鎂合金板材軋制研究進(jìn)展

劉桂榮 呂淑艷

包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系， 內(nèi)蒙古 包頭 014030

鎂合金板材軋制研究進(jìn)展

劉桂榮 呂淑艷

包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系， 內(nèi)蒙古 包頭 014030

本文綜述了國(guó)內(nèi)外鎂合金板材軋制的研究現(xiàn)狀，分別介紹了軋制方式研究、軋制工藝參數(shù)研究、軋制模擬研究進(jìn)展，并對(duì)相關(guān)研究做了總結(jié)，最后指出鎂合金軋制研究方向。

鎂合金；板材軋制；工藝參數(shù)；數(shù)值模擬

由于節(jié)能和環(huán)保的壓力，在許多領(lǐng)域鎂合金作為新型輕合金材料正被高度重視【1、12】，我國(guó)雖是產(chǎn)鎂大國(guó)，但是受材料制備、加工技術(shù)等因素的制約，鎂合金的應(yīng)用并不廣泛。目前主要應(yīng)用在壓鑄產(chǎn)品的生產(chǎn)上。中國(guó)鎂業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)徐晉湘說(shuō)我國(guó)鎂合金的應(yīng)用還只是工業(yè)味精【2】。鑄造鎂合金一般晶粒粗大、容易產(chǎn)生縮孔、縮松、組織偏析、力學(xué)性能低，而變形鎂合金可以克服這些鑄造缺陷。軋制是拓寬變形鎂合金應(yīng)用的有效途徑，因?yàn)檐堉乒に嚳梢陨a(chǎn)大件型材和沖壓用板料。目前，板材的軋制技術(shù)還不成熟，軋后的板材各向異性程度高、沖壓成型性差，且板材邊部開(kāi)裂嚴(yán)重、材料利用率低。因此，開(kāi)展鎂合金板材軋制研究很有意義。

本文研究了目前鎂合金軋制研究的進(jìn)展情況和各種軋制工藝的優(yōu)劣性，還重點(diǎn)研究了數(shù)值模擬在鎂合金板材軋制中的應(yīng)用，并指出今后鎂合金軋制研究的發(fā)展方向。

1 軋制方式研究

Kim和Lee等研究了鎂合金異步軋制工藝，發(fā)現(xiàn)AZ31鎂合金通過(guò)異步軋制能具有良好的室溫塑性、材料的各向異性比減小、還能增大加工硬化指數(shù)，原因是通過(guò)異步軋制可以得到細(xì)小均勻的晶粒組織，同時(shí)非基面滑移明顯增加。雖然研究異步軋制取得了很大成就，但是多數(shù)集中在異步軋制本身，對(duì)異步軋制工藝參數(shù)與板材組織和性能的研究以及異步軋制過(guò)程中滑移和孿生等塑性變形機(jī)制的研究比較少，異步軋制的板材變形機(jī)理和異步軋制的工藝參數(shù)還有待進(jìn)一步深入研究【3、11】。

累積疊軋技術(shù)是日本學(xué)者SAITO等提出的一種劇烈塑性變形方法【4、5、8】。累積疊軋工藝能有效細(xì)化鎂合金板材的晶粒、提高室溫強(qiáng)度和塑性。累積疊軋工藝要求很大的道次變形量，因?yàn)樵摴に嚥皇菃我坏能堉谱冃?，它還包含一個(gè)焊合過(guò)程，大壓下量才能保證焊合。而壓下量太大會(huì)出現(xiàn)軋制的另一個(gè)缺陷邊裂。

等徑角軋制是將軋制和大剪切變形相結(jié)合，利用普通軋制變形產(chǎn)生的摩擦力提供動(dòng)力，使板材連續(xù)通過(guò)兩通道厚度相等且成一定夾角的模具實(shí)現(xiàn)連續(xù)剪切變形。通過(guò)等徑角軋制改變了板材的基面織構(gòu)，板材晶粒得細(xì)化并有大量細(xì)密孿晶出現(xiàn)，板材等強(qiáng)度明顯提高，但是在軋制薄板時(shí)軋制不穩(wěn)定。目前，由于設(shè)備的限制研究成果還處于實(shí)驗(yàn)室階段而沒(méi)有進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。

交叉軋制就是在軋制過(guò)程中改變軋制方向(旋轉(zhuǎn)90O)，目的是減小板材的各向異性，提高板材的沖壓成形性。研究表明，交叉軋制可以減輕板材的各向異性，使織構(gòu)強(qiáng)度的降低，可以為板材的深沖變形提供良好的條件【7.8】。

雙輥鑄軋工藝是將鑄造與軋制兩道工序合二為一、直接從液態(tài)金屬制備板坯的近終成形工藝。雙輥鑄軋技術(shù)應(yīng)用于鎂合金板帶生產(chǎn)時(shí)，可以節(jié)省能源、大幅縮短工藝流程、提高成材率，在鎂合金板帶加工領(lǐng)域具有里程碑的意義。目前，連續(xù)鑄軋工藝生產(chǎn)的板料存在許多缺陷，材料偏析嚴(yán)重、晶粒粗大，各向異性嚴(yán)重。研究者普遍認(rèn)為，獲得細(xì)小均勻晶粒的鎂合金鑄軋板材是鑄軋技術(shù)攻克的難題。現(xiàn)在有許多科研工作者研究通過(guò)添加一些金屬細(xì)化劑細(xì)化鑄造組織，細(xì)化后的鑄態(tài)組織對(duì)軋制十分有利，這也是研究鎂合金鑄軋技術(shù)的一個(gè)重要課題【6、15】。

