CN108994079A - 一种改善镁合金板带材轧制成形的方法 - Google Patents

一种改善镁合金板带材轧制成形的方法 Download PDF

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Abstract

一种改善镁合金板带材轧制成形的方法，属于有色金属材料塑性加工领域。该改善镁合金板带材轧制成形的方法对镁合金坯料用冷辊或热辊进行预轧制开坯，得到预轧制后的坯材；预轧制的压下量为2％～15％；将预轧制后的坯材进行大压下轧制，得到镁合金板带材；其中，大压下轧制的压下量为75％～85％。在预轧制前或预轧制后，在进一步采用连续快速侧锻，连续快速侧锻的压下量为5％～20％。该方法采用预轧制大压下开坯方法、或连续快速侧锻与预轧制交叉后大压下开坯的方法改善镁合金板带材的轧制成形性，抑制边裂的产生，改善并精确调控板材的织构，提高组织均匀性，优化组织。

Description

一种改善镁合金板带材轧制成形的方法
技术领域
本发明属于有色金属材料塑性加工领域，特别涉及一种改善镁合金板带材轧制成形的方法。
背景技术
边裂是镁合金板材在轧制过程中最明显的边部缺陷，而裂纹深度直接决定了后续精整工艺的切边量及最终板材的成品率。从温度角度来看，变形过程中轧板边部的温度骤降会导致镁合金塑性成形能力的急剧下降进而诱导边部产生裂纹萌生，而由于板材内部及边部不同的传热机制导致沿板材横向温度的差异更对裂纹沿横向的扩展起了主导作用。从变形角度来看，由于具有更多的自由端，边部金属受约束少，导致沿横向金属流动和塑性变形的差异，板材越宽、轧制压下量越大差异越显著，这使得裂纹的萌生和扩展变得容易。
不均匀温度和不均匀变形之间的交互效应会恶化组织及微结构的分布状态，导致裂纹萌生与扩展微观行为的发生。考虑到这些影响边裂的因素，通过控制镁合金轧制过程中的织构和组织状态来改善晶粒与晶粒间的变形协调性，有望抑制AZ31B镁合金大压下轧制过程中边缘裂纹的萌生和扩展。除了边缘裂纹，AZ31B轧制板带还存在强烈的基面织构、局部再结晶、非均匀再结晶晶粒尺寸和变形各向异性等，严重影响轧制板材的成形性和机械性能。
板材在轧制后出现各种瓢曲是一种宏观缺陷，瓢曲出现后需在矫直机上进行矫平，这会增加生产工序及生产成本。镁合金板带材在轧制过程中大压下会使得材料的变形深度变小，厚向组织差别变大，轧制成形性减小。
现有预侧压方法使用立辊轧机进行轧制，在常规轧机前增加一台(套)立辊轧机无疑会增加大量成本。另外，若是预侧压的板坯宽厚比较大，变形主要集中在板宽两侧边缘上，会使得板坯与辊接触区出现明显的狗骨形状或板坯中间出现翘曲，不利于板坯的后续成形。
发明内容
本发明针对镁合金板材在轧制过程中出现的边裂、瓢曲及组织不均匀现象，提出一种改善镁合金板带材轧制成形的方法，采用预轧制大压下开坯方法、或连续快速侧锻与预轧制交叉后大压下开坯的方法改善镁合金板带材的轧制成形性，抑制边裂的产生，改善并精确调控板材的织构，提高组织均匀性，优化组织。
本发明的一种改善镁合金板带材轧制成形的方法，为预轧制大压下开坯方法，包括以下步骤：
步骤1：预轧制
对镁合金坯料用冷辊或热辊进行预轧制开坯，得到预轧制后的坯材；其中，预轧制的压下量为2％～15％；其中，冷辊轧制温度为室温±5℃，热辊轧制温度为140～160℃；
步骤2：大压下轧制
