CN116213456A - 一种多向轧制制备高强度弱织构镁合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种多向轧制制备高强度弱织构镁合金的方法，属于镁合金轧制加工技术领域，该方法将镁合金放入加热箱中加热并保温一段时间，在轧机中进行热轧工艺，轧制过程中轧制方向沿前一道次轧制方向顺时针或逆时针旋转120°，旋转一周可进行三道次轧制，并可重复进行多周轧制，轧制的总压下量为60‑95％。其中，第一道次为小压下量5‑20％轧制，后两道次压下量为20‑55％。本发明通过针对镁的特殊晶格‑密排六方晶格设计出特殊的120°多向轧制工艺，符合密排六方的对称性，使所制备的镁合金板材基面织构弱化，降低各向异性，改善组织均匀性，提高镁合金板材的力学性能及可成型性。

Description

一种多向轧制制备高强度弱织构镁合金的方法
技术领域
本发明属于镁合金轧制加工技术领域，具体涉及一种多向轧制制备高强度弱织构镁合金的方法。
背景技术
镁合金作为最轻的工程结构金属材料，具有高比强度、高导电导热性、高阻尼减震性、高静电屏蔽性以及良好的再生回用等优点，在航空航天、汽车和通讯等领域备受青睐。尤其在汽车轻量化方面，提高镁合金使用率将显著降低汽车重量，节省燃料以及CO2排放量，达到节能减耗的作用。镁的密排六方晶格结构，导致镁合金变形过程中可协调的滑移系少，塑性变形能力差，轧制过程中开裂严重，加工后抗拉强度低，在很多场合限制了其应用。
在众多成型工艺中，轧制工艺是生产镁合金板材的重要手段之一，轧制技术的不同将会造成镁合金性能各异，进而影响镁合金的未来发展前景和应用前景。常规轧制工艺因为加工方法简单，操作方便，常用于工业加工，但会使镁合金产生强烈的基面织构和较强的各向异性，各向异性的增强对镁合金板材的后续加工与变形严重有害，降低力学性能，影响成材率。因此，近年来学者们研究出了一些新的轧制方法和工艺，例如异步轧制、交叉辊轧制、交叉轧制、等径角轧制、累积叠轧等。
异步轧制通过使上、下工作辊的表面产生一定的速度差形成搓轧区，具有优异的轧薄能力，晶粒细化作用更强，轧制过程中不同工艺参数对镁合金组织与性能的影响各异，对于温度、轧制速度等工艺参数还需调节。
交叉辊轧制和等径角轧制等是通过增加额外剪切应力的方式从而产生新的剪切变形，使基面织构发生偏转，导致基面织构弱化，其受模具结构的限制只允许形成小零件，不能应用于大规模工业生产。
累积叠轧不仅成本较低，工艺简单，在厚度方向可以获得的应变是不受限制的。在相关研究中镁合金的性能强度和塑性不能兼备，随着循环道次的增加，基面织构为强织构，加速板材的断裂。
交叉轧制在轧制过程中的轧制方向会发生改变，每轧制一道次轧制方向旋转一定角度如45°、90°，能够明显改善板材各项异性和室温冲压性能，实现强度和延展性的同时提高，降低基面织构强度，促进非基面织构产生等优点。因为轧制方式对板材有所限制，交叉轧制加工工艺复杂，不适用于镁合金板材的大规模制备。
发明内容
本发明提出了一种多向轧制制备高强度弱织构镁合金的方法，旨在提供一种工艺简单、利于镁合金板材成型的加工方法，使得所制备的镁合金板材强度提高的同时延展性提高，解决传统交叉轧制工艺复杂，不适合大批量生产等问题。本发明所采用的技术方案是：
一种多向轧制制备高强度弱织构镁合金的方法，具体包括以下步骤：
(1)将轧辊温度加热至50～250℃，将加热箱加热至150～400℃；
(2)将镁合金板材放入加热箱中静置保温5～30min；
(3)将镁合金板材送入轧辊之间，完成单道次轧制，压下量为5～20％，轧制速度为150～160mm/s；
(4)将镁合金板材再次放入加热箱中静置保温5～30min；
(5)将镁合金板材以步骤(3)轧制方向为轴，顺时针或逆时针旋转120°，送入轧辊之间，完成第二道次轧制，压下量为20～55％，轧制速度为150～160mm/s；
(6)将镁合金板材再次放入加热箱中静置保温5～30min；
