CN100556565C - 变形镁合金薄板、带、线材的电致塑性轧制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变形镁合金薄板、带、线材材的电致塑性轧制方法及装置，它包括：变形镁合金薄板、带、线材在轧制过程中直接导入单向瞬间高能连续脉冲电流，电流通过一对可调距离的电接触装置加在运动的镁材料上，而轧辊本身作为其中的负极，电致塑性轧制时加入必要的冷却和润滑措施。此时镁材料的轧制变形能力(塑性)大为提高(两次退火间的总变形率在60%以上)，变形抗力降低，而且可避免高温氧化、尺寸精度差现象，最终产品较常规轧制强度更高、韧性更好，退火后的晶粒尺寸更为细小。特别适合厚度在2mm以下或直径在3mm以下的变形镁合金薄板、带、线材轧制加工。

Description

变形镁合金薄板、带、线材的电致塑性轧制方法及装置

技术领域

本发明涉及薄板、带、线材(厚度在2mm以下或直径在3mm以下)的轧制技术，特别是变形镁合金的薄板、带、线材的电致塑性轧制方法及装置。

背景技术

金属镁被称作“21世纪最具发展前景的绿色工程材料”。上世纪90年代以来，日本、美国、德国、澳大利亚等国相继出台了各自的镁研究计划。对近几年以来国际上主要金属材料发展趋势的分析表明，钢铁、铜、铅、锌、铝等材料的应用呈下降或缓慢增长趋势，而镁则以每年大于20％的速率连续保持快速增长，其原因是镁合金作为最轻的工程金属材料，具有储量惊人(海水中镁的的含量居第3)、比重轻(见表1)、比强度及比刚度高(见图1)、阻尼性及切削加工性好、导热性好、电磁屏蔽能力强以及减振性好和易于回收等一系列优点，在汽车工业和信息产业等领域得到了日益广泛的重视和应用。以高度集成化、轻薄化、微型化发展趋势的3C(Computer，Communication，consume)产品为例，镁合金以其抗冲击及电磁屏蔽和散热性好的特性，加之硬度为传统塑料机壳的数倍，而重量仅为后者的1/3以下。因此镁合金已成为中高档超薄型机壳的首选材料，而且这种壳体更豪华、美观、易于上色。

但目前上述镁合金产品90％以上为压铸技术生产出来的。压铸技术经过许多年发展，其生产成本、生产效率、表面质量都得到了显著提高，但由于本身很难避免的缺点，如铸造缺陷难以消除、壁厚不能过薄、性能难满足承载零件要求、加工过程需气体保护(产生温室效应)等限制了压铸镁合金的进一步应用发展。与压铸镁合金相比，更低成本、更高强度、更多样化力学性能的变形镁合金应具有更加广阔的发展空间。但目前变形镁合金在应用面上还远不如压铸镁合金，主要是基于镁合金室温下加工塑性差(韧性低)的限制性：镁属于密排六方晶体结构，滑移系少，只有三个几何滑移系和两个独立滑移系，容易出现孪生现象(加工性能差，单道次变形量仅为15％以下)。目前变形镁合金薄板、带、线材的轧制加工方法主要包括：

1、完全退火后冷轧。变形镁合金在经过一系列变形(如热挤、热轧)后，通过300~400℃、约30分钟至1小时左右的再结晶退火，进入冷轧工序来获得薄板、带、线材产品。该方法产品表面质量较好，但此时两次退火间的总轧制变形率不超过25％，否则出现轧裂现象。因此如需获得薄材，需反复多次进行中间退火处理。因该方法退火工序太多，而不适于实际生产；

2、热轧加工。通过升高温度增加滑移系(≥225℃)的手段增加其塑性变形能力，因此可提高两次退火间的总轧制变形率(25％~40％)来减少退火次数。目前加热方式又可分为炉卷加热、在线超高频加热、直接热辊三种。炉卷加热即轧机两端布置带开收卷装置的加热炉，镁材在一端炉卷装置中加热后，再进入热轧辊轧制，同时收卷的镁材又在另一端中的炉卷装置中加热，如此反复轧制；如专利号为JP2004-183062的日本专利报道了一种变形镁合金线的在线超高频加热轧制技术，利用进入轧辊前的超高频加热装置，使镁材迅速感应加热至250℃~450℃间，再进入热轧辊轧制；直接热辊则是用煤气管加热轧辊，而镁材料进入轧辊前不另外加热，由于镁材在接触热辊时能迅速导入热量而提高塑性。此三种方式都是利用了温度效应来提高轧制变形能力，均带来表面质量难以保证(易氧化变色)、产品尺寸精度难以控制(轧辊加热后刚度下降)、材料性能较低(升高温度造成晶粒尺寸偏大)等诸多问题，另外炉卷加热方式由于炉中存在温度场不均匀及材料轧制过程中加热时间不相等等因素，还会带来卷材性能一致性差问题。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，特别克服获得变形镁合金薄材过程中冷轧加工成本高(退火次数增加)、热轧产品质量差(表面氧化、尺寸控制难、性能较低和可能的一致性差)等缺陷，本发明提供一种变形镁合金薄板、带、线材的电致塑性轧制方法及装置，此时镁材轧制变形能力(塑性)大为提高，变形抗力降低，而且可避免高温氧化、尺寸精度差现象，最终产品较常规轧制强度更高、韧性更好，产品性能更加均匀。

