CN118045861B - 一种梯度结构的镁合金棒材波纹斜轧制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料加工技术领域，公开了一种梯度结构的镁合金棒材波纹斜轧制备方法。本发明选用铸态AZ31镁合金棒材作为坯料，在三辊斜轧机的平辊碾轧段添加波纹形成波纹轧辊，采用波纹轧制与斜轧结合获得波纹轧制局部强力与斜轧径向大剪切变形，使得镁合金棒材表面进行强剪切变形和金属致密化，通过巨大的剪切应力来激活镁合金的锥面滑移；同时，巨大的应变可以使得镁合金棒材激活孪晶，更多滑移系和孪晶的激活有利于动态再结晶，使得晶粒尺寸细化，由此制备具有梯度结构特征的镁合金棒材。因此，本发明改善了镁合金棒材在三辊径向剪切轧制工艺中存在裂纹变形和后续难以加工的问题，还提高了梯度结构的镁合金棒材的制备效率和质量。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及为一种梯度结构的镁合金棒材波纹斜轧制备方法。
背景技术
镁合金由于具有较高的比强度和生物降解性，在汽车、航天和生物医学等领域有着广泛的应用，但强度低和塑性差限制了其应用。已经证实细化晶粒是同时促进塑性和强度的有限途径。挤压、轧制、冲压、锻造被生产实践证明是最高效的高质量、低成本的塑性加工生产技术。但由于镁合金的特殊性，要在传统的工艺上取得突破难度很高。由于镁及镁合金为密集六方体晶格（HCP结构），导致其不易进行压力加工和成型加工。
目前，对于镁合金棒材的生产，主要集中在挤压和轧制工艺。挤压主要是等通道转角挤压（EPAC）。轧制主要集中在三辊径向剪切轧制和槽型轧制。对于等通道转角挤压（EPAC）来言，申请号202210499075.3的专利“一种超细晶高强塑性镁合金及其制备方法”通过挤压和轧制工艺制备出超细晶镁合金棒材。但该工艺制备流程复杂，需要通过多次挤压和轧制才能实现组织细化。虽然制备出超细晶镁合金棒材，但该工艺所产生的纹理阻止基面上的位错滑移，可以改善镁的延展性，但是会抵消EPAC产生的晶粒细化强化效果。并且所制备的样品通常为短棒状样品，无法实现大尺寸超细晶镁合金的高效率连续制备。通过剧烈塑性变形技术制备的超细晶镁合金通常含有高密度位错等结构缺陷，这使得其塑性变形能力较差，无法满足工程上对材料强度和塑性的匹配需求。
轧制工艺主要是在材料表面进行严重剪切变形和金属致密化。申请号201810308821.X的专利“一种高性能镁合金棒材的制备方法”通过采用槽型轧制棒材依次通过菱孔-方孔-菱孔-方孔制备镁合金棒材。该工艺轧制效率低，轧制时温控复杂，设备占地面积大。因此该制备方法难以进行柔性生产，不利于工业大规模应用。文献“Improvingthe mechanical properties of pure magnesium by three-roll planetary milling”中指出三辊斜轧轧制镁合金棒材可以把轧辊的碾轧角增加到18-24°（传统轧制一般为4-6°）。该工艺基于P.I. Polukhin和I.N. Potapov在1970年代提出的轧制工艺原理，其主要目的是获得大的径向剪切应力，来激活镁合金滑移机制，增加额外变形能力。该工艺一次加工产生表面晶粒细化，使得棒材表面和心部出现梯度差异。文献“Properties of the AZ31magnesium alloy round bars obtained in different rolling processes ”中指出三辊斜轧轧制的棒材比槽型轧制圆棒具有更高的直线度，更高的延伸率和更低的椭圆度；同时三辊斜轧可以将成品轧制所需轧制次数减少一半。
