CN111360072A - 一种基于高频电流辅助的轧制设备及大压下量轧制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于高频电流辅助的轧制设备及大压下量轧制方法，属于金属材料加工成形领域，其中高频电流辅助的轧制设备包括支架、上电刷架、下电刷架、上电刷、下电刷、上轧辊、下轧辊、上绝缘输送辊、下绝缘输送辊、导线、高频脉冲电源以及红外测温仪。与传统的轧制方法相比，本发明的轧制设备针对成形部位施加高频脉冲电流，在电致塑性效应的作用下实现了高合金含量板材室温单道次大压下量轧制，由此减少了难变形合金轧制成形所需要的多道次及道次间退火过程，降低了生产能耗。本发明的轧制方法适用于高合金含量铝、镁等轻合金的加工，优点是有利于细化晶粒、改善织构、提高材料成形性以及力学性能。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工成形领域，具体涉及一种基于高频电流辅助的轧制设备及大压下量轧制方法。
背景技术
镁及镁合金具有低密度、高比强度、良好的电磁屏蔽性、导电导热性以及优良的焊接性和加工性等优点，是目前工业上最轻的应用金属结构材料和特殊用途的功能材料，被广泛地应用于交通运输、3C产品、化工、电子、医疗器械等军事工业和民用工业。此外，镁合金可回收利用，对环境友好，被誉为“21世纪的绿色工程材料”和“第三大金属结构材料”。国家工信部针对镁深加工产品列出十一项重点发展内容，其中有五项为镁合金板带材产品，可见镁合金板在未来发展的重要性，因此镁板也成为了目前镁业深加工领域最具发展潜力的产品。但由于镁合金晶体结构是密排六方结构、滑移系少、室温变形能力差，导致镁板轧制过程中会存在以下问题：
1.在室温下，轧制成形困难，板材易出现边裂、表面微裂纹等缺陷，成品率低，所以需要在成形之前进行保温处理以及在高温下成形；在加工之前进行保温处理，延长加工周期，能量消耗大；在高温下成形，合金表面易氧化，且镁合金热容小，对温度非常敏感，最终组织和性能难以控制。
2.对于高合金含量镁合金，需要在较高温度下进行多道次轧制，并进行道次间退火处理，工艺复杂，导致效率低、生产流程长。
发明内容
本发明的主要目的是为了解决传统轧制工艺成形困难、能源消耗大、生产流程长、成品率低、成本高、难以制备高合金镁合金薄板等问题，提出了一种基于高频电流辅助的适合于加工高合金含量镁合金的轧制设备及大压下量轧制方法。
本发明采取的技术方案：
1.一种基于高频电流辅助的轧制设备，包括支架(1)、上电刷架(2)、下电刷架(3)、上电刷(4)、下电刷(5)、上轧辊(6)、下轧辊(7)、上绝缘输送辊(8)、下绝缘输送辊(9)高频脉冲电源(10)、导线(11)、红外测温仪(12)，所述的上电刷架(2)和下电刷架(3)分别固定在支架(1)上，上电刷架(2)和上电刷(4)固定在上轧辊(6)的上部，上电刷(4)固定在上电刷架(2)的下部，下电刷架(3)和下电刷(5)固定在下轧辊(7)的下部，下电刷(5) 固定在下电刷架(3)的上部，上电刷(4)与上轧辊(6)表面相接触，下电刷 (5)与下轧辊(7)表面相接触，上电刷(4)通过导线(11)与高频脉冲电源 (10)的正极连接，下电刷(5)通过导线(11)与高频脉冲电源(10)的负极连接，上轧辊(6)、下轧辊(7)、上绝缘输送辊(8)和下绝缘输送辊(9)中心轴相互平行。红外测温仪手持，用于监控上轧辊(6)和下轧辊(7)中间变形坯料温度，实现安全生产。
