CN102242327B - 非/弱基面织构镁合金变形材的冷轧方法及其冷轧板材 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属材料技术领域,具体地为一种非/弱基面织构镁合金变形材的冷轧方法及其冷轧板材，包括：对非/弱基面织构的镁合金变形材作坯料预处理，然后进行冷轧加工；冷轧时选定坯料的非/弱基面织构平面作为轧制平面，轧制方向平行于该平面，将其在室温下冷轧成厚度为0.1～100mm的板材或箔材，冷轧采用单道次轧制或多道次轧制，冷轧后退火，退火温度为200～400℃，退火时间为10分钟～48小时，与冷轧用的非/弱基面织构的Mg-RE-Zn系镁合金变形材坯料相比，冷轧后强度提高大于等于15%，冷轧后再施以退火处理可保证其强度提高不少于10%，同时板材的轧向伸长率δ≥25%。

Description

非/弱基面织构镁合金变形材的冷轧方法及其冷轧板材

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域,具体地说是一种非/弱基面织构镁合金变形材的冷轧方法及其冷轧板材。

背景技术

与其它金属、塑料和木料等结构材料相比，镁及镁合金具有比强度、比刚度高，减振性好、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工，易回收等一系列优点，在汽车、电子和家用电器、家庭日用品、休闲和健身装备、自行车、航天、航空和国防军事工业领域获得日益广泛的应用，被称为21世纪的绿色工程材料，并有望在不远的将来成为用量继钢铁和铝合金之后的第三大金属结构材料。

由于镁及大部分镁合金是密排六方的晶体结构，最常见的滑移系为a/3<11-20>柏氏矢量的基面滑移系（{0001}<11-20>）和柱面滑移系（{1-100}<11-20>），基面滑移提供3个几何滑移系，其中只有2个独立的滑移方式；柱面滑移系在常温下难以启动。所以镁合金在中、低温及室温下的塑性、加工性能和成形性能都很差，严重限制了它的应用范围。

因此，人们在改善镁合金室温塑性方面做了大量工作。这些工作主要是通过添加合金元素、改变加工方式等来获得非/弱基面织构的镁合金变形材，以提高其室温塑性。申请号为CN200810058278.9的专利提供了一种利用热挤压加工制备具有高室温塑性镁合金板材的方法，采用带有特殊形状模具孔的挤压模具进行热挤压制备镁合金板材，这种具有上下不对称结构的模具孔可在镁合金板材热挤压过程中产生切应力，有利于镁合金在热挤压过程中产生剪切塑性变形，使得热挤压后的镁合金板材具有强度较低的{0002}基面织构，由此提高了镁合金板材的室温塑性。 申请号为CN200910011111.1的专利针对目前镁合金板材存在的室温塑性差、各向异性大、应变硬化指数低的缺点，提供一种弱基面织构和低各向异性具有室温成形性的新型镁合金的成分及其板材制备的热轧工艺，该工艺制备的Mg-Zn-RE镁合金板材具有弱的基面织构、高的应变硬化指数和低的各向异性因子，室温伸长率30～45%，其中沿横向和纵向分别为30～40%和35～46%。通过这些方法获得的非（弱）基面织构的镁合金变形材虽然具有较高的室温塑性，但是其强度很低，屈服强度＜160MPa，抗拉强度＜230MPa，不仅远低于工业上广泛使用的铝合金板材，而且低于工业用（常规轧制或挤压）AZ31镁合金板材（屈服强度＞180MPa，抗拉强度＞260MPa），大大降低了这种非（弱）基面织构的镁合金变形材的竞争力，并限制了其广泛应用。

冷轧工艺主要应用于薄板或薄带材生产，可以克服金属材料在热轧过程中的温降和温度分布不均造成的产品尺寸超出公差范围，性能出现显著差异等难题。此外，冷轧板表面清洁光亮，并可以根据不同用途制造不同表面粗糙度的板材。冷轧板材的另一个突出优点就是性能好、品种多、用途广。通过一定的冷轧变形程度与冷轧后热处理恰当配合，可以在比较广泛的范围内满足用户的要求。但是传统的镁合金变形材（如AZ31板材）由于具有很强的基面织构，如图1（a）所示，室温塑性很差，室温轧制单道次压下量大于10%时即容易产生表面或边部裂纹，如附图1（b）所示，不适合进行实际工业意义上（较大应变）的冷轧。