(7)将镁合金板材以步骤(5)轧制方向为轴，旋转120°，旋转方向与步骤(5)旋转方向一致，送入轧辊之间，完成第三道次轧制，压下量为20～55％，轧制速度为150～160mm/s；
(8)经退火处理后完成轧制。
本发明可进行更多道次轧制，重复步骤(2)～步骤(7)并逐道次增大压下量可进行多周轧制。本发明中多向热轧的总轧制压下量为60～95％。
作为优选的，步骤(2)的镁合金板材可选择Mg-3Al-1Zn、Mg-2Al-0.8Sn、Mg-2Al-0.8Sn-0.5Ca、Mg-6Al-0.5Mn、Mg-2Zn-1.2Ca等。
步骤(8)所述退火处理是将步骤(7)轧制后的镁合金板材再次放入加热箱中保温20～50min。
与现有方法相比，本发明有如下有益效果：
(1)本发明工艺简单可靠、易于操作、加工成本低，是易于实现大规模应用的镁合金加工方法；
(2)镁合金的120度的多向轧制工艺设计使得轧制过程针对于镁的晶格方向轧制，每道次都能在晶格的方向施加力，促使晶粒沿不同晶格方向偏移，弱化织构，降低板材面内各向异性；
(3)本发明由于可以弱化织构、细化晶粒，因此可以大幅提高镁合金板材力学性能，提高镁合金板材的成形性。
附图说明
图1为非旋转轧制工艺示意图；
图2为实施例1中Mg-2Al-0.8Sn-0.18Ca(wt.％)合金板材多向轧制的室温拉伸曲线；
图3为实施例1中Mg-2Al-0.8Sn-0.18Ca(wt.％)合金板材多向轧制的EBSD晶粒尺寸图和IPF图。
具体实施方法
下面以具体实施例的形式对本发明技术方案做进一步解释和说明。
实施例1
(1)选取厚度为3.7毫米的，成分为Mg-2Al-0.8Sn-0.18Ca(wt.％)的镁合金板材一块；
(2)将轧辊辊缝调至3.0毫米，并将轧辊温度和加热箱温度分别升高到100℃和350℃；
(3)将镁合金板材放入加热箱中，静置保温6分钟；
(4)将镁合金板材送入轧辊之间，完成单道次轧制，轧制压下量为20％，轧辊转速为20rpm，轧辊直径为150mm；
(5)将镁合金板材再次放入加热箱中，静置保温6分钟；
(6)将镁合金板材以步骤(4)轧制方向为轴顺时针旋转120°；
(7)将轧辊辊缝调至2.18毫米，并将镁合金板材送入轧辊之间，完成第二道次轧制，轧制压下量为27％，轧辊转速为20rpm，轧辊直径为150mm；
(8)将镁合金板材再次放入加热箱中，静置保温6分钟；
(9)将镁合金板材以步骤(6)轧制方向为轴顺时针旋转120°；
(10)将轧辊辊缝调至0.96毫米，并将镁合金板材送入轧辊之间，完成第三道次轧制，轧制压下量为56％，总轧制压下量为74％，轧辊转速为20rpm，轧辊直径为150mm；
(11)将轧制后的轧件放入加热箱中保温40min，进行退火处理。
多向轧制并退火处理后，板材屈服强度为～200.5MPa，抗拉强度为～253.3MPa，断裂延伸率为～21.9％，多向轧制的加工方法通过使基面织构偏转，减弱基面织构的方法，显著增加了合金的室温力学性能。
实施例2
(1)选取厚度为4毫米的，成分为Mg-2Al-0.8Sn-0.18Ca(wt.％)的镁合金板材一块；
(2)将轧辊辊缝调至3.2毫米，并将轧辊温度和加热箱温度分别升高到100℃和350℃；
(3)将镁合金板材放入加热箱中，静置保温6分钟；
(4)将镁合金板材送入轧辊之间，完成单道次轧制，轧制压下量为20％，轧辊转速为20rpm，轧辊直径为150mm；
(5)将镁合金板材再次放入加热箱中，静置保温6分钟；
(6)将镁合金板材以步骤(4)轧制方向为轴顺时针旋转120°；
(7)将轧辊辊缝调至2.2毫米，并将镁合金板材送入轧辊之间，完成第二道次轧制，轧制压下量为30％，轧辊转速为20rpm，轧辊直径为150mm；
(8)将镁合金板材再次放入加热箱中，静置保温6分钟；
(9)将镁合金板材以步骤(6)轧制方向为轴顺时针旋转120°；
