CN103316915A - 一种宽幅镁合金板材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽幅镁合金板材高效制备方法。所述方法是将细晶、均质、低内应力的镁合金板坯经均匀化处理后进行可逆高速热轧，在可逆高速热轧过程中多次采用中间道次高温预退火以及与立辊轧制和预拉伸相结合的方式对板材进行超大压下变形，经过数道次热轧后即可获得镁合金中厚度板；利用上述方法获得中厚板经切头尾和剪边处理后，对表面进行打磨抛光处理后，经加热退火后精轧，在精轧程过中多次采用中间道次高温预退火以及与反复弯曲变形和高速异步轧制相结合对板材进行超大压下变形，获得高精度的镁合金板材。本发明方法工艺简单、操作容易，板材开裂大大降低，显著提高镁合金板材成材率，适于大规模工业化生产。

Description

一种宽幅镁合金板材的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种宽幅镁合金板材高效制备方法。

背景技术

镁合金是目前使用最轻的金属结构金属材料，密度大约为1.8g/cm³，是钢的四分之一，铝的三分之二；与钢和铝合金相比，镁合金不仅有较高的比强度和比刚度，而且具有优良的散热性能、电磁屏蔽性能、减震降噪性能和机械加工性能，其产品易回收利用，有望成为二十一世纪重要的轻质结构材料。镁合金也成为印刷、汽车、国防军工、航空航天、3C产品等工业领域的重要材料。

板材是镁合金的主要产品，板材大量用于手机、照相机、摄像机和笔记本电脑等3C产品，及飞机、汽车、轨道交通等运载工具上。目前，镁合金板材的发展方向是显著降低成倍和提高性能，以促进镁合金板材的大量工业应用。

由于镁合金的晶体结构为密排六方结构，变形主要是通过基面滑移和锥面孪生实现。常规轧制工艺制备的镁合金板材具有强的基面织构，塑形变形能力差，这样常规方法生产镁合金板材轧制成形过程中易产生道次压下量小，轧制道次多，易出现边裂和表面裂纹，进而成材率大大降低，因此制备镁合金宽幅板材成本高，也就极大地限制了镁合金板材的应用。开发一种宽幅镁合金板材高效制备方法对改变我国镁工业的局面有重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种宽幅镁合金板材高效制备方法，目的是大大提高宽幅镁合金板材的成材率，降低成本，进而扩大镁合金板材的应用。

本发明提供的一种宽幅镁合金板材高效制备方法，其主要包括以下几个步骤：

(1)轧制用板坯制备过程：首先将预热好的镁进行熔化，熔化温度为680～700℃；熔化后的镁合金在专用熔剂保护下，升温至720～780℃，分批次加入按合金组成计算后已预热好的合金元素；在加入过程中边加入边搅拌，待所加入的合金元素全部熔化后，将合金熔体温度控制在740～760℃进行精炼、除气和除渣处理；随后将熔体温度控制在700～720℃进行保温、静置，静置30～90min后进行铸造；随后将铸造的锭坯放入带有循环风的电阻式加热炉中进行双级均匀化处理，均匀化处理制度为：在350～400℃保温5～8h后升温至400～530℃保温10～15h；将均匀化处理后的锭坯进行表面机加工。

(2)中厚板过程：将均匀化处理后表面机加工好的锭坯进行轧前加热，加热温度为400～550℃，保温时间2～15h；将准备好的锭坯在可逆热轧机上首先进行道次变形量为10～25％的轧制，轧制道次1～3，道次间不退火，道次间板材边部进行立辊轧制变形；随后再进行可逆热轧，道次变形量为20～30％，轧制道次为3～8，道次间不退火，道次间对板材边部进行立辊轧制变形、轧向预拉伸变形或异步轧制变形中的一种方式或两种及两种以上的组合方式；然后对板材进行高温预退火，将高温预退火后的镁合金板材进行高速大压下轧制，道次变形量为50～70％，轧制2～4道次，道次间不退火，道次间进行轧向预拉伸；最后进行2～3道次热轧终轧，道次间进行轧向预拉伸变形，终轧温度控制在300～400℃；热轧总变形量控制在80～95％。

