镁合金板材轧制研究进展

刘桂荣 吕淑艳

包头职业技术学院 材料工程系， 内蒙古 包头 014030

镁合金板材轧制研究进展

刘桂荣 吕淑艳

包头职业技术学院 材料工程系， 内蒙古 包头 014030

本文综述了国内外镁合金板材轧制的研究现状，分别介绍了轧制方式研究、轧制工艺参数研究、轧制模拟研究进展，并对相关研究做了总结，最后指出镁合金轧制研究方向。

镁合金；板材轧制；工艺参数；数值模拟

由于节能和环保的压力，在许多领域镁合金作为新型轻合金材料正被高度重视【1、12】，我国虽是产镁大国，但是受材料制备、加工技术等因素的制约，镁合金的应用并不广泛。目前主要应用在压铸产品的生产上。中国镁业协会会长徐晋湘说我国镁合金的应用还只是工业味精【2】。铸造镁合金一般晶粒粗大、容易产生缩孔、缩松、组织偏析、力学性能低，而变形镁合金可以克服这些铸造缺陷。轧制是拓宽变形镁合金应用的有效途径，因为轧制工艺可以生产大件型材和冲压用板料。目前，板材的轧制技术还不成熟，轧后的板材各向异性程度高、冲压成型性差，且板材边部开裂严重、材料利用率低。因此，开展镁合金板材轧制研究很有意义。

本文研究了目前镁合金轧制研究的进展情况和各种轧制工艺的优劣性，还重点研究了数值模拟在镁合金板材轧制中的应用，并指出今后镁合金轧制研究的发展方向。

1 轧制方式研究

Kim和Lee等研究了镁合金异步轧制工艺，发现AZ31镁合金通过异步轧制能具有良好的室温塑性、材料的各向异性比减小、还能增大加工硬化指数，原因是通过异步轧制可以得到细小均匀的晶粒组织，同时非基面滑移明显增加。虽然研究异步轧制取得了很大成就，但是多数集中在异步轧制本身，对异步轧制工艺参数与板材组织和性能的研究以及异步轧制过程中滑移和孪生等塑性变形机制的研究比较少，异步轧制的板材变形机理和异步轧制的工艺参数还有待进一步深入研究【3、11】。

累积叠轧技术是日本学者SAITO等提出的一种剧烈塑性变形方法【4、5、8】。累积叠轧工艺能有效细化镁合金板材的晶粒、提高室温强度和塑性。累积叠轧工艺要求很大的道次变形量，因为该工艺不是单一的轧制变形，它还包含一个焊合过程，大压下量才能保证焊合。而压下量太大会出现轧制的另一个缺陷边裂。

等径角轧制是将轧制和大剪切变形相结合，利用普通轧制变形产生的摩擦力提供动力，使板材连续通过两通道厚度相等且成一定夹角的模具实现连续剪切变形。通过等径角轧制改变了板材的基面织构，板材晶粒得细化并有大量细密孪晶出现，板材等强度明显提高，但是在轧制薄板时轧制不稳定。目前，由于设备的限制研究成果还处于实验室阶段而没有进行工业生产。

交叉轧制就是在轧制过程中改变轧制方向(旋转90O)，目的是减小板材的各向异性，提高板材的冲压成形性。研究表明，交叉轧制可以减轻板材的各向异性，使织构强度的降低，可以为板材的深冲变形提供良好的条件【7.8】。

双辊铸轧工艺是将铸造与轧制两道工序合二为一、直接从液态金属制备板坯的近终成形工艺。双辊铸轧技术应用于镁合金板带生产时，可以节省能源、大幅缩短工艺流程、提高成材率，在镁合金板带加工领域具有里程碑的意义。目前，连续铸轧工艺生产的板料存在许多缺陷，材料偏析严重、晶粒粗大，各向异性严重。研究者普遍认为，获得细小均匀晶粒的镁合金铸轧板材是铸轧技术攻克的难题。现在有许多科研工作者研究通过添加一些金属细化剂细化铸造组织，细化后的铸态组织对轧制十分有利，这也是研究镁合金铸轧技术的一个重要课题【6、15】。

