CN111570512A - 一种高强韧镁合金板材及其叠合压轧制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高强韧镁合金板材及其叠合压轧制备方法，高强韧镁合金板材的叠合压轧制备方法包括：清洗合金板材表面、板材叠合后与硬质合金薄板衬板的固定压紧、保温、固定好的待轧制板材与硬质合金薄板衬板进行同步轧制、自然冷却、去除合金薄板衬板后获得合为一体的板材。本发明通过添加衬板改变了板材受力，提高了单道次压下量及剪切变形，弱化织构的同时，可使板材结合面更牢靠；保证总压下量的同时减少了结合界面，从而降低结合界面过多引起的塑性差；保证了轧制板材的低温可成形性，降低了废品率，并且避免了结合面高温下的严重氧化，最终实现了抗拉强度与延伸率的协同提升。本发明制备方法简单，轧制道次少，提高了镁合金板材性能。
Description
技术领域
本发明属于金属材料及其加工领域，具体的是涉及一种高强韧镁合金板材及其叠合压轧制备方法。
背景技术
镁合金作为最轻的结构金属材料，在国防、汽车、电子等行业具有良好的应用前景。由于镁合金本身极限抗拉强度较低，细晶强化作为有效提升镁合金力学性能的重要手段，受到国内外广泛关注。目前，国际上主要采用大变形方法制备具有高强度、高韧性的镁合金材料。大变形方法主要包括等通道角挤压、高压扭转和累积叠轧等。其中，累积叠轧通过板材的反复叠合轧制，实现压下量的累计叠加，晶粒反复变形和再结晶，实现晶粒细化。叠轧有三个明显的优点：一是不需要高载荷的成形设备和昂贵的模具；二是材料生产效率高；三是适宜生产大尺寸的板，带等结构材料。
因此，叠轧被认为是目前唯一能够实现大规模工业化连续生产超细晶材料的大变形技术。但是，叠轧需要在大压下量条件下进行，才能实现很好的材料连接。就镁合金而言，轧制温度过低或压下量过大均极易导致板材开裂；然而，保温温度过高会使结合面氧化严重，晶粒易长大，界面夹杂物过多，降低塑性。另外，在镁合金领域，现有的叠轧工艺多适用于易变形镁合金，例如AZ31，ZK60镁合金，而对于强度更高的难变形镁合金很难适用，例如AZ91，极大限制了叠轧镁合金的性能和应用。
常规镁合金叠轧：(1)轧制温度在合金再结晶温度下；(2)单道次轧制压下量过大，容易引起开裂，过小则结合面稳定性差。因此，叠轧一般不适于制备难变形镁合金，极大限制了叠轧镁合金的性能和应用。
本发明突破了常规累积叠轧道次多、轧制温度高、压下量小、不适用于难变形镁合金的限制，开发了一种制备高强韧镁合金板材的叠合压轧方法。通过添加合金薄板衬板改变了板材受力，提高了单道次压下量，增大了单道次剪切变形，弱化织构的同时使结合面更牢靠，保证总压下量的同时减少了结合界面，从而降低界面过多引起的塑性差；保证了轧制板材的低温可成形性，大大降低了废品率，并且避免了结合面高温条件下的严重氧化，最终实现了抗拉强度与延伸率的协同提升。本发明的压轧方法简单，对于同种或异种镁合金，乃至镁、铝异类合金同样适用。本发明相对于常规叠轧，轧制道次显著减少、轧制温度显著降低50～100℃，获得的材料性能更高，为低成本、短流程制备高强塑性镁合金板材提供了一种有效途径。
发明内容
针对现有常规叠轧技术的缺陷，本发明的目的是开发一种制备高强韧镁合金板材的叠合压轧方法，通过添加衬板使得叠轧能在低温大压下量条件下进行，解决常规叠轧不适于难变形镁合金的难题，同时加固结合面，弱化织构，大幅度提升板材性能。
本发明的技术方案是：将轧制板材按顺序叠合，添加衬板后同步轧制，板材在低温大压下量(保温温度为225～350℃，时间为5～20min)下反复压轧，最终随衬板自然冷却至室温。
本发明提供的高强韧镁合金板材的叠合压轧制备方法，包括如下步骤：
(1)选取1～10mm厚的合金板材2～10块，采用酒精清洗合金板材表面后，再用角磨机将合金板材表面打磨，最后用丙酮清洗板材表面获得待轧制合金板材；
