镁合金板材轧制技术

镁合金板材轧制技术

变形镁合金板材在电子、通讯、交通、航空航天等领域有着十分广泛的应用前景，但目前镁合金板材的应用仍然受到很大的限制，其产量及用量远不及钢铁及铝、铜等有色金属。制约镁合金板材发展的因素主要有两个：大部分的镁合金室温塑性变形能力较差，且轧制板材中存在严重的各向异性；镁合金板材制备工艺不够成熟，力学性能尚需进一步提高。

镁合金板材一般采用轧制的方法生产，因此了解镁合金轧制工艺流程、阐明轧制过程中组织性能的变化规律，对促进镁合金板材的轧制技术的发展是十分必要的。

1 镁合金轧制工艺流程

镁合金板材的轧制设备与铝合金相似，根据生产规模2、3或4辊轧机。镁合金轧制时所用的坯料可以是铸坯、挤压坯或锻坯。锭坯在轧制前需进行铣面，以除掉表面缺陷。塑性加工性能较好的镁合金如镁-锰（Mn＜2.5%）和镁-锌-锆合金可直接用铸锭进行轧制，但铸锭轧制前一般应在高温下进行长时间的均匀化处理。对含铝量较高的镁-铝-锌系镁合金，用常规方法生产的铸锭轧制性能较差，因此常采用挤压坯进行轧制。镁合金轧制工艺流程如下：原料→熔炼→铸造→扁锭→锯切→铣面→一次加热→一次热轧→二次加热→二次热轧→剪切→三次加热→三次热轧→冷轧→酸洗→精轧→成品剪切→退火→涂漆→固化处理→检查→包装→运输。

1.1 扁锭铸造

镁合金铸锭可用铁模铸造，也可用半连续或连续工艺铸造。铁模铸造时，铸锭厚度一般不大于60mm。而半连续或连续铸造时，铸锭厚度可达300mm以上，长度则可通过铸造井内安装的同步锯切设备锯切成所需尺寸。通常镁合金的注定尺寸为：（127～305）mm×（406～1041）mm×（914～2032）mm，宽度与厚度之比应控制在4.0左右为宜。铸锭的质量主要取决于冷却速度、金属凝固时结晶的方向性、熔体补给情况、铸造压力及铸造温度等工艺参数。

1.2 铸锭加热

镁合金铸锭特别是含铝量较高的合金铸锭，在轧制前需要进行均匀化处理，以减小或消除成分偏析、提高铸锭的塑性成形能力。均匀化处理的温度范围为

643～703K，时间一般为8～12h以上。下表1几种常见镁合金的均匀化处理制度。AM60镁合金均匀化处理前后的组织有较大差别。

表1 镁合金铸锭均匀化处理制度

1.3 热轧

尽管镁合金冷加工性能较差，但在热态下大部分镁合金都具有较好的轧制性能。热轧时的道次压下量通常控制在10%～25%，加热一次后可多道次轧制。但用不带加热装置的轧辊进行单板轧制时，轧板温度会下降，此时需重新加热以保证加热温度。镁合金板材的热轧多采用二辊轧机，大批量生产时则常用3辊或4辊轧机。为了降低轧制力并改善轧制性能，轧制时通常使用润滑剂，可将含2%（质量）的调水油均匀地喷涂于加热的轧辊表面。在粗轧时为了防止粘辊，可用猪油、石蜡、硼氮化合物或石墨＋四氯化碳溶液作为润滑剂。

1.4 冷轧

镁合金板材的冷轧能力取决于合金成分及热轧工艺和热轧板组织。为防止轧制时板材开裂，应严格控制道次压下量及冷轧总变形量。通常AZ31的冷轧总变形量可达16%，而MAl镁合金的冷轧总变形量可达50%以上。

对合金化程度较高的难变形镁合金，可采用温轧的方法成形，即将轧制开轧温度控制在503K左右。当压下量为25%时，轧后板材温度约为423～433K，在卷绕前将其冷却至393K以下。

大部分镁合金对冷加工硬化很敏感，对冷轧板材进行不同程度的中间退火或成品退火，可改善其冷变形能力，并获得不同状态和性能的制品。

2 镁合金轧制制度的确定

镁合金轧制制度主要包括压下制度、速度制度、温度制度、辊型制度和张力制度等，其中最关键的是压下制度、速度制度和温度制度，而三者之间又是相互影响和关联的。确定合理的轧制制度，对提高生产效率和质量是十分重要的。