(3)薄板轧制过程：将上述热轧后的热轧板进行切头尾和剪边处理，之后对表面进行打磨抛光处理；处理好的热轧板经加热退火后精轧，精轧温度为350～450℃，轧辊温度为120～250℃，精轧过程中板材存放在精轧机前后带有热卷箱的卷曲装置里；首先对处理好的热轧板进行道次变形量为10～25％的轧制，轧制1～2道次；随后进行3～5道次变形量为30～50％轧制，道次间交替进行反复弯曲变形和异步轧制变形；最后进行2～3道次精轧终轧，精轧终轧温度控制在250～350℃；精轧总变形量控制在80～95％。

所述合金元素包括Al、Zn、Mn、Y、Gd、Si、Zr、Cd、Bi、Nd、La、Ce、Cu、Dy、Sn、Er等中的两种或多种；合金元素可以以纯金属的形式或中间合金的形式加入。

所述铸造采用低频电磁油滑半连续铸造方法，铸造工艺制度为：电磁场频率为20～30Hz，磁场强度为15～30mT，铸造速度为20～80mm/min，冷却水量为50～400L/min，结晶器为锻铝套结晶器；铸坯的规格为：厚80～400mm，宽300～1500mm，长1000～5000mm。

所述中厚板轧制过程中，立辊轧制变形量为5～18％，轧向预拉伸变形量为3～10％；高温预退火温度为450～550℃，退火时间为30min～90min；轧制速度为60～200m/min；轧辊不用加热。

所述薄板轧制过程中，反复弯曲剪切变形在矫直机上进行，矫直机为13～21辊，反复弯曲变形量控为0.02～2.0％。

所述中厚板或薄板轧制过程中，除标注采用异步轧制外的其余道次，可采用常规轧制或异步轧制；异步轧制时采用相同辊径工作辊，调整辊转速实现异步轧制，上下工作辊速度比为1∶1.01～1∶1.50。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明与传统工艺相比，在镁合金中厚板轧制过程中采用高速超大压下技术、立辊轧制技术、轧向预拉伸技术、异步轧制技术和高温退火技术中的一种或两种及两种以上技术的组合，可充分发挥板材塑形。

2、本发明薄板轧制过程采用反复弯曲变形和异步轧制变形过程中强剪切作用可大大弱化轧制织构，板材的塑形大大提高，板材边裂和表面裂纹显著降低。

3、本发明工艺简单，所用设备为常规通用设备，易于移植和操作，成本低，可极大提高镁合金板材成材率，显著降低板材成本，适于大规模工业化生产，进而可扩大镁合金板材的应用。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。应该理解的是，本发明的实施例是用于说明本发明而不是对本发明的限制。根据本发明的实质对本发明进行的简单改进都属于本发明要求保护的范围。

