CN111088423B - 一种镁合金薄板成卷整体热处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镁合金薄板成卷整体热处理装置及方法，该方法包括以下步骤：1）将镁合金坯料在张力条件下轧制成厚度小于1.0mm的板卷；2）将紧卷镁合金板卷在散卷机上散卷；3）将散卷状态的镁合金薄板与托盘一起放入热处理炉内进行常规热处理或快速升温或快速冷却的处理；4）处理好的散卷镁合金重新卷成镁合金板卷。本发明可对散卷镁合金卷板进行各种的急冷急热处理或其它形式的热处理，并能提高整卷镁带性能及均匀性，减少热处理时间，节约能源，避免热处理急冷急热过程中产生的温度应力。

Description

一种镁合金薄板成卷整体热处理装置及方法

技术领域

本发明涉及镁合金板带热处理技术领域，尤其涉及一种镁合金薄板成卷整体热处理装置及方法。

背景技术

镁合金是实际工程应用中密度最低的金属，且具有比强度高、切削加工性能好、阻尼能力强、电磁屏蔽性强等优良性能，它的应用范围越来越广，在汽车、电子和医疗卫生方面得到广泛应用。但镁合金晶体结构为密排六方结构，室温变形时只有单一滑移系，塑性差，通常需要加热一定温度对其塑性加工，加工后会产生加工硬化、织构、孪晶等，造成强度上升塑性下降。因此塑性加工后的镁合金板带需要进行热处理对其性能进行调控，以提高镁合金的塑性成形能力，扩展其应用范围。

轧制后的金属板带一般采用连续退火或罩式退火方式对材料的组织性能进行调控。连续退火需要较长的隧道炉，效率高，材料的均匀性好，但连续退火炉占用空间大，退火时间短，升温降温速度快，不适用于深冲用的材料。罩式退火是把带卷放入退火炉中进行热处理。如果带卷层数较多厚度较大，其在处理过程中传热速度慢，需要较长的均温时间，且内外层的温度变化不一致，导致处理效率低，能耗大，但热处理时间和温度相对灵活，材料的深冲性能好。另外在一些特殊热处理过程中，例如深冷处理时，如果需要将成卷的材料放入液氮中，需要控制温降速度，不能直接把成卷的金属直接放入到液氮液面以下，否则带卷的外层金属遇冷后收缩，而内层金属还没有开始温降，则外层金属的收缩会受到内层金属的阻碍而产生较大的温度应力。镁合金热膨胀系数大，大块厚料在温度应力的作用下容易造成破坏，所以目前镁合金的深冷处理一般都是针对块状镁合金板材或单件铸态镁合金。例如中国发明专利[201610429085.4]公开了一种镁合金铸锭变温均匀化退火等温冷却处理方法，包括如下步骤：将镁合金以10-20℃/min的速度升温至410-440℃，在410- 440℃下保温20-30小时，然后以40-50℃/min的速度降温至120-170℃，并在120-170℃下保温4-10小时。其发明所述的退火方式为罩式退火，且材料为铸态镁合金，加热时间长，效率低，能耗大。另外对于厚重的坯料在热处理时的升温和降温速度不能很快，且内外温差大，易产生温度应力。中国发明专利[201910182995.0]公开了一种卷尺用高精度超宽50钢冷轧钢带及其生产方法，它包括以下步骤完成：钢热轧钢带；酸洗切边；一次冷轧；一次退火；二次冷轧；松卷；二次退火；平整；涂油入库等。为了避免在钢卷在运输和吊装中散落，松卷采用四段阶梯张力进行松卷，第一阶段张力为20～23kN、第二阶段张力为15～17kN、第三阶段张力为11～13kN、第四阶段张力为7～9kN。张力松卷可减少在热处理时金属层间的粘连问题，但各层金属之间还是贴紧着的，整卷钢材达到热处理温度的传热时间较长。