将预轧制后的坯材进行大压下轧制，得到镁合金板带材；其中，大压下轧制的压下量为75％～85％。
所述的步骤1中，所述的预轧制的压下量优选为2％～10％。
所述的步骤1中，当采用冷辊进行预轧制开坯时，初轧温度设定为390～410℃，轧制速度根据坯料的规格大小不同进行设定，轧制速度为10～20m/min的低速、40～50m/min的中速或70～80m/min的高速中的一种。
所述的步骤1中，当采用热辊进行预轧制开坯时，初轧温度设定为340～360℃，轧制速度40～50m/min的中速。
所述的步骤1中，对镁合金坯料预轧制开坯前，进行加热，加热至初轧温度，保温1～2min。
所述的步骤2中，所述的大压下轧制，当采用冷辊进行大压下轧制时，轧制速度根据坯料的规格大小不同进行设定，轧制速度为10～20m/min的低速、40～50m/min的中速或70～80m/min的高速中的一种。
所述的步骤2中，所述的大压下轧制，当采用热辊进行预轧制开坯时，轧制速度40～50m/min的中速。
所述的步骤2中，当采用冷辊进行预轧制大压下开坯时，轧制后对板材厚度方向不同位置微观组织、晶粒尺寸、平均裂纹深度、板材形貌和拉伸性能进行分析。
所述的步骤2中，当采用热辊进行预轧制大压下开坯时，轧制后对板材微观组织、板材的平均裂纹深度、平均裂缝宽度、“V”形和“I”形裂纹数量、浪形翘曲个数和翘曲宽度进行分析来评价不同开坯轧制镁合金板材的成形性。
本发明的一种改善镁合金板带材轧制成形的方法，为连续快速侧锻与预轧制交叉后大压下开坯方法，包括以下步骤：
在上述预轧制大压下开坯方法的步骤1的预轧制前或步骤1的预轧制后，采用冷模锻机对镁合金坯料进行连续快速侧锻，连续快速侧锻的压下量为5％～20％。
所述的连续快速侧锻与预轧制交叉后大压下开坯中，大压下的轧制速度为40～50m/min的中速，镁合金坯料初轧温度为340～360℃，连续快速侧锻时，镁合金坯料的温度为340～360℃。
所述的连续快速侧锻与预轧制交叉后大压下开坯方法，轧制后对板材宏观形貌、微观组织、晶粒尺寸和织构进行分析。
本发明的一种改善镁合金板带材轧制成形的方法，预轧制大压下方法与普通大压下及连续快速侧锻与预轧制交叉后大压下开坯方法与平立辊交叉开坯的方法相比，本发明的特点是预轧制变形可以提高板材变形深度，减小厚向差别，改善后续轧制成形性；立辊轧机换成小吨位的连续快速锻机，具有投资小，可实现小变形、大应变速率(可达到100/s，而立辊轧制最大不会超过10/s)的变形，减少板带材边部温降，精准控制宽向压下量等优点。
本发明的一种改善镁合金板带材轧制成形的方法，其有益效果是：
1、冷辊预轧制开坯轧制的方法在10～20m/min的低速轧制时，能够使得粗晶结构尺寸减小，明显提高板材组织均匀性；在40～50m/min的中速轧制时，表层的再结晶晶粒尺寸有所增大，中心层细晶密集，表层和中心层中间位置有少量剪切带出现；在70～80m/min的高速轧制时，粗晶结构显著减少，粗晶尺寸也明显减小，组织均匀性提高，沿厚度方向剪切带形成且均匀分布。预轧制大压下开坯高速轧制过程中，因剧烈变形产生的剪切带在对边裂的萌生和扩展起了决定性的作用，大量剪切带的分布抵消了晶粒细化且均匀性好对成形性能的改善作用，导致该轧制条件下较差的轧制成形性。预轧制大压下开坯方法获得的AZ31B镁合金板材抗拉强度、屈服强度及伸长率指标值均较小，但是却显著缩小了性能指标有关轧制速度的变化幅度，轧制速度在10～80m/min范围内变化时，平均抗拉强度变化幅度为5MPa、平均屈服强度变化幅度为3MPa、平均伸长率为0.7％，表明预轧制大压下开坯方法可显著减弱板材拉伸性能对轧制速度的依赖性，有利于制备稳定的AZ31B板材成品。
