CN110508617A - 弱基面织构镁合金板带材的折皱轧制减薄装置及加工方法 - Google Patents
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Abstract
弱基面织构镁合金板带材的折皱轧制减薄装置及加工方法，属于提高镁合金板带材成形性能的轧制工艺方法技术领域，可解决现有镁合金的弱化基面织构方法较复杂，不容易实现连续化的问题，通过在送料通道中添加变形腔使镁合金坯料经由旋转凸模作用发生折皱，变形成倒V形坯料板，诱导晶粒向型腔面发生倾斜，随后坯料板经由轧辊进行下一步的轧制变形，轧制之前坯料板位置与轧辊进料口成一定角度倾斜且轧辊之间的距离小于坯料板的厚度，镁合金坯料经历了一个剪切塑性变形+轧制减薄的过程，进一步多道次连续折皱‑轧制减薄对镁合金进行变形加工，制备出晶粒细小，组织均匀的弱基面织构镁合金板材。
Description
技术领域
本发明属于提高镁合金板带材成形性能的轧制工艺方法技术领域，具体涉及一种弱基面织构镁合金板带材的褶皱轧制减薄装置及加工方法。
背景技术
镁及其合金作为一种结构材料，由于其良好的可加工性以及高阻尼能力而受到人们的广泛关注。其质较轻，重量约为铝的2/3，铁的1/4，在提高燃油效率和减少二氧化碳排放等方面具有巨大潜力，结合其高比强度和比刚度的特性，镁合金成为飞机和汽车结构应用的理想选择，然而，由于其特殊的晶体结构（密排六方晶体结构），镁合金晶格在常温下滑移***有限，仅有2个独立的滑移系开动，满足不了塑性变形需要的5个独立滑移系的要求，故表现出很差的机械性能和室温成形性能，且在加工的过程中容易形成形变织构，织构的出现会显著影响镁合金的性能，例如出现各向异性和拉压不对称等现象，限制镁合金的应用和产业化推广，因此弱化基面织构制备高性能的镁合金是当前亟待解决的问题。
在目前阶段，人们想要提高镁合金的成形性能，往往选择将合金元素添加进镁合金或对其引入剪切变形来实现基面织构弱化，如等径角挤压（ECAP）等技术，不仅能够有效细化晶粒，同时可以弱化基面织构，提高金属的强度和塑性。但这类技术的变形方式较复杂，不容易实现连续化，且获得的产品尺寸较小，很难实现工业化生产，在一定程度上限制了镁合金的应用。
发明内容
本发明针对现有镁合金的弱化基面织构方法较复杂，不容易实现连续化的问题，提供一种弱基面织构镁合金板带材的折皱-轧制减薄装置及加工方法。通过在送料通道中添加变形腔使镁合金坯料经由旋转凸模作用发生折皱，变形成倒V形坯料板，诱导晶粒向型腔面发生倾斜，随后坯料板经由轧辊进行下一步的轧制变形，轧制之前坯料板位置与轧辊进料口成一定角度倾斜且轧辊之间的距离小于坯料板的厚度，镁合金坯料经历了一个剪切塑性变形+轧制减薄的过程，进一步多道次连续折皱-轧制减薄对镁合金进行变形加工，制备出晶粒细小，组织均匀的弱基面织构镁合金板材。
本发明采用如下技术方案：
一种弱基面织构镁合金板带材的折皱轧制减薄装置，包括传送辊Ⅰ、传送辊Ⅱ、可旋转的凸模、上轧辊和下轧辊，凸模位于传送辊Ⅱ和下轧辊之间，传送辊Ⅰ和传送辊Ⅱ通过传送带连接，凸模位于凸模腔内，凸模腔的两端分别设有进料口和出料口，进料口位于靠近传送辊Ⅱ的一端，出料口位于靠近下轧辊的一端，凸模的顶端呈倒V形，上轧辊和下轧辊之间的距离小于出料口的宽度。
所述传送辊Ⅰ和传送辊Ⅱ的轴线位于同一水平线。