实施例1：

按照GB/T5153-2003标准计算熔炼1000Kg AZ31B镁合金所需的Mg、Al、Zn和Mn的重量；将称量好的材料放入150℃烘干箱中进行预热，然后将预热好的Mg放入加热到700℃的坩埚中进行熔炼，当镁全部融化后升温至720℃，加入Al和Zn，边加入边搅拌，待所加入的金属元素全部熔化后，将温度升至740℃加入Mn(以MnCl₂的形式加入)，也是边加入边搅拌；待熔体温度为740℃时进行精炼、除气和除渣处理；随后将熔体温度控制在710℃进行保温、静置，静置60min后进行低频油滑电磁铸造，电磁铸造频率20Hz，磁场强度为22mT，铸造速度为37mm/min，冷却水量为350L/min，所用结晶器截面为350mm×850mm；随后将锭坯进行双级均匀化处理，均匀化处理制度为350℃保温8h后升温至410℃保温15h，处理后的锭坯进行表面机加工，加工后锭坯规格为厚300mm×宽800mm×长1500mm。将加工好的锭坯进行加热，加热温度为450℃，保温5h；随后将准备好的锭坯长度方向在可逆中厚板热轧机上进行连续2道次热轧，轧制工艺为：道次变形为300mm→270mm→230mm，轧制速度为50m/min，在第1道次轧前进行变形量为7％的立辊轧制；接下来进行第3、4、5道次可逆热轧，轧制工艺为：道次变形为230mm→184mm→147mm→102mm，轧制速度为80m/min，在第3道次前进行变形量为6％的立辊轧制，在第4道次前进行变形量为5％的立辊轧制和轧向3％的预拉伸变形，在第5道次采用异速比为1∶1.2的异步热轧；然后将板材放入450℃炉中进行30min的高温退火再进行第6、7道次高速大变形可逆热轧，轧制工艺为：道次变形为102mm→41mm→14mm，轧制速度为150m/min。在上述轧制过程中，除标注采用异步轧制外的其余道次均采用常规轧制。经实施例1工艺方法制备的AZ31B镁合金板材宽度为800mm，厚度为14mm；板材纵向(平行于轧制方向)性能为：抗拉强度为263MPa，屈服强度为178MPa，延伸率为17％；板材横向(垂直于轧制方向)性能为：抗拉强度为268MPa，屈服强度为181MPa，延伸率为19％，板材纵向和横向性能差别较小，各向异性大大降低；板材边裂深度为15mm，与传统制备方法相比降低50％。

实施例2：

利用实施例1中轧出的厚14mm宽760mm的AZ31B镁合金板材进行薄板轧制，在薄板轧制前对热轧板进行切头尾和剪边处理之后对表面进行打磨抛光处理；处理好的热轧板经加热退火后精轧，精轧温度为400℃，轧辊温度为150℃，轧制速度为200m/min。首先对处理好的热轧板进行第1、2道次轧制，轧制工艺为：道次变形量为14mm→7mm→3.5mm，第1道精轧后板材就存放在精轧机前后带有热卷箱的卷曲装置里，热卷箱内温度为380℃；随后进行第3、4道次轧制，轧制工艺为3.5mm→2.5mm→2mm，在第3、4道次轧制前采用21辊矫平机进行反复弯曲变形，变形量为0.5％，在第3、4道次轧制时采用异步轧制，异步比为1∶1.10。经实施例2工艺方法制备的AZ31B镁合金板材宽度为760mm，厚度为2mm；板材纵向(平行于轧制方向)性能为：抗拉强度为297MPa，屈服强度为233MPa，延伸率为13％；板材横向(垂直于轧制方向)性能为：抗拉强度为301MPa，屈服强度为235MPa，延伸率为15％，板材纵向和横向性能差别较小，各向异性大大降低；板材边裂深度为11mm，与传统制备方法相比降低37％。

实施例3：

利用实施例1中均匀化后的厚300mm×宽800mm×长1500mm的AZ31B锭坯沿宽度方向进行轧制。首先将准备好的锭坯进行加热，加热温度为450℃，保温5h；随后将准备好的锭坯宽度方向在可逆中厚板热轧机上进行1道次热轧，轧制工艺为：道次变形为300mm→255mm，轧制速度为40m/min；接下来进行第2、3、4、5道次可逆热轧，轧制工艺为：道次变形为255mm→204mm→166mm→132mm→100mm，轧制速度为60m/min，在第2道次前进行变形量为6％的立辊轧制，在第4道次前进行变形量为5％的立辊轧制，随后采用异速比为1∶1.30的异步热轧，在第5道次采用轧向5％的预拉伸变形；然后将板材放入450℃炉中进行40min的高温退火再进行第6、7道次高速大变形可逆热轧，轧制工艺为：道次变形为100mm→50mm→20mm，轧制速度为120m/min。在上述轧制过程中，除标注采用异步轧制外的其余道次均采用常规轧制。经实施例3工艺方法制备的AZ31B镁合金板材宽度为1500mm，厚度为20mm；板材纵向(平行于轧制方向)性能为：抗拉强度为246MPa，屈服强度为157MPa，延伸率为19％；板材横向(垂直于轧制方向)性能为：抗拉强度为251MPa，屈服强度为163MPa，延伸率为21％，板材纵向和横向性能差别较小，各向异性大大降低；板材边裂深度为12mm，与传统制备方法相比降低53％。