发明内容

针对现有技术中存在的非/弱基面织构的镁合金变形材强度低，以及表面质量差、产品尺寸容易超出公差范围、不能获得厚度小的薄板或箔材、用途单一等缺点，本发明提供一种非/弱基面织构的镁合金变形材的冷轧方法，与原始非（弱）基面织构的镁合金变形材坯料相比，采用本发明提供的冷轧方法，可使其强度提高超过15%；冷轧后再施以恰当的退火处理可保证其强度的提高超过10%，同时板材的轧向伸长率δ≥25%。

本发明的技术方案是：

一种非/弱基面织构的镁合金变形材的冷轧方法，包括如下的步骤和工艺：

对非或弱基面织构的镁合金变形材作坯料预处理，然后进行冷轧加工；

冷轧时选定坯料的非/弱基面织构平面作为轧制平面，轧制方向平行于该平面，非/弱基面织构的镁合金变形材沿与所述参照坐标系平面垂直的方向的厚度为0.2～200mm；将其在室温下冷轧成厚度为0.1～100mm的板材或箔材。

所述的非/弱基面织构的镁合金变形材为Mg-RE-Zn系，重量百分比成分范围为：稀土RE 0.1～10％；锌Zn 0～5％；合金中含有不超过1%的Zr和/或不超过2%的Mn；镁含量为平衡余量。

RE选自Gd、Y中的一种，或者它们的混合物。

以冷轧坯料的某一平面为参照坐标系平面，其（0002）极图中最大极密度值低于6，或者最大极密度值位置偏离参照坐标系平面法向角度大于等于25°，则该平面即为非/弱基面织构平面。

非/弱基面织构的镁合金变形材的晶粒尺寸小于等于100μm。

冷轧为单道次轧制，压下量20％~50%、轧制速度1～50m/min。

冷轧为多道次轧制，轧制道次10~50，每道次压下量1~5%，总压下量40％~80%、轧制速度1～50m/min。

冷轧后退火，退火温度为200～400℃，退火时间为10分钟～48小时。

与冷轧用的非/弱基面织构的Mg-RE-Zn系镁合金变形材坯料相比，冷轧后强度提高大于等于15%。

与冷轧用的非/弱基面织构的Mg-RE-Zn系镁合金变形材坯料相比，冷轧后再施以退火处理可保证其强度提高不少于10%，同时板材的轧向伸长率δ≥25%。

本发明具有如下优点和技术效果：

1.本发明对非（弱）基面织构的镁合金变形材在室温下的进行大应变的冷轧处理，在微观组织中引入大量位错和一定量孪晶，并使得基面织构组分的强度提高，进而使其屈服强度和抗拉强度都显著提高；在室温下具有较高的强度；方法简单，易于控制。

2. 本发明的冷轧方法与恰当的退化处理工艺配合，使冷轧板发生部分或全部再结晶，获得更细小的晶粒尺寸，并且基面织构组分的强度减弱，与原始非（弱）基面织构的镁合金变形材相比，在保证高塑性的同时，强度得到显著提高，性能在比较广泛的范围内满足用户的要求。

3.本发明最终将非（弱）基面织构的镁合金变形材冷轧成0.1～100毫米厚的薄板或箔材。冷轧后，板材沿轧向强度的提高大于等于15%；对该冷轧板材再进行恰当的退火处理，可使其在保证较高轧向伸长率（δ≥25%）的同时，强度的提高大于等于10%，与原始非（弱）基面织构的镁合金变形材坯料相比，强度得到显著提高，或者兼具高强度和高塑性；

4. 本发明的冷轧板材表面光洁度高，产品尺寸不容易超出公差范围。

附图说明

图1(a)-(b)为AZ31挤压板材（0002）极图及其冷轧后的宏观图。其中，(a) AZ31挤压板材（0002）极图；(b) AZ31挤压板材冷轧后的宏观图；

图2(a)- (c)为GZ31合金样品冷轧前后的宏观图，其中，(a)冷轧前的宏观图，冷轧坯料为GZ31的热轧板材，选定轧向（RD）和板面横向（TD）构成的平面为样品坐标系平面；(b)单道次不同压下量冷轧后宏观图；(c)多道次冷轧（每道次压下量1～5%，总压下量45%）后宏观图；