三辊径向剪切轧制技术可以获得细晶梯度组织。在这个轧制过程中，三个轧辊呈120°分布在轧制中心线周围，通过辊与棒材之间的摩擦力实现棒材的咬入和轧制，同时还能保证轧制中心线和棒材的轴线在同一位置，且三个轧辊轴线在空间上与轧制中心线存在角度关系，即咬入角和碾轧角。通过三辊径向剪切轧制技术，使得棒材表面产生足够的剪切应力，激活更多的独立滑移系。
但是，对于三辊径向剪切轧制镁合金棒材，由于镁合金室温塑性变形能力差，轧制过程中易出现裂纹等变形缺陷；轧制后的组织有强烈的基面织构，存在严重的各向异性，不利于后续加工。
发明内容
针对上述背景技术中镁合金棒材在三辊径向剪切轧制中因室温塑性变形能力差，导致轧制中存在裂纹等变形问题和轧制后因组织有强烈的基面织构存在严重的各向异性而不利于后续加工的问题。为此，本发明创造性地从三辊斜轧的大剪切变形中引入波纹辊轧制局部强应力，使得镁合金棒材在轧制时获得更大的表层破碎和心部变形，由此得到理想的梯度结构镁合金棒材，并同时兼顾镁合金棒材的强度和塑性。基于此，本发明提供了一种梯度结构的镁合金棒材波纹斜轧制备方法。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种梯度结构的镁合金棒材波纹斜轧制备方法，采用三辊斜轧机，在三辊斜轧机的平辊碾轧段添加波纹曲线，形成波纹轧辊，所使用的坯料为铸态AZ31镁合金棒材，其制备方法步骤如下：
S1、模拟轧制物理实验：采用Abaqus有限元软件进行模拟计算，获得镁合金棒材宏观形变规律，开展轧制物理实验；
S2、轧制参数设置：根据S1中的轧制物理实验结果，对改造后的三辊斜轧机进行轧制参数设置，其中轧辊送进角γ设置为8~12°，碾轧角β设置为10~16°，轧辊转速设置为300~500r/min，调整喉径为60mm；
S3、棒材均匀化退火处理：在氩气环境下，采用箱式炉对铸态AZ31镁合金棒材进行均匀化退火处理，均匀化退火温度为520~540℃，退火保温时间为50~70分钟；
S4、棒材轧制前加热处理：在氩气环境下，采用箱式炉对S3处理后的退火态AZ31镁合金棒材加热至350~400℃，加热保温20~30分钟；
S5、三辊斜轧机轧制：对S4处理后的AZ31镁合金棒材送入S2中的三辊斜轧机进行轧制；
S6、轧制后扎件冷却：采用空冷法对S5轧制后的轧件进行冷却，获得梯度结构的镁合金棒材。
作为上述技术方案的进一步补充说明，在S1中，模拟轧制物理实验包括以下步骤：
S1.1、建立有限元模型：在Abaqus有限元软件中，将三辊斜轧机的轧辊碾轧段的三个轧制平辊全部替换成波纹轧辊，其中波纹轧辊上的波纹曲线均为正弦曲线，三个波纹轧辊围绕轧制中心线呈120°分布，其中轧辊送进角γ为8°~12°，碾轧角β为10°~16°；
S1.2、模拟轧制：轧制坯料为退火态AZ31镁合金棒材，将热模拟压缩得到的材料参数输入Abaqus有限元软件中，定义波纹轧辊与轧制棒材接触为刚—柔性接触，设置初始轧制温度350℃~400℃，轧辊转速300~500r/min，棒材进给速度10~15mm/s，轧辊温度为常温，棒材网格划分为C3D8R型网格单元，采用热力耦合显式动力学分析，对有限元模型进行模拟计算；
S1.3、轧制参数提取：从模拟轧制完成后的镁合金棒材中心到表面选取3个追踪点，3个追踪点的r/R分别为0.1、0.5及0.9，其中R表示轧制完成后的镁合金棒材的半径，r表示追踪点与轧制中心线之间的距离，提取3个追踪点的等效塑性应变、温度、剪切应力和剪切应变，获得镁合金棒材在波纹辊轧制过程中的演变规律；
S1.4、正交实验：保证其他轧制参数不变，通过分别设置波纹辊与平辊，模拟正交实验，对比铸态AZ31镁合金棒材分别在波纹辊轧制与平辊轧制过程中等效塑性应变、温度、剪切应力和剪切应变的分布差异。
作为上述技术方案的进一步补充说明，在S1.1中，所述波纹轧辊为在平辊碾轧段添加波纹曲线，添加的波纹曲线的周期长度T小于平辊碾轧段的宽度L，其波纹曲线为正弦曲线，且三个轧辊波纹曲线相同，并保证在平辊碾轧段添加波纹曲线的幅值A不超过平辊碾轧段的最大高度H。
