鎂合金板材軋制工藝的選擇

作為最輕的結構單元，棕櫚金已廣泛應用于航空航天、汽車、摩托車、電子制造等領域，對其強度和學能的要求也越來越高。傳統(tǒng)的鑄造鎂合金已經(jīng)漸漸無法滿足要求,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性能、多樣化的結構而越來越受到重視。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注。但是,由于鎂是密排六方結構,在室溫只有3個滑移系,不滿足5個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,以得到力學性能優(yōu)良、二次成形性好的板材是現(xiàn)在急需解決的問題。本工作將分析鎂合金軋制成型的特點,綜述通過調(diào)整工藝和選擇軋制方式來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構,在室溫下只有1個滑移面(0001),也稱基面、底面或密排面,滑移面上有3個密排方向[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)動作;滑移與孿生的協(xié)調(diào)動作是鎂合金塑性變形的一個重要特征。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行。通過軋制可以得到晶粒相對細小的鎂合金組織,從而提高其力學性能。但是,目前鎂合金的軋制成型多采用普通的對稱軋制,軋制后的組織有強烈的(0002)基面織構,不利于后續(xù)加工成型。因此,滑移系少、孿生和較強的基面織構導致的成型困難是鎂合金軋制成型的重要特點。鎂合金軋制成型的另一個特點是,軋制過程需要多次退火。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定的軋制溫度范圍,道次間需要對軋件進行加熱。還因為軋制過程中孿晶和織構的積累,以及加工硬化導致軋制變形越來越困難,所以為了能夠繼續(xù)變形,需要在道次間對軋件進行加熱,從而使大量的孿晶發(fā)生再結晶,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。另外,鎂合金的諸多特性導致它在軋制成型過程中的其他一些特點。例如,鎂合金的塑性差導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鎂合金的上述特點,影響鎂合金軋制成型的因素主要有:溫度的下降快,軋制過程中的加工硬化,基面織構,退火熱處理等。這些因素導致了鎂合金軋制過程要控制溫度,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,提高軋制成形性和二次成形性。通常通過兩個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,運輸。軋制設備與鋁合金相似。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)量分數(shù)))和Mg-Zn合金可直接用鑄錠進行軋制。為了消除枝晶,利于軋制成型,鑄錠軋制前一般應在高溫下進行長時間的均勻化處理。對含鋁量較高的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,通過調(diào)整這些參數(shù)可以達到改善軋件組織,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。但是如果溫度過高時,易使板材表面嚴重氧化而損害表面質(zhì)量。此外,鎂合金變形組織對溫度非常敏感,當軋制溫度過低時,不能通過動態(tài)再結晶細化晶粒,粗大的晶粒組織會存在大量的孿晶。而且這時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,同時產(chǎn)生各向異性,對鎂合金板材的二次成形加工非常不利。而軋制溫度過高時,有可能發(fā)生二次再結晶導致晶粒長大,影響軋后材料的性能。因此鎂合金軋制時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。當在高于再結晶溫度的溫度范圍內(nèi)軋制時,即為熱軋。熱軋過程中會發(fā)生動態(tài)再結晶,可以細化組織,且熱軋得到的板材孿晶較少,所以熱軋板材的綜合力學性能較好。冷軋通常在室溫下進行,冷軋得到的板材組織中含有大量的孿晶,抗拉強度較高。溫度高于冷軋溫度而又低于再結晶溫度下進行的軋制系溫軋。溫軋能在一定范圍內(nèi)提高材料的塑性,降低加工硬化。通過調(diào)整軋制溫度,可以得到不同性能要求的軋件。軋制過程中可以選擇多個軋制溫度以控制組織,提高塑性和軋制效率。通常先進行熱軋,終軋采用冷軋的方式。汪凌云等在研究AZ31B鎂合金時,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個軋制溫度對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,板材的晶粒呈長大趨勢,硬度逐步下降,在330℃軋制時,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程中,變形量是個很關鍵的參數(shù)。如果變形量過大,板材就有可能開裂。變形量太小,效率就會降低,還會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行。冷軋條件下,AZ31鎂合金的最大變形量可達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℃進行大壓下量軋制,道次壓下量可在46%以上,最高可達71%。而且板材在軋制過程中發(fā)生了動態(tài)再結晶,得到了均勻細小的組織,力學性能良好,同時提高了生產(chǎn)效率。通過溫度調(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)象嚴重,不利于二次加工成型。所以需對鎂合金軋制板材進行退火處理,以提高其塑性。