图3(a)- (d) 为GZ31合金样品冷轧前后组织和冷轧板材退火后组织图，其中，(a)冷轧前组织；(b) 单道次23%压下量冷轧后组织；(c)多道次冷轧后组织；(d)单道次冷轧板材退火后组织；

图4(a)- (d)为GZ31合金样品冷轧前后以及冷轧板材退火后（0002）极图，其中，（a）冷轧前织构；（b）单道次23%压下量冷轧后织构；（c）多道次冷轧后织构；(d)单道次冷轧板材退火后织构；

图5(a)- (b) GZ31合金样品冷轧前后以及冷轧板材退火后沿轧制方向的力学性能，其中，(a)冷轧前和单道次23%压下量冷轧后以及退火后力学性能；(b) 多道次冷轧后以及退火后力学性能。

具体实施方式

实施例1

1）采用厚度为3mm的Mg-3Gd-Zn的热轧板材，合金成分重量百分比为Gd：2.8%，Zn：1.1%，镁含量为平衡余量，简写为GZ31；板材沿轧制方向的伸长率δ≈35%。如附图3（a）所示，晶粒尺寸为~20μm；如附图2（a）所示，选定轧向（RD）和板面横向（TD）构成的平面为样品坐标系平面；如附图4（a）所示，其（0002）极图中最大极密度值为1.80，可见属于弱基面织构的镁合金变形材；选定的样品坐标系平面即为弱基面织构平面。

2）将GZ31热轧板材切为40mm×25mm×3mm的样品，表面用水砂纸打磨至800#；室温（~25℃）下开始轧制，轧制平面为选定的样品弱基面织构平面，轧制方向平行于原热轧板材的轧制方向，轧制速度为6m/min，单道次轧制，压下量为23%；冷轧板材宏观上无表面和边部裂纹产生（头部不稳定轧制区除外），且表面光洁度较高，如附图2（b）所示；如附图3（b）所示，冷轧后微观组织中晶粒沿轧制方向被拉长，并产生少量孪晶；如附图4（b）所示（0002）极图峰值向轧制平面法向偏转，最大极密度值提高至2.88，基面织构增强。

 3）取部分冷轧后的板材进行300℃保温1小时或者350℃保温30分钟的退火处理；300℃保温1小时后的微观组织从金相照片上看没有太多变化，说明主要发生的是回复；350℃保温30分钟后发生了再结晶，如附图3（d）所示形成了大量细小的再结晶晶粒，但是再结晶并不完全，因此大部分晶界不是很清晰，如附图4（d）所示（0002）极图峰值向偏离轧制平面法向偏转，基面织构减弱；退火后随后将冷轧后和热处理后的产品采用进行切边、覆保护膜或涂保护油后，包装。

冷轧板材及热处理退火后的力学性能如附图5 (a)所示。单道次23%压下量的冷轧GZ31板材，300℃退火1小时，沿轧制方向的屈服强度＞270MPa，抗拉强度＞330MPa，明显高于商业AZ31镁合金板材（商业AZ31镁合金板材的屈服强度~180MPa和抗拉强度~230MPa）；冷轧GZ31板材350℃退火30分钟在保证较高轧向伸长率（δ≥36%）的同时，屈服强度＞200MPa，抗拉强度＞280MPa，与原始室温高塑性GZ31镁合金热轧板材相比，随后的冷轧使强度得到显著提高。

实施例2

1）采用厚度为3mm的Mg-3Gd-Zn的热轧板材，合金成分重量百分比为Gd：2.8%，Zn：1.1%，镁含量为平衡余量，简写为GZ31；板材沿轧制方向的伸长率δ≈35%。如附图3（a）所示，晶粒尺寸为~20μm；如附图2（a）所示，选定轧向（RD）和板面横向（TD）构成的平面为样品坐标系平面；如附图4（a）所示，其（0002）极图中最大极密度值为1.80，可见属于弱基面织构的镁合金变形材；选定的样品坐标系平面即为弱基面织构平面。

