鎂合金板材軋制工藝的選擇

鎂合金板材軋制工藝的選擇

作為最輕的結(jié)構(gòu)單元，棕櫚金已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、摩托車、電子制造等領(lǐng)域，對(duì)其強(qiáng)度和學(xué)能的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的鑄造鎂合金已經(jīng)漸漸無(wú)法滿足要求,采用擠壓、軋制、鍛造等塑性加工工藝生產(chǎn)的變形鎂合金產(chǎn)品,由于具有更好的力學(xué)性能、多樣化的結(jié)構(gòu)而越來(lái)越受到重視。其中軋制因更容易大規(guī)模生產(chǎn)大件型材而受到廣大科研工作者的關(guān)注。但是,由于鎂是密排六方結(jié)構(gòu),在室溫只有3個(gè)滑移系,不滿足5個(gè)滑移系的多晶體塑性變形協(xié)調(diào)性原則,所以其塑性較低。另鎂合金的體積熱容較小1781J/(dm3·K),升溫和散熱降溫都比較快,在塑性變形中溫度下降很快,且不均勻,易發(fā)生邊裂和裂紋。這些因素導(dǎo)致鎂合金的軋制成型較鋁合金要困難很多。所以研究和改進(jìn)鎂合金的軋制工藝和軋制方式,提高其軋制成形性,以得到力學(xué)性能優(yōu)良、二次成形性好的板材是現(xiàn)在急需解決的問(wèn)題。本工作將分析鎂合金軋制成型的特點(diǎn),綜述通過(guò)調(diào)整工藝和選擇軋制方式來(lái)提高鎂合金的軋制成形性。1鎂合金的制備工藝鎂屬于密排六方晶體結(jié)構(gòu),在室溫下只有1個(gè)滑移面(0001),也稱基面、底面或密排面,滑移面上有3個(gè)密排方向[ˉ1ˉ120]?[ˉ2110][1ˉ1ˉ20]?[2ˉ110]和[ˉ12ˉ10][1ˉ21ˉ0],即密排六方晶體在室溫下只有3個(gè)滑移系,其塑性比面心和體心立方金屬都低,塑性變形需要更多地依賴于滑移與孿生的協(xié)調(diào)動(dòng)作;滑移與孿生的協(xié)調(diào)動(dòng)作是鎂合金塑性變形的一個(gè)重要特征。室溫下,鎂合金的塑性較差,變形困難,且易出現(xiàn)裂紋等變形缺陷,是制約鎂合金軋制成形的原因。所以,鎂合金的軋制成型通常在一定的溫度下進(jìn)行。通過(guò)軋制可以得到晶粒相對(duì)細(xì)小的鎂合金組織,從而提高其力學(xué)性能。但是,目前鎂合金的軋制成型多采用普通的對(duì)稱軋制,軋制后的組織有強(qiáng)烈的(0002)基面織構(gòu),不利于后續(xù)加工成型。因此,滑移系少、孿生和較強(qiáng)的基面織構(gòu)導(dǎo)致的成型困難是鎂合金軋制成型的重要特點(diǎn)。鎂合金軋制成型的另一個(gè)特點(diǎn)是,軋制過(guò)程需要多次退火。由于鎂合金的體積熱容較小,傳熱系數(shù)較大,升溫和散熱降溫都比較快。且在開放的軋制環(huán)境中,合金和空氣、軋輥等的傳熱使得軋件的溫度下降很快。為了保證軋件的溫度在設(shè)定的軋制溫度范圍,道次間需要對(duì)軋件進(jìn)行加熱。還因?yàn)檐堉七^(guò)程中孿晶和織構(gòu)的積累,以及加工硬化導(dǎo)致軋制變形越來(lái)越困難,所以為了能夠繼續(xù)變形,需要在道次間對(duì)軋件進(jìn)行加熱,從而使大量的孿晶發(fā)生再結(jié)晶,提高材料的塑性,使材料在后續(xù)的軋制中不開裂。因此,多次退火就成了鎂合金軋制區(qū)別于鋼等合金的重要特點(diǎn)。另外,鎂合金的諸多特性導(dǎo)致它在軋制成型過(guò)程中的其他一些特點(diǎn)。