CN101422784B - 超细晶镁合金薄板轧制技术 - Google Patents

Abstract

超细晶镁合金薄板轧制技术；一种用于生产超细晶镁合金板带材的轧制技术，其特征在于：把镁合金近终成形的铸轧薄板经过快速加热到热轧温度后，经首道次大变形量的热温轧制，再低温软化退火并以热辊轧机多道次冷轧至规定厚度，经控制热处理成为晶粒小于10微米的成品镁合金板。本发明的生产方法成本低、工艺流程短、产品质量高。

Description

超细晶镁合金薄板轧制技术

技术领域

本发明涉及一种镁合金板带材的生产技术，尤其涉及一种生产超细晶镁合金薄板的轧制技术。

背景技术

镁合金板材是镁合金塑性加工的重要材料，用体积成形和板料成形加工，能得到比目前采用的镁合金铸造方法更质优价廉的各种机器零件、结构件和设备等。镁合金以板材加工大幅度简化了镁合金深加工的生产流程、降低成本、扩大应用范围。

目前镁合金板材基本是采用热挤压和轧制的方法生产。热挤压只能生产窄的带状产品。镁合金轧制板材的生产工艺流程很复杂，包括铸坯的生产，铸坯铣面，铸坯加热使组织均匀化，然后是热温轧、粗轧、中轧、精轧、叠轧，之间需要不断地剪切、酸洗、板坯再次加热等。轧制道次一般为20-40道次，最多可达50-60道次。镁合金薄板的生产工艺复杂、周期长、成材率低，致使生产成本居高不下。双辊连续铸轧金属板带是一种先进技术，铸轧板坯板经经过较简便的后继工艺轧制的更薄的板带成品，铝合金已经广泛使用双辊式连续铸轧的方式生产，镁合金板带的生产也已经开始使用这种技术。

金属的晶粒大小和晶粒形状对板材的力学性能和冲压性能有重要的影响。当晶粒尺寸减小时，常温下强度和塑性都提高，高温屈服极限降低。细晶板材的高温屈服极限降低使热冲压性能好，因此，对常需要加热到一定温度进行加工的镁合金，能希望晶粒细小。理论和生产实践都证明，镁合金组织细化对于改善合金性能的效果比铝合金高许多，例如，晶粒度减小对改善某些性能的效果是铝合金的4倍，尤其使当晶粒度尺寸达到10微米以下时，镁合金具有超塑性，达到4-5微米时，其脆性转变温度已经低于室温，理论上镁合金此时已经具备室温塑性加工而不发生开裂的性质。因此通过使镁合金板带晶粒度细化的措施，既能提高镁合金的性能，也能是镁合金板材塑性加工生产过程的简化，意义非常大。

为了获得镁合金细晶粒度组织的产品板带，满足生产需要的细晶镁合金板带，目前不得不采用生产成本高的大挤压比挤压工艺或等径角通道挤压，由于生产效率低，产品的成本太高，这些方法也不能获得大宽度板带。

目前，开发低成本工业化的轧制方法，生产组织均匀、晶粒度细小的板带是镁合金工业面临的重要生产课题。

发明内容

本发明的目的是开发适合于工业化规模生产组织均匀、晶粒细小的镁合金板带的轧制技术。

本发明主要涉及一种用于生产超细晶镁合金板带材的轧制技术，其特征在于：采用近终成形的铸轧镁合金薄板，感应加热到热轧温度后，经首道次大变形量的热温轧制，再低温软化退火并以热辊轧机多道次冷轧至规定厚度，最后经控制热处理成得到晶粒小于10微米的成品镁合金薄板。近终成形的铸轧镁合金薄板采用厚度和最终产品接近的快速凝固形成的铸轧细晶组织坯，这种近终成形的铸轧镁合金薄板的厚度只留从性能和轧制工艺要求必要的轧制量。感应加热到热轧温度为以高频感应加热的方式，迅速使镁合金薄板坯温度上升到轧制性能最好的温度范围，高频感应加热有效避免传统方法长时加热引起的晶粒粗化并获得足够的塑性。首道次大变形量热轧为充分利用高频感应加热后高温塑性好的特性，首道次轧制率尽量加大热轧和随后压下量逐次减小的多道次温轧，使铸轧板坯一次加热完成热轧。低温软化退火后在热辊冷轧至规定厚度为热温轧后的板料低温软化退火既能再结晶软化，又不致造成晶粒长大，退化的板材用轧辊温度超过150℃的轧机进行多道次冷轧，完成。

本发明的实验过程中发现，影响双辊连续铸造生产镁合金板坯进一步热温轧、冷轧和成品热处理后组织粗大的因素很多，各种因素之间的关系也比较复杂，但最主要的因素是铸轧板的初始厚度和初始晶粒度、热轧前的预热工艺、热温轧制工艺、软化退火工艺、冷轧工艺和成品热处理制度等。因此本专利认为控制上述主要工艺环节和工艺参数是生产细晶镁合金轧制板带的关键。