实施例4：

利用实施例3中轧出的厚20mm宽1400mmAZ31B镁合金板材进行薄板轧制，在薄板轧制前对热轧板进行切头尾和剪边处理之后对表面进行打磨抛光处理；处理好的热轧板经加热退火后精轧，精轧温度为420℃，轧辊温度为200℃，轧制速度为180m/min。首先对处理好的热轧板进行第1、2道次轧制，轧制工艺为：道次变形量为20mm→12mm→7.2mm，第1道精轧后板材就存放在精轧机前后带有热卷箱的卷曲装置里，热卷箱内温度为400℃；随后进行第3、4、5道次轧制，轧制工艺为7.2mm→3.6mm→2.5mm→2mm，在第3、4、5道次轧制前采用21辊矫平机进行反复弯曲变形，变形量为0.3％，在第3、4、5道次轧制时采用异步轧制，异步比为1∶1.30。在上述轧制过程中，除标注采用异步轧制外的其余道次均采用常规轧制。经实施例4工艺方法制备的AZ31B镁合金板材宽度为1400mm，厚度为2mm；板材纵向(平行于轧制方向)性能为：抗拉强度为290MPa，屈服强度为229MPa，延伸率为14％；板材横向(垂直于轧制方向)性能为：抗拉强度为275MPa，屈服强度为233MPa，延伸率为16％，板材纵向和横向性能差别较小，各向异性大大降低；板材边裂深度为10mm，与传统制备方法相比降低45％。

实施例5：

按照GB/T5153-2003标准计算熔炼500Kg ZK60镁合金所需的Mg、Zn和Zr的重量，Zr以Mg-30％Zr中间合金形式加入；将称量好的材料放入150℃烘干箱中进行预热，然后将预热好的Mg放入加热到700℃的坩埚中进行熔炼，当镁全部融化后升温至780℃，加入Mg-Zr中间合金，边加入边搅拌，带所加入的金属元素全部熔化后，将温度控制在740℃加入Zn，；待Zn全部溶解后进行精炼、除气和除渣处理；随后将熔体温度控制在720℃进行保温、静置，静置90min后进行低频油滑电磁铸造，电磁铸造频率20Hz，磁场强度为28mT，铸造速度为30mm/min，冷却水量为250L/min，所用结晶器截面为300mm×650mm；随后将锭坯进行双级均匀化处理，均匀化处理制度为350℃保温5h后升温至450℃保温12h，处理后的锭坯进行表面机加工，加工后锭坯规格为厚240mm×宽600mm×长1200mm。将加工好的锭坯进行加热，加热温度为450℃，保温5h；随后将准备好的锭坯长度方向在可逆中厚板热轧机上进行连续1道次热轧，轧制工艺为：道次变形为240mm→216mm，轧制速度为60m/min，在第1道次轧前进行变形量为8％的立辊轧制；接下来进行第2、3、4道次可逆热轧，轧制工艺为：道次变形为216mm→172mm→120mm→80mm，轧制速度为90m/min，在第2道次前进行变形量为5％的立辊轧制和轧向3％的预拉伸变形，在第3道次前进行变形量为3％的立辊轧制，在第4道次采用异速比为1∶1.40的异步热轧；然后将板材放入450℃炉中进行50min的高温退火再进行第5、6道次高速大变形可逆热轧，轧制工艺为：道次变形为80mm→32mm→10mm，轧制速度为140m/min。在上述轧制过程中，除标注采用异步轧制外的其余道次均采用常规轧制。经实施例5工艺方法制备的ZK60镁合金板材宽度为600mm，厚度为10mm；板材纵向(平行于轧制方向)性能为：抗拉强度为301MPa，屈服强度为237MPa，延伸率为15％；板材横向(垂直于轧制方向)性能为：抗拉强度为307MPa，屈服强度为240MPa，延伸率为17％，板材纵向和横向性能差别较小，各向异性大大降低；板材边裂深度为17mm，与传统制备方法相比降低45％。