2 轧制工艺参数研究

轧制工艺参数包括轧制时板材温度、轧辊温度、轧制压下量和轧制速度。中科院张士宏课题组和营口银河镁铝合金有限公司合作，对镁合金粗轧和精轧工艺参数进行了详细的研究，在轧制过程中，轧制温度是一个重要的工艺参数，在粗轧实验中，镁合金板材温度为400℃，轧辊温度从室温提高到180℃，轧制极限压下量可以从40%提高到70%，在压下量为70%时晶粒度可达到7um，但是会出现边部开裂，压下量在50%时板材成材率比较高。在精轧实验时选择各种压下量、各种轧制温度，发现轧制板材温度为300℃，压下量为25%，轧制速度为0.5 m/s时，板材的晶粒度可以达到5 um，延伸率可以达到20%，屈服强度可以达到180Mpa。Hosokawa等人与陈维平也对工艺参数进行了详细的研究，研究指出轧制温度是关键参数，得出的结论与中科院课题组的结论基本相似，同时对工艺制定给出了理论指导【11】。

3 轧制在模拟方面的进展

近年来随着计算机水平的发展和模拟技术的应用，将传统的只能依靠工艺试验和试错法来优化工艺参数的研究方法得以取代。数值模拟技术在某种意义上是虚拟工艺实验，不需要实际的坯料、工具、设备，但是可以方便地考虑材料属性、加工条件、加工工具与工件之间的相互作用等因素的影响，了解各个工艺参数对板材温度场、应力应变、板料的回弹、边部减薄的影响，可以有效减少实验次数，缩短产品开发的周期和降低费用。有限元数值模拟方法成为工艺过程优化的新工具。

复旦大学的徐宏彬通过分析材料密度对显式动力学方法稳定性极限的影响，引出“质量放大”这一概念。针对单板建立了三维的有限元模型，运用显式动力学方法实现了轧制过程的有限元模拟，考察了不同质量放大因子对计算所得工件轧制后尺寸、轧辊与工件接触压力以及工件内能和动能的影响，确定了质量放大因子的合理区间。韩小峰用MSC Superform软件进行了圆截面轧扁三维轧制数值模拟，模拟了JD型整体放电极线轧制成形过程，取得了有效轧制弧长、制件长度、前滑率以及制件轮廓形状和断面形状等数据。用大型通用软件MSC.MARC对AZ31镁合金板材异步轧制过程进行了数值模拟，分析了异步轧制工艺参数对等效应力、等效应变、轧制力、板材位移的影响规律，模拟温度梯度对镁合金板材轧制的影响【12】。

板坯本身的热容性很小，降温很快，变形量过大或者不合理时，容易出现裂边和表面裂纹，变形镁合金板材的成材率特别低。目前，加工晶粒小、强度高、宽副大规格的镁合金板材依然是一个难题。

目前，营口银河镁铝合金有限公司利用1775mm四辊可逆热轧制机可以轧制成卷薄镁合金板带，是中国在镁合金板材制造上最先进的水平，在世界也是领先水平【24、26】。但是板材边部开裂问题依然没有解决，这种板材只能加工蜂窝板，达不到冲裁板的要求。

4 结论

镁合金板材轧制有着广阔的应用前景，目前，虽然在轧制方式、轧制工艺参数、数值模拟上进行了各种研究，但是都是处于实验室阶段，要想取得突破性进展进行大量生产，还需要在以下几个方面进行深入研究:

（1）轧制方式和工艺参数对镁合金板材的组织和成形有着非常重要的影响，通过神经网络协调各工艺参数与轧制方式之间的关系，减少实验次数从而找到最佳的生产工艺。

（2）目前，镁合金板材生产用的轧机还是一些经过改造的通用轧机，应该研究可以实现各种轧制方式和可调工艺参数的智能轧机。

（3）目前，轧制模拟得到的模拟结果还是应力、应变曲线，研究人员通过分析应力、应变曲线来判断板材组织，应该进行微观组织模拟，模拟结果直接反映出来。

（4）为进一步提高镁合金板材的性能和成材率，应继续深入企业加强与工业生产相结合的理论研究。

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[13] 营口宽幅高端镁合金板材实现工业化生产[N]，辽宁日报

课题：

包头职业技术学院校内课题AZ31镁合金板材轧制数值模拟课题号Y201411

刘桂荣（1978-），女，内蒙古包头，讲师，沈阳理工大学硕士研究生。研究方向：镁合金塑性变形。