CN101716593A - 镁合金板材的轧制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镁合金板材的轧制方法，该方法是先将镁合金铸坯预热，当铸坯达到设定温度后直接一道次轧制成形，压下量大于60％，轧制完成后得到镁合金板材。在该轧制方法的基础上，本发明提出还可增加固溶热处理、小应变轧制开坯工艺步骤对该轧制方法作进一步优化。本发明的轧制方法不仅工艺效率高，材料损耗及能耗小，而且产品性能优异，大大扩展了镁合金的应用范围。

Description

镁合金板材的轧制方法

技术领域

本发明涉及一种有色金属的加工方法，尤其涉及一种镁合金材料的加工方法。

背景技术

镁合金具有一系列的优异性能，其中高性能镁合金板材，具有比强度比刚度高、电磁屏蔽能力强、导热性好、阻尼性能好、易回收利用等一系列优点，是制造汽车、飞机蒙皮和框架、电子电器产品外壳等器件的良好材料，特别是结构轻量化及环保节能的需求更加刺激了镁合金板生产工业的发展。目前，镁合金板材的制备研究已成为材料加工领域的一个热点。

由于镁及其大部分合金为密排六方晶体结构，其滑移系少，塑性变形能力差，难以加工成形，这使得目前镁合金的应用以压铸件为主，变形镁合金型材及板材的应用则很少。因此，镁作为一种轻质工程的“绿色”材料，在应用过程中并没有充分发挥其性能潜力，导致镁合金研究和应用发展缓慢的主要原因之一就是未能很好地解决变形镁合金的加工成形问题。

现有的镁合金板材制备方法通常是指：先将镁合金铸造成锭，再挤压成厚板，然后将厚板经多道次轧制成形，获得所需的板材。采用多道次小变形量(道次压下量不超过30％)轧制是由于镁合金变形能力差，轧制过程中极易开裂报废。上述工艺周期长，挤压时材料浪费较严重，且仍存在轧制边裂等问题，不仅生产效率低、成本高，而且材料的力学性能仍不够理想，板材的冲压成型性能难以满足大拉深比的需求；而且，这种轧制工艺还存在成形温度高、成形温度范围窄(一般在50℃以内)、道次间需反复加热、板材组织粗大等缺陷。一些强度较高牌号的镁合金(如ZK系合金、AZ91合金等)，由于塑性极差，一般被认为不可轧制成板材，大大限制了高强度镁合金的应用范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种工艺效率高、损耗小、产品性能优异的镁合金板材的轧制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种镁合金板材的轧制方法，其特征在于：先将镁合金铸坯预热，当铸坯达到设定温度后直接一道次轧制成形，压下量大于60％，轧制完成后得到镁合金板材。

上述技术方案中，所述设定温度根据镁合金铸坯的合金成分及合金含量的不同而不同，同一合金系中使大应变轧制成功的设定温度可有一定的温度范围(至少可在100℃的范围内变动)，比较普遍通用的预热镁合金铸坯时的设定温度优选为300℃～400℃。预热时间根据铸坯厚度和铸坯大小的不同而不同，一般达到所述设定温度即可进行轧制，但根据我们大量实验获得的经验，预热时间根据铸坯厚度的大小优选以20～60s/mm计。

上述技术方案是采用铸坯-大应变轧制方式，通过大变形量加工，使镁合金材料高速率变形所获得的储能以动态再结晶形式释放，抑制裂纹产生，改善镁合金的塑性变形能力，获得表面光洁平整的镁合金板材。该技术方案的轧制过程中，轧辊不需要加热，能耗少，尤其适用于低合金含量、第二相少且细小弥散的镁合金铸坯的轧制成形。

作为对上述技术方案的进一步改进，上述轧制方法中，当铸坯达到所述设定温度以前，可先使该铸坯预热到固溶温度进行固溶热处理，固溶热处理完成后再调整到所述设定温度进行所述的一道次轧制成形。这种情况下，该轧制方法的完整操作步骤为：先将镁合金铸坯预热到固溶温度进行固溶热处理，固溶热处理完成后调整到设定温度进行一道次轧制成形，压下量大于60％，轧制完成后得到镁合金板材。该改进后的轧制方法是采用铸坯——固溶热处理——大应变轧制方式，即在大应变轧制前增加一固溶热处理步骤，这样能使镁合金铸坯中的第二相充分固溶，改善镁合金板材组织均匀性和力学性能。