作为上述技术方案的进一步补充说明，在S5中，S4处理后的AZ31镁合金棒材的半径压下率的范围为5%~8%。
作为上述技术方案的进一步补充说明，在S1.2中，退火态AZ31镁合金棒材的半径压下率的范围为5%~8%。
作为上述技术方案的进一步解释及限定，在S3中，均匀化退火温度为530℃，退火保温时间为60分钟。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明将波纹轧制与斜轧结合，以此获得波纹轧制局部强力与斜轧径向大剪切变形，在轧制过程中对镁合金棒材表面进行强剪切变形和金属致密化，通过巨大的剪切应力来激活镁合金的锥面滑移，同时巨大的应变可以使得镁合金棒材激活孪晶，更多滑移系和孪晶的激活有利于动态再结晶，使得晶粒尺寸细化，镁合金棒材表面和心部受到不同剪切应力，以此制备具有梯度结构特征的镁合金棒材。因此，本发明提高了梯度结构镁合金棒材的制备效率和制备质量。
2.本发明中坯料选用铸态AZ31镁合金棒材，使得轧制后的扎件获得更好的机械性能和二次成型性。因此，本发明大大改善了镁合金棒料轧制后的各项异性，进一步提高了梯度结构的镁合金棒材的成型性。
3.本发明在镁合金棒材通过均整段时，将镁合金棒材在波纹轧辊碾轧段产生的凸起压入到凹陷处，改善了镁合金棒材表层金属流动，提高了镁合金棒材表面强度。因此，本发明制备的梯度结构的镁合金棒材能够获得较好的梯度微观结构。
4.本发明在一次轧制成型中，与平辊轧制相比，镁合金棒材的应变和应力远远大于平辊轧制。因此，本发明进一步提高了梯度结构的镁合金棒材的加工效率。
附图说明
图1为本发明中梯度结构的镁合金棒材波纹斜轧的制备工艺流程图；
图2为本发明中基于Abaqus有限元软件构建波纹径向剪切轧制模型的装配示意图；
图3为本发明中三辊斜扎变形区和波纹曲线示意图；
图4为本发明实施例中平辊轧制的温度图；
图5为本发明实施例中波纹辊轧制的温度图；
图6为本发明实施例中平辊轧制的等效应变图；
图7为本发明实施例中波纹辊轧制的等效应变图；
图8为本发明实施例中平辊轧制的剪切应力图；
图9为本发明实施例中波纹辊轧制的剪切应力图；
图10为本发明实施例中平辊轧制的剪切应变图；
图11为本发明实施例中波纹辊轧制的剪切应变图；
图12为本发明实施例中平辊轧制的等效应力应变图；
图13为本发明实施例中波纹辊轧制的等效应力应变图；
图14为本发明经实施制备的镁合金棒材表层微观晶粒金相图；
图15为本发明经实施制备的镁合金棒材中部微观晶粒金相图；
图16为本发明经实施制备的镁合金棒材心部微观晶粒金相图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明的技术方案，下面结合附图1至16，根据模拟轧制物理实验以及具体轧制实施过程，我们通过最优实施例对本发明进行进一步说明。
如附图1至3所示，一种梯度结构的镁合金棒材波纹斜轧制备方法，采用三辊斜轧机，在三辊斜轧机的平辊碾轧段添加波纹曲线，形成波纹轧辊，添加波纹曲线的周期长度T小于平辊碾轧段的宽度L，其波纹曲线为正弦曲线，且三个轧辊波纹曲线相同，并保证在平辊碾轧段添加波纹曲线的幅值A不超过平辊碾轧段的最大高度H。所使用的坯料为铸态AZ31镁合金棒材，其成分按质量占比如下：Al：2.3%~2.5%，Zn：0.5%~1.5%，Mn：0.1%~0.15%，Si：≤0.15% ，Cu：≤0.15%，Fe：≤0.15%，其余成分为Mg，且不可避免杂质的总质量分数不大于0.6%。基于上述铸态AZ31镁合金棒料和改造后的三辊斜轧机，其制备方法步骤如下：
S1、模拟轧制物理实验：采用Abaqus有限元软件进行模拟计算，获得镁合金棒材宏观形变规律，开展轧制物理实验；