2.一种基于高频电流辅助的轧制设备进行合金坯料大压下量的轧制方法，包括如下步骤：
步骤(1)：选取厚度为1～3mm结构钢的垫板2块，厚度为5～15mm的合金挤压坯料1块，将2块垫板分别置于合金挤压坯料的上下表面，并通过铁丝缠绕的方式将垫板和合金挤压坯料固定获得垫板包覆的合金挤压坯料；
步骤(2)：将步骤(1)所述的垫板包覆的合金挤压坯料经上绝缘输送辊(8) 和下绝缘输送辊(9)输送到上轧辊(6)和下轧辊(7)之间进行轧制，开启高频脉冲电源(10)，上轧辊(6)、下轧辊(7)同步转动，速度为5～50r/min，其中上轧辊(6)顺时针转动，下轧辊(7)逆时针转动，轧制10～20s获得合金板；
步骤(1)所述的垫板为Q235普通碳素结构钢，所述的合金挤压坯料为铝或镁合金挤压坯料；
步骤(2)所述的轧制为大压下量轧制，压下量为60％～95％，脉冲电压为200～400V，脉冲频率为100～1000Hz，脉冲宽度为20～120μs，施加电流为50～1200A。本发明与现有常规轧制技术对比的优势是：
1.本发明的高频电流辅助轧制设备及大压下量轧制方法，将高频电流施加到轧辊处，利用电致塑性作用，使坯料更易变形，可实现室温单道次大压下量成形；
2.本发明可对铝、镁等轻合金尤其是高合金含量轻合金进行大应变轧制加工，对细化晶粒、提升轻合金板材力学性能有显著作用；
3.轧制过程中对高频电流、脉宽、频率进行控制，同时用测温单元实时监控成形部位温度，实现安全可控生产；
4.在室温下成形，减少了保温及道次间退火过程，简化生产工艺，减少能耗，实现高效率、低成本、短流程生产。
附图说明
图1为高频电流辅助的轧制设备结构示意图；
图2(a)为AZ91合金材料经400℃8道次轧制的表观形貌图，(b)为实施例 2轧制的AZ91合金材料表观形貌图；
图3(a)为本发明实施例2中轧制前AZ91坯料电子背散射衍射(EBSD)成像图，(b)为经80％压下量轧制的AZ91镁合金微观组织的电子背散射衍射(EBSD) 成像图。
具体实施方式
下面结合图1、2和3和实施例对本发明作进一步说明，具体说明本发明的设备及实施方法。
实施例1基于高频电流辅助的轧制设备的结构
基于高频电流辅助的轧制设备，包括支架(1)、上电刷架(2)、下电刷架(3)、上电刷(4)、下电刷(5)、上轧辊(6)、下轧辊(7)、上绝缘输送辊(8)、下绝缘输送辊(9)、高频脉冲电源(10)、导线(11)、红外测温仪(12)，所述的上电刷架(2)和下电刷架(3)分别固定在支架(1)上，上电刷架(2)和上电刷(4)固定在上轧辊(6)的上部，上电刷(4)固定在上电刷架(2)的下部，下电刷架(3)和下电刷(5)固定在下轧辊(7)的下部，下电刷(5) 固定在下电刷架(3)的上部，上电刷(4)与上轧辊(6)表面相接触，下电刷 (5)与下轧辊(7)表面相接触，上电刷(4)通过导线(11)与高频脉冲电源 (10)的正极连接，下电刷(5)通过导线(11)与高频脉冲电源(10)的负极连接，上轧辊(6)、下轧辊(7)、上绝缘输送辊(8)和下绝缘输送辊(9)中心轴相互平行。
实施例2采用本发明轧制设备及大压下量轧制工艺对AZ91镁合金进行轧制选取厚度为1mm、上下表面光滑的Q235辅助垫板两块，厚度为10mm的商业 AZ91镁合金挤压坯料一块；