2、热辊预轧制开坯轧制的方法同样能够显著减少板材内部剪切带的数量密度、细化晶粒，改善表层金属的组织状态，提高组织分布均匀性；预轧制开坯能获得较多的裂纹个数，表现为“V”形和“I”形裂纹个数均有所增大，但裂纹深度及裂缝宽度明显减少；预轧制开坯后板材平直度较好，几乎不发生翘曲。
3、连续快速侧锻与预轧制交叉开坯的方法中，对于宽厚比小或厚度大的板坯连续快速侧锻可以减少板坯边部形成狗骨状；对于宽厚比大或厚度小的板坯连续快速侧锻可以减少板坯中间的翘曲。连续快速侧锻产生的拉伸孪晶也可为再结晶提供形核点以促进再结晶的充分发生；诱导板材发生孪生变形，使铸态组织变为变形组织；提高轧制过程边部动态再结晶程度；促进轧制c-轴偏转且非基面滑移系的启动，弱化基面织构；改善横向组织分布均匀性，提高轧制成形性。预轧制+连续快速侧锻后大压下开坯轧制方式对横向各部位组织的改善效果均较好；预轧制+连续快速侧锻后大压下开坯轧制可以在大压下轧制前诱导板材发生拉伸孪生，并产生更多的拉伸孪晶以促进大压下开坯过程中再结晶的形核并获得最大的晶粒细化程度，晶粒的显著细化使得处于有利取向的非基面滑移系得以开动，大大地促进连续动态再结晶的发生。
附图说明
图1为本发明预轧制大压下开坯、或连续快速侧锻与预轧制交叉后大压下开坯示意图。
图1中②为预轧制大压下开坯过程，①+②为连续快速侧锻与预轧制交叉后大压下开坯过程。
图2为本发明实施例1中，冷辊预轧制大压下开坯时，不同轧制速度条件下厚度不同相对位置平均晶粒尺寸图。
图2中(a)为冷辊预轧制大压下开坯时辊速为18m/min时厚度不同相对位置平均晶粒尺寸图；(b)为冷辊预轧制大压下开坯时辊速为48m/min时厚度不同相对位置平均晶粒尺寸图；(c)为冷辊预轧制大压下开坯时辊速为72m/min时厚度不同相对位置平均晶粒尺寸图。
图3为本发明预轧制大压下开坯冷辊轧制时不同轧制速度条件下板材的边部平均裂纹深度的变化图。
图4为本发明预轧制大压下开坯冷辊轧制时，不同轧制速度条件下板材室温拉伸性能的变化图。
图4中(a)为不同轧制速度下的抗拉强度，(b)为不同轧制速度下的屈服强度，(c)为不同轧制速度下的伸长率。
图5为预轧制大压下开坯热辊轧制时不同压下制度轧制后板材的厚度金相组织。
图5中(a)为8％预轧制压下后板材的厚度金相组织；(b)为8％预轧制+80％大压下后板材的厚度金相组织；(c)、(d)为83％无预轧制压下后板材金相组织。
图6为预轧制大压下开坯热辊时不同压下制度轧制后板材的边裂评价指标图。
图7为本发明连续快速侧锻与预轧制交叉后大压下时不同开坯方式轧制后板材宽度方向金相组织图。
图7中(a)为板材宽度方向中心部位的金相组织图；(b)为板材宽度方向边部的金相组织图。
图8为本发明连续快速侧锻与预轧制交叉后大压下时不同开坯轧制方式轧制后板材的{0002}基面极图。
图9为本发明实施例1的改善镁合金板带材轧制成形的方法的工艺流程示意图。
图10为本发明实施例3的改善镁合金板带材轧制成形的方法的工艺流程示意图。
图11为本发明实施例4的改善镁合金板带材轧制成形的方法的工艺流程示意图。