S2、轧制参数设置：根据S1中的轧制物理实验结果，对改造后的三辊斜轧机进行轧制参数设置，其中轧辊送进角γ设置为8~12°，碾轧角β设置为10~16°，轧辊转速设置为300~500r/min，调整喉径为60mm；
S3、棒材均匀化退火处理：在氩气环境下，采用箱式炉对铸态AZ31镁合金棒材进行均匀化退火处理，均匀化退火温度为520~540℃，退火保温时间为50~70分钟；
S4、棒材轧制前加热处理：在氩气环境下，采用箱式炉对S3处理后的退火态AZ31镁合金棒材加热至350~400℃，加热保温20~30分钟；
S5、三辊斜轧机轧制：对S4处理后的AZ31镁合金棒材送入S2中的三辊斜轧机进行轧制；
S6、轧制后扎件冷却：采用空冷法对S5轧制后的轧件进行冷却，获得梯度结构的镁合金棒材。
在上述实施中，我们将S3的均匀化退火温度参数优选设置为530℃，退火保温时间参数优选设置为60分钟。
在本实施例中，在S1中，模拟轧制物理实验包括以下步骤：
S1.1、建立有限元模型：在Abaqus有限元软件中，将三辊斜轧机的轧辊碾轧段的三个轧制平辊全部替换成波纹轧辊，其中波纹轧辊上的波纹均为正弦曲线，三个波纹轧辊围绕轧制中心线呈120°分布，其中轧辊送进角γ为8°~12°，碾轧角β为10°~16°；
S1.2、模拟轧制：轧制坯料为退火态AZ31镁合金棒材，将热模拟压缩得到的材料参数输入Abaqus有限元软件中，定义波纹轧辊与轧制棒材接触为刚—柔性接触，设置初始轧制温度350℃~400℃，轧辊转速300~500r/min，棒材进给速度10~15mm/s，轧辊温度为常温，棒材网格划分为C3D8R型网格单元，采用热力耦合显式动力学分析，对有限元模型进行模拟计算；
S1.3、轧制参数提取：从模拟轧制完成后的镁合金棒材中心到表面选取3个追踪点，3个追踪点的r/R分别为0.1、0.5及0.9，其中R表示轧制完成后的镁合金棒材的半径，r表示追踪点与轧制中心线之间的距离，提取3个追踪点的等效塑性应变、温度、剪切应力和剪切应变，获得镁合金棒材在波纹辊轧制过程中的演变规律；
S1.4、正交实验：保证其他轧制参数不变，通过分别设置波纹辊与平辊，模拟正交实验，对比铸态AZ31镁合金棒材分别在波纹辊轧制与平辊轧制过程中等效塑性应变、温度、剪切应力和剪切应变的分布差异。
需要说明的，在S5轧制中与S1.2模拟轧制中，S4处理后的AZ31镁合金棒材和退火态AZ31镁合金棒材的半径压下率的范围均设置为5%~8%。
我们以棒材初始直径为65~75 mm、长度为200~500 mm为例，通过三辊波纹斜轧机轧制AZ31镁合金棒材说明梯度结构的镁合金棒材的制备工艺。将棒材放入充满氩气的加热炉中预热到350℃~400℃，并保温20~30分钟。调整轧辊的空间位置并设置轧辊转速为300~500r/min。轧制完成后将棒材空冷，获得梯度结构的镁合金棒材。对轧制后棒材从表层到心部取样，观察棒材的晶粒分布及流线等，获得梯度分布微观组织。
如附图4至7所示，波纹辊轧制和平辊轧制两个数据对比图分别是在轧制完成后从轧件中心到表面选取3个追踪点(对应的r/R分别为0.1、0.5及0.9，R表示轧件半径，r表示追踪点与轧制中心线之间的距离)，分析这三个追踪点在轧制过程中温度和等效应变随时间的变化关系。参阅图4和5，对比平轧和波纹轧温度变化图，相比于平辊轧制，波纹辊与棒材的接触面积更大，温度递减的更快。在稳定轧制阶段，波纹辊轧制在棒材径向产生的温度梯度变化相比于平辊轧制更加明显。参阅图6和7，从该组对比图中可以明显看出，波纹辊轧制后的表层等效应变约为平辊轧制的6倍，中部和心部的应变均远大于平辊轧制。与平辊轧制相比较，波纹辊轧制具有更明显的等效应变梯度分布规律。由于镁合金散热较快，轧制过程中镁合金棒材与温度较低的轧辊直接接触，轧辊吸收较多热量，导致在咬入阶段棒材温度持续下降。由于棒材表面到心部与轧辊温差依次减小，从表面到心部温度下降的趋势逐渐递减。
