（材料加工工程专业论文）双辊铸轧az31b镁合金板坯的二次轧制工艺.pdf

辽宁干j 技大学硕士论文 摘要 摘要 镁合金具有密度低、比强度高、阻尼性能好、电磁屏蔽能力强、易回收等优 点，在航空航天、交通、3 c 产品等领域有广泛的应用，被誉为“2 1 世纪的绿色工 程材料”。用板材通过弯曲、冲压、焊接等成形工艺来生产镁合金零部件，具有成 型效率高、生产规模大、可以生产薄壁零件等优点，因而镁合会板材具有广阔的 应用前景和巨大的市场需求。 镁合金板材传统上采用铸锭一轧制的方法生产，生产过程复杂，能源消耗大， 成材率低，造成镁合金薄板的产量很低，价格昂贵。双辊铸轧作为近终形的成形 方法，非常适合用于生产断面简单而应用最为广泛的镁合金板材。近年来，镁合 金的双辊铸轧技术已成为国内外的研究热点之一，并提出了铸轧与二次轧制的联 合工艺作为生产高性能镁合金板材的新工艺路线。 本文针对开发变形镁合金板材新生产工艺的需要研究了双辊铸轧a z 3 1 b 镁 合金板材的二次- n 工艺，分析了均匀化处理、轧制及退火过程中工艺参数对镁 合金板材组织和性能的影响，为利用双辊铸轧镁合金薄带生产高性能变形镁合金 板材提供了工艺依据。 本文主要的研究内容如下： ( 1 ) 对双辊连续铸轧方法制备的a z 3 i b 镁合金薄带坯的组织和性能进行分析， 研究其可轧条件。 ( 2 ) 对比不同均匀化处理制度对铸轧板组织性能的影响，确定了最佳的均匀化 处理工艺。 ( 3 ) 对铸轧扳的轧制温度、轧制方式、压下制度等工艺参数进行了研究，确定 了铸轧镁合金板材合理的二次轧制工艺。 ( 4 ) 研究了二次轧制a z 3 1 b 镁合金板材的轧后退火工艺。 本文通过实验研究，确定了双辊铸轧a z 3 1 b 镁台金板坯二次轧制可行的工艺 参数，为铸轧一轧制镁台金板材生产方法的工业化应用奠定了理论基础，有助于 推动铸轧镁合金板材生产的产业化进程。 关键词：双辊铸轧，变形镁合金板材，二次轧制，组织性能 辽宁科技大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y sh a v em a n ya d v a n t a g e sw i t hl 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 ， e x c e l l e n td a m p i n ga n de l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gp e r f o r m a n c e b e i n gr e g a r d e da s21s t c e n t u r y sg r e e ne n g i n e e r i n gm a t e r i a l s ，i ti sp r o m i s i n gf o rm a g n e s i u ma l l o y ss h e e tt ob e w i d e l yu s e di na e r oa n ds p a c e f l i g h t ，v e h i c l ea n d3 cp r o d u c t s m a g n e s i u ma l l o yp a r t s m a n u f a c t u r e dw i t hp r e s s i n g ，s t a m p i n g ，w e l d i n gp r o c e s s e sb ys h e e t sh a v em u c hm o r e a d v a n t a g e s s u c ha s h i g he f f i c i e n c y , l a r g e s c a l ep r o d u c t i o na n dt h i n n e rt h i c k n e s s t h e r e f o r em a g n e s i u ma l l o ys h e e t sh a v e w i d ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n a n d l a r g e r e q u i r e m e n t w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o ys h e e t sp r o d u c eb yt r a d i t i o n a li n g o tc a s t i n g h o tr o l l i n g m e t h o dh a v eh i g h e rp r i c ea n dl o wy i e l dd u et oc o m p l e xp r o d u c i n gp r o c e s sa n dh i g h e n e r g yc o n s u m p t i o n s t r i pc a s t i n gi sap r o m i s i n gr o u t et od i r e c t l yp r o d u c em a g n e s i u m a l