2）将GZ31热轧板材切为40mm×25mm×3mm的样品，表明用水砂纸打磨至800#；室温（~25℃）下开始轧制，轧制平面为选定的样品弱基面织构平面，轧制方向平行于原热轧板材的轧制方向，轧制速度为6m/min。多道次轧制，每道次压下量1～5%，总压下量45%；如附图2（c）所示冷轧板材宏观上无表面和边部裂纹产生（头部不稳定轧制区除外）；如附图3（c）所示微观组织中有大量与轧制方向成45度的剪切带形成，并产生一定量孪晶；如附图4（c）所示（0002）极图峰值向向轧制平面法向偏转，最大极密度值提高至3.38，基面织构增强。

 3）取部分冷轧后的板材进行300℃保温或者350℃保温30分钟的退火处理；300℃保温30分钟后的微观组织从金相照片上看没有太多变化，说明主要发生的是回复；350℃保温30分钟后发生了再结晶；随后将冷轧后和热处理后的产品进行切边、覆保护膜或涂保护油，包装。

4）冷轧板材及热处理退火后的力学性能见附图5 (b)。多道次总压下量为45%的冷轧GZ31板材，在300℃退火30分钟后，沿轧制方向的屈服强度＞250MPa，抗拉强度＞310MPa；冷轧GZ31板材在350℃退火30分钟后，在保证较高轧向伸长率（δ≥38%）的同时，屈服强度＞160MPa，抗拉强度＞230MPa。

实施例3

1）采用厚度为3mm的Mg-2Zn-Y的热轧板材，合金成分重量百分比为Zn：1.9%，Y：1.1%，镁含量为平衡余量；晶粒尺寸~15μm；坯料轧制板面横向的屈服强度122MPa、抗拉强度225MPa、伸长率δ≈26%。选定轧向（RD）和板面横向（TD）构成的平面为样品坐标系平面，其（0002）极图中最大极密度位置偏离样品坐标系平面法向28°，可见属于非基面织构的镁合金变形材；选定的样品坐标系平面即为非基面织构平面。

2）将Mg-2Zn-Y热轧板材切为40mm×25mm×3mm的样品，表面用水砂纸打磨至800#；室温（~25℃）下开始轧制，轧制平面为选定的样品非基面织构平面，轧制方向平行于原热轧板材的板面横向，轧制速度为6m/min，单道次轧制，压下量为22%；冷轧板材宏观上无表面和边部裂纹产生（头部不稳定轧制区除外），且表面光洁度较高；冷轧后微观组织中晶粒沿轧制方向被拉长，并产生少量孪晶；（0002）极图峰值向轧制平面法向偏转，最大极密度值提高至4.13，基面织构增强。

 3）取部分冷轧后的板材进行250℃或者350℃保温30分钟的退火处理；250℃保温30分钟后的微观组织从金相照片上看没有太多变化，说明主要发生的是回复；350℃保温30分钟后发生了再结晶，形成了大量细小的再结晶晶粒；（0002）极图峰值向偏离轧制平面法向偏转，基面织构减弱；退火后随后将冷轧后和热处理后的产品采用进行切边、覆保护膜或涂保护油后，包装。

冷轧板材及热处理退火后的力学性能如下：单道次22%压下量的冷轧Mg-2Zn-Y板材，250℃退火30分钟，沿轧制方向的屈服强度＞160MPa，抗拉强度＞270MPa；冷轧Mg-2Zn-Y板材300℃退火30分钟在保证较高轧向伸长率（δ≥25%）的同时，屈服强度＞135MPa，抗拉强度＞250MPa，与原始Mg-2Zn-Y热轧板材相比，随后的冷轧使强度得到显著提高。

实施例4

1）采用厚度为3mm的Mg-Y的热轧板材，合金成分重量百分比为Y：1.2%，镁含量为平衡余量；晶粒尺寸~20μm；坯料轧制方向的屈服强度134MPa、抗拉强度209MPa、伸长率δ≈39%。选定轧向（RD）和板面横向（TD）构成的平面为样品坐标系平面，其（0002）极图中最大极密度值为3.44，可见属于弱基面织构的镁合金变形材；选定的样品坐标系平面即为弱基面织构平面。

