CN103042034A - 多级连续转角剪切变形制备镁合金板材的方法及模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多级连续转角剪切变形制备镁合金板材的方法及模具。该方法利用双辊轧制变形产生的摩擦力提供动力，使待处理的镁合金板材通过一个内设有连续弯曲通道的模具实现多级连续转角剪切变形，该通道是台阶式，每段通道高度相等且相邻两段通道间夹角相等。本发明的工艺方法简单，装置制造方便，能实现单道次轧制变形中获得大的剪切变形和应变积累，生产效率显著提高，能更有效的改善镁合金板材的微观组织和晶粒取向，从而提高镁合金板材的综合力学性能和二次加工性能。

Description

多级连续转角剪切变形制备镁合金板材的方法及模具

技术领域

本发明涉及一种镁合金板材的制备方法及其模具，尤其涉及一种多级连续转角剪切变形制备镁合金板材的方法及模具。 

  

背景技术

镁合金具有密度低、高比强度、高比刚度、导热性好、电磁屏蔽性优异、对振动及冲击能量的吸收高等优点，是非常重要的轻量化结构用绿色工程材料，在汽车、电子、航空航天等科技前沿领域具有广泛的应用前景。近年来，铸造领域中一些新的生产工艺和技术，都被用来开发新型镁合金材料，并取得了很大的进展。与这些工艺生产的铸态材料相比，变形镁合金材料更具发展前途与潜力，通过变形可以生产尺寸多样的板、棒、管、型材及锻件产品，并且可以通过材料组织的控制和热处理工艺的应用，获得比铸造镁合金材料更高的强度，更好的延展性，更多样化的力学性能，从而满足更多结构件的需要。因此，高性能变形镁合金的研制已成为当今材料领域的研究热点。 

制约变形镁合金发展的根源在于：首先，绝大多数镁合金为密排六方结构，室温下滑移系少，采用传统的塑性加工技术难以解决这一问题。其次，镁合金在变形过程中容易形成强烈的基面织构。镁合金板材常规轧制变形时，在外加应力作用下滑移面转至与最大压应力垂直的方向，结果形成基面与板材表面平行的基面织构。具有基面织构的镁合金板材在二次成形时，基面滑移系因处于硬取向而难以启动。第三，采用传统加工技术难以实现晶粒细化和织构控制的相互协调。当晶粒小于一定尺寸时，材料会呈现明显的延性转变，从而可以通过细化晶粒的方式显著提高镁合金板材的力学性能。而采用传统的挤压、轧制以及随后的退火处理工艺，尽管其晶粒尺寸可达10μm以下，但通常对板材基面织构的改善作用并不显著，仍难以满足对高性能材料的要求。 

因此，在细化晶粒的同时，进一步改善板材的织构是制备高性能镁合金板材的发展重要方向。深度塑性变形不仅可以显著细化晶粒，获得超细晶，而且可以显著调控材料的织构，从而使材料获得优异的综合力学性能。 

目前，大多深度塑性变形技术主要用于制备型材或棒材。对于镁合金板材而言，现有的深度塑性变形工艺，除了存在所制备的材料尺寸规格有限、成本高、工艺路线复杂、生产效率低等缺陷外，在对镁合金板材微观组织控制以及制备方面还存在一些缺陷和不足，如累积叠轧（Accumulative roll bonding，ARB）、大应变热轧（Large strain hot rolling，LSHR）工艺难以实现对板材织构的有效控制；连续剪切（Conshearing）和连续约束板带剪切（Continuous confined strip shearing，C2S2）工艺虽均可实现板材的连续大塑性变形，形成剪切变形织构，但要获得细晶组织，均需重复加工过程数次（对于镁合金而言，还需反复加热坯料），此外，Conshearing工艺需要采用带有行星辊的特殊轧机，对于C2S2工艺，为了提供足够大的挤压力使带材顺利通过ECAE模具转角，在送料辊表面加工有凹槽以此来增加其摩擦力，严重影响了带材的表面质量，此外，这两种工艺均只能制备一种厚度的板材。 

近年来，国内湖南大学陈振华提出了一种可用于板材加工的等径角轧制工艺（equal channel angular rolling，ECAR）工艺，并设计了在普通双辊热轧机上进行的ECAR装置。但采用ECAR工艺制备高性能变形镁合金板材时存在一些缺陷：①经ECAR后，板材的微观组织并没有显著细化，而随着轧制道次的增加，晶粒反而粗化。②当ECAR道次数达到至一定数值时，板材的晶粒取向改善作用减弱。③制备高性能变形镁合金板材的效率低。综上所述，传统ECAR工艺的这些缺点限制了高性能变形镁合金板材的制备。 

  