例如,鎂合金的塑性差導(dǎo)致軋制中道次壓下量較鋼和鋁等小很多。體積熱容小,溫度分布不均勻?qū)е萝埣桩a(chǎn)生裂紋等。2鎂合金真加工工藝針對(duì)鎂合金的上述特點(diǎn),影響鎂合金軋制成型的因素主要有:溫度的下降快,軋制過(guò)程中的加工硬化,基面織構(gòu),退火熱處理等。這些因素導(dǎo)致了鎂合金軋制過(guò)程要控制溫度,加熱退火;壓下量小,要多道次軋制等。還需要有效的控制基面織構(gòu),提高軋制成形性和二次成形性。通常通過(guò)兩個(gè)途徑改善其軋制成形性,分別是:工藝調(diào)節(jié)和軋制方式調(diào)整。2.1鎂合金坯料制備鎂合金板材的生產(chǎn)工藝流程依次包括:熔煉,鑄造,扁錠,鋸切,銑面,一次加熱,一次熱軋,二次加熱,二次熱軋,剪切,三次加熱,三次熱軋,冷軋,酸洗,精軋,成品剪軋,退火,涂漆,固化處理,檢查,包裝,運(yùn)輸。軋制設(shè)備與鋁合金相似。鎂合金軋制用的坯料可以是鑄坯、擠壓坯或鍛坯。塑性加工性能較好的鎂合金如Mg-Mn(Mn<2.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))和Mg-Zn合金可直接用鑄錠進(jìn)行軋制。為了消除枝晶,利于軋制成型,鑄錠軋制前一般應(yīng)在高溫下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的均勻化處理。對(duì)含鋁量較高的Mg-Al-Zn系鎂合金,由于枝晶和大量的Mg17Al12相,用常規(guī)方法生產(chǎn)的鑄錠軋制性能較差,因此常采用擠壓坯進(jìn)行軋制。軋制工藝中的主要參數(shù)和環(huán)節(jié)包括:軋制溫度、變形量、軋制速度、軋制路徑、退火等,通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)可以達(dá)到改善軋件組織,提高軋制成形性的目的。2.1.1制備工藝的確定溫度對(duì)變形鎂合金塑性變形能力具有很大的影響,提高軋制溫度可以激活鎂合金板材中棱柱面和錐柱面等潛在的滑移系,改善鎂合金的塑性,從而大幅度改善鎂合金軋制成形能力。但是如果溫度過(guò)高時(shí),易使板材表面嚴(yán)重氧化而損害表面質(zhì)量。此外,鎂合金變形組織對(duì)溫度非常敏感,當(dāng)軋制溫度過(guò)低時(shí),不能通過(guò)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶細(xì)化晶粒,粗大的晶粒組織會(huì)存在大量的孿晶。而且這時(shí)鎂合金材料邊部容易開裂,材料內(nèi)部容易存在不均勻變形,同時(shí)產(chǎn)生各向異性,對(duì)鎂合金板材的二次成形加工非常不利。而軋制溫度過(guò)高時(shí),有可能發(fā)生二次再結(jié)晶導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大,影響軋后材料的性能。因此鎂合金軋制時(shí)溫度制度的確定十分重要。要確定合理的溫度制度,通常需要綜合考慮合金相圖、塑性圖、變形抗力圖及再結(jié)晶圖等。表1是幾種常見鎂合金的熱軋溫度。按照軋制溫度的高低,鎂合金的軋制也可分為熱軋、溫軋、冷軋。當(dāng)在高于再結(jié)晶溫度的溫度范圍內(nèi)軋制時(shí),即為熱軋。熱軋過(guò)程中會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,可以細(xì)化組織,且熱軋得到的板材孿晶較少,所以熱軋板材的綜合力學(xué)性能較好。