以上图中，超大压下对应对比例2，预轧制大压下对应实施例1，预轧制普通压下对应对比例1。
具体实施方式
本发明实施例中连续快速侧锻过程采用的锻机为20吨冷模锻机。
本发明实施例中冷模锻机对板坯进行侧锻采用分段连续快速操作，实现精准控制。
本发明实施例中预轧制及后续大压下轧制工艺采用的轧机为带有加热装置的二辊轧机，辊径为475mm，辊长为600mm。
本发明实施例中采用的板坯尺寸为150mm×80mm×30mm,1000mm×520mm×450mm，800mm×340mm×220mm。
本发明实施例用采用的加热炉为轨道箱式电阻加热炉。
实施例1
一种改善镁合金板带材轧制成形的方法，为预轧制大压下开坯方法，其预轧制大压下开坯示意图见图1②，其工艺流程示意图见图9，具体包括以下步骤：
步骤1：预轧制
将尺寸为150mm×80mm×30mm板坯坯料在轨道箱式电阻加热炉中加热到400℃，传送到二辊冷轧机上，二辊冷轧机的轧辊进行第一道次8％压下量的预轧制，得到预轧制后的坯材；其中，二辊冷轧机的轧制温度为室温，轧制速度分别设定为18m/min，48m/min和72m/min进行三组平行实验；
步骤2：大压下轧制
随后紧接着对预轧制后的坯材进行第二道次80％压下量的大压下轧制，第二道次轧制时，轧制的速度同步骤1。轧后对板材的宏观形貌及板材宽度方向不同位置进行性能分析。
其中，冷辊预轧制大压下开坯时，不同轧制速度条件下厚度不同相对位置平均晶粒尺寸图。从图2(a)中，可以得到轧制速度为18m/min时厚向不同相对位置的平均晶粒尺寸15μm左右；从图2(b)中，可以得到轧制速度为48m/min时厚向不同相对位置的平均晶粒尺寸大多小于15μm；从图2(c)中，可以得到-轧制速度为72m/min时厚向不同相对位置的平均晶粒尺寸略大于10μm；通过图从图2(a)、图2(b)和图2(c)的对比，得到随着轧制速度增加，厚向不同相对位置的平均晶粒尺寸呈下降趋势。
预轧制大压下开坯冷辊轧制时不同轧制速度条件下板材的边部平均裂纹深度的变化图见图3，从图3中得到预轧制大压下开坯边部平均裂纹深度在轧制速度为18m/min和48m/min时最小，在轧制速度为72m/min时较高。
预轧制大压下开坯冷辊轧制时，不同轧制速度条件下板材室温拉伸性能的变化图见图4，从图4中得出，预轧制大压下开坯方法可显著减弱板材拉伸性能对轧制速度的依赖性，有利于制备稳定的AZ31B板材成品。
实施例2
一种改善镁合金板带材轧制成形的方法，为预轧制大压下开坯方法，具体包括以下几个步骤：
步骤1：预轧制
用加热装置对二辊轧机的轧辊加热，使轧辊温度保持在150±10℃，将尺寸为800mm×340mm×220mm板坯坯料在轨道箱式电阻加热炉中加热到350℃，传送到二辊轧机上进行第一道次8％压下量的预轧制，得到预轧制后的坯材；
步骤2：大压下轧制
随后对预轧制后的坯材进行第二道次80％压下量的大压下轧制，轧制速度为48m/min。轧后对板材的宏观形貌及板材宽度方向不同位置进行性能分析。
预轧制大压下开坯热辊轧制时不同压下制度轧制后板材的厚度金相组织见图5，从图5可以得到组织主要由均匀的高密度等轴细晶组成(a)并且变形热产生的中心温升使得晶粒出现不同程度的粗化(b)。无预轧制的超大压下开坯，表层金属组织呈现均匀的等轴晶组织状态(c)，中心由于剧烈的塑性变形，温升更大，很大部分晶粒发生异常长大(d)。