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种能有效的控制镁合金板材晶粒细化和织构演变，从而提高镁合金板材的力学性能、成形性能及生产效率的多级连续转角剪切变形制备镁合金板材的方法及模具。本发明能实现单道次轧制变形中产生大的剪切变形和应变积累，更有效的控制镁合金板材晶粒细化和织构演变。 

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：多级连续转角剪切变形制备镁合金板材的方法，其特征在于，将多级连续转角剪切变形模具安装于双辊热轧机的双轧辊出口处，多级连续转角剪切变形模具中设置的通道开口与热轧机双轧辊出口相对应，待处理的镁合金板材经双辊轧制后经通道开口直接进入多级连续转角剪切变形模具的通道中；利用双辊轧制变形产生的摩擦力提供动力，使待处理的镁合金板材通过所述模具内设的连续弯曲通道以实现多级连续转角剪切变形，该连续弯曲通道是台阶式，每段通道高度相等且相邻两段通道间夹角相等。 

进一步的特征是，相邻通道间夹角相等，θ1=θ2=θ3=θ4=…=θn，夹角为100°—160°之间。 

一种多级连续转角剪切变形模具，包括模具本体，其特征在于：在模具本体内设置有通道，通道具有通道开口和出口，通道为台阶式，具有多阶台阶，依次连接构成连续弯曲的通道；每段通道高度相等，相邻两段通道间夹角相等，相邻两段通道间内侧圆角半径相等。 

在模具本体内，对应通道的形状，设置有若干根加热管。 

所述通道是三阶台阶，由第一水平通道段、第一斜向通道段、第二水平通道段、第二斜向通道段和第三水平通道段构成，依次连接形成连续弯曲的通道；每一个通道段高度相等， H1=H2=H3=H4=H5；相邻水平通道段与斜向通道段之间夹角相等，θ1=θ2=θ3=θ4；相邻水平通道段与斜向通道段之间内侧圆角半径相等， r1=r2=r3=r4，每段水平通道段的中心线相平行，相邻两水平通道段中心线的距离相等， K1= K2。 

相比现有技术，本发明有益效果如下： 

1、本发明由于采用轧制与多级连续转角剪切变形相结合的工艺，使被加工板材在通过多级连续转角剪切模具时产生了大的剪切变形，并实现了单道次轧制过程中大的应变积累，从而更有效的细化板材组织和调控织构，所得的镁合金板材表现出优异的综合力学性能，低温冲压性能大幅度提高。

2、本发明的工艺方法简单，装置制造方便，生产效率显著提高，能更有效的改善镁合金板材的微观组织和晶粒取向，从而提高镁合金板材的综合力学性能和二次加工性能。由于通道连续弯曲，一次轧制相当于多次传统ECAR变形，避免了板材的反复加热、重复轧制和模具的反复拆装，使高性能镁合金板材的生产效率明显提高。 

3、晶粒进一步细化。不仅避免了传统ECAR时板材反复加热保温过程中晶粒的粗化，还实现了单道次扎制变形中大应变的获得（一方面避免了多道次ECAR变形过程中板材厚度减小导致等效应变降低的问题，另一方面通过增加连续转角剪切次数、调整相邻两段通道间夹角和相邻两段通道间内侧圆角半径等，实现了单次轧制变形过程中多个等效应变量的累积），因此，在晶粒细化效果方面得以改善。 

4、晶粒取向进一步改善。避免了多道次ECAR变形过程中板材在每道次普通轧制时（0002）基面晶粒取向的增加，以及随着道次数增加板材厚度减小导致剪切变形量的降低。此外，在单次扎制变形过程中板材在不同的模具转角处会连续经历多次剪切变形的作用。因此，板材晶粒取向改善作用加强。 

  

附图说明

图1是本发明模具结构示意图； 

图2是本发明模具工作结构示意图。

  

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。 

本发明的多级连续转角剪切变形制备镁合金板材的方法，其特征在于： 

将多级连续转角剪切变形模具安装于双辊热轧机的双轧辊出口处，多级连续转角剪切变形模具中设置的通道开口与热轧机双轧辊出口相对应，待处理的镁合金板材经双辊轧制后直接进入多级连续转角剪切变形模具的等高度的通道中；利用双辊轧制变形产生的摩擦力提供动力，使待处理的镁合金板材通过所述模具内设的连续弯曲通道以实现多级连续转角剪切变形，该通道是台阶式，每段通道高度相等且相邻两段通道间夹角相等。

本发明将双辊热轧机的轧制和多级连续转角剪切变形相结合，利用普通轧制变形产生的摩擦力提供动力，使板材连续通过一个每段通道高度相等、通道连续弯曲且相邻两段通道间夹角一定的模具实现多级连续转角剪切变形，获得晶粒进一步细化、晶粒取向进一步改善的高性能镁合金。 