l o ys h e e tb yt w i nr o l lc a s t i n gm e t h o d i nr e c e n ty e a r s ，t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f m a g n e s i u ma l l o y sh a v eb e e na r r a c t i v ea i lo v e rt h ew o r l d t h en e wr o u t eh a sb e e n p r o p o s e dt op r o d u c em a g n e s i u ma l l o ys h e e tw i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c eb ys t r i pc a s t i n g a n dd o w n s t r e a mr o l l i n gt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , a i m e da tan e wm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fw r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y s h e e t b y t w i nr o l l c a s t i n gs t r i p a z 31b ，t h ee f f e c to fp r o c e s sp a r a m e t e r si n h o m o g e n i z a t i o n ，r o l l i n gp r o c e s sa n da m l e a l i n g o nm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s w a ss t u d i e d t h er e s u l t sw i l l p r o v i d e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n sa n d t e c h n o l o g i c a lb a s i sf o rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fh i g hp e r f o r m a n c ew r o u g h tm a g n e s i u m a l l o ys h e e tb yt w i nr o l lc a s t i n gs t r i p t h em a i nc o n t e n t sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i no r d e rt os t u d yt h ew o r k a b i l i t yo ft w i nr o l lc a s t i n gm a g n e s i u ma l l o ys t r i p a z 31b s t u d i e so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ec a r r i e do u t ( 2 ) t h ee f f e c t o fp r o c e s sp a r a m e t e r si nh o m o g e n i z i n go nm i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a ss t u d i e d ，a n dt h eo p t i m a lh o m o g e n i z i n gp r o c e s sw a s a s c e r t a i n e d ( 3 ) e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h e d o w n s t r e a mr o l l i n gp r o c e s so ft w i nr o l lc a s t i n g m a g n e s i u ma l l o y s h e e tw a sc a r r i e do u t ，t h ee f f e c to fp r o c e s sp a r a m e t e r si nr o l l i n g 辽宁科技大学硕士论文 a b s t r a c t p r o c e s s i n go nd u c t i l i t ya n dp r o p e r t i e so f a z 3 1bs h e e tw a sc l a r i f i e d ( 4 ) t h ea n n e a l i n gp r o c e s s o fd o w n s t r e a mr o l l i n gw r o u g h