传统轧制一般采用铸造的锭坯存在大量的铸造缺陷，如缩松、缩孔、夹杂、偏析、晶界集中分布的脆性粗大第二相、粗大的柱状晶和树枝状晶以及残余应力等，因此锭坯需要预留很大的余量，以在足够大的变形量的轧制中使缩松、缩孔焊合、小裂纹愈合并，以及粗大晶粒反复被破碎和再结晶，进而成为变形组织的材料。如果铸造态材料晶粒细小均匀且不存在或很少存在铸造缺陷的小尺寸铸坯，只需要很小的压下率就有可能消除铸造组织。很小的压下率近终成形的铸坯无疑能大大简化轧制流程。此外，我们还试验了镁合金双辊铸轧板的初始晶粒度对产品性能的影响，发现如果铸轧板的初始晶粒度很粗，则必须采用很大的轧制压下率才有可能将初始粗晶破碎，而初始晶粒越细小和越均匀，不大的变形率轧制后旧能得到产品组织细密的产品。因此，只有采用初始晶粒度很细的近终成形的铸轧板，才有可能采用不大的轧制压下率获得超细晶镁合金薄板轧制板材。

镁合金铸轧过程是一个金属液从液体到固体的铸造过程，通过控制凝固时的冷却速度可以有效的控制凝固的晶粒度，冷却越快，晶粒的尺寸就越细小。当生成薄的铸轧板是，由于需要带走的凝固热小，因此溶液实现更大的冷却，因此能获得的晶粒的尺寸就越细小。所以，对于厚度一般都较薄的镁合金轧制板材成品，在生产铸轧板坯时需要在尽可能的减少后继生产流程的前提下，铸轧薄板必须具备很细、很均匀的组织，一般要求晶粒小于30微米的细晶组织的近终成形的铸轧薄板，还须留合理的最小轧制变形余量。通过我们的研究，近终形铸轧板的厚度只留从性能和轧制工艺要求必要的轧制量，产品板规定的厚度加不小于45％的余量，再配合优化其它主要的生产环节，能生产出晶粒小于10微米的加工组织镁合金板带。为了简化过程，通常实际将常用的1-2毫米镁合金板材采用3毫米铸轧薄板，常用的1毫米以下的镁合金板材，采用1.5毫米铸轧薄板。更厚的镁合金板材，由于很难获得希望的细晶粒铸轧板坯料，轧制余量应该适当加大。

镁合金热轧一般采用较高的轧制温度以减少轧制次数，但我们发现，即使是组织相对稳定的铸造坯料，当双辊铸轧镁合金坯料厚度较薄的近终成形的铸轧薄板，高温加热时随着时间的延长，容易引起初始细晶组织的粗化。例如，AZ31B合金的预热温度大于450℃对热轧比较合适，在此温度范围按传统的时间保温，组织粗化达到十分严重的程度。当晶粒粗化到几百微米后，随后的轧制细化困难增大。试验过程发现，利用高频感应加热迅速使板坯温度上升到450℃以上并取消保温时间，则可以避免晶粒粗化，不保温热轧的塑性也能满足生产要求。分析认为，高频感应加热后不保温，虽然达不到成分均匀化的目的，但因快速凝固过程生产的近终成形的铸轧薄板宏观偏析不明显，均匀化的作用相应减少。

高频感应加热迅速，为充分利用镁合金的高温塑性好的特性，最有利的工艺是尽快趁高温轧制。我们在首道次轧制率增大到20％或有时可以更大，轧制没有发现裂纹。首道次轧制后由于温度的降低和存在加工硬化，逐次减小压下量，经过多道次温轧，这样一次高温加热，即可大变形量热温轧制将铸轧板转变成需要厚度的热轧板。在高温轧制时，大部分镁合金发生动态再结晶，再结晶晶粒度和温度、应变速度有关。一般温度越高动态再结晶进行得越充分，组织越均匀，但扩散能力的增加导致晶粒粗化；应变速度增加，变形过程产生的位错来不及抵消，位错增多，再结晶形核增加，导致晶粒细化。镁合金动态再结晶晶粒组织占80-85％时，随后的退火过程晶粒容易发生异常长大，出现大小极不均匀的粗大等轴晶组织。因此要得到细小等轴晶组织，应该采取合适的温度、变形速度、并在一定温度范围内多道次变形。热轧后进行温轧变形，组织晶粒明显细化。这种首道次大轧制率的热温轧制工艺的最大优点是大大缩短生产流程并不致造成热轧加热中通常出现的晶粒粗化问题。例如AM60镁合金首道次变形量为20％时，微观孪晶清晰、部分晶界发生弯曲、出现少量细小再结晶新晶粒，随变形量不断增大，晶粒细化明显，当变形量超过30％时，平均晶粒为3微米。