所述传送辊Ⅰ和传送辊Ⅱ的上端与进料口的下端平齐。
所述凸模的顶端的中心和凸模的中心位于同一轴线。
所述凸模的截面为正多边形，凸模的各角做倒圆角，各圆角的半径相同。
一种弱基面织构镁合金板带材的折皱轧制减薄加工方法，包括如下步骤：
第一步，精选材料、化学试剂：镁合金坯料，固态板材；砂纸，固态；高温石墨油溶液，液体；无水乙醇，液体；丙酮，液体；
第二步，预处理镁合金坯料：
（1）600目砂纸对镁合金坯料进行外表面打磨，去除油污，随后依次用1000，1200，2500目砂纸进行打磨，确保表面清洁、光滑；
（2）将丙酮和无水乙醇按体积3:2的比例制成混合液，搅拌均匀；
（3）将镁合金坯料置于混合液中进行超声清洗30min，清洗后取出用无水乙醇进行清洗，用吹风机冷风吹干；
第三步，预热镁合金坯料：
开启真空气氛加热炉，预设温度为300℃，将镁合金坯料置于真空气氛加热炉中加热1-4h；
第四步，加工镁合金坯料：
（1）首先通过电阻丝对凸模以及上轧辊和下轧辊进行加热，凸模的顶部初始位置与凸模腔的底部持平，加热到300℃后将预热后的镁合金坯料涂抹高温石墨油溶液进行润滑，镁合金板坯料通过传送辊Ⅰ和传送辊Ⅱ配合传送带从凸模腔的进料口处进料，使镁合金板坯料与上轧辊接触，由于进料口与镁合金板坯料之间存在温差，镁合金板坯料放入进料口后温度会下降，坯料与上轧辊接触后静置10分钟使上轧辊与镁合金坯料平衡至300℃，开启传送带、旋转凸模，使镁合金坯料拥有从左向右运动的趋势，由于上轧辊和下轧辊之间的距离小于坯料厚度，此时镁合金坯料被挡在上轧辊一侧，经凸模对镁合金坯料的作用后，镁合金坯料发生折皱，诱导晶粒向型腔面发生倾斜，随后镁合金坯料经由上轧辊和下轧辊进行下一步的轧制变形，轧制之前坯料板位置与轧辊进料口成30°倾斜且上轧辊和下轧辊之间的距离小于坯料板的厚度，开启上轧辊和下轧辊，此时板材呈倒V形向右进料，凸模顺时针旋转，镁合金坯料右侧与上轧辊和下轧辊呈30°倾斜，倒V形坯料经由上轧辊和下轧辊进行轧制减薄过程，然后从上轧辊和下轧辊的另一侧出料，得到一道次镁合金板坯；
（2）减小上轧辊和下轧辊之间的缝隙距离，将一道次镁合金板坯重新加热至300℃后再次涂抹高温石墨油溶液，重复进行步骤（1），进行后续多道次的连续折皱-轧制减薄加工过程，最终获得细晶弱织构的镁合金薄板；
（3）加工完毕以后，关闭加热电阻丝，关闭上轧辊和下轧辊；
（4）取出镁合金薄板，使用砂纸对其表面进行打磨，随后用丙酮+乙醇混合溶液进行清洗，然后再使用无水乙醇再进行清洗，最后用吹风机冷风吹干。
本发明通过连续折皱-轧制减薄制备弱织构高性能镁合金板材的原理是：
在凸模的作用下，镁合金板坯料在凸模腔内发生折皱变形，由于凸模腔内部结构与凸模结构的差异使得镁合金板坯料在凸模腔内部差速流动，发生剪切变形，镁合金板材晶粒c轴向剪切面倾斜，基面织构发生弱化，晶粒发生细化，降低了轧制力，协调了进一步的轧制变形过程；折皱后的镁合金板坯料呈倒V形与上轧辊和下轧辊呈一定角度接触，由于板材进料位置与上轧辊和下轧辊之间的进料口存在一定角度，在轧制过程中镁合金坯料发生差速流动，再次产生剪切变形，晶粒c轴向剪切面倾斜，晶粒细化，基面织构弱化；上轧辊和下轧辊之间的距离小于板厚，镁合金板坯料经轧制后变薄，进一步多道次的对镁合金板坯料进行加工，由于镁合金板晶粒的细化和织构的弱化，性能获得了提升。
本发明的有益效果如下：