为进一步均匀化组织，减少大应变轧制前固溶热处理得到的锭坯中的铸造缩松、缩孔等缺陷，提高后续大应变轧制板材的成形能力和板材质量，作为对上述铸坯——固溶热处理——大应变轧制方式的进一步改进，我们还可在前述的镁合金板材的轧制方法中再增加一小应变轧制开坯步骤，采用铸坯——固溶热处理——小应变轧制开坯——大应变轧制方式，即：在所述固溶热处理完成后且在调整到设定温度进行所述的一道次轧制成形以前，对固溶热处理完成后得到的锭坯进行小应变轧制开坯。通过该改进后的轧制方法，可得到具有超细晶粒微观组织的镁合金板材，尤其适用于中、低合金含量、固溶效率高的镁合金铸坯的轧制成形。

作为一个总的技术构思，在上述最原始的铸坯——大应变轧制方式的基础上，我们还开辟了另外一种技术思路，即调换固溶热处理和小应变轧制开坯两个操作步骤的先后次序，得到技术效果相当或者更优的技术方案。该技术方案具体是指：当铸坯达到所述设定温度以前，先对该铸坯进行小应变轧制开坯，小应变轧制开坯完成后再调整到所述设定温度进行所述的一道次轧制成形。

为进一步均匀化组织，提高镁合金板材的综合力学性能，还可对上述铸坯——小应变轧制开坯——大应变轧制方式作进一步优化，采用铸坯——小应变轧制开坯——固溶热处理——大应变轧制方式，即在所述小应变轧制开坯完成后且在调整到设定温度进行所述的一道次轧制成形以前，对小应变轧制开坯完成后得到的坯件进行固溶热处理，再对固溶热处理完成后得到的锭坯进行大应变轧制成形。该优化后的轧制方法通过在固溶热处理前增加小应变轧制开坯步骤进行预变形处理，能使后续的固溶热处理过程进行得更充分，减小镁合金板材中溶质浓度梯度，缩短固溶热处理时间，提高固溶热处理效率。通过该优化后的轧制方法，可得到具有均匀超细晶粒微观组织的镁合金板材。该轧制方法适用范围广，特别对于高合金含量的镁合金铸坯，能显著提高其固溶效率，并通过后续大应变轧制得到均匀超细粒组织。

在上述各优化后的技术方案中，所述小应变轧制开坯时的温度优选为300℃～400℃，所述小应变轧制开坯的道次数优选为2～4次，单道次压下量为5％～20％。

在上述各优化后的技术方案中，所述固溶热处理时的固溶温度和所述设定温度可根据镁合金铸坯的合金成分及合金含量的不同而有所调整，该固溶温度优选为300℃～420℃，设定温度优选为300℃～400℃。所述固溶热处理的时间也可根据铸坯厚度、铸坯大小及合金系的不同而有所调整，优选为4h～20h。

在上述各优化后的技术方案中，所述固溶热处理还可采用分级固溶方式，后一级固溶温度一般高于前一级固溶温度，温度逐级递增主要是出于在使合金相或第二相充分固溶的同时，防止高温固溶时组织过烧，提高固溶度，使合金相充分固溶。每级固溶处理时的温度优选为300℃～420℃，每级固溶处理时的时间优选为4h～30h。所述分级固溶方式优选采用分两级固溶或分三级固溶方式进行，通过采用分级固溶可防止在较高温度固溶时，产生组织过烧现象。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过优化镁合金板材轧制过程中的工艺步骤和/或工艺参数，使得镁合金铸坯能以简单、低耗、高效的方式直接轧制成镁合金薄板，大大扩展了镁合金材料的应用范围，使得镁合金材料的特性得以充分发挥出来。此外，由于本发明的镁合金板材轧制方法大幅度减少了轧制道次，缩短了轧制时间，减少了传统轧制过程之前的挤压等工艺对镁合金材料的浪费和损耗，大大提高了轧制工艺的效率；而且获得的镁合金板材具有光洁、平整的表面结构，优化后的技术方案还能获得具有超细晶粒组织的微观结构，更好地改善了镁合金板材的力学性能。

附图说明

图1为本发明部分实施例中制备得到的镁合金板材的宏观照片；其中(a)、(b)、(c)、(d)所显示的四块镁合金板材分别表示实施例1、实施例2、实施例6、实施例7中制备得到的镁合金板材的宏观照片。