为了获得良好的力学性能，轧制态镁合金板带有时需要进行高温快速热处理或急冷深冷处理，利用热冲击改善板材织构；另外为了防止因加热时间过长而造成的晶粒长大，和带卷内外层金属再结晶时间不同造成的性能不均，开发一种工艺简单且能综合连续退火和罩式退火方式优点，能高质、高效、节能地完成各种热处理，特别是满足成卷进行急冷急热处理要求的方法尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镁合金薄板成卷整体热处理装置及方法，克服现有技术的不足，针对薄规格变形镁合金板卷可实现效果均匀的急冷急热快速热处理，利用热冲击改善板材织构，防止因加热时间过长而造成的晶粒长大，和带卷内外层金属再结晶时间不同造成的性能不均问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

技术方案之一：一种镁合金薄板成卷整体热处理装置，包括散卷机、加热炉和液氮槽，三者之间通过吊车工艺连接，散卷机包括托盘、旋转底盘、电机和膨胀轴，膨胀轴垂直居中设置于托盘内，膨胀轴底部连接旋转底盘，旋转底盘下连接有电机，膨胀轴外径与镁合金板卷内径的套筒相匹配，托盘侧壁上设有用于固定板带头的插槽，插槽宽3-6mm。

所述膨胀轴为机械式或气胀式结构，外径变化量为5-50mm。

所述加热炉为室状炉、井式炉或罩式炉。

所述机械式膨胀轴结构包括固定轴、移动轴、移动套、胀瓦和连杆，固定轴与旋转底盘相连接，移动轴与固定轴顶部通过螺纹相连接，移动轴和固定轴的外侧设有移动套，移动套与固定轴之间设有滑键，移动套的外部与胀瓦之间通过连杆相连接，移动套端部设有端盖，移动轴顶部穿过端盖与锁紧螺母相连接。

技术方案之二：一种镁合金薄板成卷整体热处理方法，将镁合金板带卷在进行散卷操作后整体进入加热炉或液氮槽中热处理，具体包含以下步骤：

1）套筒上卷，将镁合金板坯在温轧机中轧制到1mm厚以下的板卷带，并在卷取机的套筒上张力收卷，得紧卷状态的镁合金板带卷，带卷内径200-600mm，外径300-1500mm；

2）散卷，将紧卷状态的镁合金板带卷及套筒一起套在散卷机上的膨胀轴上，板带卷置于旋转底盘上，调节膨胀轴外径向外胀出，套筒与膨胀轴箍紧；把板带卷外部带头固定在托盘侧壁上，启动减速机，使带卷按卷取反方向旋转，直到所有板带都被散开，使每层板带之间保持0.1-25mm的间隙；

3）热处理，将散卷的板带卷和托盘一同整体放入室状炉、罩式炉、井式炉或液氮罐中进行热处理，所述热处理包括固溶、时效、深冷淬火或热冲击方式中的任一种或任两种以上组合。

所述固溶处理是指在300℃~550℃下保温60~600分钟。

所述时效处理是指在加热炉中160℃~200℃温度下保温18~22小时。

所述深冷淬火是将卷板从罩式退火炉中取出，冷却至小于200℃，然后立刻放入液氮液面下静置1h～24h，取出后自然恢复至室温。

所述热冲击处理是指在加热炉中快速升温到400-550℃，升温速度为20-100℃/分钟，保温5-20分钟。

所述镁合金板带材质为AZ、AM、AS、ZC、ZK系以及稀土镁合金薄板带。

一般在金属板带紧卷状态下热处理时，需要把整个板卷都加热透了才开始计算加热时间，加热过程是由外及内的过程，表层的金属最先达到所需温度，处理时间较长，而整个带卷芯部由于需要一个传热过程，最后达到所需温度，处理的时间较表层金属短。另外整卷加热或冷却时，由于整卷金属的体积较大，加热、冷却速度上不去（芯部需要一个传热过程），不能急冷急热。而散卷状态下由于各层金属之间有间隙，加热时所有层的金属几乎同时加热升温，同时到达处理温度。因此本发明适合大多数镁合金板带材质的热处理工艺，可单独执行不同的热处理工艺，也可根据对带材性能调控的要求对热处理工艺进行组合，例如可以单独进行固溶处理，也可以进行固溶+深冷淬火处理，也可以是固溶+深冷淬火处理+时效，也可以单独进行快速加热的热冲击处理。热冲击处理时要在尽可能短时间内达到所需处理温度，由于处理过程时间短，在板带再结晶后，晶粒来不及长大，所以可获得良好的力学性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1）本发明使用的镁合金板卷厚度为1mm以下，是在张力下卷取轧制获得，可满足镁合金薄材的成卷工业化生产需求，可满足AZ、AM、AS、ZC、ZK系以及稀土镁合金薄板带或其它需要成卷整体热处理的金属板带的不同热处理工艺条件的要求。