ts h e e ta z 3ibw a s s t u d i e d t h ep r o p e rp r o c e s sp a r a m e t e r sh a v eb e e nd e t e r m i n e df o ra z 3 1bm a g n e s i u ma l l o y s h e e tp r o d u c t i o nb ys t r i pc a s t i n ga n dd o w n s t r e a mr o l l i n g i tp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i s f o ri n d u s 舡i na p p l i c a t i o no fm a g n e s i u ma l l o yp r o d u c t i o ab y 啦谗c a s t i r - ga n 4m l l i a ga n d w i l lb ev a l u a b l et op r o m o t et h ec o m m e r c i a lp r o g r e s so fm a g n e s i u mn l o ys h e e t k e y w o r d s ：t w i nr o l lc a s t i n g ，w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o ys h e e t ，d o w n s t r e a mr o l l i n g ， m i c r o s t r u e t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i i i 辽宁科技大学硕士论文致谢 致谢 本文是在导师赵红阳教授的悉心指导下完成的。在我攻读学位期间，赵老师 为我营造了宽松的学习环境和平等的学术氛围，在学习上和生活上都给予了我无 微不至的关怀和帮助。在此谨向导师致以衷心的感谢! 在课题进行过程中，胡林教授出给予了我很多指点和帮助。胡老师学识渊博、 治学严谨、做事认真、待人平易，与胡老师相处的这段经历将使我终身受益。在 此向胡老师致以诚挚的谢意! 本论文中的铸轧实验得到了日本琦玉工业大学巨东英教授和胡小东老师的大 力支持，在此向两位老师表示感谢。 感谢辽宁省科技基会( 2 0 0 6 1 0 7 7 ) 、辽宁省教育厅基金( 0 5 l 0 0 5 ) 以及鞍山市2 0 0 5 年度科技计划项目对本课题的资助。 感谢实验室各位老师在实验方面给予我的帮助。感谢材料学院其他老师对我 的指导和帮助。感谢母校辽宁科技大学对我的培养。 本课题组的王文兴、马超、张宇、李松柏、王勇、韩晶、孙颖、王壮飞等同 学在学习上和生活上都给予了我很大支持和帮助，在此向他们表示感谢。 材料学院研2 0 0 4 1 班的王建刚同学在力学实验方面对我帮助很大；贾志伟、 孙彬彬同学在数据处理和图表制作方面给予我颇多帮助；徐博、张跃飞同学在生 活上给予我很多帮助；还有齐艳萍、罗旭东、孙明军等很多同学都帮助过我，请 恕我不能一一列举。感谢我们和谐、友爱的研2 0 0 4 1 班。 最后，向所有关心和支持我的亲人、朋友、老师和同学表示感谢。 谨以此文献给我的家人。 6 8 作者：冯康 二0o 七年三月 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除r 文q j 特别加以标注和致谢的地方 外，沦文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，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 的说明并表示了谢意。 签名：置重日期：苎1 2 ，；，旦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：舀庭导师签名：筮i 二丝日期：兰业z 辽宁科技大学颈士论文绪论 1 。1 引言 1 绪论 二十一世纪的今天，资源的隧乏已经成为限制社会可持续发展的首要问题， 根多传统金涡材料r 趋短缺，铜、铝、锚、锌等有色金属价格大幅上涨。金属镁 作为资源异常丰富、性能优异和成本较低的轻金属材料，在未来的材料竞争中将 最具竞争力，目前已进入镁合金扩大应用的最佳时期【i l 。 经济豳报2 0 0 6 年1 1 月4f 1 在热点聚焦的专栏中撰文“镁合金时代萨向我 们走来”，文中指出：在鼹益严重的资源和环境双重压力下，镁合金作为p t 前工程 应用中最轻和尚未被全面开发的金属材料，正受到前所未有的关注，大规模开发 和利用镁台金的时代j 下向我们走米。 镁合金具有比强度、比刚度高，减震性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削 加j ：，易回收等一系列优点，在汽车、电子、航空航天和军事领域具有极其重要 的应用价值和广阔的应用前景，是继钢铁和铝合会之后发展起来的第三类金属结 构材料，并被称为“2 1 世纪的绿色工程材料”t 2 - 4 1 。 我国是世界上镁资源最为丰富的国家，也是原镁产量最大的国家之一，原镁 产量占全球的3 4 。