预轧制大压下开坯热辊时不同压下制度轧制后板材的边裂评价指标图见图6，从图6得到-无预轧制的超大压下开坯后的AZ31B板还发生了严重的翘曲变形。预轧制大压下开坯后板材平直度较好，几乎不发生翘曲，而无预轧制的超大压下开坯后浪形翘曲及翘曲宽度显著增大，呈现出较差的板形质量。
实施例3
一种改善镁合金板带材轧制成形的方法，为连续快速侧锻与预轧制交叉后大压下开坯方法，其连续快速侧锻与预轧制交叉后大压下开坯示意图见图1①+②，其工艺流程示意图见图10，包括以下步骤：
步骤1：连续快速侧锻
用加热装置对二辊轧机的轧辊加热，使轧辊温度保持在150±10℃，将尺寸为1000mm×520mm×450mm板坯坯料在轨道箱式电阻加热炉中加热到350℃，用小吨位锻机进行第一道次10％连续快速侧锻，得到侧锻后的坯料；
步骤2：预轧制
侧锻后的坯料传送到二辊轧机上进行第二道次8％压下量的预轧制，得到预轧制后的坯料；
步骤3：大压下轧制
随后对预轧制后的坯料进行第三道次80％压下量的大压下轧制，轧制速度为48m/min。轧后对板材的宏观形貌及板材宽度方向不同位置进行性能分析。
连续快速侧锻过程板坯厚度、宽厚比与压下量之间的关系见下表。
表1连续快速侧锻过程板坯厚度、宽厚比与压下量之间的关系
厚度/mm 200 200 450 300 400 400 350
宽厚比 2.4 1.5 1.15 2.67 3.6 3 2.5
压下量/％ 5 8 12 7 6 10 9
连续快速侧锻与预轧制交叉后大压下时不同开坯方式轧制后板材宽度方向金相组织图见图7，从图7(a)为板材宽度方向中心部位的金相组织图；图7(b)为板材宽度方向边部的金相组织图，从图中得到-边部铸态组织易转变为变形组织，变形组织具有更好的协调能力，可显著提高横向组织分布均匀性。
连续快速侧锻与预轧制交叉后大压下时不同开坯轧制方式轧制后板材的{0002}基面极图见图8，从图8得到基面织构强度显著减弱。
实施例4
一种改善镁合金板带材轧制成形的方法，为连续快速侧锻与预轧制交叉后大压下开坯方法，其工艺流程示意图见图11，包括以下步骤：
步骤1：预轧制
用加热装置对二辊轧机的轧辊加热，使轧辊温度保持在150±10℃，将尺寸为1000mm×520mm×450mm板坯坯料在轨道箱式电阻加热炉中加热到350℃，在二辊轧机上进行第一道次8％压下量的预轧制，得到预轧制后的坯料；
步骤2：连续快速侧锻
随后用小吨位锻机对预轧制后的坯料进行第二道次10％连续快速侧锻，得到侧锻后的坯料；
步骤3：大压下轧制
侧锻后的坯料传送到二辊轧机进行第三道次80％压下量的大压下轧制，轧制速度为48m/min。轧后对板材的宏观形貌及板材宽度方向不同位置进行性能分析。
对比例1
预轧制普通压下方法中的预轧制阶段同预轧制大压下开坯方法中的步骤1，普通压下阶段经过3～4道次轧制到同大压下1个道次一样的变形量，板坯初始温度为350℃，轧制速度为18m/min，48m/min和72m/min。图2中黑色条形▂为预轧制普通压下工艺中厚向不同相对位置的平均晶粒尺寸，图3中▲为预轧制普通压下中不同轧制速度下的边部平均裂纹深度，图4a,b,c中右列分别为预轧制普通压下中不同轧制速度下的抗拉强度、屈服强度和伸长率，图7为预轧制普通压下中表层和中层的金相组织，图8a为预轧制普通压下基面织构强度。
对比例2