2）本发明在散卷形式下将整卷镁合金材料直接进行各种急冷急热处理，由于材料很薄且卷层间有空隙，可使得整卷镁合金达到均匀化处理的效果，且适用于多种常规热处理方法，可根据对板材性能要求采用不同热处理工艺的组合，例如可单独进行固溶处理，也可进行固溶+深冷处理，或固溶+深冷处理+时效处理等。

3）本发明针对整卷镁合金材料进行热处理，综合了连续退火与罩式退火方法的优点，可满足薄规格变形镁合金带卷整体急冷急热快速热处理，适用范围广，设备占地面积小，能耗低，耗时短，质量好，效率高。

附图说明

图1为本发明一种镁合金薄板成卷整体热处理装置实施例示意图；

图2-1、图2-2为本发明散卷机实施例结构俯视图，显示镁合金板卷的散卷过程，图2-1表示镁合金板卷与膨胀轴的连接状态、图2-2表示镁合金板卷散卷后的状态；

图3为本发明膨胀轴实施例结构示意图。

图4为本发明套筒实施例结构示意图，套筒上开有用于固定镁合金板卷头的狭槽。

图5为本发明实施例1制备的未做散卷处理的内层AZ31镁合金热处理后显微组织图；

图6为本发明实施例1制备的散卷处理后的AZ31镁合金热处理后显微组织图；

图7未本发明实施例1制备的AZ31镁合金应力应变曲线图；

图8为本发明实施例2制备的未做散卷处理的内层AZ61镁合金热处理后显微组织图；

图9为本发明实施例2制备的散卷处理后的AZ61镁合金热处理后显微组织图；

图10为本发明实施例2制备的AZ61镁合金应力应变曲线图；

图11为本发明实施例3制备的散卷热冲击处理后的显微组织图。

图中：1-散卷机，2-加热炉，3-吊车，4-托盘，5-旋转底盘，6-电机，7-膨胀轴，8-镁合金板卷，9-插槽，10-套筒，11-轧机，12-液氮槽，13-板带，14-固定轴，15-移动轴，16-移动套，17-胀瓦，18-连杆，19-滑键，20-端盖，21-锁紧螺母。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明的具体要求实施方式作进一步说明。

见图1-图4，为本发明一种镁合金薄板成卷整体热处理装置实施例示意图，包括散卷机1、加热炉2和液氮槽12，三者之间通过吊车3工艺连接，散卷机1包括托盘4、旋转底盘5、电机6和膨胀轴7，膨胀轴7垂直居中设置于托盘4内，膨胀轴7底部连接旋转底盘5，旋转底盘5下连接有电机6，膨胀轴7外径与镁合金板卷8内径的套筒10相匹配，托盘4上设有用于固定板带头的插槽9，插槽9宽3-6mm，板带头插入插槽9后，可用垫板固定。散卷操作时，将由轧机11轧制的厚度1mm以下的板带13由收卷机在张力下收卷成卷紧的带卷，带卷内径200-600mm，外径300-1500mm。收卷时在镁合金板卷8中心置入一个套筒10，使镁合金板卷8方便借助套筒10和散卷机1上的膨胀轴7配合固定在托盘4中的旋转底盘5上，镁合金板卷8的外板头和托盘4固定。调节膨胀轴，使其与套筒10内壁胀紧，电机6逆向镁合金板卷8的收卷方向旋转时，达到散卷效果，每层金属之间保持0.1-25mm的间隙。