本发明变形镁合金薄板、带、线材的电致塑性轧制方法及装置，包括以下步骤：

通过轧机的开、收卷装置带动连续镁材以一定速度经过旋转的轧制辊缝，厚度变小(轧制变形率为： $\mathrm{\ϵ}=\frac{H_0-H_1}{H_0}\×100\%,$ H₀、H₁分别为轧前和轧后厚度)，且向所述收卷装置方向运动；在进入轧辊前镁材直接导入单向瞬间高能连续脉冲电流，电流通过一对可调距离的电接触装置加在材料上，而轧辊本身作为其中的负极，电致塑性轧制时加入必要的冷却和润滑措施。

单向瞬间高能连续脉冲电流由一配置的高能连续电脉冲电源产生，高能连续脉冲电的工艺参数可以为：脉冲宽度10-200μs，频率100-3000HZ，电流密度的幅值≥100A/mm²。其中，优选高能连续脉冲电的工艺参数为：脉冲宽度10-100μs，频率100-1500HZ，电流密度的幅值≥500A/mm²。

强制冷却的加入有两方面目的：1)减少因轧前镁材加上了高能连续电脉冲所产生的热效应，避免了轧前的高温氧化现象；2)避免轧后温度升高造成的晶粒长大，提高轧后材料综合性能。而润滑措施可达到清除轧制过程污垢、减少轧制变形抗力、提高镁材表面光洁度综合效果。

该轧机的配置可根据单向轧制或可逆双向轧制的需要进行，由于后者生产效率更高(可不用换卷而连续进行)，一般采用可逆双向轧制配置。此时包括开卷装置5、收卷装置6、高能脉冲电源1、润滑装置8与8’、开卷装置5和轧辊7与收卷装置6和轧辊7之间的两个电接触正极装置3、3’以及强制冷却装置4、4’。材料从左往右轧制时，用电源1为高能连续电脉冲电源，该高能连续电脉冲电源的正、负输出端分别连接两个电接触装置3、7，通过该两个电接触装置使高能连续脉冲电流输入运动的连续镁材的加电区域段2’，在运动的连续镁材的加电区域段2’周围设置强制冷却装置4，用于对运动的连续镁材的加电区域段同时进行强制冷却，此时的轧辊入口的润滑装置8向轧制变形区喷润滑液，轧后的镁材又立即进入轧辊和另一电接触正极装置3’(此时3’并不通电)之间的强制冷却区域4’进行冷却，最后进入收卷装置6。下一道镁材从右往左轧时，轧辊7的辊缝继续下调，高能连续电脉冲电源的正、负输出端分别连接两个电接触装置3’、7(而此时轧辊左侧电接触装置3不通电)，装置8’向轧制变形区喷润滑液，入口强制冷却装置为4’，出口强制冷却装置则为4，开卷装置换成6、收卷装置则为5，其他配置不变。

电致塑性轧制过程中，单向瞬间高能连续电脉冲从电接触正极通过镁材导向轧辊(负极)，即轧制变形区内也通有电脉冲。此时单向瞬间高能电脉冲作用于镁材的变形区间，由于高冲量电子和位错间强烈的相互作用机制，将产生电致塑性效应和附加效应。电致塑性效应系指当电流密度峰值足够大时，可在打开位错缠结增加变形区内可动位错密度的同时，有效增加位错运动速度，从而提高塑性、降低变形抗力；而附加效应则主要由热效应、磁压缩效应等构成，它也对提高塑性、降低变形抗力方面发挥着重要作用。电致塑性效应和附加效应构成的耦合作用，可在一定程度上降低热效应在提高塑性和降低变形抗力方面的比例，即在远低于镁材热变形温度(一般高于250℃)的情况下，就能达到同样甚至更高程度的提高塑性和变形抗力下降效果，同时温度的降低也可避免高温氧化现象。另外由于电致塑性效应有利于镁材轧制变形过程中的亚晶转动过程，从而促进了动态再结晶过程的晶粒形核率的提高和降低晶粒长大速度，使得轧出的镁材具有更细小的晶粒。由于本发明中在轧制入口和出口均加入了强制冷却手段，大大降低了轧制过程的热效应而强化了非热效应(电致塑性效应)，使得耦合作用最大化，最终提高了镁材料的轧制变形能力(塑性)，降低了变形抗力，而且还避免了高温氧化、保证了尺寸精度(轧辊温度降低可提高轧机的刚度)。更加有利的是，采用本发明轧制后的镁材由于晶粒细化后，抗拉强度高且塑性下降少，可提高两次退火间的总变形率在60％以上，使得变形镁合金薄板、带、线材的加工成本高的问题得到很好的解决。