虽然热温轧制后，部分轧材已经符合生产终产品的需要，但为满足生产工艺和产品性能的需要还需要一定变形量冷轧。热温轧制后的板材存在加工硬化，需要加热软化恢复塑性。退火加热当温度和时间控制不适当是也容易造成晶粒长大。为此，本专利采用低温软化退火，试验了多种常用镁合金在热温轧制后软化退火时变形晶粒既能发生再结晶，又不致造成晶粒长大的加热温度，对于几种常用的合金，250℃的加热温度能满足工艺要求。

软化退火后在室温轧制是，主要发生形变强化，板带的屈服强度明显增大，抗拉强度略有增加，但变形能力明显下降。镁合金冷轧也需要实现一定的轧制量，因此，基于简化生产流程和降低生产成本考虑，也不考虑在冷轧过程中反复软化退火，实现发现，采用温度超过150℃轧辊的轧机允许薄板进行多道次冷轧，总中间加工率大大超过镁合金冷轧10-15％总冷轧制率的限制量，薄板甚至可以超过30％。这种冷轧工艺使热轧板坯或铸轧薄板坯一次退火即可得到需要的厚度的板材，大幅度简化生产工艺，为降低生产成本创造了极为有利的条件。为了满足用户对性能的不同要求，一般都需要进行热处理，热处理工艺根据金属的特性和用户指定的性能指标制定。变形镁合金的热处理工艺选择主要根据合金是否能热处理强化，划分成固溶处理、时效处理、退火处理。属于低合金化镁合金一般仅采用退火热处理，退火过程会发生回复、再结晶和晶粒长大。为了获得最佳综合力学性能，退火温度应该在完全再结晶温度范围。退火温度过高，容易导致晶粒长大。再结晶温度取决于压下量、初轧温度、终轧温度。AZ31、AZ61板材轧后在一定的温度下退火，硬度逐步随时间降低，硬度的变化值反映此时合金已经发生了完全再结晶。

具体实施例

实施例1 AZ31B板材轧制

双辊铸轧近终成形的铸轧薄板的厚度为4毫米左右的片状或卷状坯板，铸轧的平均初始晶粒度为30微米。铸轧薄板送进高频感应加热线圈快速加热到450℃并立即热轧。高频感应加热设备根据具体的生产可以直接从专业生产厂家订制，设备容量必须从产品结构出发，我们的高频感应加热设备功率为125KW。热轧机和工艺的主要技术参数为：2辊轧机，工作辊直径400毫米，轧制速度60米/分钟，首道次变形量20％，首道次轧制后板温降低到280℃左右。此后继续温轧制，逐次减小多道次温轧，道次变形率在10-5％范围，当板温降低到低于200℃时，停止轧制，热温轧制时的中间总加工率大于30％。轧制后镁板的厚度小于3毫米，翘曲不严重。热温轧制过的板材在电阻箱式炉中加热到250℃、保温1小时，实施低温软化退火。在退火过程合金发生再结晶，加工硬化消失。退火后，再以热辊轧机多道次冷轧至规定厚度，轧制道次数目由产品厚度要求定，原则上可以进行任意道次轧制。最后根据用户对性能的要求进行热处理，得到晶粒小于10微米的成品镁合金板。

实施例2 MB8板材轧制

双辊铸轧近终成形的铸轧薄板的厚度为6毫米的片状或卷状坯板，铸轧的平均初始晶粒度为50微米。铸轧薄板送进高频感应加热线圈快速加热到420℃并立即热轧，热轧机和工艺的主要技术参数为：2辊轧机，工作辊直径400毫米，轧制速度60米/分钟，首道次变形量35％，首道次轧制后板温降低到250℃左右。此后继续温轧制，逐次减小多道次温轧，道次变形率在10-5％范围，当板温降低到低于200℃时，停止轧制，热温轧制时的中间总加工率大约为50％。轧制后镁板的厚度小于3毫米。热温轧制过的板材在电阻箱式炉中加热到250℃、保温1小时，实施低温软化退火。在退火过程合金发生再结晶，加工硬化消失。退火后，再以热辊轧机多道次冷轧至规定厚度，轧制道次数目由产品厚度要求定，原则上可以进行任意道次轧制。最后根据用户对性能的要求进行热处理，得到晶粒小于10微米的成品镁合金板。

Claims (1)

1.一种用于生产超细晶镁合金板带材的轧制方法，采用厚度为4毫米的片状或卷状坯板，铸轧的平均初始晶粒度为30微米，将铸轧薄板送进高频感应加热线圈快速加热到450℃并立即热轧，热轧机技术参数为：采用辊轧机，工作辊直径400毫米，轧制速度60米/分钟，首道次变形量20％，首道次轧制后板温降低到280℃，此后继续轧制，使得变形率控制在10-5％，当板温降低到低于200℃时，停止轧制，热温轧制时的中间总加工率大于30％，轧制后镁板的厚度小于3毫米，热温轧制过的板材在电阻箱式炉中加热到250℃、保温1小时，实施低温软化退火，再多道次冷轧至规定厚度，进行热处理，得到晶粒直径小于10微米的镁合金板。