实施例中，吊车3为单梁吊车或桥式吊车。加热炉2为罩式退火炉或室状炉、井式炉均可。

膨胀轴7为机械式结构，结构包括固定轴14、移动轴15、移动套16、胀瓦17和连杆18，胀瓦17外径变化量为5-50mm。固定轴14与旋转底盘5相连接，移动轴与固定轴顶部通过螺纹相连接，移动轴和固定轴的外侧设有移动套16，移动套16与固定轴14之间设有滑键19，使移动套能沿固定轴表面垂直移动，移动套16的外部与胀瓦17之间通过连杆18相连接，移动套16端部设有端盖20，移动轴15顶部穿过端盖20与锁紧螺母21相连接。使用时，调节移动轴15，使移动套沿固定轴表面上下移动，连杆18变形，使胀瓦17向外胀出，直到与套筒10内壁顶紧，再将锁紧螺母21拧紧即完成板卷的固定。

图2-1、图2-2为本发明散卷机实施例结构俯视图，显示镁合金板卷8的散卷过程，图2-1表示镁合金板卷与膨胀轴散卷操作前的连接状态，图2-2表示镁合金板卷散卷操作后的状态，散卷操作后，反向操作，将套筒10与膨胀轴7分离，散卷后的镁合金板卷可和托盘4一起由吊车3按工艺要求运送到加热炉2和/或液氮槽12处进行相应热处理操作。

实施例1

选材AZ31镁合金，合金成分为3%Al、1%Zn、0.2%Mn，其余为Mg以及不可避免杂质元素。对该材料板带卷整体做固溶、深冷和时效处理的具体步骤如下：

1）套筒上卷，将AZ31镁合金板坯在温轧机中轧制到0.5mm厚的板卷带，并在卷取机的套筒上张力收卷，得紧卷状态的AZ31镁合金板带卷；

2）散卷，将紧卷状态的AZ31镁合金板带卷8及套筒10一起套在散卷机1上的膨胀轴7上，板带卷置于旋转底盘5上，调节膨胀轴7外径外扩，套筒10与膨胀轴7箍紧；把板带卷外部带头固定在托盘4上，启动电机机6，使带卷按卷取反方向旋转5~10周，控制电机6的旋转圈数，使每层板带13之间保持0.1-25mm的间隙；

3）固溶，将散卷的板带卷和托盘3中一同放入罩式退火炉中，将散卷的板带卷及托盘4整体放入罩式退火炉中进行固溶处理，在350℃下保温120分钟；

4）深冷淬火，将卷板从罩式退火炉中取出，冷却到100℃以下后，立刻放入液氮液面下静置1h～24h，取出后自然恢复至室温；

5）时效，将经过固溶、深冷淬火的AZ31镁合金板带卷作时效处理，将其放入加热炉中，在160℃温度下保温18小时，取出后空冷至室温，操作结束。

对比得知，未做散卷操作的AZ31镁合金带卷完成相同处理步骤时中间层的显微组织如图5所示；本实施例所处理的散卷后的AZ31镁合金板带卷显微组织如图6所示，本实施例所处理的AZ31镁合金应力应变曲线如图7所示。图5的晶粒平均尺寸约为35μm，图6晶粒平均尺寸约为16μm，散卷后的抗拉强度达到279MPa，延伸率达到13.6%，延伸率比未做任何处理的AZ31镁合金板带卷提高了158.8%，比未做散卷处理的AZ31镁合金提高了67.4%。在相同的热处理时间内，散卷传热速度快，组织再结晶完全，因此强度延伸率均比紧卷的材料有提高。

实施例2

选材为AZ61镁合金，合金成分为6.5%Al、1%Zn、0.15%Mn，其余为Mg以及不可避免杂质元素。实施例2对该材料板带卷整体做固溶、深冷和时效处理的具体步骤同实施例1。不同之处是固溶为300℃~350℃下保温5~6小时，深冷淬火和时效的参数同实施例1。

经对比，未散卷的AZ61镁合金板带卷内层显微组织如图8所示；本实施例所处理的散卷后的AZ61镁合金板带卷内层显微组织如图9所示；本实施例所处理的AZ61镁合金应力应变曲线如图10所示。图8中的晶粒平均尺寸约为42μm，图9中的晶粒平均尺寸约为20μm，散卷后的抗拉强度达到312MPa，延伸率达到12.5%，延伸率比未做任何处理的AZ61镁合金板带卷提高了257.1%，比未做散卷处理的AZ61镁合金提高了108.3%。