但我鲴在镁工业发展方面还存在很多问题：出口产品大多是初 级原料，价格低、利润低、效益差；高性能镁合会的研制水平落后于国外许多国 家，在很多领域仍是空白，难以满足日益增长的市场需求：缺少先进的制备及加 工技术，应用研究不足。 近年来国家及各级逸方政府对镁合金的研究、开发和产业化相当重视，已将 “镁合金应用与开发”列为国家计委和秘技部联合下发的“十五”国家科技发展 规划材料领域的重点任务，最终目标是充分发挥我国的镁资源优势，通过建立镁 合金技术创新体系，发展具有国际竞争力的镁台会高新按术产业群，将镁的资源 优势转化为经济优势。 主王宁科技大学硕士论文 绪论 1 2 镁及镁合金概述 17 7 4 年人们首次发现镁，并以希腊古城m a g n e s i a 命名。镁为元素 周期表中l i a 族碱土金属元素，相对原子质量为2 4 3 0 5 。在所有的结构 金属中，镁的密度最低，纯镁的密度仅为1 7 3 8 9 c m3 t s 。在镁中添加合 金元素，可以形成具有各种性能的合金，满足不同的需求。 1 2 1 镁矿资源及原镁生产方法 镁是自然界中分布最广的元素之一( 见表卜1 ) ，居第8 位，约占地 壳质量的2 1 。镁的化学活性很高，在自然界中只能以化合物形式存 在，主要存在于白云石、菱镁矿、光卤石矿、橄榄石矿、蛇纹石、盐矿、 地下卤水以及盐湖和海水中。镁在海水中的含量约为0 13 ，每lm 3 海 水可提取lk g 以上的镁，盐湖中的镁含量也非常高，加之镁材可以回收 利用，因此镁可谓是“取之不尽，用之不竭”的金属【6 j 。 表1 - 1 地壳中分布最广的化学元素含量( 质量分数，) t a b l e1 - 1c h e m i c a le l e m e n t si nl i t h o s p h e r e ( m a s sf r a c t i o n ，) 目前炼镁工业中使用的原料多为菱镁矿( m g c 0 3 ) 、白云石 ( m g c 0 3 c a c 0 3 ) 、光卤石( m g c l 2 k c l6 h 2 0 ) 以及海水、盐湖水中所含的 氯化镁。我国是镁矿资源非常丰富的国家，分布广、品种多、储量大。 我国海岸线很长，沿海各地把生产食盐后的副产物一一卤水作为生产金 属镁的重要原料。目前，我国得到丌发利用的镁矿有菱镁矿、白云石和 青海察尔汗盐湖钾镁盐矿等。 我国菱镁矿资源总量为3 1 4 5 亿吨，约占世界探明储量的1 4 ，其中 符合炼镁要求的i 、i i 级矿占7 8 ，主要分布在辽宁、山东、山西、宁 夏、内蒙、河南等省区。其中辽宁省储量为2 5 7 亿吨，约占全国总储量 的8 0 ，矿石品味高达4 0 1 7 i 。 根据镁矿资源和种类不同，目前生产镁的方法有两大类，即氯化熔 ， 辽宁平 技大学硕士论文绪论 盐电解法和热还原法【8 】。 f 1 ) 电解法 氯化熔盐电解法包括氯化镁的生产及电解制镁两大过程。该方法 又可分为以菱镁矿为原料的无水氯化镁电解法和以海水为原料制取无水 氯化镁的电解法。其中后者最大的难点是如何去除m g c l 2 6 h 2 0 中的结 晶水。一般来说：采用普通的加热法可阻去除部分结晶水，生成 m g c i 2 3 2 h 2 0 。但m g c l 2 t 3 2 1 1 2 0 存空气中加热时狠容易发生水解反应， 生成不利于电解过程的杂质，如m g ( o h ) 2 。电解法生产镁的工艺很多， 但基本原理相同，其中最具代表性的有d o w 工艺、i g f a r b e n 工艺、 m a g n o l a 工艺等。 f 2 ) 热还原法 根据还原剂不同，热还原法可分为硅热法、碳化物热还原法和炭热 法，其中后两种在工业上较少采用。采用硅铁还原氧化镁生产金属镁的 工艺有p i d g e o n 工艺和m a g n t h e r m 工艺。p i d g e o n 工艺属于外热法，m a g n 6 t h e r m 工艺属于内热法，这两种工艺的应用都极为广泛。 p i d g e o n 工艺是将煅烧后的自云石和硅铁按一定配比磨成细粉，压 成团块，装在由耐热合金制成的蒸馏器内，在1 4 2 3 1 4 7 3k 条件下还原 褥到镁蒸汽，冷凝结晶成固态镁，再熔成镁锭。该工艺投资少、产品质 量高，但不能连续生产、成本比电解法商。 m a g n t h e r m 工艺采用一个钢外壳内砌有保温材料及炭素内衬的密 封还原炉，采用电阻材料内部加热。炉料中除煅烧自云石帮硅铁外，还 有煅烧铝土矿。加入铝土矿的目的是为了降低熔渣的熔点，利用熔渣通 电产生的热量来加热炉料并保持炉内温度在1 7 2 3 1 7 7 3k ，连续加料、 间断排渣和出镁，为半连续生产。该工艺设备生产能力大、成本高，产 品纯度低于p i d g e o n 工艺，但不产生污染环境煞气体。 1 2 2 镁及镁合金的特点 1 2 2 1 镁的特性 ( 1 ) 原子特性 镁的元素符号为m g ，原子序数1 2 ，有三种同位素。镁的相对原子 辽宁科技大学硕士论文 绪论 质量为2 4 3 0 5 ，原子体积为1 4c m3 m o l 。 ( 2 ) 晶体结构 标准大气压下纯镁为密排六方结构。