劉桂榮 呂淑艷

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

鎂合金板材軋制研究進展

劉桂榮 呂淑艷

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

本文綜述了國內(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、軋制模擬研究進展，并對相關(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】，我國雖是產(chǎn)鎂大國，但是受材料制備、加工技術(shù)等因素的制約，鎂合金的應用并不廣泛。目前主要應用在壓鑄產(chǎn)品的生產(chǎn)上。中國鎂業(yè)協(xié)會會長徐晉湘說我國鎂合金的應用還只是工業(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用的有效途徑，因為軋制工藝可以生產(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，且板材邊部開裂嚴重、材料利用率低。因此，開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展情況和各種軋制工藝的優(yōu)劣性，還重點研究了數(shù)值模擬在鎂合金板材軋制中的應用，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)，原因是通過異步軋制可以得到細小均勻的晶粒組織，同時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程中滑移和孿生等塑性變形機制的研究比較少，異步軋制的板材變形機理和異步軋制的工藝參數(shù)還有待進一步深入研究【3、11】。

累積疊軋技術(shù)是日本學者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化鎂合金板材的晶粒、提高室溫強度和塑性。累積疊軋工藝要求很大的道次變形量，因為該工藝不是單一的軋制變形，它還包含一個焊合過程，大壓下量才能保證焊合。而壓下量太大會出現(xiàn)軋制的另一個缺陷邊裂。

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)生的摩擦力提供動力，使板材連續(xù)通過兩通道厚度相等且成一定夾角的模具實現(xiàn)連續(xù)剪切變形。通過等徑角軋制改變了板材的基面織構(gòu)，板材晶粒得細化并有大量細密孿晶出現(xiàn)，板材等強度明顯提高，但是在軋制薄板時軋制不穩(wěn)定。目前，由于設備的限制研究成果還處于實驗室階段而沒有進行工業(yè)生產(chǎn)。

交叉軋制就是在軋制過程中改變軋制方向(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)應用于鎂合金板帶生產(chǎn)時，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，材料偏析嚴重、晶粒粗大，各向異性嚴重。研究者普遍認為，獲得細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添加一些金屬細化劑細化鑄造組織，細化后的鑄態(tài)組織對軋制十分有利，這也是研究鎂合金鑄軋技術(shù)的一個重要課題【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口銀河鎂鋁合金有限公司合作，對鎂合金粗軋和精軋工藝參數(shù)進行了詳細的研究，在軋制過程中，軋制溫度是一個重要的工藝參數(shù)，在粗軋實驗中，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%時晶粒度可達到7um，但是會出現(xiàn)邊部開裂，壓下量在50%時板材成材率比較高。在精軋實驗時選擇各種壓下量、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，板材的晶粒度可以達到5 um，延伸率可以達到20%，屈服強度可以達到180Mpa。Hosokawa等人與陳維平也對工藝參數(shù)進行了詳細的研究，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，同時對工藝制定給出了理論指導【11】。

3 軋制在模擬方面的進展

近年來隨著計算機水平的發(fā)展和模擬技術(shù)的應用，將傳統(tǒng)的只能依靠工藝試驗和試錯法來優(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驗，不需要實際的坯料、工具、設備，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，了解各個工藝參數(shù)對板材溫度場、應力應變、板料的回彈、邊部減薄的影響，可以有效減少實驗次數(shù)，縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期和降低費用。有限元數(shù)值模擬方法成為工藝過程優(yōu)化的新工具。

復旦大學的徐宏彬通過分析材料密度對顯式動力學方法穩(wěn)定性極限的影響，引出“質(zhì)量放大”這一概念。針對單板建立了三維的有限元模型，運用顯式動力學方法實現(xiàn)了軋制過程的有限元模擬，考察了不同質(zhì)量放大因子對計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程，取得了有效軋制弧長、制件長度、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AZ31鎂合金板材異步軋制過程進行了數(shù)值模擬，分析了異步軋制工藝參數(shù)對等效應力、等效應變、軋制力、板材位移的影響規(guī)律，模擬溫度梯度對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，變形量過大或者不合理時，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、強度高、寬副大規(guī)格的鎂合金板材依然是一個難題。

目前，營口銀河鎂鋁合金有限公司利用1775mm四輥可逆熱軋制機可以軋制成卷薄鎂合金板帶，是中國在鎂合金板材制造上最先進的水平，在世界也是領(lǐng)先水平【24、26】。但是板材邊部開裂問題依然沒有解決，這種板材只能加工蜂窩板，達不到?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)值模擬上進行了各種研究，但是都是處于實驗室階段，要想取得突破性進展進行大量生產(chǎn)，還需要在以下幾個方面進行深入研究:

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

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

（3）目前，軋制模擬得到的模擬結(jié)果還是應力、應變曲線，研究人員通過分析應力、應變曲線來判斷板材組織，應該進行微觀組織模擬，模擬結(jié)果直接反映出來。

（4）為進一步提高鎂合金板材的性能和成材率，應繼續(xù)深入企業(yè)加強與工業(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)學院校內(nèi)課題AZ31鎂合金板材軋制數(shù)值模擬課題號Y201411

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