CN101987327A - 镁合金薄板连续热轧方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种镁合金薄板的连续热轧方法，具体是直接将镁合金液体在连续热轧机上轧成镁合金热轧薄板的方法。在连续热轧机上将金属液的凝固和热轧分开，即在进入轧辊的辊缝前先使镁合金液在轧辊表面凝固成薄板带坯，再利用余热对进入轧辊辊缝凝固带坯进行异径、异步的大变形量的热轧成为热轧薄板带，精整后直接用于冲压等加工等。连续热轧板带也可以再进一步温轧或冷轧成精度更高、更薄的镁合金板材。

Description

镁合金薄板连续热轧方法 

技术领域

本发明属于一种镁合金薄板生产方法，尤其属于直接将镁合金液轧制成热轧薄板的短流程板带生产方法。 

技术背景

金属板材占金属材料总量的50％以上，近年来轧制方法发展迅速。近终形连铸以其接近最终产品尺寸、改善材料性能、生产流程短、投资省、节能和保护环境等一系列优点，是当今国际冶金界的一个热点。镁合金的密度约为钢的1/4，铝的2/3，与塑料相近，具有比强度和比刚度高、热传导性好、阻尼减震性佳、机加工性能优良、零件尺寸稳定和易回收等优点，具有优异的价值和广阔的应用前景。镁合金现在已被广泛地应用于汽车、航空、航天、冶金、化工、通信、电子和体育用品等行业中。特别是自二十世纪九十年代初以来，日益紧迫的能源和环境问题极大地刺激了镁合金的发展，全球范围内对镁合金的需求呈现强劲、持续的增长趋势。 

双辊铸轧是将连续铸造和轧制结合，熔体凝固的同时承受轧制变形，即直接将金属熔体“轧制”成半成品带坯或成品带材。目前，镁合金的双辊铸轧方法已取得了进展，德国ThyssenKrupp Stahl采用镁合金板材铸轧方法生产出了宽700mm、厚6mm的铸轧板坯；澳大利亚CSIRO就致力于镁合金板材铸轧方法的研究，并已经进行工业化试生产，板材宽度可达630mm，厚度2.3-5mm。另外日本住友铝业、三协铝业、三菱铝业，韩国国家机械研究院在镁合金板材铸轧方法方面都取得了较大的成果。国内也对双辊铸轧方法进行了研发，多家公司等成功开发了镁合金板材双辊连续铸轧方法，山西银光镁业建立了产业化铸轧生产线并已经实了现稳定的商业化生产。 

但是镁合金铸轧薄板带基本属于塑性变形量较少的轧制，仍然需要进一步较大变形量的轧制才能成为板材制品。由于薄板加热后的冷却很快，无法稳定保持热轧需要的温度，因此，薄板不容易实施传统意义上的热轧过程。使用普遍的镁合金温轧道次加工率小，要把厚度为5毫米的铸轧板通过温轧轧制到产品薄板，需要的道次数太多，尤其是道次间需要长时间地软化退火，致使生产率很低、导致生产成本仍然较高。此外，镁合金双辊连续铸轧工艺基本限于生产纯金属、低合金化合金；生产高合金化合金时，会出现条带缺陷。条带缺陷产生的原因在于金属带坯没有完全凝固时在轧辊中轧制，液体相受压时发生过滤性挤压，形成河流条带，轧制后呈现点状条带。条带实际是一种成分的区域偏析缺陷，因为最后凝固的液体比初始凝固的含有较高的溶质元素，合金元素含量越高的合金，条带缺陷也越严重，而且条带不能在热处理时消除。以上问题影响镁合金铸轧方法的快速发展。 

金属的热轧板带轧制变形系数大、成本低、塑性好，因此，作电子产品和家用电器的壳体、汽车覆盖件、车内面板等零部件，市场需求巨大。将镁合金带板的铸造、热轧结合，一次完成热轧薄板的市场过程，提高节能效果、提高产品质量、提高轧机产量、提高成材率和大幅度降低镁合金薄板的市场成本，是镁合金板材生产的新途径。 

发明内容

本申请的目的是开发短流程生产镁合金热轧薄板带的方法，即在连续热轧机上直接将镁合金液制成热轧薄板的方法。 

本申请为是按如下的方法在连续热轧机上一次将镁合金液制成热轧薄板。将连续热轧机的空间和时间上把金属液的凝固和热轧分开，即先使镁合金液在单辊表面凝固成薄板带，再立即将带高温余热的凝固板带送入轧辊辊缝进行大变形量的热轧。凝固薄带是将镁合金液通过偏置于铸造辊的铸嘴和辊表面构成长度达300毫米的倾斜坡面凝固区并形成需要厚度的低液体含量的半固态组织的凝固带坯。随后凝固带坯在辊缝中凝固带承受开始轧制的温度接近固相线，刚进入辊缝的板带是含有≤10％液相体积比的低液相半固态，和热轧辊接触时为贫液半固态，脱离热轧辊的温度高于450℃的高温。铸造辊表面线速度和热轧辊表面线速度之比为1.1～1.05范围，最佳值要根据合金和板带厚度不同试验选取，轧制压下率超过50％的大变形量热轧。 