将AZ91镁合金挤压坯料与辅助垫板采用铁丝缠绕的方式固定获得垫板包覆的镁合金挤压坯料，再将垫板包覆的合金坯料经上绝缘输送辊8和下绝缘输送辊9 输送到上轧辊6和下轧辊7之间进行单道次、大压下量的轧制，总压下量为95％，并开启高频脉冲电源10，上轧辊6、下轧辊7同步转动，速度为50r/min，其中上轧辊6顺时针转动，下轧辊7逆时针转动，电压为380V，脉冲频率为400Hz，脉冲宽度为30μs，施加电流为1000A，轧制10s获得合金板。采用红外测温仪 (12)不定时测量上轧辊6和下轧辊7之间合金坯料的温度，以保证安全生产。轧制后镁合金材料屈服强度为320MPa，抗拉强度为380MPa，断裂延伸率为12％。如果按照传统方法对上述合金坯料进行轧制，所需温度为400℃，道次为8道次。
实施例3采用本发明轧制设备对Mg-8Al-2Sn-1Zn合金的轧制选取厚度为2mm、上下表面光滑的Q235辅助垫板2块，实验室制备的厚度为 8mm的Mg-8Al-2Sn-1Zn合金挤压坯料一块；
将2块垫板分别置于合金挤压坯料的上下表面，再将Mg-8Al-2Sn-1Zn合金挤压坯料与辅助垫板采用铁丝缠绕的方式固定获得垫板包覆的合金坯料，再将垫板包覆的合金坯料经上绝缘输送辊8和下绝缘输送辊9输送到上轧辊6和下轧辊7 之间进行单道次、大压下量的轧制，总压下量为85％，并开启高频脉冲电源10，上轧辊6、下轧辊7同步转动，速度为30r/min，其中上轧辊6顺时针转动，下轧辊7逆时针转动，调整脉冲电源设定电压为220V，脉冲频率为400Hz，脉冲宽度为25μs，施加电流为1000A，轧制12s获得合金板。采用红外测温仪(12) 不定时测量上轧辊6和下轧辊7之间合金坯料的温度，以保证安全生产。
轧制后合金材料屈服强度为234MPa，抗拉强度为340MPa，断裂延伸率为18％。如果按照传统方法对上述合金坯料进行轧制，所需温度为350℃，道次为8道次。
实施例4采用本发明轧制设备对WE43镁合金的轧制
选取厚度为2mm、上下表面光滑的Q235辅助垫板2块，厚度为10mm的商业 WE43镁合金挤压坯料一块；
将2块垫板分别置于合金挤压坯料的上下表面，再将WE43镁合金挤压坯料与辅助垫板采用铁丝缠绕的方式固定获得垫板包覆的合金坯料，再将垫板包覆的合金坯料经上绝缘输送辊8和下绝缘输送辊9输送到上轧辊6和下轧辊7之间进行单道次、大压下量的轧制，总压下量为80％，并开启高频脉冲电源10，上轧辊6、下轧辊7同步转动，速度为20r/min，其中上轧辊6顺时针转动，下轧辊 7逆时针转动，调整脉冲电源设定电压为220V，脉冲频率为500Hz，脉冲宽度为30μs，施加电流为800A，轧制18s获得合金板。采用红外测温仪(12)不定时测量上轧辊6和下轧辊7之间合金坯料的温度，以保证安全生产。
轧制后合金材料屈服强度为278MPa，抗拉强度达到333MPa，断裂延伸率为10％。如果按照传统方法对上述合金坯料进行轧制，所需温度为400℃，道次为4道次。
实施例5采用本发明轧制设备对WE94镁合金的轧制
选取厚度为2.5mm、上下表面光滑的Q235辅助垫板2块，厚度为10mm的商业 WE94镁合金挤压坯料一块；
将2块垫板分别置于合金挤压坯料的上下表面，再将WE94镁合金挤压坯料与辅助垫板采用铁丝缠绕的方式固定获得垫板包覆的合金坯料，再将垫板包覆的合金坯料经上绝缘输送辊8和下绝缘输送辊9输送到上轧辊6和下轧辊7之间进行单道次、大压下量的轧制，总压下量为60％，并打开高频脉冲电源10，上轧辊6、下轧辊7同步转动，速度为10r/min，其中上轧辊6顺时针转动，下轧辊 7逆时针转动，调整脉冲电源设定电压为380V，脉冲频率为300Hz，脉冲宽度为42μs，施加电流为1200A，轧制20s获得合金板。采用红外测温仪(12)不定时测量上轧辊6和下轧辊7之间变形合金坯料的温度，以保证安全生产。