如附图8和9所示，在波纹辊轧制和平辊轧制的两组剪切应力对比图中可以看出，波纹轧相较于平轧具有更大的剪切应力，这有利于激活更多的滑移系开动。如附图10和11所示，在波纹辊轧制和平辊轧制的剪切应变对比图中可以看出，从镁合金棒材表层到心部，波纹轧制的剪切应变的梯度变化远大于平辊轧制，使镁合金棒材获得更大的应变梯度。同时可以使镁合金棒材在滑移和孪生两种变形机制下进行塑性变形。
如附图12和13所示，从波纹辊和平辊轧制后镁合金棒材的等效应力应变对比图可以看出：一般可以将应力应变曲线划分为四个阶段：加工硬化阶段（Ⅰ）、转变阶段（Ⅱ）、软化阶段（Ⅲ）、稳态阶段（Ⅳ）。材料在加工硬化阶段，随着应变的增加，平辊轧制的应力增长快，在此阶段棒材的强度较高，但轧制后棒材的塑性降低。波纹辊轧制在加工硬化阶段应力变化相比平辊更加平缓。随后应力继续增长达到峰值后出现下降，此时波纹辊相较于平辊下降的更多。这是因为波纹辊的动态再结晶软化作用强于平辊轧制。在最后阶段，应力应变曲线趋于水平，硬化与软化机制到达平衡。由于平辊轧制应变量少，应变时间短，导致变形并不均匀，用以造成加工硬化，组织不均匀等问题，影响后续加工。
如附图14至16所示，三幅金相显微组织图分别是沿轧制后镁合金棒材端面径向从表层到心部取样，制作出的表层、中部、心部金相显微组织图。从三张金相显微组织图中可以看出，表层受到应力最大，因此表层以动态再结晶为主，金相显微图可以明显看到大量珍珠状的再结晶晶粒。随着应力逐渐深入，中部和心部产生了孪生带。但是，因为中部所受应力远小于表面，不足于支持中部继续发生滑移，形成了孪生带和微小再结晶晶粒共存。另外，通过再次观察三幅金相显微组织图，中部相较于心部孪生带更多，再结晶晶粒数量比心部更多。从三三幅金相显微组织对比图中发现，从心部到表层，晶粒逐渐变小，尤其在表层的三叉晶的地方再结晶晶粒密集且细小。
本发明所提出的梯度结构镁合金棒材波纹斜轧制备方法进行专业性创造性分析：如今，波纹辊轧制技术大量用于金属复合板材和镁合金板材的制备，波纹轧制引入了局部强应力作用，使得板材局部获得了反复压下和挤出，破碎原始板材粗大晶粒，获得细小的表面晶粒。波纹轧可以获得更好的梯度结构，在促进表层晶粒细化提高强度的同时还可以使得延展性进一步提高。张庆辉和***的研究表明，对于HCP结构的材料通过产生梯度结构可以诱导强度和延展性的良好组合。在梯度结构材料中，从表层到心部，随着深度增加，晶粒尺寸的连续变化会产生很大的梯度应变。之后在进行塑性加工时会产生很多几何必要位错（GND）来适应变形。这种位错密度的增大会进一步提高材料的强度；延展性的降低主要是因为表层位错密度增大，位错迁移率减小，没有位错存储能力。对于梯度结构，心部的粗晶可以通过延缓塑性变形有效延缓材料的过早破坏，提高材料延展性。由位错滑移-孪晶相互作用、位错壁的产生和多重交叉孪晶引起的微观结构演化是性能提高的主要原因。波纹辊斜轧时，棒材在三个轧辊形成的空间结构复杂孔型作用下反复轧制，在碾轧段添加的波纹会反复揉搓棒材表面，相较于平辊轧制而言，棒材表面接触区更大、轧制次数更多、轧制深度更深，承受的剪切应力更大，更容易达到激活滑移系的临界应力。同时棒材获得更大的塑性变形，有利于织构弱化。通过这种技术可以使棒材获得更大累积应变和更微小的晶粒尺寸。在轧辊的均整段会进一步碾平由于波纹轧制带来的微小突起，使得棒材表面进一步发生金属流动。波峰的金属流入波谷，增大等效应变的同时细化晶粒。