2 軋制工藝參數(shù)研究

軋制工藝參數(shù)包括軋制時(shí)板材溫度、軋輥溫度、軋制壓下量和軋制速度。中科院張士宏課題組和營(yíng)口銀河鎂鋁合金有限公司合作，對(duì)鎂合金粗軋和精軋工藝參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，在軋制過(guò)程中，軋制溫度是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，在粗軋實(shí)驗(yàn)中，鎂合金板材溫度為400℃，軋輥溫度從室溫提高到180℃，軋制極限壓下量可以從40%提高到70%，在壓下量為70%時(shí)晶粒度可達(dá)到7um，但是會(huì)出現(xiàn)邊部開(kāi)裂，壓下量在50%時(shí)板材成材率比較高。在精軋實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇各種壓下量、各種軋制溫度，發(fā)現(xiàn)軋制板材溫度為300℃，壓下量為25%，軋制速度為0.5 m/s時(shí)，板材的晶粒度可以達(dá)到5 um，延伸率可以達(dá)到20%，屈服強(qiáng)度可以達(dá)到180Mpa。Hosokawa等人與陳維平也對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，研究指出軋制溫度是關(guān)鍵參數(shù)，得出的結(jié)論與中科院課題組的結(jié)論基本相似，同時(shí)對(duì)工藝制定給出了理論指導(dǎo)【11】。

3 軋制在模擬方面的進(jìn)展

近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展和模擬技術(shù)的應(yīng)用，將傳統(tǒng)的只能依靠工藝試驗(yàn)和試錯(cuò)法來(lái)優(yōu)化工藝參數(shù)的研究方法得以取代。數(shù)值模擬技術(shù)在某種意義上是虛擬工藝實(shí)驗(yàn)，不需要實(shí)際的坯料、工具、設(shè)備，但是可以方便地考慮材料屬性、加工條件、加工工具與工件之間的相互作用等因素的影響，了解各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)板材溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變、板料的回彈、邊部減薄的影響，可以有效減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期和降低費(fèi)用。有限元數(shù)值模擬方法成為工藝過(guò)程優(yōu)化的新工具。

復(fù)旦大學(xué)的徐宏彬通過(guò)分析材料密度對(duì)顯式動(dòng)力學(xué)方法穩(wěn)定性極限的影響，引出“質(zhì)量放大”這一概念。針對(duì)單板建立了三維的有限元模型，運(yùn)用顯式動(dòng)力學(xué)方法實(shí)現(xiàn)了軋制過(guò)程的有限元模擬，考察了不同質(zhì)量放大因子對(duì)計(jì)算所得工件軋制后尺寸、軋輥與工件接觸壓力以及工件內(nèi)能和動(dòng)能的影響，確定了質(zhì)量放大因子的合理區(qū)間。韓小峰用MSC Superform軟件進(jìn)行了圓截面軋扁三維軋制數(shù)值模擬，模擬了JD型整體放電極線軋制成形過(guò)程，取得了有效軋制弧長(zhǎng)、制件長(zhǎng)度、前滑率以及制件輪廓形狀和斷面形狀等數(shù)據(jù)。用大型通用軟件MSC.MARC對(duì)AZ31鎂合金板材異步軋制過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了異步軋制工藝參數(shù)對(duì)等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、軋制力、板材位移的影響規(guī)律，模擬溫度梯度對(duì)鎂合金板材軋制的影響【12】。

板坯本身的熱容性很小，降溫很快，變形量過(guò)大或者不合理時(shí)，容易出現(xiàn)裂邊和表面裂紋，變形鎂合金板材的成材率特別低。目前，加工晶粒小、強(qiáng)度高、寬副大規(guī)格的鎂合金板材依然是一個(gè)難題。

目前，營(yíng)口銀河鎂鋁合金有限公司利用1775mm四輥可逆熱軋制機(jī)可以軋制成卷薄鎂合金板帶，是中國(guó)在鎂合金板材制造上最先進(jìn)的水平，在世界也是領(lǐng)先水平【24、26】。但是板材邊部開(kāi)裂問(wèn)題依然沒(méi)有解決，這種板材只能加工蜂窩板，達(dá)不到?jīng)_裁板的要求。

4 結(jié)論

鎂合金板材軋制有著廣闊的應(yīng)用前景，目前，雖然在軋制方式、軋制工藝參數(shù)、數(shù)值模擬上進(jìn)行了各種研究，但是都是處于實(shí)驗(yàn)室階段，要想取得突破性進(jìn)展進(jìn)行大量生產(chǎn)，還需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究:

（1）軋制方式和工藝參數(shù)對(duì)鎂合金板材的組織和成形有著非常重要的影響，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)各工藝參數(shù)與軋制方式之間的關(guān)系，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)從而找到最佳的生產(chǎn)工藝。

（2）目前，鎂合金板材生產(chǎn)用的軋機(jī)還是一些經(jīng)過(guò)改造的通用軋機(jī)，應(yīng)該研究可以實(shí)現(xiàn)各種軋制方式和可調(diào)工藝參數(shù)的智能軋機(jī)。

（3）目前，軋制模擬得到的模擬結(jié)果還是應(yīng)力、應(yīng)變曲線，研究人員通過(guò)分析應(yīng)力、應(yīng)變曲線來(lái)判斷板材組織，應(yīng)該進(jìn)行微觀組織模擬，模擬結(jié)果直接反映出來(lái)。

（4）為進(jìn)一步提高鎂合金板材的性能和成材率，應(yīng)繼續(xù)深入企業(yè)加強(qiáng)與工業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的理論研究。

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課題：

包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院校內(nèi)課題AZ31鎂合金板材軋制數(shù)值模擬課題號(hào)Y201411

劉桂榮（1978-），女，內(nèi)蒙古包頭，講師，沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士研究生。研究方向：鎂合金塑性變形。