镁晶格常数的理论估计值为a = 0 3 2 0 9 2n m ，c 一0 5 2 1 0 5n m ，已有的实际测量值与之很接近。对于按 a b a b 顺序堆积的原子层，若采用理想钢球，则c a = 1 6 3 3 。实验得到 室温下镁晶格的c a = 1 6 2 3 6 ，这表明镁晶格几乎是理想的紧密堆积。 ( 3 ) 热学性质 在标准大气压下，纯镁的熔点为( 9 2 3 1 ) k ，沸点为( 13 8 0 3 ) k 。在镁中添加p b 、a l 和s b 等元素将提高镁的沸点，而添加z n 、c d 则降低镁的沸点 5 1 。 ( 4 ) 磁学性质 纯镁的磁化率为( 6 2 7 6 3 2 ) 10 一m k s ，磁导率为1 0 0 0 0 1 2 ，霍 尔系数为一1 0 6 1 0 以6q 研a m 。 ( 5 ) 力学性能 镁的弹性模量e = 4 5g p a ，切变模量k = i7g p a ，比弹性模量e 9 = 2 5 g p a c m 3 g ，小于纯铝( 纯铝的值分别为7 1g p a 、2 6g p a 、2 7g p a c m 3 g ) 。 由于金属的弹性模量是一个对组织不敏感的指标，因此镁合金同镁样 弹性模量也很低，当受到冲击载荷时能够吸收较大的冲击功。 ( 6 1 腐蚀性能 镁的标准电位为一2 3 7v ，在会属的电化学顺序中是最后一个，其 化学性质非常活泼，对任何其他结构金属呈阳极性，与其它金属接触会 产生很强的电化学腐蚀。此外镁在潮湿大气、海水、无机酸及其盐类、 有机酸、甲醇等介质中均会引起剧烈的腐蚀。在室温下，镁的表面能与 空气中的氧起作用，形成保护性氧化镁薄膜，但由于氧化镁薄膜多孔疏 松，脆性较大，远不如铝的氧化膜坚实致密，所以其耐蚀性较差。 1 2 2 2 镁合金的特点 纯镁的优点很多，但是力学性能较低，其应用范围受到很大限制。 通过在纯镁中添加合金元素，可以显著改善镁的物理、化学和力学性能。 根据实际需要，人们已经开发出为数众多的镁合金体系，大多具有如下 特点： ( 1 ) 比重小。铝合金的密度大约是2 8 5g c m 3 ，而镁合金的密度只 辽宁科技大学硕士论文绪论 有1 4 2 8g c m 3 。其中当加入l5 的锂时，镁合会的密度为1 4g c m 3 ， 可比铝合金轻一半。另外，它的密度比钛合会轻3 4 倍，比钢轻4 5 倍。镁合金是目前比重最轻的结构金属材料，这对于现代一些手提类产 品是至关重要的；对于汽车，这一特性将显著减少密动惯性，并降低自 重丽减少能耗。 ( 2 ) 具有很高的比强度和比刚度。镁合金的比强度比工程塑料积常 用的金属材料如钢、铝都高很多，仅次于钛。比刚度则在这些材料中最 高。 ( 3 ) 良好的低温性能。一般的材料在低温时都会变脆，镁合会在接 近绝对零度时仍具有良好的力学性能，基本不脆，塑性和室温时基本一 致。因为这个特点，第一辆登月车的骨架就是用镁合金制作的。 ( 4 ) 良好的抗震性能。例如a z 9 l 在3 5m p a 应力下的震动应力衰减 系数为2 5 ，而铝合金a 3 8 0 的只有1 ；在1 0 0 m p a 应力下，镁合金 的衰减系数上升为5 3 ，铝合金a 3 8 0 的只有4 l 婚】。 ( 5 ) 镁合龟具有良好的集成性。以前汽车上的仪表盘是由2 0 2 5 个 小的零件制成，现在用镁合金压力铸造得到的集成件不仅制备工艺简单， 而且重量轻、价格便宜。 ( 6 ) 镁台金的铸造性能优良，可以用几乎所有铸造工艺来铸造成形。 ( 7 ) 可回收性能好，符合环保要求。 1 2 3 镁合金的应用领域 1 - _ 世纪9 0 年代以来，在世界范围内，镁作为一种迅速崛起的工程金 属材料，每年以15 的速率保持快速增长，远远高于铝、铜、锌、镍以 及钢铁，这在近代工程金属材料的应用中是前所未有的。目前，镁台金 是国内外重新认谈并积极开发的一种新型环保材料，在航空航天、军事、 交通、家电、3 c 产品等领域都有广泛应用，是2 1 世纪最具生命力的新 型环保材料。 ( 1 ) 航空航天领域 就航空材料而言，结构减重和结构承载与功能一体化是飞机机体结 构材料发展的重要方向。镁由于其低密度、高比强度的特性使得其很早 就在航空工业上褥到应用。航空材料减重带来的经济效益鞠性能的改善 十分显著，商用飞机与汽车撼重媚同重量带来的燃油费用节省，翦者是 辽宁科技大学硕士论文l 绪论 后者的1 0 0 倍。而战斗机的燃油费用节省又是商用1 i 机的近l0 倍，更重 要的是其机动性能改善可以极大提高其战斗力和生存能力。正因为如此， 航空工业才会采取各种措施增加镁合金的用量。 ( 2 ) 交通领域 目前，镁合令已被广泛应用在高速列车、汽车、摩托车、自行车等 交通工具上。 2 0 世纪7 0 年代以来，各国尤其是发达国家对汽车的节能和尾气排 放提出了越来越严格的限制，1 9 9 3 年欧洲汽车制造商提出“3 公升汽油 轿车”的新概念。美国提出了“p n g v ”( 新一代交通工具) 的合作计划。 其目标是生产出消费者可承受的每百公里耗油3 公升的轿车，且整车至 少8 0 以上的部件可以回收。这些要求迫使汽车制造商采用更多高新技 术，生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车。 