另外,鎂合金板材在軋制過程中也需進行退火處理,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,形成等軸的再結晶晶粒。晶粒尺寸隨退火溫度的升高而變大,隨退火時間的延長先細化后長大。退火后板材的抗拉強度略有下降,但伸長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180°;(3)每道次軋制方向旋轉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180°四種軋制路徑在異步軋制中的對板材組織和性能的影響。發(fā)現(xiàn),以每道次軋制方向旋轉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,晶粒細小(約為20μm),孿晶少,伸長率達到26%,并且板材的屈服強度、應變硬化指數(shù)較高;而按每道次板材軋制方向和板正法向均旋轉180°的路徑軋制的板材的塑性應變比值最大。曲家惠和張青來等研究了交叉軋制路徑對板材組織的影響。單向冷軋的形變量超過15.37%即斷裂,而交叉冷軋的形變量超過5.79%就發(fā)生斷裂。在相同變形量下,單向軋制的(0001)面各織構組分強度趨向均勻分布,而交叉軋制的(0001)面各織構組分向{0001}〈2110〉聚集增強。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180°而板正法向不變的路徑對板材進行軋制,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也是一種很好的嘗試。2.2制備工藝對鎂合金f軋制方式是影響鎂合金板材力學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、各向異性等在不同軋制方式下都會有所改變。通過選擇合適的軋制方式,可以有效的細化晶粒和降低織構強度,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,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,力學性能不平均,通過控制織構降低各向異性程度,可有效的提高板材性能。目前,應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,是目前應用最廣的軋制方式。以兩輥軋機為例,上下棍直徑相當,轉速相同,轉向相反。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。通過軋制可以得到細小的組織,提高鎂合金的強度。但是這種軋制方式下得到的板材基面織構很強,塑性較差。軋制過程中需要反復多次道次間退火。CHANGTien-chan等的研究發(fā)現(xiàn),AZ31鎂合金經(jīng)多道次,反復加熱軋制后的平均晶粒尺寸達到11.7nm,但是基面織構強烈,且發(fā)現(xiàn)了很多的孿晶。2.2.2關于常規(guī)制備和二維制備的晶粒結構異步軋制是指兩工作輥圓周線速度不同而進行軋制的工藝過程。異步軋制輥速的不同是通過上下軋輥半徑不同或是二者轉動角速度不一樣來實現(xiàn)的。前者稱為異徑異步軋制,后者稱為同徑異步軋制。異步軋制技術自20世紀40年代產(chǎn)生以來,異步軋制工藝幾經(jīng)改進,其軋制原理已日臻成熟。實驗研究表明,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,異步軋制板材的動態(tài)再結晶進行的比較完全,晶粒較細小,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。且通過異步軋制能有效的減弱鎂合金板材的(0002)基面織構,使搓軋方向改變5～10°,使織構得到軟化,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)生的織構應是同步軋制產(chǎn)生的織構和純剪切產(chǎn)生的織構的迭加,這種交互作用的結果使鎂合金可以在室溫條件下以高達一道次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,除基面的滑移和孿生外,柱面的滑移也易開動,導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為等徑角4.等徑角軋制是在等徑角擠壓的基礎上發(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上,在等徑角軋制過程中,板材首先通過軋輥產(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提供足夠的擠壓力使板材通過等徑角模具轉角,以此來實現(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大并有孿晶出現(xiàn),但強度卻明顯提高,單道次軋制的板材其抗拉強度提高約15%,屈服強度提高約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最早是由PEREZ-PRADO應用到鎂合金中的。累積疊軋過程如圖2所示,分為切割、表面處理、疊垛、預熱、軋制幾個步驟,可視情況重復進行。軋制過程中改變壓下量,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。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得到的晶粒尺寸相近,但是累積疊軋加工過程中板材的(0002)基面織構很穩(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變的方向依賴性減小和寬度方向的拉伸應變有關。另外(0002)基面織構的密度減小也是塑性提高的一個原因。同時,晶粒細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,異步軋制可以實現(xiàn)較大的道次壓下量,得到的組織比同步軋制更均