(2)步骤(1)所述的每一块待轧制合金板材计为一层，将步骤(1)所述的每一块待轧制合金板材进行叠合获得2～10层叠合的待轧制合金板材；
(3)在步骤(2)所述的叠合的待轧制合金板材上下表面各固定一块硬质合金板薄板衬板，将待轧制合金板材与硬质合金板薄板衬板通过固定装置固定和压紧后，加热到225～350℃，保温5～30min后再进行单道次轧制，压下量为50～90％，轧辊温度为50～100℃，轧制后自然冷却至室温，再移除硬质合金板薄板衬板获得合为一体的镁合金板材。
步骤(1)所述的合金板材为Mg-3Al-1Sn-1Zn、AZ31、AZ61、AZ80、AZ91、ZK60、AM41或WE43镁合金中的任意一种。
步骤(2)所述待轧制合金板材叠合层数为2～6层。
步骤(3)所述的硬质合金板薄板衬板厚度为1～10mm，所述的固定装置固定为细铁丝绑定硬质合金薄板衬板的前后两端以夹住中间的待轧制合金板材。
步骤(3)所述的加热温度为225～325℃。
步骤(3)所述的保温时间为5～20min。
步骤(3)所述的单道次压下量60～90％。
步骤(3)所述合为一体的镁合金板材被均匀裁剪2～10份后获得的板材还能按照步骤(1)、(2)和(3)所述的叠合压轧方法进行处理。
步骤(3)所述合为一体的镁合金板材被均匀裁剪2～6份后获得板材还能按照步骤(1)、(2)和(3)所述的叠合压轧方法进行处理。
本发明还提供了一种高强韧镁合金板材，它是由上述高强韧镁合金板材的叠合压轧制备方法制备的。
附图说明
图1为镁合金板材的叠合压轧方法示意图。
具体实施方式
实施例1
选取6块1mm厚的商业Mg-3Al-1Sn-1Zn镁合金为例，按以下方式轧制：
(1)使用酒精初步清洗镁合金待结合面，用角磨机将镁合金板材待结合面打磨，去除杂质，露出新鲜表面，再以丙酮清洗待结合面，去除表面油污获得待轧制镁合金板材；
(2)将步骤(1)获得的待轧制镁合金板材叠合整齐；
(3)在步骤(2)叠合的待轧制镁合金板材上下表面各放置一块1mm厚的硬质合金板薄板衬板，采用铁丝绑定硬质合金薄板衬板的前后两端用以固定和夹住待轧制合金板材，在加热箱中将待轧制合金板材与硬质合金薄板衬板升温至225℃，保温15分钟后送入轧辊之间，进行同步轧制，单道次压下量为80％，轧制后板材随衬板自然冷却至室温，然后移除衬板，获得合为一体的镁合金板材；
(4)将步骤(3)获得的合为一体的镁合金板材对半剪切后获得2块待轧制板材，按照上述步骤(1)～(3)进行轧制，如此重复2次后获得合为一体的镁合金板材。
步骤(4)获得的镁合金板材室温抗拉强度≥350MPa，室温延伸率≥12％。
实施例2
选取1块挤压5mm厚商业AZ31镁合金和1块挤压5mm厚商业AZ91镁合金为例，按以下方式轧制：
(1)使用酒精初步清洗镁合金板材待结合面，用角磨机将镁合金板材待结合面打磨，去除杂质，露出新鲜表面，再以丙酮清洗待结合面，去除表面油污获得待轧制镁合金板材；
(2)将步骤(1)获得的待轧制镁合金板材叠合整齐；
(3)在步骤(2)叠合的待轧制镁合金板材上下表面各放置一块2mm厚的硬质合金板薄板衬板，采用铁丝绑定硬质合金薄板衬板的前后两端用以固定和夹住待轧制合金板材，在加热箱中将待轧制合金板材与硬质合金薄板衬板升温至325℃，保温5分后送入轧辊之间，进行同步轧制，单道次压下量为60％，轧制后板材随衬板自然冷却至室温，然后移除衬板，获得合为一体的镁合金板材；
(4)将步骤(3)获得的合为一体的镁合金板材对半剪切后获得2块待轧制板材，按照上述步骤(1)～(3)进行轧制，如此重复2次后获得合为一体的镁合金板材。
步骤(4)获得的镁合金板材室温抗拉强度≥320MPa，室温延伸率≥15％。
实施例3
选取2块挤压5mm厚商业AZ31镁合金为例，按以下方式轧制：