超大压下轧制为经过1道次轧制到与预轧制大压下开坯方法同样的压下量，板坯初始温度为350℃，轧制速度分别为18m/min，48m/min和72m/min。图2中白色条形▂为超大压下工艺中厚向不同相对位置的平均晶粒尺寸，图3中为超大压下中不同轧制速度下的边部平均裂纹深度，图4a,b,c中左列分别为超大压下中不同轧制速度下的抗拉强度、屈服强度和伸长率，图6中右列为无预轧制的超大压下中平均裂纹深度或宽度、边部裂纹及浪行翘曲个数。
对比例3
平立辊轧制为轧制前使用平立辊对板坯边部进行侧压，之后使用水平辊将侧压后的板坯轧制成板材。

Claims (9)

1.一种改善镁合金板带材轧制成形的方法，其特征在于，该改善镁合金板带材轧制成形的方法为预轧制大压下开坯方法，包括以下步骤：
步骤1：预轧制
对镁合金坯料用冷辊或热辊进行预轧制开坯，得到预轧制后的坯材；其中，预轧制的压下量为2％～15％；其中，冷辊轧制温度为室温±5℃，热辊轧制温度为140～160℃；
步骤2：大压下轧制
将预轧制后的坯材进行大压下轧制，得到镁合金板带材；其中，大压下轧制的压下量为75％～85％。
2.如权利要求1所述的改善镁合金板带材轧制成形的方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的预轧制的压下量为2％～10％。
3.如权利要求1所述的改善镁合金板带材轧制成形的方法，其特征在于，所述的步骤1中，当采用冷辊进行预轧制开坯时，初轧温度设定为390～410℃，轧制速度根据坯料的规格大小不同进行设定，轧制速度为10～20m/min的低速、40～50m/min的中速或70～80m/min的高速中的一种。
4.如权利要求1所述的改善镁合金板带材轧制成形的方法，其特征在于，所述的步骤1中，当采用热辊进行预轧制开坯时，初轧温度设定为340～360℃，轧制速度40～50m/min的中速。
5.如权利要求1所述的改善镁合金板带材轧制成形的方法，其特征在于，所述的步骤1中，对镁合金坯料预轧制开坯前，进行加热，加热至初轧温度，保温1～2min。
6.如权利要求1所述的改善镁合金板带材轧制成形的方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的大压下轧制，当采用冷辊进行大压下轧制时，轧制速度根据坯料的规格大小不同进行设定，轧制速度为10～20m/min的低速、40～50m/min的中速或70～80m/min的高速中的一种。
7.如权利要求1所述的改善镁合金板带材轧制成形的方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的大压下轧制，当采用热辊进行预轧制开坯时，轧制速度40～50m/min的中速。
8.一种改善镁合金板带材轧制成形的方法，其特征在于，为连续快速侧锻与预轧制交叉后大压下开坯方法，包括以下步骤：
在权利要求1所述的预轧制大压下开坯方法的步骤1的预轧制前或步骤1的预轧制后，采用冷模锻机对镁合金坯料进行连续快速侧锻，连续快速侧锻的压下量为5％～20％。
9.如权利要求8所述的改善镁合金板带材轧制成形的方法，其特征在于，所述的连续快速侧锻与预轧制交叉后大压下开坯中，大压下的轧制速度为40～50m/min的中速，镁合金坯料初轧温度为340～360℃，连续快速侧锻时，镁合金坯料的温度为340～360℃。
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