图2为本发明实施例1中制备得到的镁合金板材的微观组织结构照片。

图3为本发明实施例2中制备得到的镁合金板材的微观组织结构照片。

图4为本发明实施例3中制备得到的镁合金板材的微观组织结构照片。

图5为图4的局部放大照片。

图6为本发明实施例4中制备得到的镁合金板材的微观组织结构照片。

图7为本发明实施例5中制备得到的镁合金板材的微观组织结构照片。

图8为本发明实施例6中制备得到的镁合金板材的微观组织结构照片。

图9为图8的局部放大照片。

图10为本发明实施例7中制备得到的镁合金板材的微观组织结构照片。

图11为本发明实施例8中制备得到的镁合金板材的微观组织结构照片。

图12为本发明实施例9中制备得到的镁合金板材的微观组织结构照片。

图13为本发明实施例10中制备得到的镁合金板材的微观组织结构照片。

图14为本发明实施例11中制备得到的镁合金板材的微观组织结构照片。

图15为本发明实施例12中制备得到的镁合金板材的微观组织结构照片。

具体实施方式

以下结合具体实施例进一步详述本发明。

实施例1：

AZ10(美国ASTM标准牌号，下同)镁合金的板材加工

一种本发明的镁合金板材的轧制方法，其步骤是：先将AZ10镁合金铸坯(铸坯厚度约为10mm)在400℃下预热，预热4min后达到400℃，然后直接一道次轧制成形，压下量为80％，轧制完成后得到2mm厚的镁合金板材。该镁合金板材的宏观照片如图1中的板材(a)所示，由图1中的板材(a)可见通过本实施例的大应变轧制得到了表面光洁平整的镁合金板材。该板材的微观组织照片如图2所示，由图2可见，该板材中发生大范围的动态再结晶，再结晶晶粒尺寸达到2μm以下，但本实施例工艺制得的镁合金板材微观组织还不够均匀。

实施例2：

AZ31镁合金的板材加工

一种本发明的镁合金板材的轧制方法，其步骤是：先对厚度为12mm的AZ31镁合金铸坯进行固溶热处理，固溶热处理时的温度为390℃，固溶热处理的时间为8h，固溶热处理完成后对所得的锭坯再进行两道次小应变轧制开坯，开坯时的温度为400℃，单道次压下量分别为5％和8％，最后在400℃下直接一道次轧制成形，压下量为76％，轧制完成后得到2.5mm厚的镁合金板材。该镁合金板材的宏观照片如图1中的板材(b)所示，由图1中的板材(b)可见通过本实施例的大应变轧制得到了表面光洁平整的镁合金板材。该板材的微观组织照片如图3所示，由图3可见，该板材中发生大范围的动态再结晶，再结晶晶粒尺寸达到2μm，局部区域还存在晶粒尺寸小于0.5μm的超细晶粒组织(深色部位)，本实施例工艺制得的镁合金板材微观组织还稍欠均匀。

实施例3：

AZ31镁合金的板材加工

一种本发明的镁合金板材的轧制方法，其步骤是：先对厚度为12mm的AZ31镁合金铸坯在400℃下进行两道次小应变轧制开坯，单道次压下量分别为17％和10％，开坯后再进行固溶热处理，固溶热处理的温度为390℃，固溶热处理的时间为4h，固溶热处理完成后的锭坯在400℃下进行一道次大应变轧制成形，压下量为80％，轧制完成后得到1.8mm厚的镁合金板材。该镁合金板材的微观组织照片如图4和图5所示，其中图5为图4中局部组织的放大照片。由图4和图5可见，该板材中发生完全动态再结晶，形成晶粒尺寸达到2μm以下的均匀等轴晶粒组织。

实施例4：

AM60镁合金的板材加工

一种本发明的镁合金板材的轧制方法，其步骤是：先对厚度为14mm的AM60镁合金铸坯在400℃温度下进行三道次小应变轧制开坯，单道次压下量分别为12％、9％和4％，再在420℃的固溶温度下固溶热处理20h，最后在400℃下进行一道次大应变轧制，压下量为83％，轧制完成后得到1.8mm厚的镁合金板材。该镁合金板材的微观组织照片如图6所示，由图6可见，该板材中发生完全动态再结晶，形成晶粒尺寸达到2μm以下的均匀等轴晶粒组织。