(1)使用酒精初步清洗镁合金板材待结合面，用角磨机将镁合金板材待结合面打磨，去除杂质，露出新鲜表面，再以丙酮清洗待结合面，去除表面油污获得待轧制镁合金板材；
(2)将步骤(1)获得的待轧制镁合金板材叠合整齐；
(3)在步骤(2)叠合的待轧制镁合金板材上下表面各放置一块1mm厚的硬质合金板薄板衬板，采用铁丝绑定硬质合金薄板衬板的前后两端用以固定和夹住待轧制合金板材，在加热箱中将待轧制合金板材与硬质合金薄板衬板升温至275℃，保温15分钟后送入轧辊之间，进行同步轧制，单道次压下量为85％，轧制后板材随衬板自然冷却至室温，然后移除衬板，获得合为一体的镁合金板材。
步骤(3)获得的镁合金板材室温抗拉强度≥330MPa，室温延伸率≥20％。
实施例4
选取2块挤压5mm厚商业ZK60镁合金为例，按以下方式轧制：
(1)使用酒精初步清洗镁合金板材待结合面，用角磨机将镁合金板材待结合面打磨，去除杂质，露出新鲜表面，再以丙酮清洗待结合面，去除表面油污获得待轧制镁合金板材；
(2)将步骤(1)获得的待轧制镁合金板材叠合整齐；
(3)在步骤(2)叠合的待轧制镁合金板材上下表面各放置一块5mm厚的硬质合金板薄板衬板，采用铁丝绑定硬质合金薄板衬板的前后两端用以固定和夹住待轧制合金板材，在加热箱中将待轧制合金板材与硬质合金薄板衬板升温至325℃，保温20分钟后送入轧辊之间，进行同步轧制，单道次压下量为70％，轧制后板材随衬板自然冷却至室温，然后移除衬板，获得合为一体的镁合金板材；
(4)将步骤(3)获得的合为一体的镁合金板材等分剪裁成6份后获得6块待轧制板材，按照上述步骤(1)～(3)进行轧制，如此重复2次后获得合为一体的镁合金板材。
步骤(4)获得的镁合金板材室温抗拉强度≥380MPa，室温延伸率≥18％。
实施例5
选取2块挤压10mm厚商业AZ80镁合金为例，按以下方式轧制：
(1)使用酒精初步清洗镁合金板材待结合面，用角磨机将镁合金板材待结合面打磨，去除杂质，露出新鲜表面，再以丙酮清洗待结合面，去除表面油污获得待轧制镁合金板材；
(2)将步骤(1)获得的待轧制镁合金板材叠合整齐；
(3)在步骤(2)叠合的镁合金板材上下表面各放置一块2mm厚的硬质合金板薄板衬板，采用铁丝绑定硬质合金薄板衬板的前后两端用以固定和夹住待轧制合金板材，在加热箱中将待轧制合金板材与硬质合金薄板衬板升温至350℃，保温15分钟后送入轧辊之间，进行同步轧制，单道次压下量为90％，轧制后板材随衬板自然冷却至室温，然后移除衬板，获得合为一体的镁合金板材；
(4)将步骤(3)获得的合为一体的镁合金板材等分剪裁成3份后获得3块待轧制板材，按照上述步骤(1)～(3)进行轧制，如此重复4次后获得合为一体的镁合金板材。
步骤(4)获得的镁合金板材室温抗拉强度≥390MPa，室温延伸率≥12％。
实施例6
选取2块铸造5mm厚商业AZ91镁合金为例，按以下方式轧制：
(1)使用酒精初步清洗镁合金板材待结合面，用角磨机将镁合金板材待结合面打磨，去除杂质，露出新鲜表面，再以丙酮清洗待结合面，去除表面油污获得待轧制镁合金板材；
(2)将步骤(1)获得的待轧制镁合金板材叠合整齐；
(3)在步骤(2)叠合整齐的镁合金板材上下表面各放置一块1mm厚的硬质合金板薄板衬板，采用铁丝绑定硬质合金薄板衬板的前后两端用以固定和夹住待轧制合金板材，在加热箱中将待轧制合金板材与硬质合金薄板衬板升温至325℃，保温10分钟后送入轧辊之间，进行同步轧制，单道次压下量为80％，轧制后板材随衬板自然冷却至室温，然后移除衬板，获得合为一体的镁合金板材；
(4)将步骤(3)获得的合为一体的镁合金板材对半剪切后获得2块待轧制板材，按照上述步骤(1)～(3)进行轧制后获得合为一体的镁合金板材。
步骤(4)获得的镁合金板材室温抗拉强度≥410MPa，室温延伸率≥13％。
表1实施例3、实施例4和实施例6与传统叠轧方法获得材料的性能对比
本发明与目前现有技术相比具有以下特点：
