镁合金板材轧制工艺的选择

镁合金板材轧制工艺的选择

作为最轻的结构单元，棕榈金已广泛应用于航空航天、汽车、摩托车、电子制造等领域，对其强度和学能的要求也越来越高。传统的铸造镁合金已经渐渐无法满足要求,采用挤压、轧制、锻造等塑性加工工艺生产的变形镁合金产品,由于具有更好的力学性能、多样化的结构而越来越受到重视。其中轧制因更容易大规模生产大件型材而受到广大科研工作者的关注。但是,由于镁是密排六方结构,在室温只有3个滑移系,不满足5个滑移系的多晶体塑性变形协调性原则,所以其塑性较低。另镁合金的体积热容较小1781J/(dm3·K),升温和散热降温都比较快,在塑性变形中温度下降很快,且不均匀,易发生边裂和裂纹。这些因素导致镁合金的轧制成型较铝合金要困难很多。所以研究和改进镁合金的轧制工艺和轧制方式,提高其轧制成形性,以得到力学性能优良、二次成形性好的板材是现在急需解决的问题。本工作将分析镁合金轧制成型的特点,综述通过调整工艺和选择轧制方式来提高镁合金的轧制成形性。1镁合金的制备工艺镁属于密排六方晶体结构,在室温下只有1个滑移面(0001),也称基面、底面或密排面,滑移面上有3个密排方向[ˉ1ˉ120]‚[ˉ2110][1¯1¯20]‚[2¯110]和[ˉ12ˉ10][1¯21¯0],即密排六方晶体在室温下只有3个滑移系,其塑性比面心和体心立方金属都低,塑性变形需要更多地依赖于滑移与孪生的协调动作;滑移与孪生的协调动作是镁合金塑性变形的一个重要特征。室温下,镁合金的塑性较差,变形困难,且易出现裂纹等变形缺陷,是制约镁合金轧制成形的原因。所以,镁合金的轧制成型通常在一定的温度下进行。通过轧制可以得到晶粒相对细小的镁合金组织,从而提高其力学性能。但是,目前镁合金的轧制成型多采用普通的对称轧制,轧制后的组织有强烈的(0002)基面织构,不利于后续加工成型。因此,滑移系少、孪生和较强的基面织构导致的成型困难是镁合金轧制成型的重要特点。镁合金轧制成型的另一个特点是,轧制过程需要多次退火。由于镁合金的体积热容较小,传热系数较大,升温和散热降温都比较快。且在开放的轧制环境中,合金和空气、轧辊等的传热使得轧件的温度下降很快。为了保证轧件的温度在设定的轧制温度范围,道次间需要对轧件进行加热。还因为轧制过程中孪晶和织构的积累,以及加工硬化导致轧制变形越来越困难,所以为了能够继续变形,需要在道次间对轧件进行加热,从而使大量的孪晶发生再结晶,提高材料的塑性,使材料在后续的轧制中不开裂。因此,多次退火就成了镁合金轧制区别于钢等合金的重要特点。另外,镁合金的诸多特性导致它在轧制成型过程中的其他一些特点。例如,镁合金的塑性差导致轧制中道次压下量较钢和铝等小很多。体积热容小,温度分布不均匀导致轧件易产生裂纹等。2镁合金真加工工艺针对镁合金的上述特点,影响镁合金轧制成型的因素主要有:温度的下降快,轧制过程中的加工硬化,基面织构,退火热处理等。这些因素导致了镁合金轧制过程要控制温度,加热退火;压下量小,要多道次轧制等。还需要有效的控制基面织构,提高轧制成形性和二次成形性。通常通过两个途径改善其轧制成形性,分别是:工艺调节和轧制方式调整。2.1镁合金坯料制备镁合金板材的生产工艺流程依次包括:熔炼,铸造,扁锭,锯切,铣面,一次加热,一次热轧,二次加热,二次热轧,剪切,三次加热,三次热轧,冷轧,酸洗,精轧,成品剪轧,退火,涂漆,固化处理,检查,包装,运输。轧制设备与铝合金相似。镁合金轧制用的坯料可以是铸坯、挤压坯或锻坯。塑性加工性能较好的镁合金如Mg-Mn(Mn<2.5%(质量分数))和Mg-Zn合金可直接用铸锭进行轧制。为了消除枝晶,利于轧制成型,铸锭轧制前一般应在高温下进行长时间的均匀化处理。对含铝量较高的Mg-Al-Zn系镁合金,由于枝晶和大量的Mg17Al12相,用常规方法生产的铸锭轧制性能较差,因此常采用挤压坯进行轧制。轧制工艺中的主要参数和环节包括:轧制温度、变形量、轧制速度、轧制路径、退火等,通过调整这些参数可以达到改善轧件组织,提高轧制成形性的目的。2.1.1制备工艺的确定温度对变形镁合金塑性变形能力具有很大的影响,提高轧制温度可以激活镁合金板材中棱柱面和锥柱面等潜在的滑移系,改善镁合金的塑性,从而大幅度改善镁合金轧制成形能力。但是如果温度过高时,易使板材表面严重氧化而损害表面质量。