附图说明

图1为变形镁合金薄板、带、线材的电致塑性轧制装置装置实施例示意图。

具体实施方式

参照图1，包括开卷装置5、收卷装置6、高能脉冲电源1、润滑装置8与8’、开卷装置5和轧辊7与收卷装置6和轧辊7之间的两个电接触正极装置3、3’以及强制冷却装置4、4’。连续的镁材由开、收卷装置支撑并张紧，它们带有的张力调整机构保证镁材运动过程的稳定性，旋转的轧辊7能带动连续镁材2以一定速度通过向所述收卷装置方向(图1箭头方向)连续传输，连续镁材的轧制速度可为0-60mpm，轧制速度由控制轧辊转动的变频器和马达调整控制(图中未画出)，在0-60mpm范围内连续可调。材料从左往右轧制时，用电源1为高能连续电脉冲电源，该高能连续电脉冲电源的正、负输出端分别连接两个电接触装置3、7，通过该两个电接触装置使高能连续脉冲电流输入运动的连续镁材的加电区域段2’，在运动的连续镁材的加电区域段2’周围设置强制冷却装置4，用于对运动的连续镁材的加电区域段同时进行强制冷却，以降低电致塑性轧制过程中的焦耳热效应。冷却装置4可包括冷却槽41，冷却槽41内通以循环冷却介质43，42、44分别为循环冷却介质的进口和出口。冷却方式可以是镁材的加电区域段2’浸入冷却介质中，也可以是高压雾化喷淋镁材的加电区域段2’，也可以是强风强制对流散热，且冷却介质的流量可调。此时的轧辊入口的润滑装置8向轧制变形区喷润滑液，轧后的镁材又立即进入轧辊和另一电接触正极装置3’(此时3’并不通电)之间的强制冷却区域4’进行冷却(完全等同于强制冷却装置4)，最后进入收卷装置6。下一道镁材从右往左轧时，轧辊7的辊缝继续下调，高能连续电脉冲电源的正、负输出端分别连接两个电接触装置3’、7(而此时轧辊左侧电接触装置3不通电)，装置8’向轧制变形区喷润滑液，入口强制冷却装置为4’，出口强制冷却装置则为4，开卷装置换成6、收卷装置则为5，其他配置不变。开、收卷装置可以是原有镁材生产线的一部分，

高能连续电脉冲电源1的功率为5000w，它输出脉冲宽度为10-200μs，输出脉冲频率为0-3000HZ。优选高能连续脉冲电的工艺参数为：脉冲宽度10-100μs，频率100-1500HZ，电流密度的幅值≥500A/mm²。

两个电接触装置3、3’均是由一对采用铜-石墨制成的直径为160mm、宽度约为轧辊宽度的导电轮构成，导电轮与开卷镁材形成一定的包角，以保证接触良好，减小接触电阻，两轮中心连线的中点与轧辊(即负极)中心连线的中点间的距离可在100～200mm范围内调整，该距离根据所需的轧制速度、来料状态、截面尺寸等调整，轧速越高、来料越硬、截面尺寸越大，两导电轮之间的距离应加长。反之亦然。导电轮也可以采用黄铜等导电性较好且耐磨材料制成。

轧辊附近配置有一对润滑装置8和8’，它们分别保证不同方向轧制过程的润滑。所喷润滑液一般为矿物油或特制的乳化液，反复循环过滤后的润滑液才能使用。

对于具体不同截面尺寸、不同来料硬度、轧制道次变形率的镁材，输入的高能连续脉冲电的工艺参数的原则是：

1、按集肤效应公式δ＝(π*μ*f/ρ)^-1/2，其中μ、ρ、f分别为磁导率、电阻率、频率，δ为电流渗入的厚度。即镁材截面尺寸越小，相应输入的高能连续脉冲频率可增大；