从液体一步直接热轧成热轧薄板需要突破许多难题和方法关键。本申请方法可行性基于前期实验。首先试验了AZ31B的铸态热压缩行为，以验证连续热轧的可行性。先将铸态AZ31B加工成10mm×15mm的圆柱体，快速升温至280～440℃，以压缩速率为10-3～10-1s-1压缩。变形初期应力迅速增加到一个峰值，随着应变增加，镁合金表现出明显的软化特征，应力逐渐减小，最终达到稳态流动。开始表现出加工硬化，随着变形增加，动态再结晶软化大于加工硬化，流动应力逐渐达到一个稳定值。温度越高，动态再结晶进行的越来越充分。280℃时原始粗大晶粒已经得到了破坏，垂直于压缩方向的晶界上出现了大量的细小等轴晶粒，这时组织已经表现出了明显的动态再结晶特征。当温度升至360℃时，大部分区域被细小的晶粒覆盖，只能找到很少的原始粗大晶粒，而440℃时，几乎所有的晶粒都是发生动态再结晶后形成的，已经找不到粗大的原始晶粒。另一方面，再结晶晶粒大小随着温度的增高不断增大，280℃时再结晶晶粒约为5μm，温度增至360℃时，晶粒增至8μm，温度继续增加到440℃时，晶粒尺寸达到14μm左右。考虑到半固态成形的材料的性能较好，尤其是半固态制品的塑性比铸造制品有明显提高，因此，在上述研究的基础上又研究了脆性更大的高合金化的AZ91D的半固态铸造坯的热轧性能。采用半固态浆料凝固形成的AZ91D铸造板带，由于共晶反应受到抑制，这种半固态凝固组织由过饱和的单相α、晶内和晶界上离散分布着的少量Mg₁₇Al₁₂质点组成。将这种板带快速加热到450℃后热轧，最大不裂的热变形量高达47％。此实验证明，多相铸造板带直接热轧是可行的，即使像AZ91D这样高合金化的铸造坯，只要采用适当的方法，也具备较好的热轧能力。 

以上研究证明铸态适量热轧是可行的，在此基础上，进一步试验铸轧-热轧两机架的铸轧板带余热热轧。方法尽可能缩短铸轧机架和热轧机架的距离，两个机架间的距离使铸轧带坯余热散失较多，实际的余热热轧变形率仅有约10％，轧制品虽然稍有热塑性变形，但并不具备热轧板的性能。也系统研究了高固体分数(超过80％)的半固态轧制、半固态铸造板的快速加热(不淬火态)热轧、斜坡半固态轧制等。在以上研究的都是考虑到属于铸态多相组织热轧，其热塑性与传统热轧的淬火软化材料相比较差的情况下，要实现大变形量轧制，要创造的有利热轧条件。 

薄板热轧对凝固薄板带坯的一致性要求很高，为此使镁合金液在进入铸嘴是沿铸轧辊横向温差、厚度差、流速差尽可能小的均匀分布的布流方法是实现镁合金热轧薄板的方法关键之一。铸嘴的镁合金液在宽度方向的温度场、速度场和流量的均匀性和准确控制，金属液在铸造辊表面形成的凝固层，最后增加到需要的带坯厚度等都需要在保证布流均匀的条件下实现。基于连续热轧方法的结构给铸嘴留有大 的空间的条件，本申请将前箱中的液位增大，以加大铸嘴的体积和容积，以容许金属液自身以大的热容、热流和速度保持热物理性质的同一性。同时铸嘴内镁液的流程也小，将金属液的浇注温度降低，以减少热量散失并提高导热系数。这些措施都是进入辊缝的金属变得均匀一致，达到了从源头控制板形不良的起因。这样的布流效果还可以减少夹杂、减小温度和厚度的不均匀性。为获得的凝固层温度和变形抗力也基本相同，热轧抗力具有一致性，明显消除显性和隐性的板形不良创造条件。 