2）将Mg-Y热轧板材切为40mm×25mm×3mm的样品，表面用水砂纸打磨至800#；室温（~25℃）下开始轧制，轧制平面为选定的样品弱基面织构平面，轧制方向平行于原热轧板材的轧制方向，轧制速度为6m/min，单道次轧制，压下量为26%；冷轧板材宏观上无表面和边部裂纹产生（头部不稳定轧制区除外），且表面光洁度较高；冷轧后微观组织中晶粒沿轧制方向被拉长，并产生少量孪晶；（0002）极图峰值向轧制平面法向偏转，最大极密度值提高至5.21，基面织构增强。

 3）取部分冷轧后的板材进行250℃或者350℃保温30分钟的退火处理；250℃保温30分钟后的微观组织从金相照片上看没有太多变化，说明主要发生的是回复；350℃保温30分钟后发生了再结晶，形成了大量细小的再结晶晶粒；（0002）极图峰值向偏离轧制平面法向偏转，基面织构减弱；退火后随后将冷轧后和热处理后的产品采用进行切边、覆保护膜或涂保护油后，包装。

冷轧板材及热处理退火后的力学性能如下：单道次26%压下量的冷轧Mg-Y板材，250℃退火30分钟，沿轧制方向的屈服强度＞180MPa，抗拉强度＞270MPa；冷轧Mg-Y板材300℃退火30分钟在保证较高轧向伸长率（δ≥33%）的同时，屈服强度＞150MPa，抗拉强度＞245MPa，与原始Mg-Y热轧板材相比，随后的冷轧使强度得到显著提高。 

Claims (10)

1.非/弱基面织构镁合金变形材的冷轧方法，其特征在于，包括如下的步骤和工艺：

对非基面织构或弱基面织构的镁合金变形材作坯料预处理，然后进行冷轧加工；

冷轧时选定坯料的非或弱基面织构平面作为轧制平面，轧制方向平行于该平面，非/弱基面织构的镁合金变形材沿与参照坐标系平面垂直的方向的厚度为0.2～200mm；

以冷轧坯料的某一平面为参照坐标系平面，其（0002）极图中最大极密度值低于6，或者最大极密度值位置偏离参照坐标系平面法向角度大于等于25°，则该平面即为非或弱基面织构平面。

2.按权利要求1所述的冷轧方法，其特征在于：所述的非/弱基面织构的镁合金变形材为Mg-RE或者Mg-RE-Zn系，重量百分比成分范围为：稀土RE 0.1～10％；锌Zn 0～5％；合金中含有不超过1%的Zr和/或不超过2%的Mn；镁含量为平衡余量。

3.按权利要求2所述的冷轧方法，其特征在于：RE选自Gd、Y中的一种，或者它们的混合物。

4.按权利要求1所述的冷轧方法，其特征在于：非/弱基面织构的镁合金变形材的晶粒尺寸小于等于100μm。

5.按权利要求1所述的冷轧方法，其特征在于：非/弱基面织构的镁合金变形材沿与所述参照坐标系平面垂直的方向的厚度为0.2～200mm；将其在室温下冷轧成厚度为0.1～100mm的板材或箔材。

6.按权利要求1所述的冷轧方法，其特征在于：冷轧为单道次轧制，压下量20％~50%、轧制速度1～50m/min。

7.按权利要求1所述的冷轧方法，其特征在于：冷轧为多道次轧制，轧制道次10~50，每道次压下量1~5%，总压下量40％~80%、轧制速度1～50m/min。

8.按权利要求1、5或6所述的冷轧方法，其特征在于：冷轧后板材或箔材进行退火处理，退火温度为200～400℃，退火时间为10分钟～48小时。

9.一种权利要求1、2、3、4、5、6或7所述冷轧方法加工的非/弱基面织构镁合金变形材的冷轧板材。

10.按权利要求8所述冷轧方法加工的冷轧板材，其特征在于：与冷轧用的非/弱基面织构的Mg-RE-Zn系镁合金变形材坯料相比，冷轧后强度提高大于等于15%；

与冷轧用的非/弱基面织构的Mg-RE-Zn系镁合金变形材坯料相比，冷轧后再施以退火处理可保证其强度提高不少于10%，同时板材的轧向伸长率δ≥25%。

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