以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明的具体实施方式并不仅限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明的创造思想和设计思路，应当等同属于本发明技术方案中所公开的保护范围。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种梯度结构的镁合金棒材波纹斜轧制备方法，采用三辊斜轧机，其特征在于：在三辊斜轧机的平辊碾轧段添加波纹曲线，形成波纹轧辊，所使用的坯料为铸态AZ31镁合金棒材，其制备方法步骤如下：
S1、模拟轧制物理实验：采用Abaqus有限元软件进行模拟计算，获得镁合金棒材宏观形变规律，开展轧制物理实验；
S2、轧制参数设置：根据S1中的轧制物理实验结果，对改造后的三辊斜轧机进行轧制参数设置，其中轧辊送进角γ设置为8~12°，碾轧角β设置为10~16°，轧辊转速设置为300~500r/min，调整喉径为60mm；
S3、棒材均匀化退火处理：在氩气环境下，采用箱式炉对铸态AZ31镁合金棒材进行均匀化退火处理，均匀化退火温度为520~540℃，退火保温时间为50~70分钟；
S4、棒材轧制前加热处理：在氩气环境下，采用箱式炉对S3处理后的退火态AZ31镁合金棒材加热至350~400℃，加热保温20~30分钟；
S5、三辊斜轧机轧制：对S4处理后的AZ31镁合金棒材送入S2中的三辊斜轧机进行轧制；
S6、轧制后轧件冷却：采用空冷法对S5轧制后的轧件进行冷却，获得梯度结构的镁合金棒材。
2.根据权利要求1所述的一种梯度结构的镁合金棒材波纹斜轧制备方法，其特征在于：在S1中，模拟轧制物理实验包括以下步骤：
S1.1、建立有限元模型：在Abaqus有限元软件中，将三辊斜轧机的轧辊碾轧段的三个轧制平辊全部替换成波纹轧辊，其中波纹轧辊上的波纹曲线均为正弦曲线，三个波纹轧辊围绕轧制中心线呈120°分布，其中轧辊送进角γ为8°~12°，碾轧角β为10°~16°；
S1.2、模拟轧制：轧制坯料为退火态AZ31镁合金棒材，将热模拟压缩得到的材料参数输入Abaqus有限元软件中，定义波纹轧辊与轧制棒材接触为刚—柔性接触，设置初始轧制温度350℃~400℃，轧辊转速300~500r/min，棒材进给速度10~15mm/s，轧辊温度为常温，棒材网格划分为C3D8R型网格单元，采用热力耦合显式动力学分析，对有限元模型进行模拟计算；
S1.3、轧制参数提取：从模拟轧制完成后的镁合金棒材中心到表面选取3个追踪点，3个追踪点的r/R分别为0.1、0.5及0.9，其中R表示轧制完成后的镁合金棒材的半径，r表示追踪点与轧制中心线之间的距离，提取3个追踪点的等效塑性应变、温度、剪切应力和剪切应变，获得镁合金棒材在波纹辊轧制过程中的演变规律；
S1.4、正交实验：保证其他轧制参数不变，通过分别设置波纹辊与平辊，模拟正交实验，对比铸态AZ31镁合金棒材分别在波纹辊轧制与平辊轧制过程中等效塑性应变、温度、剪切应力和剪切应变的分布差异。
3.根据权利要求2所述的一种梯度结构的镁合金棒材波纹斜轧制备方法，其特征在于：在S1.1中，所述波纹轧辊为在平辊碾轧段添加波纹曲线，添加的波纹曲线的周期长度T小于平辊碾轧段的宽度L，其波纹曲线为正弦曲线，且三个轧辊波纹曲线相同，并保证在平辊碾轧段添加波纹曲线的幅值A不超过平辊碾轧段的最大高度H。
4.根据权利要求1所述的一种梯度结构的镁合金棒材波纹斜轧制备方法，其特征在于：在S5中，S4处理后的AZ31镁合金棒材的半径压下率的范围为5%~8%。
5.根据权利要求2所述的一种梯度结构的镁合金棒材波纹斜轧制备方法，其特征在于：在S1.2中，退火态AZ31镁合金棒材的半径压下率的范围为5%~8%。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种梯度结构的镁合金棒材波纹斜轧制备方法，其特征在于：在S3中，均匀化退火温度为530℃，退火保温时间为60分钟。
