CN116921430B - 一种基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材强韧化轧制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材强韧化轧制方法，涉及镁合金加工成形领域。具体方法为：首先对镁合金板坯表面进行打磨处理，随后将板坯加热至中等温度，同时采用内部热油循环的方式对异步轧机的上、下轧辊加热并保温，接着进行异步轧制，通过对上、下轧辊温差、辊速比以及轧制压下量的协同调整，引入强压剪复合变形，实现显著的晶粒细化和基面织构弱化与倾转，以获得强度与塑性俱佳的镁合金板材。本方法能够实现镁合金轧制板材晶粒尺寸和基面织构的协同调控，有效解决强度和塑性偏低且难以同时提高的问题，为高性能镁合金板材轧制制备提供指导。
Description
技术领域
本发明属于镁合金加工成形技术领域，尤其涉及一种基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材强韧化轧制方法。
背景技术
航天航空、轨道交通、国防军工等领域的高端装备轻量化需求愈发急切。镁合金作为最轻的工程结构金属，在替代普通钢和铝，并实现节能减排和结构轻量化方面极具潜力。轧制制备镁合金板材是目前主流的成形方法，但受镁的密排六方晶体结构特点及塑性变形高热敏感特征影响，轧后镁合金板材室温强塑性较差，在深加工成形时往往出现减壁、皱褶、拉裂等缺陷，且成形后构件整体结构的强度和刚度达不到标准水平，严重影响构件成形质量和服役性能。
现阶段，可同时改善镁合金板材力学性能的塑性加工手段主要有：以细化晶粒为目标的剧烈塑性变形，包括大应变轧制、高应变率轧制、低温轧制等，或者以基面织构弱化为导向的冷轧-退火处理、波纹衬板轧制、连续等通道轧制、交错波纹弯曲等，但由于上述方法普遍存在晶粒尺寸与基面织构难以协同优化的问题，导致成形板材强度与塑性同步提升的效果有限，大规模工业应用困难。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明从晶粒尺寸和晶粒取向双元视角切入，提出了一种基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材强韧化轧制方法，在减少额外设备投入并缩短生产周期的同时，获得强度与塑性俱佳的镁合金板材。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材强韧化轧制方法，采用多道次异步轧制方式，其中，所述轧制过程中，上轧辊的温度低于下轧辊的温度，温差为100-140℃；上轧辊转速和下轧辊转速比为1∶(2.5-5)；每道次压下率为35-50％。
进一步地，每道次轧制速度为30-150m/min。
进一步地，所述轧制过程总压下率为70-80％。
进一步地，所述镁合金板在轧制之前，还包括在惰性气体气氛、280-330℃下保温30-45min的步骤。
进一步地，在所述保温的步骤之前还包括对镁合金板表面进行砂纸打磨的步骤。
进一步地，所述轧制过程中，上轧辊的温度低于下轧辊的温度，温差为125℃；上轧辊转速和下轧辊转速比为1∶2.5；每道次压下率为50％。
进一步地，所述镁合金板材的板坯厚度为2-10mm，晶粒c轴垂直于轧制方向，晶粒尺寸不均匀。
进一步地，轧制过程采用异步轧机进行，所述异步轧机中的上轧辊和下轧辊为直径相同的芯孔式热油循环轧辊，在使用前需要在80-220℃下保温20-30min，保温过程中上轧辊和下轧辊均保持15-20rpm的转速旋转。
进一步地，所述多道次异步轧制的具体操作为：采用单机架轧机进行，每道次轧制后，逆向改变异步轧机的上轧辊和下轧辊的旋转方向并保持轧辊的速度和表面温度不变，然后将板坯的轧制方向绕正法向旋转180°进行轧制，重复直至达到目标厚度。
本发明还提供一种利用所述的轧制方法轧制而成的基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
1、本发明制备过程需要投入的设备较少，而且轧制中道次压下率较高，这样达到目标厚度时所需道次会减少，从而提高了生产效率，进而可以实现连续高效、批量生产。
2、宏观方面；通过对上下工作辊的差温控制，能有效的协调轧制中快速辊侧金属的塑性流动，从而抑制轧制变形出现局域化现象，进而阻碍了金属过早的出现开裂失效现象，如此便达到了在不提高变形温度的前提下提升了镁合金板材的剪切耐受性，便于施加更高的辊速比，进而，经过提升的镁合金板材再通过施加较大的辊速比来强化“搓轧”剪切变形，从而显著提升道次压下率的限度，最终达到改善镁合金板材性能以及成材率的效果。
3、微观方面；通过大轧制压下和强剪切协同加载的方式引入强压剪复合变形，促使组织与织构协同调控，实现显著的晶粒细化和基面织构弱化与倾转，从而获得强度和塑性俱佳并且规格不受限制的镁合金板材，进而保障了深加工成形构件的成形质量和服役性能。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为差温控制轧制过程示意图；
图2为芯孔式热油循环轧辊简图，其中：1-旋转接头；2-进油口；3-出油口；4-轴承盖；5-轴承；6-套筒；7-辊轴；