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，针对镁合金强度、塑性以及成形性能较差的情况，采用连续折皱-轧制减薄加工方法，使镁合金发生剪切塑性变形，每一次旋转凸模对板材的折皱变形以及轧辊与板材间的剪切变形均会促使镁合金板材的晶粒发生细化，晶粒c轴向剪切面倾斜，如附图4所示，从而弱化（0001）基面织构；本发明的弱基面织构镁合金板材的加工方法简单、成本低、大大降低了对设备吨位的要求，具有很好的规模化应用前景，是十分理想的提高镁合金强度、塑性能力的方法。通过本发明的连续折皱-轧制减薄加工方法，镁合金的平均晶粒尺寸与原始镁合金板相比大大减小，织构强度大大降低。晶粒的细化和基面织构的弱化有利于镁合金强度和塑性等机械性能和冲压成形性能的提高。
附图说明
图1为本发明的镁合金板坯料初始放置示意图；
图2为本发明的镁合金板坯料倒V形变形示意图；
图3为本发明的镁合金板坯料加工示意图；
图4为本发明的镁合金板坯料的晶粒偏转示意图；
图5为本发明实施例的凸模的结构示意图；
图6为本发明实施例连续折皱-轧制减薄镁合金板材TEM图；
图7为本发明实施例连续折皱-轧制减薄镁合金板材（0001）极图；
其中：1-传送辊Ⅰ；2-传送辊Ⅱ；3-传送带；4-凸模；5-上轧辊；6-下轧辊；7-进料口；8-坯料；9-凸模腔。
具体实施方式
实施例
镁合金板材的加工所需的化学试剂和耐高温石墨的量值是是按预先设置的比例范围确定的，以毫米、毫升、克为计量单位。
（1）精选材料、化学试剂
镁合金坯料：AZ31镁合金固体板材，含镁量为96%，含铝量为3.0%，含锌量为1.0%。
砂纸：固态固体；
高温石墨油溶液：液态液体；
无水乙醇：液态液体，99.5%；
丙酮：液态液体，99%；
（2）预处理镁合金坯料
①用600目砂纸对镁合金坯料进行外表面打磨，去除油污，随后依次用1000，1200，2500目砂纸进行打磨，确保表面清洁、光滑；
②丙酮和无水乙醇按体积3:2加入清洗槽内，搅拌混合，制成丙酮+无水乙醇混合液；
③将镁合金坯料置于丙酮+酒精溶液中，随后将清洗槽置于超声波清洗机上进行超声波清洗，清洗时间为30min，取出坯料用无水乙醇进行清洗，随后用吹风机冷风吹干；
（3）预热镁合金坯料
开启真空气氛加热炉，预设温度为300℃，达到预定温度时，将镁合金坯料置于加热炉中，保温2.0h；
（4）加工镁合金坯料
①首先通过电阻丝对凸模4以及上轧辊5和下轧辊6进行加热，凸模4的顶部初始位置与凸模腔9的底部持平，加热到300℃后将预热后的镁合金坯料涂抹高温石墨油溶液进行润滑，镁合金板坯料通过传送辊Ⅰ1和传送辊Ⅱ2配合传送带3从凸模腔9的进料口7处进料，使镁合金板坯料与上轧辊接触，如附图1所示，由于进料口7与镁合金板坯料之间存在温差，镁合金板坯料放入进料口7后温度会下降，坯料与上轧辊5接触后静置10分钟使上轧辊5与镁合金坯料平衡至300℃，开启传送带3、旋转凸模4，使镁合金坯料拥有从左向右运动的趋势，由于上轧辊5和下轧辊6之间的距离小于板材厚度，此时镁合金坯料被挡在上轧辊5一侧，经凸模4对镁合金坯料的作用后，镁合金坯料发生折皱，诱导晶粒向型腔面发生倾斜，随后镁合金坯料经由上轧辊5和下轧辊6进行下一步的轧制变形，轧制之前坯料板位置与轧辊进料口成30°倾斜且上轧辊5和下轧辊6之间的距离小于坯料板的厚度，如附图2所示。开启上轧辊5和下轧辊6，此时板材呈倒V形向右进料，凸模4顺时针旋转，镁合金坯料右侧与上轧辊5和下轧辊6呈30°倾斜，倒V形坯料经由上轧辊5和下轧辊6进行轧制减薄过程，然后从上轧辊5和下轧辊6的另一侧出料，得到一道次镁合金板坯。