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Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4202194A (en) * | 1977-04-23 | 1980-05-13 | Hoesch Werke Aktiengesellschaft | Inclined rolling stand |
| JPH02263506A (ja) * | 1989-04-03 | 1990-10-26 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 傾斜圧延方法 |
| EP0601630A1 (en) * | 1992-12-09 | 1994-06-15 | van Merksteijn, Jacobus Lambertus | Metal rod and a method for manufacturing same |
| CN1278155A (zh) * | 1997-10-29 | 2000-12-27 | 郡是株式会社 | 骨骼接合用器具及其制造方法 |
| CN2461689Y (zh) * | 2000-05-03 | 2001-11-28 | 江阴市电力设备冷却器有限公司 | 异型精密螺旋钢管专用生产设备 |
| CN101380641A (zh) * | 2007-09-05 | 2009-03-11 | 科克斯技术有限及两合公司 | 用于对管状或杆状轧件进行斜轧的设备 |
| DE102012007379A1 (de) * | 2012-04-12 | 2014-01-02 | Jozef Rotenberg | Verfahren zum Schrägwalzen von zylindrischen Erzeugnissen |
| CN108220725A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-06-29 | 河北工业大学 | 一种高性能镁合金棒材的制备方法 |
| CN108453130A (zh) * | 2018-03-01 | 2018-08-28 | 西安东耘新金属材料有限公司 | 大尺寸铝合金超细晶棒材的螺线圆锥辊等辊距轧制方法 |
| CN112044950A (zh) * | 2020-08-13 | 2020-12-08 | 西北工业大学 | 大尺寸超细珠光体中碳钢棒材3d-spd成形方法 |
| CN112718867A (zh) * | 2020-12-09 | 2021-04-30 | 太原理工大学 | 一种具有波纹结合面的金属复合管三辊斜轧成形方法 |
| CN219211095U (zh) * | 2023-02-07 | 2023-06-20 | 河北恒韧增材制造有限公司 | 一种复合辊套组合式棒材对齐辊道 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10144743B4 (de) * | 2001-09-11 | 2012-03-15 | Kocks Technik Gmbh & Co. Kg | Walzgerüst zum Walzen von stab- oder rohrförmigem Gut |
-
2024
- 2024-04-16 CN CN202410452618.5A patent/CN118045861B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4202194A (en) * | 1977-04-23 | 1980-05-13 | Hoesch Werke Aktiengesellschaft | Inclined rolling stand |