据测算，汽车自重减1 0 ，其燃油效率可提高5 5 ，如果每辆汽 车能使用7 0k g 镁，c 0 2 的年排放量就能减少3 0 以上。镁合金压铸件 在汽车上的应用已经显示出长期的增长态势，在过去几年里，其年增长 速度超过15 嘣】。 表1 - 2 世界汽车j ：业用镁台金压铸件的统计( 单何：万吨) t a b l ei - 2t h ea m o u n to fm a g n e s i u ma l l o y sp a r t si na u t oi n d u s t r y 在欧洲，已经有3 0 0 种不问的镁制部件用于组装汽车，每辆欧洲生 产的汽车上平均使用2 5k g 镁。国内上海汽车( 集团) 公司、一汽集团、 东风公司、奇瑞、长安、江铃等汽车企业都在使用镁合金零部件。乐观 的估计认为，出于自身减重的考虑，每一辆汽车对镁的需求量将提高至 7 0 1 2 0k g 。 绪论 图1 - 1 镁合金汽车零件 f i g 1 - 1m a g n e s i u ma l l o y sp a r t si na u t o m o b i l e s 5 0 多年来，经过不新的技术革新，镁合会在摩托车上的应用也不断 在广度和深度上进行扩展。应用车型从赛车扩展到运动型摩托、轻便型 摩托、概念型摩托，覆盖欧美目十几种主要摩托车品牌，镁合金应用部 件涵盖动力系统，传动系统以及各种摩托车附件四十余种，其中仅英国 的d y m a y 轮毂就应用多达4 0 0 种车型。熏庆隆鑫率先试制出型号为 l x l 5 0 的“镁台金绿色概念摩托车”，在国内弓 超了广泛的关注，所采用 的1 2 个零部件如今已有3 个实现了规模化生产，这些镁合金零部 孛累计 装车3 0 多万辆。其单车用镁量达1 2k g ，总减重约6k g 。 自行车是人力驱动的工具，减轻重量可以方便使用，台湾自行车业 界流传着个说法：“产品减轻l 克，可多卖l 美元。”自行车改用镁合 金材料后，与铝合金相比，可减轻重量3 3 ，并且妃铝合金有更好的减 震性，对骑车者丽言感觉更舒适。北京首钢集毯特钢公司与保定远东集 团组建成的北京首特钢远东镁合金制品公司已开发出镁合金自行车，车 架由镁合金压铸而成，其余部分为铝合金，整车重约8 1 0k g ，比普通 自行车轻了近一半。 ( 3 ) 3 c 领域 3 c 产品一一c o m d u c e r ，c o m m u n i c a t i o n ，c o n s u m e re l e c t r o n i cp r o d u c t ( 计算机类、通讯类、消费类电予产品) 是当今全球发展最快的产业， 数字化技术导致了各类数字化产品的不断涌现。镁合金3 c 产品最早出 现于磺本，早在1 9 9 6 年，s o n y 公司已开始用镁合金制作手提式摄录机 机壳，t o s h i b a 公司则将镁合金用于笔记本电脑外壳。 辽宁科技大学硕士论文 绪论 镁合金作为笔记本电脑显示器的外壳在跌落和振动情况下比塑料能 够更好地保护液晶屏，因而被形容为笔记本电脑的“护花使者”。镁合金 所具有的高散热性、电磁屏蔽性及高强度、美丽光泽和可回收性，使得 镁合金成为手机外壳的最佳选择。1 9 9 8 年以后，受家电回收法规的影响， 镁合金在电子、电脑和通信产品上的用量明显增加，特别是镁合金笔汜 本电脑壳体曾一度处于供不应求状态。 图1 - 2 镁台金3 c 产品外壳 f i g 1 - 2m a g n e s i u ma l l o yc o v e r i n gi n3 cp r o d u c t s 1 3 变形镁合金的生产 1 3 1 变形镁合金的研究现状 大多数镁合金具有密排六方结构，因此人们一直认为镁合金是一种 难以塑性变形、压力加工成形性能差的金属材料。同时，大多数镁合金 又具有较好的铸造性能，使得目前镁合金产品以铸件，特别是压铸件居 多，塑性加工产品极少。然而，铸件的力学性能不够理想，产品形状尺 寸存在一定的局限性且容易产生组织缺陷，导致镁合金的使用性能和应 用范围受到很大限制。因此，变形镁合会的研究已成为世界镁工业发展 中的重要方向，并已取得了很多重要成果。与目前较为成熟的镁合金铸 造技术相比，镁合金的锻造、挤压、轧制、拉拔、冲压等塑性加工技术 与超塑性成形技术的发展则相对缓慢，造成这种局面的主要原因有以下 几点： 辽宁科技大学硕士论文 1 绪论 ( 1 ) 镁合金的塑性变形能力较差，采用传统的塑性加i ：技术难以解 决这一问题。 ( 2 ) 对镁合金的塑性交形理论研究不够深入，变形镁合金的研制缺 乏理论指导。 ( 3 ) 未能发展出行之有效的变形镁合金加工成形新技术。 f 4 ) 相对于铸造产品而言，变形镁合会的成本更高。 图1 3t ”j 对比了变形镁合金和铸造镁合金的性能指标。由图可见变 形镁合金的力学性能明显优于铸造镁合金。研究表明，镁合金在热变形 ( 如挤压、轧制、锻造等) 后组织得到显著细化，铸造组织缺陷被消除， 从而产品的综合力学性能大大提高。通过塑性加工可以生产出尺寸、规 格多样的棒、管、型材、线材、板材及锻件产品，并且可以通过调整塑 性变形和热处理工艺来控制材料的组织和性能，获得比镁合会铸件更高 的力学性能，嗣时可以满足不同场台对镁合金结构件使用性能的要求， 扩大镁合金的应用范围。 