② 将一道次轧制镁合金板材坯料进行300℃预热10分钟后再次涂抹高温石墨油溶液，调整轧机上轧辊5和下轧辊6之间的缝隙，重复进行步骤①，进行2道次的剪切轧制变形，如此多道次的轧制变形，最终获得1mm厚的AZ31镁合金板材。
③加工完毕以后，关闭加热电阻丝，关闭轧辊。
④取出镁合金薄板，使用砂纸对其表面进行打磨，随后用丙酮+乙醇混合溶液进行清洗，然后再使用无水乙醇再进行清洗，最后用吹风机冷风吹干。
结论：通过本发明的连续折皱-轧制减薄工艺方法，镁合金的平均晶粒尺寸与常规镁合金相比大大减小，晶粒尺寸从32μm下降到3.2 μm，（0001）基面织构强度相比常规镁合金从27.6下降至5.2，室温杯突值达到6.2 mm，与正常轧制的1mm厚商业AZ31镁合金（杯突值一般为3mm左右）板材相比，提高了近1倍。
所用材料、化学试剂镁合金块：AZ31镁合金板坯，100mm×60mm×5mm；砂纸：SiC，600目，2张；1000目，2张；1200目，2张；2500目，2张；高温石墨油溶液：C，30ml；无水乙醇：CH3CH2OH，1200ml；丙酮：C3H6O，800ml。
镁合金的平均晶粒尺寸与常规镁合金相比大大减小，晶粒尺寸从32μm下降到3.2μm，（0001）基面织构强度相比常规镁合金从27.6下降至5.2。室温杯突值达到6.2 mm，与正常轧制的1mm厚商业AZ31镁合金（杯突值一般为3mm左右）板材相比，提高了近1倍。
可旋转的凸模4模具形状不固定，可为正三角形，正四边形，正五边形等，凸模圆角半径分别为r1、r2、r3等，其中r1＝r2＝r3＝……，r的大小不具体某一值；凸模边长分别为l1、l2、l3等，其中l1＝l2＝l3=……，l的大小不具体某一值。
通过控制上下两轧辊的速度n1、n2来实现常规轧制(n1=n2)，差速轧制（n1≠n2）等不同类型的轧制过程；可通过控制上轧辊和下轧辊之间的距离来控制镁合金板变形量的大小。
在整个加工过程中，凸模不断对镁合金板坯料进行变形，折皱成倒V形坯料板，进一步的轧辊与板成一定角度不断的轧制减薄，镁合金坯料板不断地发生连续折皱-轧制减薄的过程，晶粒细化的同时也弱化了基面织构，达到了制备高性能镁合金板材的目的，从而促进镁合金的产业化应用，扩大镁合金的应用范围。
Claims (6)
1.一种弱基面织构镁合金板带材的折皱轧制减薄装置，其特征在于：包括传送辊Ⅰ（1）、传送辊Ⅱ（2）、可旋转的凸模（4）、上轧辊（5）和下轧辊（6），凸模（4）位于传送辊Ⅱ（2）和下轧辊（6）之间，传送辊Ⅰ（1）和传送辊Ⅱ（2）通过传送带（3）连接，凸模（4）位于凸模腔（9）内，凸模腔（9）的两端分别设有进料口（7）和出料口，进料口（7）位于靠近传送辊Ⅱ（2）的一端，出料口位于靠近下轧辊（6）的一端，凸模（4）的顶端呈倒V形，上轧辊（5）和下轧辊（6）之间的距离小于出料口的宽度。
2.根据权利要求1所述的一种弱基面织构镁合金板带材的折皱轧制减薄装置，其特征在于：所述传送辊Ⅰ（1）和传送辊Ⅱ（2）的轴线位于同一水平线。