此外,镁合金变形组织对温度非常敏感,当轧制温度过低时,不能通过动态再结晶细化晶粒,粗大的晶粒组织会存在大量的孪晶。而且这时镁合金材料边部容易开裂,材料内部容易存在不均匀变形,同时产生各向异性,对镁合金板材的二次成形加工非常不利。而轧制温度过高时,有可能发生二次再结晶导致晶粒长大,影响轧后材料的性能。因此镁合金轧制时温度制度的确定十分重要。要确定合理的温度制度,通常需要综合考虑合金相图、塑性图、变形抗力图及再结晶图等。表1是几种常见镁合金的热轧温度。按照轧制温度的高低,镁合金的轧制也可分为热轧、温轧、冷轧。当在高于再结晶温度的温度范围内轧制时,即为热轧。热轧过程中会发生动态再结晶,可以细化组织,且热轧得到的板材孪晶较少,所以热轧板材的综合力学性能较好。冷轧通常在室温下进行,冷轧得到的板材组织中含有大量的孪晶,抗拉强度较高。温度高于冷轧温度而又低于再结晶温度下进行的轧制系温轧。温轧能在一定范围内提高材料的塑性,降低加工硬化。通过调整轧制温度,可以得到不同性能要求的轧件。轧制过程中可以选择多个轧制温度以控制组织,提高塑性和轧制效率。通常先进行热轧,终轧采用冷轧的方式。汪凌云等在研究AZ31B镁合金时,采用450～460℃的开轧温度和260～300℃的终轧温度成功的获得了性能优良的板材。而陈维平等研究了300,330,360℃3个轧制温度对AZ31镁合金组织和硬度的影响。研究表明,在同一变形量下,随着轧制温度的升高,板材的晶粒呈长大趋势,硬度逐步下降,在330℃轧制时,板材的综合性能较好。2.1.2多道次小压下量的轧制在轧制过程中,变形量是个很关键的参数。如果变形量过大,板材就有可能开裂。变形量太小,效率就会降低,还会影响板材的组织和性能。镁合金的变形能力较差一般采用多道次小压下量的轧制方式进行。冷轧条件下,AZ31镁合金的最大变形量可达15%,但一般都采用道次压下小于5%,两次中间退火的总变形量小于25%的工艺。但在较高温度下也可进行大压下量轧制。陈彬等的研究表明:挤压态AZ31镁合金在300℃或400℃进行大压下量轧制,道次压下量可在46%以上,最高可达71%。而且板材在轧制过程中发生了动态再结晶,得到了均匀细小的组织,力学性能良好,同时提高了生产效率。通过温度调节和变形量的控制可以减少轧制道次,显著的提高轧制效率。2.1.3晶粒尺寸的变化经轧制的镁合金板材组织中有很多的孪晶,且加工硬化现象严重,不利于二次加工成型。所以需对镁合金轧制板材进行退火处理,以提高其塑性。另外,镁合金板材在轧制过程中也需进行退火处理,以利于后续轧制。傅定发和程永奇等研究了退火处理对镁合金板材组织性能的影响。经退火后,板材组织中的孪晶逐渐消失,形成等轴的再结晶晶粒。晶粒尺寸随退火温度的升高而变大,随退火时间的延长先细化后长大。退火后板材的抗拉强度略有下降,但伸长率和冲压性能有较大改善。AZ31最佳退火工艺为200℃退火1h。2.1.4种方式、不同轧制路径不同对板材的组织和性能也有很多影响。张文玉等研究了(1)每道次轧制方向和板正法向均不变;(2)每道次轧制方向不变而板正法向旋转180°;(3)每道次轧制方向旋转180°而板正法向不变;(4)每道次板材轧制方向和板正法向均旋转180°四种轧制路径在异步轧制中的对板材组织和性能的影响。发现,以每道次轧制方向旋转180°而板正法向不变的路径轧制的板材的金相显微组织较好,晶粒细小(约为20μm),孪晶少,伸长率达到26%,并且板材的屈服强度、应变硬化指数较高;而按每道次板材轧制方向和板正法向均旋转180°的路径轧制的板材的塑性应变比值最大。曲家惠和张青来等研究了交叉轧制路径对板材组织的影响。单向冷轧的形变量超过15.37%即断裂,而交叉冷轧的形变量超过5.79%就发生断裂。在相同变形量下,单向轧制的(0001)面各织构组分强度趋向均匀分布,而交叉轧制的(0001)面各织构组分向{0001}〈2110〉聚集增强。研究还发现,挤压+交叉热轧组织是由混晶组织还是由含有板条状组织组成,主要取决于挤压板的组织,交叉轧制组织存在挤压组织的遗传性。因此,可以采用以每道次轧制方向旋转180°而板正法向不变的路径对板材进行轧制,以提高其塑性,从而提高轧制效率。由于交叉轧制改变了基面织构也是一种很好的尝试。2.2制备工艺对镁合金f轧制方式是影响镁合金板材力学性能和轧制成形性的主要因素。轧制方式不同,板材在轧制工程中受的力就可能不同,从而得到的组织也有差异。