乱 羔 v 裂 嘿 稼 螺 r i t , h t m lc 嘲嘲嘲鬣d p 羹m 一测豫 l b 炉 、譬黝蝴 一弋o _ - - - _ 一 五_ 一 弋j 一多 图1 - 3 变形镁台金与铸造镁合金的性艇比较 f i g 1 - 3 ”f h ep r o p e r t yo fw r o u g h tm a g n e s i u ma f i o y s c o m p a r i n gw i t hc a s tm a g n e s i u ma l l o y s 国际镁协会( i n t e r n a t i o n a lm a g n e s i u ma s s o c i a t i o n ，i m a ) 在2 0 0 0 年提 出了一项发展镁合金材料的长远计划，即研究手日开发新型变形镁合金， 丌发变形镁合金加工新技术、新工艺，生产高质量的变形镁合金产品， 燃 瓣 潮 踟 撇 嘲 辽宁科技大学硕士论文1 绪论 这也代表了当今国际镁工业的发展趋势。 美国、日本等工业发达国家对变形镁合金的研究与开发十分重视， 合金牌号和产品规格已开始向系列化和标准化方向发展。其中美国的变 形镁合会材料体系最为完备，合金系列有m g a i 、m g - z n 、m g r e 、m g l i 和m g t h 等，产品类型有板材、棒材、型材、线材及锻件【”，h l ，并且开 发出了快速凝固高性能变形镁合金、非晶态镁合金以及镁基复合材料。 日本于1 9 9 1 年就在世界上率先成立了镁协会，为了解决地球资源枯竭和 环境污染问题，日本在1 9 9 9 年由文部省组织实施了“先进镁合金科学与 技术平台”( p l a t f o r ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf o ra d v a n c e dm a g n e s i u m a l l o y ) 计划 15 l ，着重研究新合金系、新工艺，开发超高强变形镁合金材 料。 我国在变形镁合金的研制和开发领域仍处于起步阶段，商业化的变 形镁合金产品很少。近年来，国家和各级地方政府对镁合金，特别是变 形镁合金的研究、开发和产业化等相当重视。目前，国内一大批高等院 校和科研单位已投入到相关领域的研究。 1 3 2 变形镁合金的塑性加工技术 变形镁合金的塑性加工技术主要有以下几种： ( 1 ) 锻造 锻造是一个极其复杂的变形过程，在锻造过程中往往会出现局部不 均匀变形，从而导致工件组织、性能不均匀，且影响模具使用寿命。因 此，通常要求通过控制工艺和优化模具设计使变形尽可能均匀。 近年来镁合金锻造技术受到了众多研究者的重视。在锻造成形中， 影响镁合金锻件力学性能的因素很多，主要包括变形程度、终锻温度及 变形方式等。在锻造技术方面，主要发展了冲锻成形、等温锻造以及等 温精锻等技术。 ( 2 ) 挤压 挤压加工不同于其他加工方法，其变形过程在近似封闭的工具内进 行，材料在变形过程中承受很高的静水压力，有利于消除铸锭中的气孔、 疏松和缩孔等缺陷，提高材料的可成形性，使材料在一次成形过程中能 承受较大的变形量，从而改善产品的性能。另外，通过更换模具能够生 产出断面形状复杂多样的产品。 辽宁科技大学硕圭论戈1 绪论 尽管现在人们已成功姥制备出了多种规格型号的镁合金挤压产品， 包括不同型号的板、管、棒、型材等。但目前国内外对镁含金挤压变形 工艺的研究还处于起步阶段。从可获得的文献来看，目前的工作主要集 中在实验研究，系统的理论研究搬道较少。 ( 3 ) 拉拔成形 对镁合余而言，在拉拔成形过程中的应力状态对其塑性的发挥不利， 因此镁合金难以进行拉拔成形。但是，拉拔成形产品具有尺寸精确和表 面粗糙度高，特别是线材、管材拉拔易于实现高速、连续化生产，可大 大提高生产效率。已有的研究表明，拉拔成形的镁合会线材具有更高的 强度”“。因此，镁合会拉拔成形技术的研究逐渐受到关注。同本电气工 业株式会社采用拉拔成形工艺制备镁合金线材，抗拉强度高达4 0 0m p a ， 伸长率为1 0 以上。 ( 4 l 轧制 镁合金的塑性变形能力较差，板材轧制过程中最关涟的工艺参数是 压下量、轧制速度和轧制温度 1 7 1 。目f j 镁合金板材的生产多采用铸锭然 后轧制的方法，为了提高轧制的效率、降低消托功率、改善和提高板材 轧制成形能力以及板材的性能，除了常规的轧制设备和工艺外，还开发 了许多新的轧制技术，细双辊铸轧( t w i nr o l lc a s t i n g ，t r c ) 、单辊驱动 轧带4 ( s i n g l er o l l e rd r i v er o i l i n g ，s r d r ) 、舁步轧带0 ( d i f f e r e n t i a ls p e e d r o l l i n g ，d s r ) 、等径角轧制( e q u a lc h a n n e la n g u l a rr o l l i n g ，e c a r ) 、双 辊交叉轧制 1 8 1 等，这些技术有的已应用于制备镁合金板材。 y c h i n o 等人对a z 3 l 镁台金单辊驱动轧制板材的初步研究表明， 与普通的对称乳制方法相比，s r d r 轧制可有效地减弱基面织构，大大 提高扳材的冲压性能9 】。