3.根据权利要求1所述的一种弱基面织构镁合金板带材的折皱轧制减薄装置，其特征在于：所述传送辊Ⅰ（1）和传送辊Ⅱ（2）的上端与进料口（7）的下端平齐。
4.根据权利要求1所述的一种弱基面织构镁合金板带材的折皱轧制减薄装置，其特征在于：所述凸模（4）的顶端的中心和凸模（4）的中心位于同一轴线。
5.根据权利要求1所述的一种弱基面织构镁合金板带材的折皱轧制减薄装置，其特征在于：所述凸模（4）的截面为正多边形，凸模（4）的各角做倒圆角，各圆角的半径相同。
6.一种利用如权利要求1~5任意一项所述的弱基面织构镁合金板带材的折皱轧制减薄装置的加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，精选材料、化学试剂：镁合金坯料，固态板材；砂纸，固态；高温石墨油溶液，液体；无水乙醇，液体；丙酮，液体；
第二步，预处理镁合金坯料：
（1）600目砂纸对镁合金坯料进行外表面打磨，去除油污，随后依次用1000，1200，2500目砂纸进行打磨，确保表面清洁、光滑；
（2）将丙酮和无水乙醇按体积3:2的比例制成混合液，搅拌均匀；
（3）将镁合金坯料置于混合液中进行超声清洗30min，清洗后取出用无水乙醇进行清洗，用吹风机冷风吹干；
第三步，预热镁合金坯料：
开启真空气氛加热炉，预设温度为300℃，将镁合金坯料置于真空气氛加热炉中加热1-4h；
第四步，加工镁合金坯料：
（1）首先通过电阻丝对凸模（4）以及上轧辊（5）和下轧辊（6）进行加热，凸模（4）的顶部初始位置与凸模腔（9）的底部持平，加热到300℃后将预热后的镁合金坯料涂抹高温石墨油溶液进行润滑，镁合金板坯料通过传送辊Ⅰ（1）和传送辊Ⅱ（2）配合传送带（3）从凸模腔（9）的进料口（7）处进料，使镁合金板坯料与上轧辊（5）接触，由于进料口（7）与镁合金板坯料之间存在温差，镁合金板坯料放入进料口（7）后温度会下降，坯料与上轧辊（5）接触后静置10分钟使上轧辊（5）与镁合金坯料平衡至300℃，开启传送带（3）、旋转凸模（4），使镁合金坯料拥有从左向右运动的趋势，由于上轧辊（5）和下轧辊（6）之间的距离小于坯料厚度，此时镁合金坯料被挡在上轧辊（5）一侧，经凸模（4）对镁合金坯料的作用后，镁合金坯料发生折皱，诱导晶粒向型腔面发生倾斜，随后镁合金坯料经由上轧辊（5）和下轧辊（6）进行下一步的轧制变形，轧制之前坯料板位置与轧辊进料口（7）成30°倾斜且上轧辊（5）和下轧辊（6）之间的距离小于坯料板的厚度，开启上轧辊（5）和下轧辊（6），此时板材呈倒V形向右进料，凸模（4）顺时针旋转，镁合金坯料右侧与上轧辊（5）和下轧辊（6）呈30°倾斜，倒V形坯料经由上轧辊（5）和下轧辊（6）进行轧制减薄过程，然后从上轧辊（5）和下轧辊（6）的另一侧出料，得到一道次镁合金板坯；
（2）减小上轧辊（5）和下轧辊（6）之间的缝隙距离，将一道次镁合金板坯重新加热至300℃后再次涂抹高温石墨油溶液，重复进行步骤（1），进行后续多道次的连续折皱-轧制减薄加工过程，最终获得细晶弱织构的镁合金薄板；
（3）加工完毕以后，关闭加热电阻丝，关闭上轧辊和下轧辊；
（4）取出镁合金薄板，使用砂纸对其表面进行打磨，随后用丙酮+乙醇混合溶液进行清洗，然后再使用无水乙醇再进行清洗，最后用吹风机冷风吹干。
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