图3为实施例1中轧制前后板材拉伸性能对比图；
图4为实施例1中轧制前后微观组织对比图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明公开了一种基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材强韧化轧制方法，涉及镁合金加工成形领域。具体方法为，首先对镁合金板坯表面进行打磨处理，随后将板坯加热至中等温度，同时采用内部热油循环的方式对异步轧机的上下轧辊加热并保温，接着进行异步轧制，通过对上下轧辊温差、辊速比以及轧制压下量的协同调整，引入强压剪复合变形，实现显著的晶粒细化和基面织构弱化与倾转，以获得强度与塑性俱佳的镁合金板材。本方法能够实现镁合金轧制板材晶粒尺寸和基面织构的协同调控，有效解决强度和塑性偏低且难以同时提高的问题，为高性能镁合金板材轧制制备提供指导。
本发明提供一种基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材强韧化轧制方法，包括以下步骤(本发明提出的工艺路线如图1所示)：
步骤S1、对镁合金板坯进行表面处理：针对厚度为2-10mm的板坯，用不同目数(具体为：依次用400目，800目，1000目，2000目打磨处理)的砂纸对镁合金打磨，保证表面光洁；
步骤S2、对镁合金板坯加热保温，同时对异步轧机的上、下轧辊进行加热和保温：将步骤S1中表面处理后的板坯放入已经达到预设定温度的加热炉，在氩气气氛保护下，将板坯加热至中等温度范围280-330℃，优选300℃；保温30-45min，优选为40min；采用内部热油循环的方式将异步轧机的上、下轧辊加热至80-220℃，优选为150℃，其中，上、下轧辊为直径相同的芯孔式热油循环轧辊如图2，保温时间为20-30min，优选为30min；加热和保温的同时轧辊保持15-20rpm低速匀速旋转，优选为20rpm，保证温度均匀；
步骤S3、控制上、下轧辊温差并进行多道次轧制：步骤S2中对上、下工作辊加热后的温度不同，调整上轧辊温度低于下轧辊温度，温差为100-140℃(其中上轧辊温度范围为25-80℃，下轧辊温度范围为125-220℃)，调整上轧辊的转速低于下轧辊转速，上下转速比为1∶2.5-5(其中上轧辊转速范围为180rpm，下轧辊转速范围为450-900rpm)，优选为1∶2.5；轧制速度为30-150m/min，优选为50m/min，随后进行多道次轧制。轧制过程中上、下轧辊的转速不同，在保证板材不开裂的前提下选用较大转速比，转速比越大越有利于基面织构弱化且晶粒c轴沿轧制方向倾转。多道次的轧制压下采用单机架可逆轧机进行，每道次轧制后，逆向改变上下轧辊的旋转方向并保持轧辊的速度和表面温度不变，然后将板坯的轧制方向绕正法向旋转180°进行轧制，重复直至达到目标厚度。
其中每道次压下率为35-50％，总压下率70-80％，在保证板材不开裂前提下选用较大道次压下率和总压下率，使轧制后板材晶粒充分细化，因此每道次压下率优选为50％，总压下率优选为80％。
以下实施例作为本发明技术方案的进一步说明。
实施例1
本实施例以规格为800mm*500mm*5mm(RD*TD*ND，RD为板材轧制方向，ND为板材厚度方向，TD为板材宽向)的轧制态AZ31镁合金板坯为例，化学成分如表1所示。
表1实施例铸态AZ31镁合金板坯化学成分表(wt％)
| Al | Zn | Mn | Fe | Si | Cu | Ni | Mg |
| 2.8623 | 0.8845 | 0.3622 | 0.0034 | 0.122 | 0.0115 | 0.0052 | 余量 |
一种基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材强韧化轧制方法，具体步骤如下：
步骤S1、依次用400目，800目，1000目，2000目的砂纸对轧制态AZ31镁合金板进行打磨处理，保证表面光洁，得到板坯；
步骤S2、将板坯放入已达到预设定温度300℃的加热炉中，在氩气气氛保护下，将板坯加热至300℃并保温40min；
步骤S3、采用内部热油循环的方式将异步轧机的上、下轧辊加热至150℃，保温时间30min，加热和保温的同时轧辊保持20rpm匀速旋转，以保证温度均匀；
步骤S4、调整上轧辊温度为25℃，下轧辊温度为150℃；上轧辊的转速为180rpm，上、下轧辊转速比为1∶2.5(即下轧辊的转速为450rpm)，轧制速度为50m/min；采用单机架可逆轧机进行多道次轧制，每道次轧制后，逆向改变上下轧辊的旋转方向并保持轧辊的速度和表面温度不变，然后将板坯的轧制方向绕正法向旋转180°进行轧制，重复直至达到目标厚度(1mm)。其中每道次压下率为50％，总压下率80％，轧制完成后对比分析板材微观形貌组织，晶粒细化程度，织构演变特征及拉伸力学性能。
观察轧后板材的微观组织并分析拉伸实验数据，结果如图3、图4所示。可以看出，控轧后板材的平均晶粒尺寸细化程度可达40％，基面织构强度降低了48％，基面峰点朝轧制方向倾转17°。此外，控轧后的镁合金板材的屈服强度较控轧前提升了23MPa，抗拉强度提升了31MPa，延伸率提升了2.6％。由此说明，本发明方法可有效解决镁合金轧板室温强塑性偏低且难以同时提高的问题，从而提升镁合金构件成形质量和服役性能，并为高性能镁合金板材轧制制备提供理论依据与技术指导。
