 3 3 1 轧制温度的影响 轧制温度对镁合金板材组织性能的影响，其实质是通过对轧制时的塑性变形机制和 动态再结晶过程的影响来实现的f 3 5 1 。低温轧制时，非基面滑移系难以启动，孪生成为重 要的变形方式，晶粒中往往出现大量孪晶。同时由于达不到动态再结晶所需的温度，因 此不能通过再结晶细化晶粒。在再结晶温度以上进行热轧时，可通过形成细小的再结晶 晶粒而使平均晶粒尺寸下降，综合力学性能提高。 。 1 3 3 2 变形程度的影响 变形量对镁合金轧制板材的组织有很大影响【3 5 1 。一般说来，随着变形量的增大，热 轧板材的晶粒尺寸减小，且大小更加均匀。但压下量过大时，容易出现裂边或表面裂纹。 ， 1 3 3 3 锭坯厚度的影响 在坯料具有初始织构的情况下，除了变形程度对板材的组织性能有很大的影响外， 在相同变形量和其它变形条件下，坯料的厚度对板材的组织性能也有很大的影响 5 1 。这 是因为坯料厚度的改变将引起轧板法向和径向轧制力之间的夹角发生变化，从而改变材 料的变形机制，影响合金的力学性能。? 1 3 3 4 轧制方式的影响 镁合金在轧制过程中易形成( 0 0 0 1 ) 基面织构，成品板材通常具有很强的各向异性， 这对冲压特别是拉深极为不利。采用交叉轧制的方法【3 7 】( 即在轧制过程中，每轧一道次 后将板材转9 0 。再进行轧制) ，轧向和横向交替变化，不仅可以使锭坯长宽比灵活配合， 而且能导致晶粒均匀化和等轴化，降低各向异性，改善板材性能。轧制工艺参数对镁 合金板材的影响材料的力学性能是由其微观组织特征决定的，具体来说变形镁合会板材 的力学性能主要受晶粒度、晶粒尺寸分布及晶粒取向分布的影响，而轧制工艺参数可通 过影响镁合金的塑性变形机制或恢复和动念再结晶过程来左右材料的最终组织，成为决 定板材性能最重要的因素【3 4 j 。 1 4 镁合金热轧概况 9 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 热轧温度应保证合金具有最好的塑性变形能力，而镁合金热轧温度范围主要取决于 合金性质。镁合金厚板的组织和性能主要取决于热轧的终了温度。随着终轧温度的提高， 除伸长率升高外，抗拉强度、屈服强度和压缩屈服强度普遍下降。板材的再结晶程度也 随着终轧温度的提高而升高，因此应该严格控制终轧温度。热轧时一般用猪油、石蜡或 含石墨的四氯化碳溶液作润滑剂，镁合金热轧中常见缺陷及消除方法见表1 - 2 。 表1 2镁台金热轧中常见缺陷及消除方法 t a b l e1 2c o m m o nf l a wo fm a g n e s i u mi nh o tr o l l i n ga n dm e t h o do fe l i m i n a t i o n 缺陷种类产生原因消除方法 铸锭开裂铸锭质量不好、冷隔没提高铸锭质量，消除冷 铣掉；铸锭加热温度过高或隔；正确执行铸锭加热制度， 过低；道次压下量过大防止过烧或温度不够，合理 分配道次压下量 表面裂纹及裂边铸锭晶粒粗大；铸锭加改进铸造工艺，细化晶 热时间短、热轧温度过低或粒，延长加热时间；正确执 压下量过大；轧辊温度过行轧辊预热制度，保证轧辊 低；润滑不当，轧辊温度或温度符合要求；适当润滑， 板坯温度降低润滑量不宜过大 力学性能不合格热轧终了温度过高或严格控制热轧温度范 过低；道次压下量分配不合围，合理分配道次压下量 理；热轧温度过高或过低 金属压入裂边压下的金属屑落装炉前对铸锭表面和板 到板坯上，导卫夹持过紧带坯端部进行清理；轧辊黏附 下来的脆屑落在板坯上；轧有金属时要及时清辊，导卫 辊黏附的金属脱落在板坯操作要适当 上，热轧前，铸锭表面黏附 金属屑 波浪轧辊辊形控制不当；压冷却或加热轧辊，调整 下量分配不合理好辊形；调整压下量 镰刀形辊缝没调整好；送料不调整好辊缝，正确送料， 正；板片波浪太大调整压下量 尺寸超差压下量调整与压下指丌车前调整压下和压下 针指示不正确；轧辊辊形控指针指数，预热好轧辊，控 制不好制好辊形和适当调整压下量 关于热轧镁合会的查新报告显示国内外比较少关于此课题的文献报道，证明热轧镁 - l o 东北大学硕士学位论文第一章绪论 合金是镁合金铸轧的一种新的工艺。 在全世界范围内，具有代表性的镁生产厂是美国伊利诺斯州麦迪逊( m a d i s o n ) 的 斯佩克特鲁利特财团( s p e c t r u l i t ec o n s o r t i u m ) 的爱莱克特龙镁铝合金公司( m a g n e s i u m e l e c t r o n ) 2 s j 。 1 5 本课题研究的主要目的，意义及内容 1 5 1 本课题研究主要目的 利用铸轧镁合金板坯热轧得到镁合金薄板，研究不同的轧制工艺对最终镁合金产品 组织性能的影响，以及稀土对镁合金的影响，为镁合金板带生产产业化奠定基础。 1 5 2 本课题研究的意义 镁合金被认为是最具潜力的“绿色材料 ，但由于其塑性变形能力差，成形方法多以 压铸为主。目前铸造镁合金产量远大于变形镁合金产量。但是经过挤压、锻造、轧制等 j 工艺生产出的变形镁合金产品具有更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性能， 可以满足更多的需求。因此，作为结构材料的镁合金，开发、生产高质量的变形镁合金产 品是其长远的发展趋势。近年来有关轧制工艺对铝合金作用的研究开展得很广泛，但对 镁合金作用方面的研究工作开展得较少，有关这方面的文献很少。铸轧一热轧镁合金是镁 ： 合金s l 错 j 的一种新的工艺【3 0 】。 镁合金薄板是目前急需的产品，但由于镁合金自身晶体学的特点，其s k i o l j 成形能力 差，而铸造的生产工艺过程复杂、成材率低、固定资产投资大，这严重制约了镁合金板带 的开发和应用。如何利用轧制来细化镁合金晶粒成为科技工作者关注的课题。镁合金虽 然比强度高，但是绝对强度相对铝和钢还是偏低。因此找到合适的热轧工艺生产得到优 良性能的材料具有重要意义1 3 1 啦j 。 1 5 3 本课题研究的内容 实验流程如图卜4 所示： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 r 、 取样 l l 图1 4 实验流程图 f i 9