(1)突破了叠轧不适于制备高合金含量难变形镁合金的限制，改变了板材在轧制过程中的受力状态，显著提高了难变形镁合金在低温下的成形性；同时大幅度增加了单道次压下量，增大了单道次剪切力，弱化了基面织构，改善了镁合金成形性。
(2)充分利用了低温大压下量轧制的优点，减少了轧制道次，界面数量和界面氧化，简化工艺的同时，降低了界面氧化物对塑性的不利影响，实现了强塑性协同提高。
(3)突破了传统叠轧变形温度较高和单道次压下量较小的瓶颈，通过压下量和温度的协同调控实现了低温轧制动态再结晶，无需后续再结晶退火热处理，即可获得兼具强塑性的镁合金板材，节省能耗。
Claims (10)
1.一种高强韧镁合金板材的叠合压轧制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)选取1～10mm厚的合金板材2～10块，采用酒精清洗合金板材表面后，再用角磨机将合金板材表面打磨，最后用丙酮清洗板材表面获得待轧制合金板材；
(2)步骤(1)所述的每一块待轧制合金板材计为一层，将步骤(1)所述的每一块待轧制合金板材进行叠合获得2～10层叠合的待轧制合金板材；
(3)在步骤(2)所述的叠合的待轧制合金板材上下表面各固定一块硬质合金板薄板衬板，将待轧制合金板材与硬质合金板薄板衬板通过固定装置固定和压紧后，加热到225～350℃，保温5～30min后再进行单道次轧制，压下量为50～90％，轧辊温度为50～100℃，轧制后自然冷却至室温，再移除硬质合金板薄板衬板获得合为一体的镁合金板材。
2.根据权利要求1所述的一种高强韧镁合金板材的叠合压轧制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的合金板材为Mg-3Al-1Sn-1Zn、AZ31、AZ61、AZ80、AZ91、ZK60、AM41或WE43镁合金中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种高强韧镁合金板材的叠合压轧制备方法，其特征在于：步骤(2)所述待轧制合金板材叠合层数为2～6层。
4.根据权利要求1所述的一种高强韧镁合金板材的叠合压轧制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的硬质合金板薄板衬板厚度为1～10mm，所述的固定装置固定为细铁丝绑定硬质合金薄板衬板的前后两端以夹住中间的待轧制合金板材。
5.根据权利要求1所述的一种高强韧镁合金板材的叠合压轧制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的加热温度为225～325℃。
6.根据权利要求1所述的一种高强韧镁合金板材的叠合压轧制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的保温时间为5～20min。
7.根据权利要求1所述的一种高强韧镁合金板材的叠合压轧制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的单道次压下量60～90％。
8.根据权利要求1所述的一种高强韧镁合金板材的叠合压轧制备方法，其特征在于：步骤(3)所述合为一体的镁合金板材被均匀裁剪2～10份后获得的板材还能按照步骤(1)、(2)和(3)所述的叠合压轧方法进行处理。
9.根权利要求8所述的一种高强韧镁合金板材的叠合压轧制备方法，其特征在于：步骤(3)所述合为一体的镁合金板材被均匀裁剪2～6份后获得的板材还能按照步骤(1)、(2)和(3)所述的叠合压轧方法进行处理。
10.一种高强韧镁合金板材，其特征在于：它是由权利要求1～9中的任意一种高强韧镁合金板材的叠合压轧制备方法制备的。
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