冷軋通常在室溫下進(jìn)行,冷軋得到的板材組織中含有大量的孿晶,抗拉強(qiáng)度較高。溫度高于冷軋溫度而又低于再結(jié)晶溫度下進(jìn)行的軋制系溫軋。溫軋能在一定范圍內(nèi)提高材料的塑性,降低加工硬化。通過(guò)調(diào)整軋制溫度,可以得到不同性能要求的軋件。軋制過(guò)程中可以選擇多個(gè)軋制溫度以控制組織,提高塑性和軋制效率。通常先進(jìn)行熱軋,終軋采用冷軋的方式。汪凌云等在研究AZ31B鎂合金時(shí),采用450～460℃的開軋溫度和260～300℃的終軋溫度成功的獲得了性能優(yōu)良的板材。而陳維平等研究了300,330,360℃3個(gè)軋制溫度對(duì)AZ31鎂合金組織和硬度的影響。研究表明,在同一變形量下,隨著軋制溫度的升高,板材的晶粒呈長(zhǎng)大趨勢(shì),硬度逐步下降,在330℃軋制時(shí),板材的綜合性能較好。2.1.2多道次小壓下量的軋制在軋制過(guò)程中,變形量是個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。如果變形量過(guò)大,板材就有可能開裂。變形量太小,效率就會(huì)降低,還會(huì)影響板材的組織和性能。鎂合金的變形能力較差一般采用多道次小壓下量的軋制方式進(jìn)行。冷軋條件下,AZ31鎂合金的最大變形量可達(dá)15%,但一般都采用道次壓下小于5%,兩次中間退火的總變形量小于25%的工藝。但在較高溫度下也可進(jìn)行大壓下量軋制。陳彬等的研究表明:擠壓態(tài)AZ31鎂合金在300℃或400℃進(jìn)行大壓下量軋制,道次壓下量可在46%以上,最高可達(dá)71%。而且板材在軋制過(guò)程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,得到了均勻細(xì)小的組織,力學(xué)性能良好,同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。通過(guò)溫度調(diào)節(jié)和變形量的控制可以減少軋制道次,顯著的提高軋制效率。2.1.3晶粒尺寸的變化經(jīng)軋制的鎂合金板材組織中有很多的孿晶,且加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重,不利于二次加工成型。所以需對(duì)鎂合金軋制板材進(jìn)行退火處理,以提高其塑性。另外,鎂合金板材在軋制過(guò)程中也需進(jìn)行退火處理,以利于后續(xù)軋制。傅定發(fā)和程永奇等研究了退火處理對(duì)鎂合金板材組織性能的影響。經(jīng)退火后,板材組織中的孿晶逐漸消失,形成等軸的再結(jié)晶晶粒。晶粒尺寸隨退火溫度的升高而變大,隨退火時(shí)間的延長(zhǎng)先細(xì)化后長(zhǎng)大。退火后板材的抗拉強(qiáng)度略有下降,但伸長(zhǎng)率和沖壓性能有較大改善。AZ31最佳退火工藝為200℃退火1h。2.1.4種方式、不同軋制路徑不同對(duì)板材的組織和性能也有很多影響。張文玉等研究了(1)每道次軋制方向和板正法向均不變;(2)每道次軋制方向不變而板正法向旋轉(zhuǎn)180°;(3)每道次軋制方向旋轉(zhuǎn)180°而板正法向不變;(4)每道次板材軋制方向和板正法向均旋轉(zhuǎn)180°四種軋制路徑在異步軋制中的對(duì)板材組織和性能的影響。