实施例3

选材为AZ31镁合金，合金成分为3%Al、1%Zn、0.2%Mn，其余为Mg以及不可避免杂质元素。实施例3对该材料板带卷的套筒上卷和散卷过程具体步骤同实施例1。把板带卷和托盘一起放入500℃的加热炉中进行热冲击处理，保温15分钟，把板卷从加热炉中取出。经过热冲击处理后的AZ31金相组织如图11所示，晶粒平均尺寸约为26μm，室温延伸率达到了14%，效果与固溶处理350℃，120分钟的处理效果相当，因此可大大提高生产效率。

Claims (8)

1.一种镁合金薄板成卷整体热处理装置，其特征在于，包括散卷机、加热炉和液氮槽，三者之间通过吊车工艺连接，散卷机包括托盘、旋转底盘、电机和膨胀轴，膨胀轴垂直居中设置于托盘内，膨胀轴底部连接旋转底盘，旋转底盘下连接有电机，膨胀轴外径与镁合金板卷内径的套筒相匹配，托盘侧壁上设有用于固定板带头的插槽，插槽宽3-6mm；

所述膨胀轴为机械式或气胀式结构，外径变化量为5-50mm；

所述机械式膨胀轴结构包括固定轴、移动轴、移动套、胀瓦和连杆，固定轴与旋转底盘相连接，移动轴与固定轴顶部通过螺纹相连接，移动轴和固定轴的外侧设有移动套，移动套与固定轴之间设有滑键，移动套的外部与胀瓦之间通过连杆相连接，移动套端部设有端盖，移动轴顶部穿过端盖与锁紧螺母相连接。

2.根据权利要求1所述一种镁合金薄板成卷整体热处理装置，其特征在于：所述加热炉为室状炉、井式炉或罩式炉。

3.一种采用如权利要求1-2任一项所述的镁合金薄板成卷整体热处理装置进行热处理的方法，其特征在于，将镁合金板带卷在进行散卷操作后整体进入加热炉或液氮槽中热处理，具体包含以下步骤：

1）套筒上卷，将镁合金板坯在温轧机中轧制到1mm厚以下的板卷带，并在卷取机的套筒上张力收卷，得紧卷状态的镁合金板带卷，带卷内径200-600mm，外径300-1500mm；

2）散卷，将紧卷状态的镁合金板带卷及套筒一起套在散卷机上的膨胀轴上，板带卷置于旋转底盘上，调节膨胀轴外径向外胀出，套筒与膨胀轴箍紧；把板带卷外部带头固定在托盘侧壁上，启动电机，使带卷按卷取反方向旋转，直到所有板带都被散开，使每层板带之间保持0.1-25mm的间隙；

3）热处理，将散卷的板带卷和托盘一同整体放入室状炉、罩式炉、井式炉或液氮罐中进行热处理，所述热处理包括固溶、时效、深冷淬火或热冲击方式中的任一种或任两种以上组合。

4.根据权利要求3所述一种镁合金薄板成卷整体热处理方法，其特征在于：所述固溶处理是指在300℃~550℃下保温60~600分钟。

5.根据权利要求3所述一种镁合金薄板成卷整体热处理方法，其特征在于：所述时效处理是指在加热炉中160℃~200℃温度下保温18~22小时。

6.根据权利要求3所述一种镁合金薄板成卷整体热处理方法，其特征在于：所述深冷淬火是将卷板从罩式退火炉中取出，冷却至小于200℃，然后立刻放入液氮液面下静置1h～24h，取出后自然恢复至室温。

7.根据权利要求3所述一种镁合金薄板成卷整体热处理方法，其特征在于：所述热冲击处理是指在加热炉中快速升温到400-550℃，升温速度为20-100℃/分钟，保温5-20分钟。

8.根据权利要求3所述一种镁合金薄板成卷整体热处理方法，其特征在于：所述镁合金板带材质为AZ、AM、AS、ZC、ZK系以及稀土镁合金薄板带。

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