实施例5：

ZK60镁合金的板材加工

一种本发明的镁合金板材的轧制方法，其步骤是：先对厚度为10mm的ZK60镁合金铸坯在300℃的固溶温度下固溶处理12h，再在300℃下小应变轧制开坯四道次，单道次压下量分别为6％、5％、5％和5％，最后在300℃下进行一道次大应变轧制，压下量为75％，轧制完成后得到2mm厚的镁合金板材(照片水平方向为轧制方向RD)。该镁合金板材的微观组织照片如图7所示，由图7可见，原始大晶粒在轧制过程中被拉长，原始晶界处还存在部分未完全固溶的第二相。原始晶界和晶粒内孪晶处均发生了大范围的动态再结晶，孪晶处的再结晶晶粒尺寸小于0.5μm，晶界处再结晶晶粒尺寸1～2μm。

实施例6：

ZK60镁合金的板材加工

一种本发明的镁合金板材的轧制方法，其步骤是：先对厚度为14mm的ZK60镁合金铸坯在300℃下进行三道次小应变轧制开坯，单道次压下量分别为7％、9％和5％，再在370℃下固溶4h，最后对固溶后得到的锭坯在300℃下进行一道次大应变轧制，压下量为83％，轧制完成后得到1.9mm厚的镁合金板材。该镁合金板材的宏观照片如图1中的板材(c)所示，由图1中的板材(c)可见通过本实施例的大应变轧制得到了表面光洁平整的镁合金板材。该镁合金板材的微观组织照片如图8和图9所示，由图8和图9可见，该板材中发生完全的动态再结晶，形成晶粒度2μm以下的均匀等轴晶粒组织。

实施例7：

AZ91镁合金的板材加工

一种本发明的镁合金板材的轧制方法，其步骤是：先对厚度为12mm的AZ91镁合金铸坯进行两道次小应变轧制开坯，单道次压下量均为5％，再进行分级固溶热处理，分级固溶热处理采用分两级处理模式，即首先在390℃温度下固溶处理8h，再在420℃温度下固溶处理12h，最后在400℃下进行一道次大形变轧制成形，压下量为80％，轧制完成后得到2.2mm厚的镁合金板材。该镁合金板材的宏观照片如图1中的板材(d)所示，由图1中的板材(d)可见通过本实施例的大应变轧制得到了表面光洁平整的镁合金板材。该镁合金板材的微观组织照片如图10所示，板材晶粒尺寸2～3μm，组织较均匀。

实施例8：

ZK21镁合金的板材加工

一种本发明的镁合金板材的轧制方法，其步骤是：先对厚度为10mm的ZK21镁合金铸坯在300℃进行两道次小应变轧制开坯，开坯单道次压下量先后为5％和8％，再在300℃温度下进行一道次压下量为82％的大应变轧制成形，轧制完成后得到1.6mm厚的镁合金板材。该镁合金板材的微观组织照片如图11(照片水平方向为轧制方向RD)，原始铸态大晶粒在轧制过程中被拉长，原始晶界和晶粒内孪晶处均发生了大范围的动态再结晶，孪晶处的再结晶晶粒尺寸小于0.5μm，晶界处再结晶晶粒约1μm。

实施例9：

ZK40镁合金的板材加工

一种本发明的镁合金板材的轧制方法，其步骤是：先对厚度为11mm的ZK40镁合金铸坯进行预热，在达到300℃后直接进行一道次大应变轧制，压下量为84％，轧制完成后得到1.8mm厚的镁合金板材。该镁合金板材的微观组织照片如图12(照片水平方向为轧制方向RD)。原始铸态大晶粒在轧制过程中被拉长，原始晶界和晶粒内孪晶处均发生了大范围的动态再结晶，晶粒内孪晶处的再结晶晶粒尺寸小于0.5μm，晶界处再结晶晶粒小于1μm。

实施例10：

ZK60镁合金的板材加工

一种本发明的镁合金板材的轧制方法，其步骤是：先对厚度为15mm的ZK60镁合金铸坯进行分级固溶热处理，分级固溶热处理工艺为分三级固溶处理方式，即先在300℃下固溶8h，再在330℃下固溶45h，然后以6℃/h的速率升温至420℃下固溶4h，固溶完成后的锭坯再在300℃下一道次大应变轧制成形，压下量为60％，轧制完成后得到6mm厚的镁合金板材。该镁合金板材的微观组织照片如图13所示(照片水平方向为轧制方向RD)，由图13可见。原始大晶粒在轧制过程中沿轧向被拉长，原始晶界和孪晶处均发生了较大范围的动态再结晶，孪晶由于动态再结晶形核的发生而弯曲，再结晶晶粒尺寸为0.5μm～1μm。