凝固带坯的组织也是影响热轧的关键之一，不同的凝固模式所得到的凝固带坯差别很大。本申请的凝固模式是斜坡冷却板半固态凝固。利用三辊连续热轧机倾斜给铸嘴和凝固区留有较大的空间的特点，供应液体的铸嘴只和大直径的下铸轧辊接触，凝固只发生在下铸轧辊表面。凝固区有一定斜度和长度的区域，造成拖曳细化和球化、冷却时间延长，凝固模式改变，带坯一般是等轴晶，组织的均匀性提高，变形加工性能比不均匀的组织更好。同时倾斜的凝固区类似斜坡凝固，随着轧辊的转动，凝固层向上移动并逐渐增后。由于金属液的粘滞性，已经升到液面的凝固层离开熔池时会拖带一层金属液，因此，凝固层离开熔池后仍然增加厚度。铸造辊顶部基本和斜坡冷却板半固态制浆相似，在轧辊转动时，被粘滞拖带，凝固枝晶一边长大，一边拖带转动而发生球化，最后凝固层是一种半固态凝固的组织。控制轧辊表面线速度，使凝固层进入轧辊辊缝时上没有完全凝固，是有少量液相的半固态凝固组织，随后的轧制进入高温热轧阶段。控制轧辊转速，可以获得需要的残余液体和固相比例。可以通过调节凝固层厚度、残余液相比的措施：轧辊表面线速度、铸嘴上下位置、铸嘴内的金属液温度、在轧辊的内水平强度。铸嘴液面以下轧辊表面是薄凝固层，凝固层下薄上厚。厚度和铸嘴厚度和位置、内水冷强度、表面线速度有关。液体拖带长度从铸嘴开始一直向轧辊辊缝延伸，最长是位于在和热轧辊表面接触点为拖带终点。液体拖带长度以下凝固带坯的厚度。生产厚度大的板材，需要更长的拖带长度，一般通过将铸嘴下置和最大铸嘴厚度获得更厚的板带。 

本申请的试验发现，不论是全半固态凝固组织或有少量液相的半固态凝固组织，余热状态下轧制，都能获得良好的热轧效果。热轧板材的塑性指标很高，明显超过传统工艺生产的板材。有少量液相的半固态凝固带坯轧制，抗裂纹扩展的效果较好。为了实现半固态带坯热轧，将全凝固点在凝固带与热轧辊表面接以后，初始轧制是在半固态下进行的，由于液相含量控制在小于10％范围，所说的半固态轧制行为和热轧相同，但允许承受更大的轧制压下率。异步轧辊设计也是提高变形率的措施之一。异步轧制是通过调节两个轧辊，使其表面线速度保持一定的速度差，异步轧制的变形区附加剪切变形和常规轧制压缩变形共同作用加速了晶粒细化和金属流动、产生软化作用。异步轧制和高温热轧时促进动态再结晶容易进行等。异步轧制的“搓轧区”内，附加剪切变形和常规轧制压缩变形共同作用加速了晶粒细化和金属流动、产生软化作用。异步轧制的AZ31织构强度及显微组织在300℃及以上保持稳定。400℃的3毫米AZ31凝固态带坯，当异速比为1.2时，合金的晶粒最均匀细小，平均尺寸约为20μm。镁合金的热轧温度在动态再结晶的温度以上，轧件有最大的塑性和不易发生开裂。镁合金动态再结晶无需孕育期，但只能在高温和临界变形量以上才能发生。按一般规律，镁合金的热轧温度在动态再结晶充分进行的温度以上，使之具有最大的塑性而不使其发生碎裂。热轧小于临界变形量，动态再结晶只发生在晶界或根据变形量增加，逐步深入到晶粒内部。一般在350～450℃之间和中等应变速率(约为0.3/s)条件下，易发生动态再结晶而使轧制性能得到明显改善。例如，MB8厚板轧制终了温度为360℃时，内部组织基本处于恢复状态，但存在明显的加工织构；轧制终了温度为450℃时，内部组织为完全的再结晶状态。 AZ31镁合金在350℃以上、应变量大于10％，发生动态再结晶软化，变形抗力为50Mpa。更高的轧制温度有利于动态再结晶充分完成。而440℃、应变速率为0.5～5/s轧制时，多数镁合金几乎所有的晶粒都是发生动态再结晶后形成的，已经找不到粗大的原始晶粒。因此，始轧温度在固相线温度附近，此时液相含量小于10％，约为550℃。终轧温度控制在450℃。三辊连续热轧机需要保证凝固带坯余热轧制过程要在450℃以上。增加变形速率是保持温度不降低很多的最有效方法，较大的轧辊表面线速度和较小的热轧辊直径是实现大轧制率和避免温度过度降低的主要措施。热轧阶段的轧制参数可以通过铸嘴结构、设置位置、浇注温度、轧辊转速等设备和操作调整，以满足不同的热轧工艺要求。当热轧板移动到辊缝出口时，热轧结束。此后，板带被空气冷却降温，同时发生静态再结晶。如果再结晶进行充分，加工硬化完全消除，空气冷却液不会造成明显的冷却残余应力，则板带不存在潜在板形不良，后继轧制不存在很大困难。 