2.1 确定轧制制度的基本原则

轧制制度的确定需要综合考虑设备、产量、效益及操作等多方面的因素，要求充分发挥设备潜力、保证产品质量，并确保操作过程安全、方便。具体来说应做到如下两点。

（1） 充分发挥设备生产能力，尽量提高产量。

从设备角度考虑，限制压下量和速度提高的因素主要有三点，即板材咬入条件、机架和轧辊的强度条件以及电机功率的限制。

（2） 优化轧制工艺，尽量提高产品质量。

应确定合理的压下制度、速度制度、温度制度、辊型制度和张力制度等，以获得组织细小均匀、板型良好、表面光洁度高、力学性能优异的板材。

2.2 压下制度的确定

压下制度是板材轧制制度最核心的内容，直接关系着生产效率和产品质量。压下制度的中心内容就是要确定由一定尺寸的板坯轧成规定尺寸的成品过程中，所需采用的道次压下量和轧制道次。确定压下制度的方法很多，可归纳为理论计算法和经验法。要确定最佳的压下制度，最好是结合两种方法，即在物理模拟和数值模拟的基础上，结合操作人员的实践经验，在生产过程中视具体情况随即应变。

2.3 轧制速度的确定

从提高产量和细化晶粒的角度来讲，希望采用尽可能高的轧制速度。但镁合金的塑性一般随应变速率的增大而下降，因此热轧时的轧制速度要远小于钢铁及铜、铝合金，以牺牲生产效率来换取制品性能的提高。由于轧制工艺的特殊性，在不可调速轧机上轧制时，轧制速度受道次压下量的影响，在制定轧制速度时应综合考虑。

3 轧制工艺对镁合金板材组织性能的影响

材料的力学性能是由其微观组织决定的。具体来说，变形镁合金板材的力学性能主要受晶粒度、晶粒尺寸分布及晶粒取向分布的综合影响。而轧制工艺参数可通过影响镁合金的塑性变形机制及回复和动态再结晶过程来左右材料的最终组织，并成为决定板材性能最重要的因素。

3.1 轧制温度的影响

轧制温度对镁合金板材组织性能的影响，其实质是通过对轧制时的塑性变形

机制和动态再结晶过程的影响来实现的。低温轧制时，非基面滑移难以启动，孪生成为主要的变形方式，晶粒中往往出现大量孪晶。同时，由于达不到动态再结晶所需的温度，因此不能细化晶粒。在再结晶温度以上进行热轧时，可通过形成细小的新晶粒而使平均晶粒尺寸下降，综合力学性能提高。

3.2 变形程度的影响

道次压下和总变形量均对镁合金轧制板材的组织和性能有很大影响。一般来说，随着变形量的增大，热轧板材的晶粒尺寸减小，且大小更加均匀。但压下量过大时，容易出现裂边和表面裂纹。当道次变形量为20%时，微观组织即发生了显著的变化。主要表现在孪晶清晰可见，部分晶界发生弯曲，且在晶界和孪晶附近形成了少量细小的再结晶晶粒，但其所占比例较小，故晶粒无明显细化。随着道次变形量的增大，再结晶新晶粒比例不断增加，晶粒得到明显细化。当道次变形量到达68%和80%时，平均晶粒尺寸为3μm和1μm。

3.3 锭坯厚度的影响

在坯料具有初始织构的情况下，除了变形程度对板材的组织性能有很大的影响外，在相同的变形量和其他变形条件下，坯料的厚度对板材的组织性能也有很大影响。这是因为坯料厚度的改变将引起轧板法向和径向轧制力Pr之间的夹角θ发生变化，从而改变材料的变形机制并影响合金的力学性能。

3.4 轧制方式的影响

镁合金在轧制的过程中易形成（0001）基面织构，成品板材通常具有很强的各向异性，这对冲压特别是拉伸极为不利。采用交叉轧制的方法，轧向和横向交替变化，不仅可以使锭坯长宽比灵活配合，而且能导致晶粒均匀化和等轴化，降低各向异性，改善板材性能。