發(fā)現(xiàn),以每道次軋制方向旋轉(zhuǎn)180°而板正法向不變的路徑軋制的板材的金相顯微組織較好,晶粒細(xì)小(約為20μm),孿晶少,伸長(zhǎng)率達(dá)到26%,并且板材的屈服強(qiáng)度、應(yīng)變硬化指數(shù)較高;而按每道次板材軋制方向和板正法向均旋轉(zhuǎn)180°的路徑軋制的板材的塑性應(yīng)變比值最大。曲家惠和張青來(lái)等研究了交叉軋制路徑對(duì)板材組織的影響。單向冷軋的形變量超過(guò)15.37%即斷裂,而交叉冷軋的形變量超過(guò)5.79%就發(fā)生斷裂。在相同變形量下,單向軋制的(0001)面各織構(gòu)組分強(qiáng)度趨向均勻分布,而交叉軋制的(0001)面各織構(gòu)組分向{0001}〈2110〉聚集增強(qiáng)。研究還發(fā)現(xiàn),擠壓+交叉熱軋組織是由混晶組織還是由含有板條狀組織組成,主要取決于擠壓板的組織,交叉軋制組織存在擠壓組織的遺傳性。因此,可以采用以每道次軋制方向旋轉(zhuǎn)180°而板正法向不變的路徑對(duì)板材進(jìn)行軋制,以提高其塑性,從而提高軋制效率。由于交叉軋制改變了基面織構(gòu)也是一種很好的嘗試。2.2制備工藝對(duì)鎂合金f軋制方式是影響鎂合金板材力學(xué)性能和軋制成形性的主要因素。軋制方式不同,板材在軋制工程中受的力就可能不同,從而得到的組織也有差異。比如,晶粒大小、基面織構(gòu)、各向異性等在不同軋制方式下都會(huì)有所改變。通過(guò)選擇合適的軋制方式,可以有效的細(xì)化晶粒和降低織構(gòu)強(qiáng)度,提高板材的成型性和后續(xù)加工性能。研究表明,晶粒尺寸小于10μm時(shí),鎂合金將體現(xiàn)出良好的超塑性;鎂合金板材各向異性程度高,力學(xué)性能不平均,通過(guò)控制織構(gòu)降低各向異性程度,可有效的提高板材性能。目前,應(yīng)用在鎂合金板材上的軋制方式主要有:同步軋制、異步軋制、非對(duì)稱軋制、等徑角軋制、雙輥連鑄連軋、壘積疊軋等。研究不同軋制方式下,板材的組織性能,從而選擇合適的軋制方式,方能以較高的效率軋得滿足要求的板材。2.2.1鎂合金板的制備同步軋制,即常規(guī)軋制,是目前應(yīng)用最廣的軋制方式。以兩輥軋機(jī)為例,上下棍直徑相當(dāng),轉(zhuǎn)速相同,轉(zhuǎn)向相反。這種方式得到的鎂合金板材,中線以上和中線以下的變形量相當(dāng)。通過(guò)軋制可以得到細(xì)小的組織,提高鎂合金的強(qiáng)度。但是這種軋制方式下得到的板材基面織構(gòu)很強(qiáng),塑性較差。軋制過(guò)程中需要反復(fù)多次道次間退火。CHANGTien-chan等的研究發(fā)現(xiàn),AZ31鎂合金經(jīng)多道次,反復(fù)加熱軋制后的平均晶粒尺寸達(dá)到11.7nm,但是基面織構(gòu)強(qiáng)烈,且發(fā)現(xiàn)了很多的孿晶。2.2.2關(guān)于常規(guī)制備和二維制備的晶粒結(jié)構(gòu)異步軋制是指兩工作輥圓周線速度不同而進(jìn)行軋制的工藝過(guò)程。異步軋制輥速的不同是通過(guò)上下軋輥半徑不同或是二者轉(zhuǎn)動(dòng)角速度不一樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的。前者稱為異徑異步軋制,后者稱為同徑異步軋制。異步軋制技術(shù)自20世紀(jì)40年代產(chǎn)生以來(lái),異步軋制工藝幾經(jīng)改進(jìn),其軋制原理已日臻成熟。實(shí)驗(yàn)研究表明,在軋制條件相同的情況下,常規(guī)軋制與異步軋制AZ31鎂合金板材的顯微組織存在明顯區(qū)別。