| JPH02263506A (ja) * | 1989-04-03 | 1990-10-26 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 傾斜圧延方法 |
| EP0601630A1 (en) * | 1992-12-09 | 1994-06-15 | van Merksteijn, Jacobus Lambertus | Metal rod and a method for manufacturing same |
| CN1278155A (zh) * | 1997-10-29 | 2000-12-27 | 郡是株式会社 | 骨骼接合用器具及其制造方法 |
| CN2461689Y (zh) * | 2000-05-03 | 2001-11-28 | 江阴市电力设备冷却器有限公司 | 异型精密螺旋钢管专用生产设备 |
| CN101380641A (zh) * | 2007-09-05 | 2009-03-11 | 科克斯技术有限及两合公司 | 用于对管状或杆状轧件进行斜轧的设备 |
| DE102012007379A1 (de) * | 2012-04-12 | 2014-01-02 | Jozef Rotenberg | Verfahren zum Schrägwalzen von zylindrischen Erzeugnissen |
| CN108453130A (zh) * | 2018-03-01 | 2018-08-28 | 西安东耘新金属材料有限公司 | 大尺寸铝合金超细晶棒材的螺线圆锥辊等辊距轧制方法 |
| CN108220725A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-06-29 | 河北工业大学 | 一种高性能镁合金棒材的制备方法 |
| CN112044950A (zh) * | 2020-08-13 | 2020-12-08 | 西北工业大学 | 大尺寸超细珠光体中碳钢棒材3d-spd成形方法 |
| CN112718867A (zh) * | 2020-12-09 | 2021-04-30 | 太原理工大学 | 一种具有波纹结合面的金属复合管三辊斜轧成形方法 |
| CN219211095U (zh) * | 2023-02-07 | 2023-06-20 | 河北恒韧增材制造有限公司 | 一种复合辊套组合式棒材对齐辊道 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Analysis of the Rolling Process of Alloy 6005 in a Three-High Skew Rolling Mill;Teresa Bajor等;Materials;20200303;第13卷(第5期);1-12 * |
| TA2棒材斜轧穿孔过程三维热力耦合有限元分析;刘江林等;锻压技术;20120630;第37卷(第3期);59-61 * |
| Theoretical and Experimental Study of the Tandem Skew Rolling Process;Fei Long Mao等;steel research international;20180502;第89卷(第8期);1-14 * |
| 拉力芯棒斜轧延伸机组的生产工艺及设备结构;周道智;钢管;19961028(第05期);12-15 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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