实施例6：

利用实施例5中轧出的厚10mm宽550mm的ZK60镁合金板材进行薄板轧制，在薄板轧制前对热轧板进行切头尾和剪边处理之后对表面进行打磨抛光处理；处理好的热轧板经加热退火后精轧，精轧温度为450℃，轧辊温度为280℃，轧制速度为150m/min。首先对处理好的热轧板进行第1、2道次轧制，轧制工艺为：道次变形量为10mm→7mm→4mm，第1道精轧后板材就存放在精轧机前后带有热卷箱的卷曲装置里，热卷箱内温度为400℃；随后进行第3、4、5道次轧制，轧制工艺为4mm→2mm→1mm→0.6mm，在第3、4、5道次轧制前采用21辊矫平机进行反复弯曲变形，变形量为0.3％，在第3、5道次轧制时采用异步轧制，异步比为1∶1.03。在上述轧制过程中，除标注采用异步轧制外的其余道次均采用常规轧制。经实施例6工艺方法制备的ZK60镁合金板材宽度为550mm，厚度为0.6mm；板材纵向(平行于轧制方向)性能为：抗拉强度为323MPa，屈服强度为275MPa，延伸率为10％；板材横向(垂直于轧制方向)性能为：抗拉强度为330MPa，屈服强度为282MPa，延伸率为12％，板材纵向和横向性能差别较小，各向异性大大降低；板材边裂深度为10mm，与传统制备方法相比降低30％。

比较实施例：

按照GB/T5153-2003标准计算熔炼1000KgAZ31B镁合金所需的Mg、Al、Zn和Mn的重量；将称量好的材料放入150℃烘干箱中进行预热，然后将预热好的Mg放入加热到700℃的坩埚中进行熔炼，当镁全部融化后升温至720℃，加入Al和Zn，边加入边搅拌，带所加入的金属元素全部熔化后，将温度升至740℃加入Mn(以MnCl2的形式加入)，也是边加入边搅拌；待熔体温度为740℃时进行精炼、除气和除渣处理；随后将熔体温度控制在710℃进行保温、静置，静置60min后进行传统半连续铸造，铸造速度为40mm/min，冷却水量为350L/min，所用结晶器截面为350mm×850mm；随后将锭坯进行均匀化处理，均匀化处理制度为410℃保温15h，处理后的锭坯进行表面机加工，加工后锭坯规格为厚300mm×宽800mm×长1500mm。将加工好的锭坯进行加热，加热温度为450℃，保温5h；随后将准备好的锭坯长度方向在可逆中厚板热轧机上进行连续2道次热轧，轧制工艺为：道次变形为300mm→270mm→230mm，轧制速度为50m/min；接下来进行第3、4、5道次可逆热轧，轧制工艺为：道次变形为230mm→184mm→147mm→102mm，轧制速度为80m/min；然后再进行第6、7道次可逆热轧，轧制工艺为：道次变形为102mm→41mm→14mm，轧制速度为150m/min。