轧制后合金屈服强度为354MPa，抗拉强度达到390MPa，断裂延伸率为8％。如果按照传统方法对上述合金坯料进行轧制，所需温度为450℃，道次为6道次。本发明的优势在于：利用高频电流取代传统的加热炉加热，有针对性的对成形部位施加高能高频电流，在电致塑性效应的作用下，能够降低成形的能耗及所需要的道次，提高材料成形率，实现高效率、低成本、短流程生产。利用高频电流的独特优势，使难变形轻合金材料在室温下即可进行大压下量轧制变形加工，轧制后坯料表面良好，无明显微裂纹，且轧制组织均匀细小，极大地提高了轧制轻合金板材力学性能。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种基于高频电流辅助的轧制设备，包括支架(1)、上电刷架(2)、下电刷架(3)、上电刷(4)、下电刷(5)、上轧辊(6)、下轧辊(7)、上绝缘输送辊(8)、下绝缘输送辊(9)、高频脉冲电源(10)、导线(11)、红外测温仪(12)，其特征在于：所述的上电刷架(2)和下电刷架(3)分别固定在支架(1)上，上电刷架(2)和上电刷(4)固定在上轧辊(6)的上部，上电刷(4)固定在上电刷架(2)的下部，下电刷架(3)和下电刷(5)固定在下轧辊(7)的下部，下电刷(5)固定在下电刷架(3)的上部，上电刷(4)与上轧辊(6)表面相接触，下电刷(5)与下轧辊(7)表面相接触，上电刷(4)通过导线(11)与高频脉冲电源(10)的正极连接，下电刷(5)通过导线(11)与高频脉冲电源(10)的负极连接，上轧辊(6)、下轧辊(7)、上绝缘输送辊(8)和下绝缘输送辊(9)中心轴相互平行。
2.根据权利要求1所述的一种基于高频电流辅助的轧制设备进行合金坯料大压下量的轧制方法，包括如下步骤：
步骤(1)：选取厚度为1～3mm结构钢的垫板2块，厚度为5～15mm的合金挤压坯料1块，将2块垫板分别置于合金挤压坯料的上下表面，并通过铁丝缠绕的方式将垫板和合金挤压坯料固定获得垫板包覆的合金挤压坯料；
步骤(2)：将步骤(1)所述的垫板包覆的合金挤压坯料经上绝缘输送辊(8)和下绝缘输送辊(9)输送到上轧辊(6)和下轧辊(7)之间进行轧制，开启高频脉冲电源(10)，上轧辊(6)、下轧辊(7)同步转动，速度为5～50r/min，其中上轧辊(6)顺时针转动，下轧辊(7)逆时针转动，并采用红外测温仪(12)不定时测量上轧辊6和下轧辊7之间变形合金挤压坯料的温度，轧制10～40s获得合金板。
3.根据权利要求2所述的一种基于高频电流辅助的轧制设备进行合金坯料大压下量的轧制方法，其特征在于：步骤(1)所述的垫板为Q235普通碳素结构钢，所述的合金挤压坯料为铝或镁合金挤压或铸轧板坯料。
4.根据权利要求2所述的一种基于高频电流辅助的轧制设备进行合金坯料大压下量的轧制方法，其特征在于：步骤(2)所述的轧制为单道次大压下量轧制，压下量为60～95％，所述高频脉冲电源(10)的脉冲电压为200～400V，脉冲频率为100～1000Hz，脉冲宽度为20～120μs，施加电流为800～1200A。
5.根据权利要求2所述的一种基于高频电流辅助的轧制设备进行合金坯料大压下量的轧制方法，其特征在于：步骤(2)所述的轧制时间为10～20s。
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