與常規(guī)軋制相比,異步軋制板材的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行的比較完全,晶粒較細(xì)小,且晶粒大小更加均勻。常規(guī)軋制板材的顯微組織中存在大量的孿晶,而異步軋制板材的晶粒組織中孿晶很少。且通過(guò)異步軋制能有效的減弱鎂合金板材的(0002)基面織構(gòu),使搓軋方向改變5～10°,使織構(gòu)得到軟化,提高其二次成型性能。異步軋制可看成拉伸壓縮和剪切變形的迭加。異步軋制所產(chǎn)生的織構(gòu)應(yīng)是同步軋制產(chǎn)生的織構(gòu)和純剪切產(chǎn)生的織構(gòu)的迭加,這種交互作用的結(jié)果使鎂合金可以在室溫條件下以高達(dá)一道次20%的形變量軋成薄板,而不發(fā)生裂紋,表面平整光滑。由于是拉伸壓縮和剪切變形的迭加,鎂合金在塑性變形時(shí),除基面的滑移和孿生外,柱面的滑移也易開動(dòng),導(dǎo)致該合金在室溫下有較大的塑性變形而不開裂。2.2.3等徑角軋軋法培育債權(quán)為等徑角4.等徑角軋制是在等徑角擠壓的基礎(chǔ)上發(fā)展的新型軋制方式。程永奇、陳振華等率先在鎂合金軋制中應(yīng)用了等徑角軋制的方法。等徑角軋制裝置如圖1所示。等徑角軋制模具安裝于普通雙輥軋機(jī)上,在等徑角軋制過(guò)程中,板材首先通過(guò)軋輥產(chǎn)生一定的軋制變形,然后利用兩軋輥與板材表面的摩擦力來(lái)提供足夠的擠壓力使板材通過(guò)等徑角模具轉(zhuǎn)角,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)板材的連續(xù)剪切變形。經(jīng)等徑角軋制后的板材,晶粒取向由等徑角軋制前的(0002)基面取向演化為基面與非基面共存的取向。與等徑角軋制前的板材相比,板材晶粒尺寸略有長(zhǎng)大并有孿晶出現(xiàn),但強(qiáng)度卻明顯提高,單道次軋制的板材其抗拉強(qiáng)度提高約15%,屈服強(qiáng)度提高約24%,而斷裂延伸率變化不大;隨著等徑角軋制道次的增加,板材的強(qiáng)度逐漸降低。但是塑性得到提高,軋制成型性和二次成形性有了明顯的改善。2.2.4加工工藝的選擇壘積疊軋技術(shù)最早是由PEREZ-PRADO應(yīng)用到鎂合金中的。累積疊軋過(guò)程如圖2所示,分為切割、表面處理、疊垛、預(yù)熱、軋制幾個(gè)步驟,可視情況重復(fù)進(jìn)行。軋制過(guò)程中改變壓下量,可調(diào)整軋后板材厚度。Del等的研究發(fā)現(xiàn),晶粒的大小和軋制溫度、道次壓下量有關(guān)。在較低溫度下得到的晶粒尺寸較小。累積軋制得到的晶粒尺寸與其它大變形技術(shù)得到的晶粒尺寸相近,但是累積疊軋加工過(guò)程中板材的(0002)基面織構(gòu)很穩(wěn)定,不利于后續(xù)的二次成型。2.2.5道次壓下量和厚度對(duì)塑性的影響作用交叉輥軋制方式是將上下軋輥成一定的角度(2θ)而進(jìn)行的軋制,軋制示意圖見圖3。Yasumasachino等的研究表明,交叉輥軋制較普通的軋制方式有更好的壓力成型性能,這與板材厚度方向應(yīng)變的方向依賴性減小和寬度方向的拉伸應(yīng)變有關(guān)。另外(0002)基面織構(gòu)的密度減小也是塑性提高的一個(gè)原因。同時(shí),晶粒細(xì)化也使板材的成形性得到了很大的提高。綜上所述,由于柱面滑移的開動(dòng),異步軋制可以實(shí)現(xiàn)較大的道次壓下量,得到的組織比同步軋制更均