(10)将轧辊辊缝调至1.2毫米，并将镁合金板材送入轧辊之间，完成第三道次轧制，轧制压下量为45％，总轧制压下量为70％，轧辊转速为20rpm，轧辊直径为150mm；
(11)将轧制后的轧件放入加热箱中保温30min，进行退火处理。
对比例1
该4毫米的合金板材还进行了一组常规单道次热轧实验作为对照，其中轧制温度与压下量和多向热轧相同。
实施例2多向轧制并退火处理后，板材屈服强度为～200MPa，抗拉强度为～280MPa，断裂延伸率为～22％，EBSD观察基面织构的强度～8mrd，晶粒尺寸～3.5μm；
对比例1常规热轧并退火处理后，板材屈服强度为～150MPa，抗拉强度为～210MPa，断裂延伸率为～18％，EBSD观察基面织构的强度～17mrd，晶粒尺寸～22μm，多向轧制的加工方法显著地降低了基面织构的强度，明显提升了合金的室温力学性能。
实施例3
(1)选取厚度为5毫米的，成分为Mg-2Al-0.8Sn-0.5Ca(wt.％)的镁合金板材一块；
(2)将轧辊辊缝调至4.3毫米，并将轧辊温度和加热箱温度分别升高到100℃和350℃；
(3)将镁合金板材放入加热箱中，静置保温6分钟；
(4)将镁合金板材送入轧辊之间，完成单道次轧制，轧制压下量为13％，轧辊转速为20rpm，轧辊直径为150mm；
(5)将镁合金板材再次放入加热箱中，静置保温6分钟；
(6)将镁合金板材以步骤(4)轧制方向为轴顺时针旋转120°；
(7)将轧辊辊缝调至3.7毫米，并将镁合金板材送入轧辊之间，完成第二道次轧制，轧制压下量为15％，轧辊转速为20rpm，轧辊直径为150mm；
(8)将镁合金板材再次放入加热箱中，静置保温6分钟；
(9)将镁合金板材以步骤(7)轧制方向为轴顺时针旋转120°；
(10)将轧辊辊缝调至3.0毫米，并将镁合金板材送入轧辊之间，完成第三道次轧制，轧制压下量为18％，轧辊转速为20rpm，轧辊直径为150mm；
(11)将镁合金板材再次放入加热箱中，静置保温6分钟；
(12)将镁合金板材以步骤(10)轧制方向为轴顺时针旋转120°；
(13)将轧辊辊缝调至2.4毫米，并将镁合金板材送入轧辊之间，完成第四道次轧制，轧制压下量为22％，轧辊转速为20rpm，轧辊直径为150mm；
(14)将镁合金板材再次放入加热箱中，静置保温6分钟；
(15)将镁合金板材以步骤(13)轧制方向为轴顺时针旋转120°；
(16)将轧辊辊缝调至1.7毫米，并将镁合金板材送入轧辊之间，完成第五道次轧制，轧制压下量为30％，轧辊转速为20rpm，轧辊直径为150mm；
(17)将镁合金板材再次放入加热箱中，静置保温6分钟；
(18)将镁合金板材以步骤(16)轧制方向为轴顺时针旋转120°；
(19)将轧辊辊缝调至1.0毫米，并将镁合金板材送入轧辊之间，完成第六道次轧制，轧制压下量为40％，总轧制压下量为70％，轧辊转速为20rpm，轧辊直径为150mm；
(20)将轧制后的轧件放入加热箱中保温30min，进行退火处理。
多向轧制并退火处理后，板材屈服强度为～238MPa，抗拉强度为～289.7MPa，断裂延伸率为～20.7％。
实施例4
(1)选取厚度为5毫米的，成分为Mg-2Al-1Zn(wt.％)的镁合金板材一块；
(2)将轧辊辊缝调至4.5毫米，并将轧辊温度和加热箱温度分别升高至100℃和350℃；
(3)将镁合金板材放入加热箱中，静置保温6分钟；
(4)将镁合金板材送入轧辊之间，完成单道次轧制，轧制压下量为15％，轧辊转速为20rpm，轧辊直径为150mm；
(5)将镁合金板材再次放入加热箱中，静置保温6分钟；
(6)将镁合金板材以步骤(4)轧制方向为轴顺时针旋转120°；
(7)将轧辊辊缝调至2.48毫米，并将镁合金板材送入轧辊之间，完成第二道次轧制，轧制压下量为45％，轧辊转速为20rpm，轧辊直径为150mm；
(8)将镁合金板材再次放入加热箱中，静置保温6分钟；
(9)将镁合金板材以步骤(7)轧制方向为轴顺时针旋转120°；