该工艺方法制备的AZ31B镁合金板材宽度为800mm，厚度为14mm；板材纵向(平行于轧制方向)性能为：抗拉强度为225MPa，屈服强度为131MPa，延伸率为13％；板材横向(垂直于轧制方向)性能为：抗拉强度为247MPa，屈服强度为145MPa，延伸率为16％，板材纵向和横向性能差别较大，各向异性较大；板材边裂深度为33mm。

由上述可以看出，通过本申请的方法制备的板材在抗拉强度、屈服强度、延伸率和成材率等方面都具有更好的优势。

Claims (6)

1.一种宽幅镁合金板材的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括下述步骤：

(1)轧制用板坯制备过程：首先将预热好的镁进行熔化，熔化温度为680～700℃；熔化后升温至720～780℃，分批次加入按合金组成计算后已预热好的合金元素；待所加入的合金元素全部熔化后，将合金熔体温度控制在740～760℃进行精炼、除气和除渣处理；随后将熔体温度控制在700～720℃进行保温、静置，静置30～90min后进行铸造；随后将铸造的锭坯进行双级均匀化处理，均匀化处理制度为：在350～400℃保温5～8h后升温至400～530℃保温10～15h；将均匀化处理后的锭坯进行表面机加工。

(2)中厚板过程：将步骤(1)的锭坯进行轧前加热，加热温度为400～550℃，保温时间2～15h；将准备好的锭坯在可逆热轧机上首先进行道次变形量为10～25％的轧制，轧制道次1～3，道次间不退火，道次间板材边部进行立辊轧制变形；随后再进行可逆热轧，道次变形量为20～30％，轧制道次为3～8，道次间不退火，道次间对板材边部进行立辊轧制变形、轧向预拉伸变形或异步轧制变形中的一种方式或两种及两种以上的组合方式；然后对板材进行高温预退火，将高温预退火后的镁合金板材进行高速大压下轧制，道次变形量为50～70％，轧制2～4道次，道次间不退火，道次间进行轧向预拉伸；最后进行2～3道次热轧终轧，道次间进行轧向预拉伸变形，终轧温度控制在300～400℃；热轧总变形量控制在80～95％。

(3)薄板轧制过程：将步骤(2)所得热轧板进行切头尾和剪边处理，之后对表面进行打磨抛光处理；处理好的热轧板经加热退火后精轧，精轧温度为350～450℃，轧辊温度为120～250℃，精轧过程中板材存放在精轧机前后带有热卷箱的卷曲装置里；首先对处理好的热轧板进行道次变形量为10～25％的轧制，轧制1～2道次；随后进行3～5道次变形量为30～50％轧制，道次间交替进行反复弯曲变形和异步轧制变形；最后进行2～3道次精轧终轧，精轧终轧温度控制在250～350℃；精轧总变形量控制在80～95％。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述合金元素包括Al、Zn、Mn、Y、Gd、Si、Zr、Cd、Bi、Nd、La、Ce、Cu、Dy、Sn、Er等中的两种或多种；合金元素可以以纯金属的形式或中间合金的形式加入。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述铸造采用低频电磁油滑半连续铸造方法，铸造工艺制度为：电磁场频率为20～30Hz，磁场强度为15～30mT，铸造速度为20～80mm/min，冷却水量为50～400L/min，结晶器为锻铝套结晶器；铸坯的规格为：厚80～400mm，宽300～1500mm，长1000～5000mm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述中厚板轧制过程中，立辊轧制变形量为5～18％，轧向预拉伸变形量为3～10％；高温预退火温度为450～550℃，退火时间为30min～90min；轧制速度为60～200m/min；轧辊不用加热。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述薄板轧制过程中，反复弯曲剪切变形在矫直机上进行，矫直机为13～21辊，反复弯曲变形量控为0.02～2.0％。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述中厚板或薄板轧制过程中，除标注采用异步轧制外的其余道次，可采用常规轧制或异步轧制；异步轧制时采用相同辊径工作辊，调整辊转速实现异步轧制，上下工作辊速度比为1∶1.01～1∶1.50。