按本申请的方法生产出的镁合金板外观平整、无裂纹、无麻面，表面平整光洁，呈银白色的金属光泽，微观组织的晶粒尺寸平均在15-50微米范围。该热轧薄板淬火处理后软化，经后处理后最为产品出货，用于冲压成形加工成冲压制品。部分需要进行后继温轧或冷轧，适用于进一步少轧制加工率的温轧或冷轧，生产精度或强度要求更高的板材产品。根据需要，以连续热轧板为坯料精轧成更薄的板箔。当精轧板材的最终厚度控制在0.3mm左右，产品的平均晶粒度直径可以控制在10微米以下，成形加工性能良好。 

附图说明

附图1三辊连续热轧机主机结构和相关设备关系示意图。 

附图2三辊连续热轧机的凝固区和热轧区局部示意图。 

本连续热轧方法适合生产厚度为1mm～2.5mm范围的镁合金热轧薄板带。从保温炉经热密封管道6输送来的镁合金液先进入容积较大的铸嘴5。铸嘴用耐热和保温的陶瓷质材料制造，主要组成为锂水玻璃粘结硼酸镁晶须、六钛酸钾晶须、玻璃纤维和氧化镁粉末。这些措施保证进入辊缝的金属液在温度、流速和流量等几方面均匀一致。一般铸轧时进入前箱的镁合金液的温度约在700℃，才能避免进入铸嘴过程出现凝固而形成堵塞，前箱的镁合金液的温度降低到690℃。使用的镁合金三辊连续热轧机，具备先将镁合金液凝固成带坯，再利用其余热热轧成热轧板带功能，其特征在于：三辊连续热轧机主机由支撑辊(1)，热轧辊(2)，铸造辊(3)，热轧板带(4)，铸嘴(5)，镁合金液输送管道(6)，热轧卷(7)，飞剪(8)组成，其中支撑辊(1)和铸造辊(3)为直径为800mm～1200mm的等径辊，为相同转向的双驱动主动辊，热轧辊(2)是直径为200mm～350mm的从动辊，铸造辊(3)和热轧辊(2)组成三辊连续热轧机的工作辊副，并均为内水冷结构，支撑辊(1)对热轧辊(2)起支承作用，且三辊连续热轧机主机为异径、异步三辊轧机，三只辊的轴线在同一平面，并向板带轧制出口一边倾斜，将铸嘴(5)设置在铸造辊(3)的一侧，铸嘴(5)和铸造辊(3)表面构成长度达300毫米的倾斜坡面凝固区，通过改变铸嘴(5)厚度和改变轧辊转速，控制凝固带坯的组织和带坯的厚度。连续热轧机工作时，支撑辊(1)和铸造辊(3)，按顺时针以相同的转速转动，热轧辊(2)也随之以相同的轧辊表面线速度转动。与铸嘴(5)中的镁合金接触的铸造辊(3)的表面开始凝固，辊面向辊缝靠近的过程凝固层逐渐变厚，在热轧辊缝附近基本处于半固态。在辊缝中承受高温热轧。进入辊缝的温度稍高于固相线、离开辊缝的温度超过450℃。承受轧辊压下时，当 压下量超过固体容许应变时，下部的固体会产生了裂纹，此时，上层半固态中的液体会被挤压并渗入到裂纹和充填裂纹，使得裂纹最后被治愈弥合。进入裂缝的半固态枝晶被压碎，板带组织进一步细化。同时，刚进入辊缝的板带允许有≤10％液相体积比的低液相半固态，始阶段为贫液半固态轧制，终轧温度稍高于再结晶温度，为异步热轧，根据产品异步比取值范围为1.1～1.05，异步比最佳值与镁合金牌号和轧制工艺有关。热轧轧制压下率超过50％的大变形量热轧。辊缝出口轧板温度约450℃，基本处于最佳的热拉伸矫直的范围在卷取时达到拉伸矫直的目的。高温拉伸能消除热拉伸后的板带存在残余应力和避免能成为隐性板形不良。其中附图标记8为飞剪，9为镁合金液。 