h w a t a n a b e 等人对a z 3 1 镁合金异步轧制 研究表明，与普通轧制相比，采用这秘方法轧制的板材纂露织构也有所 减弱，c 轴向搓轧方 偏转了大约5 。，板材的塑性得到显著提高，而强 度只是略有降低弘。 ( 5 ) 冲压成彤 有关镁合金冲压成形问题的研究主要包括丽个方强，都镁合金扳材 冲压性能和冲鹾成形过程中的工艺规律和机理问题的研究。为了获得优 良的冲压性能，需要研究影响镁合金板材冲压性能的因素，以通过合理 的成形工艺和热处理工艺来改善、提高板材的冲压性能。在板奄| 冲压成 形时，需要确定各工艺参数，以制定合理的冲压成形工艺。 辽宁科技大学硕士论文绪论 目前，在镁合金板材冲压成形工艺中，研究较多的是拉深成形 ：艺。 一般来讲，随着温度的升高，镁合金板材的拉深性能可得到明显改善。 研究表明a z 3 l 镁合会板材在4 7 3k 左右时具有较佳的控深成形性能【2 。 f 6 ) 超塑性成形 由于镁合金塑性成形性能较差，而超塑性成形可以用束加工形状极 其复杂、变形量较大的工件，因此超塑性成形对于镁合金具有重要意义。 研究表明，通过大挤压比挤压、大应变轧制、等径角挤压等工艺制备的 纲晶镁合会具有极为优异的超塑性性能弘 2 7 1 。 1 3 3 变形镁合金板材的生产方法 匿前，变形镁合金板材的生产方法主要裔铸锭一轧铺法、按压一轧 制法和双辊铸* l - 嘈l 制法等，另钋还有喷射轧制法、等通道轧制法等一 些新发展起来的工艺。 f 1 ) 铸锭一轧制法 铸锭一轧制法是较为传统的镁合金板材生产方法，此种生产方法包 括将熔融合金注入弱合适的模具中生产铸锭：在较高的温度下对铸锭进 行均匀化处理，然后进行修整以获得于净光滑的表面；对经过修整的铸 锭进行热粗轧、中间热轧、冷轧及最终退火。 此种工艺生产过程复杂，生产效率较低，消耗的时间和能源都相当 巨大。因而，其生产镁合金薄板的成本相对较高。 f 2 1 挤蹑一轧制法 挤压一轧制法是充分发挥挤压的优点，克服镁合金变形困难的缺点， 实现大变形加工，提高板坯塑性变形能力，并通过挤压开坯后的轧制以 及后续热处理工艺改善板材的综合性能。王尔德【2 8 1 的研究认为：挤压一 靶制法生产的a z 3 1 镁合金板材，平均晶粒尺寸小于1 0 a n ，纵囱和横向 延伸率均达到2 0 以上。 挤压一轧制法可生产出高性能的变形镁合金板材，但生产效率较低， 成本相对较高。另外，挤压法需要大功率的挤压机，生产宽幅板材时， 挤压力上升很快，因此该方法一定程度上受到设备条件的限制。 ( 3 ) 双辊铸轧一轧制法 双辊铸轧技术是冶金及材料领域内的一项前沿技术，浚工艺是金属 凝固和轧制变形的有机统一，即液态金属在结晶凝固的同时承受塑性变 辽宁科技大学硕士论文 绪涂 形，在很短的时间内完成从液态金属到固态薄带的全部过程。 铸轧镁合金薄板可直接应用于一些对板材性能和表面质量要求刁i 是 很高的领域。对铸轧板进行j 次轧制，可以改善板材的表面质量和力学 性能，同时搜板材在厚度尺寸上达戮使用要求。 铸轧一轧制工艺的盟著特点是：简化生产工艺，缩短生产周期，节 约能源，减少设备投资降低生产成本，同时铸轧出的薄带可得到理想 的微观组织和良好的力学性能。 双辊铸轧可分为立武鞫水平式两静，与水平式铸轧相比，意式铸轧 可铸出厚度更薄的镁合金带坯，更适合用于生产晷静市场上需求量很大 的1m m 左右的变形镁合金薄板。本文对立式铸轧a z 3 1 b 镁合金薄板的 轧制工艺进行了研究，为双辊铸轧一轧制法的工业化应用提供了实验基 础和理论依据。 f 4 ) 其它方法 最近，日本研究者t o s h i oh a g a 等人开发出半固态斜坡薄带连铸技 术，使得铸造铝合金薄带的延伸率得到了提高，此项技术应用于镁合金 将有广阔的前景。 喷射沉积技术可以铷备出传统方法难以获得的高台金材料，该技术 也可以制备管、板、带、和圆锭坯，供进一步压力加工半成品。喷射轧 制法的原理是将金属或台金熔体用高压惰性气体雾化，形成液滴喷射流， 直接喷射到两个内部水冷的旋转轧辊上，轧出板带材。 j c l e e 等基于等通道挤压原理提出了等通道轧制法( e q u a lc h a n n e l a n g u l a rr o l l i n g ，e c a r ) 拉9 3 0 1 。程永清等( 3 1 】利用等通道轧制工艺，对制 备a z 3 1 镁合金板材进行了研究，经等通道轧制后基面织构减弱，板材 强度明显提高。 1 。4 本论文的研究内容及意义 中国的镁矿资源十分丰富，且镁具有可回收性，因此我国的镁工业 是一个可持续发展的优质产业。中固目前现有镁生产企业1 0 0 余家，2 0 0 6 年原镁产量8 1 万吨，占全世界的7 5 ，已经成为世界上最大的镁生产 园。随着市场形势豹变化和竞争的加剧，国内镁生产企业的级织结梅正 在发生深刻的变化，土产能力正在逐步向一些有竞争能力的集团公司集 中。 辽宁科技大学霹士论叉鳍论 目前镁合盒产品以铸件，特别是压铸件居多，然而铸 牛的缝织性能 不够理想，产品形状尺寸也存在局限性。利用板材通过弯曲、冲压、焊 接等成型工艺来生产镁合金零件具有成型效率高、生产规模大、可生 产薄壁零件等优点，巨生产的变形镁合金产品具有更高的强度和延展性， 可以满足各种结构件的使用要