实施例2
与实施例1的区别仅仅在于，下轧辊温度不变，分别将上辊温度降低至10℃、15℃、35℃以及50℃。
结果发现，以本实施例制备的板材屈服强度较控轧前分别提升了17MPa、19MPa、25MPa、28MPa；抗拉强度提升了26MPa、28MPa、33MPa、40MPa；延伸率提升了2.4％、2.5％、2.8％、3％。
实施例3
与实施例1的区别仅仅在于，将上下轧辊的转速比依次调整为1∶3、1∶4和1∶5。
结果发现，以本实施例制备的板材屈服强度较控轧前分别提升了24MPa、26MPa、28MPa；抗拉强度提升了33MPa、35MPa、38MPa；延伸率提升了2.7％、2.9％、3.0％。
实施例4
与实施例1的区别仅仅在于，单道次压下量为35％。
结果发现，以本实施例制备的板材屈服强度较控轧前分别提升了18MPa；抗拉强度提升了22MPa；延伸率提升了1.7％。
对比例1
同实施例1，区别在于，不进行步骤S3。
结果发现，以本对比例制备的板材屈服强度较控轧前提升了17MPa，抗拉强度提升了25MPa，延伸率提升了2.3％。
对比例2
同实施例1，区别在于，步骤S4中，上轧辊温度为50℃，下轧辊温度为50℃。
结果发现，以本对比例制备的板材屈服强度较控轧前提升了4MPa，抗拉强度提升了8MPa，延伸率提升了0.8％。
对比例3
同实施例1，区别在于，步骤S4中，上轧辊的转速为180rpm，上、下轧辊转速比为1∶1。
结果发现，以本对比例制备的板材屈服强度较控轧前提升了12MPa，抗拉强度提升了15MPa，延伸率提升了1.3％。
对比例4
同实施例1，区别在于，步骤S4中，轧制速度为200m/min。
结果发现，以本对比例制备的板材屈服强度较控轧前提升了18MPa，抗拉强度提升了20MPa，延伸率提升了1.9％。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材强韧化轧制方法，其特征在于，采用多道次异步轧制方式，其中，所述轧制过程中，上轧辊的温度低于下轧辊的温度，温差为100-140℃，其中上轧辊的温度为25-80℃；上轧辊转速和下轧辊转速比为1∶（2.5-5），其中下轧辊转速为450-900rpm；每道次压下率为35-50%；
所述镁合金板在轧制之前，还包括在惰性气体气氛、280-330℃下保温30-45min的步骤。
2.根据权利要求1所述的基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材强韧化轧制方法，其特征在于，每道次轧制速度为30-150m/min。
3.权利要求1所述的基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材强韧化轧制方法，其特征在于，所述轧制过程总压下率为70-80%。
4.权利要求1所述的基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材强韧化轧制方法，其特征在于，在所述保温的步骤之前还包括对镁合金板表面进行砂纸打磨的步骤。
5.根据权利要求1所述的基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材强韧化轧制方法，其特征在于，所述轧制过程中，上轧辊的温度低于下轧辊的温度，温差为125℃；上轧辊转速和下轧辊转速比为1∶2.5；每道次压下率为50%。
6.根据权利要求1所述的基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材强韧化轧制方法，其特征在于，所述镁合金板材的板坯厚度为2-10mm，晶粒c轴垂直于轧制方向，晶粒尺寸不均匀。
7.根据权利要求1所述的基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材强韧化轧制方法，其特征在于，轧制过程采用异步轧机进行，所述异步轧机中的上轧辊和下轧辊为直径相同的芯孔式热油循环轧辊，在使用前需要在80-220℃下保温20-30min，保温过程中上轧辊和下轧辊均保持15-20rpm的转速旋转。
8.根据权利要求1所述的基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材强韧化轧制方法，其特征在于，所述多道次异步轧制的具体操作为：采用单机架轧机进行，每道次轧制后，逆向改变异步轧机的上轧辊和下轧辊的旋转方向并保持轧辊的速度和表面温度不变，然后将板坯的轧制方向绕正法向旋转180°进行轧制，重复直至达到目标厚度。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的轧制方法轧制而成的基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材。
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