具体实施例

1500mm宽、2毫米厚度AZ31B镁合金薄板的连续热轧生产。 

进入前箱的镁合金液的温度约在700℃，利用前箱和铸嘴保温性能，金属液和铸嘴接触时的温度为700℃～690℃。利用连续热轧机的倾斜，铸嘴偏置在铸造辊侧面，构成长度达300毫米的倾斜坡面凝固区，并在运动的辊面形成半固态组织的凝固带坯。连续热轧机工作时，支撑辊(1)和铸造辊(3)，按顺时针以相同的转速转动，热轧辊(2)也随之以相同的轧辊表面线速度转动。与铸嘴(5)中的镁合金接触的铸造辊(3)的表面开始凝固。在辊面向辊缝靠近的过程凝固层逐渐变厚，在辊缝附近基本处于半固态。因此，在辊缝中凝固带承受高温热轧，进入辊缝的温度稍高于固相线、离开辊缝的温度超过450℃。承受轧辊压下时，当压下量超过固体容许应变时，下部的固体会产生了裂纹，此时，上层半固态中的液体会被挤压并渗入到裂纹和充填裂纹，使得裂纹最后被治愈弥合。进入裂缝的半固态枝晶被压碎，板带组织进一步细化。同时，刚进入辊缝的板带允许有≤10％液相体积比的低液相半固态，始阶段为贫液半固态轧制，终轧温度稍高于再结晶温度，为异步热轧，轧制压下率超过50％的大变形量热轧。根据产品异步比取值范围为1.1～1.05，异步比最佳值与镁合金牌号和轧制工艺有关。低液相含量的半固态和异步压下量较大的热轧有效地避免了开裂，板材质量较好。辊缝出口轧板温度约450℃，基本处于最佳的热拉伸矫直的范围。将卷取机设定为热拉伸张力值(应力大致在50MPa)，在卷取时达到拉伸矫直的目的。为了消除热拉伸后的板带存在残余应力和避免能成为隐性板形不良。 

按本工艺生产出的AZ31B镁合金板外观平整、无裂纹，表面平整光洁无油污，呈银白色金属光泽。板厚度尺寸达到公差范围之内，板形较好，符合标准规定范围。晶粒在35-50um，进一步温轧后的薄板微观组均匀，第二相细小，分布均匀。连续热轧后的部分板带作为产品，经精整后发运给用户使用。部分需要进一步温轧或冷轧。当温轧板厚度小于1毫米后，晶粒度尺寸达到10微米以下时，平均为4-5微米。薄板能温冲压成壳体类零件。 

Claims (5)

1.一种镁合金薄板的连续热轧方法，利用镁合金薄板连续热轧机，将镁合金液制直接成热轧薄板，其特征在于：在连续热轧机的空间和时间上，把金属液的凝固和热轧分开，即先使镁合金液在单辊表面凝固成薄板带坯，再利用余热对进入轧辊辊缝凝固带坯进行大变形量的热轧成为热轧薄板带。

2.如权利要求1所述的连续热轧方法，其特征在于其中所述的镁合金薄板连续热轧机为镁合金三辊连续热轧机，其主机由支撑辊(1)，热轧辊(2)，铸造辊(3)，热轧板带(4)，铸嘴(5)，镁合金液输送管道(6)，热轧卷(7)，飞剪(8)组成，其中支撑辊(1)和铸造辊(3)为直径为800mm～1200mm的等径辊，为相同转向的双驱动主动辊，热轧辊(2)是直径为200mm～350mm的从动辊，铸造辊(3)和热轧辊(2)组成三辊连续热轧机的工作辊副，并均为内水冷结构，支撑辊(1)对热轧辊(2)起支承作用，且三辊连续热轧机主机为异径、异步三辊轧机，三只辊的轴线在同一平面，并向板带轧制出口一边倾斜。

3.如权利要求2所述的连续热轧方法，其中的先使镁合金液在单辊表面凝固成薄板带坯如下得以实现：铸嘴(5)安置在铸造辊(3)的侧面，镁合金液被拖带在铸嘴(5)和铸造辊(3)表面形成长度达300毫米的倾斜坡面凝固区，在运动的辊面形成半固态组织的凝固带坯。

4.如权利要求2所述的连续热轧方法，其中余热状态的凝固板带进入辊缝进行大变形量的热轧，凝固带进入辊缝时的温度高于固相线温度，在辊缝中承受余热高温热轧，完成热轧离开辊缝的温度大于450℃。

5.如权利要求3所述的连续热轧方法，，其特征在于：刚进入辊缝的板带是≤10％液相体积比的低液相半固态，初始为贫液半固态轧制，轧制结束时板带的温度高于再结晶温度；并为异步热轧，异步比取值范围为1.1～1.05。

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