本发明--多级连续转角剪切变形模具上设置了连续弯曲的若干段台阶式的通道，每段通道高度相等（H1=H2=H3=H4=…=Hn+1），且相邻两段通道间夹角相等（θ₁=θ₂=θ₃=θ₄=…=θ_n），其通道高度应与板材厚度相等，夹角为100°—160°之间，相邻两段通道间内侧圆角半径相等（r₁=r₂=r₃=r₄=…），每段水平通道段的中心线相平行，相邻两平行通道中心线的距离相等（K₁= K₂= K₃= K₄=…），转角剪切次数n为奇数或偶数，剪切路径可以通过改变通道的结构进行改变。 

如图1所示，本发明多级连续转角剪切变形制备镁合金板材的模具，包括模具本体1，在模具本体1内设置有通道2，通道2具有通道开口3和出口4，通道2为台阶式，具有多阶台阶（若干阶台阶），依次连接构成连续弯曲的通道；在模具本体1内，对应通道2的形状，设置有若干根加热管5，在需要时启动加热管5产生热量以使通道2的温度达到工艺要求；加热管5设置在通道2的单侧或双侧，最佳是设置在通道2的两侧，以使温度均匀；加热管5采用现有的加热结构，如电加热管等。 

图中所示，通道2是三阶台阶式，三阶台阶依次连通，由第一水平通道段21、第一斜向通道段22、第二水平通道段23、第二斜向通道段24、第三水平通道段25构成，形成连续弯曲的通道，供待处理的镁合金板材6通过并产生大的剪切变形。 

通道2的每段水平通道段和斜向通道段的高度相等，图中的H1=H2=H3=H4=H5，且相邻的水平通道段和斜向通道段之间夹角相等，图中的θ1=θ2=θ3=θ4，每段水平通道段和斜向通道段的高度应与板材厚度相等，夹角为100°—160°之间，相邻的水平通道段和斜向通道段之间内侧圆角半径相等，图中的r1=r2=r3=r4，每段水平通道段的中心线相平行；水平通道段相平行，平行的水平通道段中心线之间的距离相等，图中的K1= K2，转角剪切次数n为奇数或偶数。 

如图1、2所示，本发明的模具在配合安装时，通道开口3与热轧机双轧辊7的出口相对应，设置在双轧辊7的出口的后面，镁合金板材6经常用的热轧机双轧辊7轧制后，经通道开口3顺利进入多级连续转角剪切变形模具的通道2内，产生大的剪切变形。 

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (5)

1.多级连续转角剪切变形制备镁合金板材的方法，其特征在于，将多级连续转角剪切变形模具安装于双辊热轧机的双轧辊出口处，多级连续转角剪切变形模具中设置的通道开口与热轧机双轧辊出口相对应，待处理的镁合金板材经双辊轧制后经通道开口直接进入多级连续转角剪切变形模具的通道中；利用双辊轧制变形产生的摩擦力提供动力，使待处理的镁合金板材通过所述模具内设的连续弯曲通道实现多级连续转角剪切变形，所述连续弯曲通道是台阶式，每段通道高度相等且相邻两段通道间夹角相等。

2.根据权利要求1所述的多级连续转角剪切变形制备镁合金板材的方法，其特征在于，相邻通道间夹角相等，θ1=θ2=θ3=θ4=…=θn，夹角为100°—160°之间。

3.根据权利要求1所述的多级连续转角剪切变形模具，包括模具本体（1），其特征在于：在模具本体（1）内设置有通道（2），通道（2）具有通道开口（3）和出口（4），通道（2）为台阶式，具有多阶台阶，依次连接构成连续弯曲的通道；每段通道高度相等，相邻两段通道间夹角相等，相邻两段通道间内侧圆角半径相等。

4.根据权利要求3所述的多级连续转角剪切变形模具，其特征在于，在模具本体（1）内，对应通道（2）的形状，设置有若干根加热管（5）。

5.根据权利要求3或4所述的多级连续转角剪切变形模具，其特征在于，所述通道（2）是三阶台阶，由第一水平通道段（21）、第一斜向通道段（22）、第二水平通道段（23）、第二斜向通道段（24）和第三水平通道段（25）构成，依次连接形成连续弯曲的通道；每一个通道段的高度相等， H₁=H₂=H₃=H₄=H₅；相邻水平通道段与斜向通道段之间夹角相等，θ₁=θ₂=θ₃=θ₄；相邻水平通道段与斜向通道段之间内侧圆角半径相等， r₁=r₂=r₃=r₄，每段水平通道段的中心线相平行，相邻两水平通道段中心线的距离相等， K₁= K₂。

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