(10)将轧辊辊缝调至1.20毫米，并将镁合金板材送入轧辊之间，完成第三道次轧制，轧制压下量为55％，总轧制压下量为76％，轧辊转速为20rpm，轧辊直径为150mm；
(11)将轧制后的轧件放入加热箱中保温35min，进行退火处理。
多向轧制并退火处理后，板材屈服强度为～197.6MPa，抗拉强度为～260.7MPa，断裂延伸率为～23％。
由于镁合金具有独特的密排六方结构，与常规立方结构不同，六方晶格具备沿C轴的6次对称性，即每转动60°对于具有强基面织构的镁合金板材，晶粒取向不变，因此可以采用60°角的旋转轧制，增加柱面、棱柱面织构的激活能，削弱基面织构的强度，提高镁合金的力学性能，改善成形性。由于每60°轧制一道次需要六次才能轧制一周，工艺复杂繁琐，不适合大批量生产。
本发明在传统多道次热轧制工艺基础上，每道次间将板材以其前一道次轧制方向为轴顺时针或逆时针旋转120°，以对板材施加不同方向的轧制力，促进位错堆积；基于镁的结构为密排六方结构，具备C轴的6次对称性(转60°织构状态不变)，轧制方向以120°角沿一定方向旋转，一周共轧制三道次。因此设计出120°三道次轧制方法，120°属于两个60°叠加，符合镁合金的晶格结构。本发明基于镁的特殊密排六方结构，设计出独特的120°角的多向轧制工艺，能够提高镁合金的力学性能及提高成形性。
上述实施例仅作为本发明技术方案的优选以帮助本领域技术人员理解本发明的技术方案，在发明内容所公开的范围内均可取得相同或相似的技术效果。

Claims (8)

1.一种多向轧制制备高强度弱织构镁合金的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
(1)将轧辊温度加热至50～250℃，将加热箱加热至150～400℃；
(2)将镁合金板材放入加热箱中静置保温5～30min；
(3)将镁合金板材送入轧辊之间，完成单道次轧制，压下量为5～20％，轧制速度为150～160mm/s；
(4)将镁合金板材再次放入加热箱中静置保温5～30min；
(5)将镁合金板材以步骤(3)轧制方向为轴，顺时针或逆时针旋转120°，送入轧辊之间，完成第二道次轧制，压下量为20～55％，轧制速度为150～160mm/s；
(6)将镁合金板材再次放入加热箱中静置保温5～30min；
(7)将镁合金板材以步骤(5)轧制方向为轴，旋转120°，旋转方向与步骤(5)旋转方向一致，送入轧辊之间，完成第三道次轧制，压下量为20～55％，轧制速度为150～160mm/s；
(8)经退火处理后完成轧制。
2.根据权利要求1所述多向轧制制备高强度弱织构镁合金的方法，其特征在于，在步骤(8)退火处理前，通过重复步骤(2)～步骤(7)并逐道次增大压下量以进行多周轧制。
3.根据权利要求2所述多向轧制制备高强度弱织构镁合金的方法，其特征在于，总轧制压下量为60～95％。
4.根据权利要求1所述多向轧制制备高强度弱织构镁合金的方法，其特征在于，步骤(2)的镁合金板材的材质为Mg-3Al-1Zn、Mg-2Al-0.8Sn、Mg-2Al-0.8Sn-0.5Ca、Mg-6Al-0.5Mn或Mg-2Zn-1.2Ca。
5.根据权利要求1所述多向轧制制备高强度弱织构镁合金的方法，其特征在于，步骤(1)中轧辊温度为100℃，加热箱温度为350℃。
6.根据权利要求1所述多向轧制制备高强度弱织构镁合金的方法，其特征在于，步骤(2)步骤(4)和步骤(6)中的保温时间为6min。
7.根据权利要求1所述多向轧制制备高强度弱织构镁合金的方法，其特征在于，步骤(5)步骤(3)和步骤(7)中轧制速度为157mm/s。
8.根据权利要求1所述多向轧制制备高强度弱织构镁合金的方法，其特征在于，步骤(8)所述退火处理是将步骤(7)轧制后的镁合金板材再次放入加热箱中保温20～50min。
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