2、来料硬度越大，相应输入的高能连续脉冲宽度或电流密度幅值应提高才能达到效果；

3、轧制道次变形率越大，相应输入的高能连续脉冲宽度或电流密度幅值才能达到应有的效果。

下面为采用本发明对变形镁合金材料进行电致塑性轧制的两个实施例：

实施例1：来料为完全退火态，直径为1.7mm的AZ31镁线，进行冷轧和电致塑性轧制的对比。

电致塑性轧制时参照图1，连续的镁材2由开、收卷装置控制张力，工作辊径为100mm的两辊轧机带动按箭头方向以入口速度3mpm进行轧制。入口的镁材导入高能连续电脉冲，正、负极分别为铜-石墨制成的导电轮3(直径为60mm)和轧辊7(正负极中心距离为150mm)与电脉冲电源1相连，同时加电区域段2’采用冷却装置4进行强制冷却处理，循环冷却介质为淬火油，通过进口42泵入已冷却的油，而通过出口44不断排出因退火过程而加热的油。润滑装置8向轧辊喷矿物油润滑，而出口冷却装置4’采用与入口冷却装置4完全相同方式冷却轧出发热的镁材。高能连续脉冲电的脉冲宽度80μs，频率为600Hz，电流密度幅值为1000A/mm²。

则该线材冷轧至1.30mm后开始出现开裂现象(即临界变形率只有23％)，而电致塑性轧制可轧至0.65mm仍未开裂(既两退火间总变形率超过60％)，材料表面光洁度与冷轧无差异。

实施例2：来料为完全退火态，厚度0.8mm、宽为2.mm的AZ31镁带，进行电致塑性轧制与冷轧轧至0.7mm厚的对比。

电致塑性轧制过程的装置配置除正负极中心距调整为200mm外，其余与具体实施例1完全相同。同时此时输入的高能连续脉冲电参数改为：脉冲宽度60μs，频率为400Hz，电流密度为1500A/mm²。

轧制过程中电致塑性轧制的变形抗力较冷轧降低17％(用5吨压力传感器在线测试)，轧出后的材料性能对比：电致塑性轧制样品抗拉强度295Mpa，延伸率6.5％；而冷轧样品抗拉强度310Mpa，延伸率2％，再经过350℃、10min退火后，测试力学性能得到：电致塑性轧制样品退火后的抗拉强度250Mpa，延伸率13.5％，晶粒尺寸平均约为5μm；而冷轧样品退火后抗拉强度238Mpa，延伸率10％，晶粒尺寸平均约为13μm，两者表面质量无差异。可见，电致塑性轧制在降低变形抗力的同时，也提高产品的综合力学性能。

Claims (8)

1、一种变形镁合金薄板、带、线材的电致塑性轧制方法，其特征是：

变形镁合金薄板、带、线材在轧制过程中直接导入单向瞬间高能连续脉冲电流，同时在轧制出口、入口处均加入强制冷却手段，两次退火间的总轧制变形率60％以上。

2、根据权利要求1所述的电致塑性轧制方法，其特征是：镁材料在轧制入口的一定区域段上通入了单向瞬间高能连续脉冲电流，其电流参数为：脉冲宽度10-200μs，频率0-3000HZ，电流密度的幅值≥100A/mm²。

3、根据权利要求2所述的电致塑性轧制方法，其特征是：所述单向瞬间高能连续脉冲电流，其电流参数为：脉冲宽度10-100μs，频率100-1500HZ，电流密度的幅值≥500A/mm²。

4、根据权利要求1所述的电致塑性轧制方法，其特征是：轧制出口、入口处均加入的强制冷却手段为水冷或风冷或油冷或相互组合。

5、实现权利要求1-4任何一项所述方法的变形镁合金薄板、带、线材的电致塑性轧制装置，其特征是包括：轧辊和高能脉冲电源；在轧辊的至少一侧设置润滑装置，用于向轧制变形区喷润滑液；在轧制出口、入口处均设置一个强制冷却装置；

电致塑性轧制时，高能脉冲电源提供的单向瞬间高能连续脉冲电流通过一对可调距离的电接触装置和作为负极的轧辊施加于连续镁材的加电区域段，所述连续镁材的加电区域段同时由轧制入口处的强制冷却装置强制冷却，所述连续镁材的加电区域段被轧辊轧制后通过轧制出口处的强制冷却装置强制冷却；

其中，施加于所述连续镁材的加电区域段的单向瞬间高能连续脉冲电流参数为：脉冲宽度10-200μs，频率0-3000HZ，电流密度的幅值≥100A/mm²。

6、根据权利要求5所述的电致塑性轧制装置，其特征是：可按单向或可逆双向轧制分别配置电接触装置和强制冷却装置。

7、根据权利要求6所述的电致塑性轧制装置，其特征是：电接触装置的正极为一对导电金属轮，两轮中心连线的中点与轧辊负极中心连线的中点间的距离可在100～200mm范围内调整，单向轧制时正极为单个配置，而可逆轧制时正极双个两侧配置。

8、根据权利要求6所述的电致塑性轧制装置，其特征是：可逆双向轧制时轧辊两侧对称配置有强制冷却装置。