比如,晶粒大小、基面织构、各向异性等在不同轧制方式下都会有所改变。通过选择合适的轧制方式,可以有效的细化晶粒和降低织构强度,提高板材的成型性和后续加工性能。研究表明,晶粒尺寸小于10μm时,镁合金将体现出良好的超塑性;镁合金板材各向异性程度高,力学性能不平均,通过控制织构降低各向异性程度,可有效的提高板材性能。目前,应用在镁合金板材上的轧制方式主要有:同步轧制、异步轧制、非对称轧制、等径角轧制、双辊连铸连轧、垒积叠轧等。研究不同轧制方式下,板材的组织性能,从而选择合适的轧制方式,方能以较高的效率轧得满足要求的板材。2.2.1镁合金板的制备同步轧制,即常规轧制,是目前应用最广的轧制方式。以两辊轧机为例,上下棍直径相当,转速相同,转向相反。这种方式得到的镁合金板材,中线以上和中线以下的变形量相当。通过轧制可以得到细小的组织,提高镁合金的强度。但是这种轧制方式下得到的板材基面织构很强,塑性较差。轧制过程中需要反复多次道次间退火。CHANGTien-chan等的研究发现,AZ31镁合金经多道次,反复加热轧制后的平均晶粒尺寸达到11.7nm,但是基面织构强烈,且发现了很多的孪晶。2.2.2关于常规制备和二维制备的晶粒结构异步轧制是指两工作辊圆周线速度不同而进行轧制的工艺过程。异步轧制辊速的不同是通过上下轧辊半径不同或是二者转动角速度不一样来实现的。前者称为异径异步轧制,后者称为同径异步轧制。异步轧制技术自20世纪40年代产生以来,异步轧制工艺几经改进,其轧制原理已日臻成熟。实验研究表明,在轧制条件相同的情况下,常规轧制与异步轧制AZ31镁合金板材的显微组织存在明显区别。与常规轧制相比,异步轧制板材的动态再结晶进行的比较完全,晶粒较细小,且晶粒大小更加均匀。常规轧制板材的显微组织中存在大量的孪晶,而异步轧制板材的晶粒组织中孪晶很少。且通过异步轧制能有效的减弱镁合金板材的(0002)基面织构,使搓轧方向改变5～10°,使织构得到软化,提高其二次成型性能。异步轧制可看成拉伸压缩和剪切变形的迭加。异步轧制所产生的织构应是同步轧制产生的织构和纯剪切产生的织构的迭加,这种交互作用的结果使镁合金可以在室温条件下以高达一道次20%的形变量轧成薄板,而不发生裂纹,表面平整光滑。由于是拉伸压缩和剪切变形的迭加,镁合金在塑性变形时,除基面的滑移和孪生外,柱面的滑移也易开动,导致该合金在室温下有较大的塑性变形而不开裂。2.2.3等径角轧轧法培育债权为等径角4.等径角轧制是在等径角挤压的基础上发展的新型轧制方式。程永奇、陈振华等率先在镁合金轧制中应用了等径角轧制的方法。等径角轧制装置如图1所示。等径角轧制模具安装于普通双辊轧机上,在等径角轧制过程中,板材首先通过轧辊产生一定的轧制变形,然后利用两轧辊与板材表面的摩擦力来提供足够的挤压力使板材通过等径角模具转角,以此来实现板材的连续剪切变形。经等径角轧制后的板材,晶粒取向由等径角轧制前的(0002)基面取向演化为基面与非基面共存的取向。与等径角轧制前的板材相比,板材晶粒尺寸略有长大并有孪晶出现,但强度却明显提高,单道次轧制的板材其抗拉强度提高约15%,屈服强度提高约24%,而断裂延伸率变化不大;随着等径角轧制道次的增加,板材的强度逐渐降低。但是塑性得到提高,轧制成型性和二次成形性有了明显的改善。2.2.4加工工艺的选择垒积叠轧技术最早是由PEREZ-PRADO应用到镁合金中的。累积叠轧过程如图2所示,分为切割、表面处理、叠垛、预热、轧制几个步骤,可视情况重复进行。轧制过程中改变压下量,可调整轧后板材厚度。Del等的研究发现,晶粒的大小和轧制温度、道次压下量有关。在较低温度下得到的晶粒尺寸较小。累积轧制得到的晶粒尺寸与其它大变形技术得到的晶粒尺寸相近,但是累积叠轧加工过程中板材的(0002)基面织构很稳定,不利于后续的二次成型。2.2.5道次压下量和厚度对塑性的影响作用交叉辊轧制方式是将上下轧辊成一定的角度(2θ)而进行的轧制,轧制示意图见图3。Yasumasachino等的研究表明,交叉辊轧制较普通的轧制方式有更好的压力成型性能,这与板材厚度方向应变的方向依赖性减小和宽度方向的拉伸应变有关。另外(0002)基面织构的密度减小也是塑性提高的一个原因。同时,晶粒细化也使板材的成形性得到了很大的提高。综上所述,由于柱面滑移的开动,异步轧制可以实现较大的道次压下量,得到的组织比同步轧制更均