实施例11：

ZK60镁合金的板材加工

一种本发明的镁合金板材的轧制方法，其步骤是：先对厚度为8mm的ZK60镁合金铸坯进行分级固溶热处理，分级固溶热处理工艺为分三级固溶处理方式，即先在300℃温度下固溶8h，再在330℃温度下固溶45h，然后以6℃/h的速率升温至420℃下再固溶4h，固溶完成后得到的锭坯再在300℃下一道次大应变轧制成形，压下量为70％，轧制完成后得到2.4mm厚的镁合金板材。该镁合金板材的微观组织照片如图14所示(照片水平方向为轧制方向RD)，由图14可见，原始大晶粒在轧制过程中沿轧向被拉长，原始晶界和孪晶处均发生了较大范围的动态再结晶，再结晶晶粒尺寸小于0.5μm。

实施例12：

ZK60镁合金的板材加工

一种本发明的镁合金板材的轧制方法，其步骤是：先对厚度为7mm的ZK60镁合金铸坯进行分级固溶热处理，分级固溶热处理工艺为分三级固溶处理方式，即先在300℃温度下固溶8h，再在330℃温度下固溶45h，然后以6℃/h的速率升温至420℃再固溶4h，固溶完成后再在300℃下一道次大应变轧制成形，压下量为80％，轧制完成后得到1.4mm厚的镁合金板材。该镁合金板材的微观组织照片如图15所示(照片水平方向为轧制方向RD)，由图15可见，整个材料内都发生了很大程度的动态再结晶，由于再结晶体积分数极大，被拉长的原始大晶粒的晶界和孪晶都出现很大的弯曲，形成类似“搅动”的细小的动态再结晶晶粒组织，再结晶晶粒尺寸小于0.5μm，而少量原始大晶粒内未发生动态再结晶的区域犹如“孤岛”一样分布于细小的动态再结晶晶粒基体中。

通过上述实施例还可发现，分级固溶主要是为了防止高温固溶时合金相或第二相的过烧，并提高固溶度，使合金相充分固溶。例如实施例5是在较低温度下进行固溶热处理，固溶不充分，实施例9则没有进行固溶热处理，因此都存在一定的第二相(参见图7和图12)。而实施例10～12中由于分级固溶的最终固溶温度较高，可使第二相充分固溶。

Claims (10)

1.一种镁合金板材的轧制方法，其特征在于：先将镁合金铸坯预热，当铸坯达到设定温度后直接一道次轧制成形，压下量大于60％，轧制完成后得到镁合金板材。

2.根据权利要求1所述的镁合金板材的轧制方法，其特征在于：所述设定温度为300℃～400℃，预热时间根据铸坯厚度按20～60s/mm计。

3.根据权利要求1所述的镁合金板材的轧制方法，其特征在于：当铸坯达到所述设定温度以前，先使该铸坯预热到固溶温度进行固溶热处理，固溶热处理完成后再调整到所述设定温度进行所述的一道次轧制成形。

4.根据权利要求3所述的镁合金板材的轧制方法，其特征在于：在所述固溶热处理完成后且在调整到设定温度进行所述的一道次轧制成形以前，对固溶热处理完成后得到的锭坯进行小应变轧制开坯。

5.根据权利要求1所述的镁合金板材的轧制方法，其特征在于：当铸坯达到所述设定温度以前，先对该铸坯进行小应变轧制开坯，小应变轧制开坯完成后再调整到所述设定温度进行所述的一道次轧制成形。

6.根据权利要求5所述的镁合金板材的轧制方法，其特征在于：在所述小应变轧制开坯完成后且在调整到设定温度进行所述的一道次轧制成形以前，对小应变轧制开坯完成后得到的坯件进行固溶热处理。

7.根据权利要求4、5或6所述的镁合金板材的轧制方法，其特征在于：所述小应变轧制开坯时的温度为300℃～400℃，所述小应变轧制开坯的道次数为2～4次，单道次压下量为5％～20％；所述设定温度为300℃～400℃。

8.根据权利要求3、4或6所述的镁合金板材的轧制方法，其特征在于：所述固溶热处理时的固溶温度为300℃～420℃，固溶热处理的时间为4h～20h，所述设定温度为300℃～400℃。

9.根据权利要求3、4或6所述的镁合金板材的轧制方法，其特征在于：所述固溶热处理采用分级固溶方式，后一级固溶温度高于前一级固溶温度，每级固溶处理时的温度为300℃～420℃，每级固溶处理时的时间为4h～30h，所述设定温度为300℃～400℃。

10.根据权利要求9所述的镁合金板材的轧制方法，其特征在于：所述分级固溶方式采用分两级固溶或分三级固溶方式。

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