专利名称：镁合金冲压薄板生产技术的制作方法
技术领域：
本发明属于一种镁合金薄板轧制技术，尤其属于用于冲压的高性能镁合金薄板轧制生产技术。
背景技术：
镁合金是密度最低的实用金属，具有比强度高、刚度好、电磁界面防护性强等特点，是理想的结构金属新材料。过去在结构材料方面的应用则仅限于航空航天方面的少量需求。近年随着原镁生产技术的发展，镁合金作为结构材料方面的广泛应用受到极大的重视。目前，在汽车、电子电器、宇航、体育设施等领域都显示出重要应用前景。使用轻质材料是降低汽车重量的关键，而车身要求具有高强度、高抗撞性和高精度，质量可占汽车总质量的20％-25％，如果采用轻型材料，将明显降低汽车重量，从而降低汽车能耗。目前汽车上采用的镁合金制件包括仪表底板、座椅架和发动机盖等。德国大众(奥迪)汽车公司开发了镁合金汽车覆盖件的热冲压成型技术，成功地加工出汽车内门板为内镁外铝混合车门，比用钢板减重50％、铝板减重20％。镁合金常用的成形方法有压铸、半固态铸造、挤压铸造、挤压和冲压等。其中镁合金产品的80％是通过铸造方法获得，镁合金变形加工技术正在成为镁合金研究和应用领域的热点。开发镁合金塑性加工技术是目前亟待进行的工作，在一些发达国家已经在塑性加工技术开发和产业化方面获得了一定进展。冲压成形是一种生产效率高、可直接使用性能优良的轧制板材而具有很大的市场优势和广阔的发展前景。
由于镁合金晶体结构是密排六方，滑移系少，在室温下塑性很低，延伸率只有4-8％，因此不适于常温冲压成型，一般须在150℃以上进行。拉深成形在冲压成形工艺中最为复杂，难度也较大。许多应用领域的零件采用冲压成型技术必须面对拉深成形的难题，镁合金超塑性是重要研究方向，超塑性成形是一个长远的课题，对于常规冲压生产，更需要提供传统意义上的优质冲压板带。
镁合金薄板轧制加工比较困难，一般采用热轧坯料反复冷轧加工，国内外生产量不大，加之目前国内民用冲压成型技术限制，下游产品对其需求少，因此未形成规模生产。随着镁合金板带的轧制技术的逐步发展，现在已经能批量生产镁合金薄板。镁合金板带的应用已经直接面对性能更好的产品的市场需求。
由此可见，冲压用镁合金板材应该具备更高的冲压性能。
发明内容
本专利的目的是提出一种生产具备良好冲压性能镁合金板带的轧制技术。本专利从理论上对镁合金冲压板必须具备的性能进行了分析，并采用实验进行了验证。镁属于密排六方晶体结构，在室温下只有1个滑移面(0001)，滑移面上有3个密排方向[1120]、[2110]和[1210]，所以室温下只有3个滑移系，其塑性比面心和体心立方金属都低。室温下，镁合金的塑性较差，变形困难，且易出现变形缺陷，这是由镁合金自身性质决定的，也是制约变形镁合金加工成形的本质原因。以拉深为主的变形过程，屈服强度越低，工艺稳定性就高、回弹小、零件准确度高，屈强比越小，对所有冲压成形都有利，均匀延伸率越大，冲压性能也越好。各向异性指数要适中，低温较大的塑性变形冲压，板材的脆性转变温度需要降低到冲压操作的温度。壳类零件冲压成形主要的失效形式是拉深成形时危险端面处的破裂，影响因素包括拉深力、压边力、模具园角、拉深间隙、拉深速度、模具温度、坯料温度等。但从实际的实验过程看，板料性能是基本内在因素，冲压温度是最关键的工艺因素。例如用普通成分的热挤压AZ31板料拉深成形手机外壳，即使采用不同的板和模具预热温度，进行拉伸生产仍然比较困难。采用AZ31B轧制板料，板料加热到360℃～390℃，冲压凸模的温度保持在120℃～150℃、凹模的温度350℃～380℃，拉深基本能成功。
由此可见，如果不采用更新的板带轧制生产技术代替传统的生产方式，大幅度地改进镁合金板带的冲压性能，将无法满足冲压生产对镁合金板带性能的要求。
基于上述分析和验证，本专利采用的途径是细化晶粒、提高合金纯度、铸轧、热轧、板坯热处理。技术手段包括高纯合金熔炼和供应、近终形超细组织铸轧、热连轧、激光毛化辊平整冷轧、软化热处理的短流程生产技术。
材料的晶粒尺寸和形状对板材的冲压性能有重要的影响。细晶组织的特性是使有害杂质更分散、材料的脆性转变温度降低、高温屈服极限降低，因此，细化组织对室温或高温冲压性能都有改进。材料的轧制组织形态中，以蝶状晶粒的冲压性能更佳。轧制时，铸态金属在热加工中形成纤维组织。热轧过程中，缩松、缩孔被焊合，小裂纹愈合，夹杂物和脆性相细化及拉长而分散其危害性，部分偏析被消除，粗大的柱状晶和树枝状晶被改造成细小、均匀的等轴晶。此外，经过热轧和再结晶，并和最后冷却配合获得亚晶组织，材料的性能大为提高。但是传统铸轧大尺寸铸锭，不仅组织粗大，而且性能不好的粗大人字柱状晶，在后续轧制时需要很大的压下率才可能彻底消除铸造组织，更难获得晶粒细小和均匀的组织。薄板坯连铸连轧工艺流程短、生产简便、产品质量好、生产成本低、组织致密细小。
本专利采用内水冷下辊、外加热上辊的差温辊铸轧技术，使之用同时具备快速凝固和半固态轧制的双重特点。镁板的晶粒达到10微米左右，同时快速凝固又使组织处于较大的过饱和状态，即沿晶界分布的第二相消失或减少。加热上辊造成软压下，促使凝固过程的二次枝晶间距减小，同时由于半固态变形，初生的二次枝晶被压碎，扩大了等轴晶的比例，缩小了柱状晶的比例。本专利的近终形铸轧，具有接近最终产品尺寸、改善材料性能、生产流程短、投资省、节能和保护环境等一系列优点。
热轧板的冲压性能比冷轧板优异，根本原因在于热轧对组织的改变更有利于冲压，热轧板内部织构、晶粒大小分布、机械性能等方面的均匀性、稳定性以及可控性好，是冲压加工的最为理想的坯料。本专利研究了热轧AZ31合金，发现225℃热轧，产生了动态再结晶，从而引起晶粒细化；450℃轧制，镁合金有超塑性，组织分析发现此时的晶粒多是细等轴晶，并且在受压方向扁平化。因此可以肯定热轧可显著提高镁合金成型性和冲压性能。但是由于镁的热容很小，对镁合金薄板很难实施热轧，实际上目前对于镁合金的热轧基本只能在厚度大于4-6毫米的板块操作，薄板通常是退火状态冷轧。连铸连轧板带的冶金组织很接近铸锭热轧，表面品质也与后者相差无几，比连续铸轧材料好得多，另外的优点是在于轧前微量元素几乎完全处于固溶状态，使再结晶易于进行，在轧制冷却后的析出微细、分布弥散，不仅能起强化作用，还能抑制再结晶晶粒的长大，有利于晶粒细化。因此本专利采用铸轧后处于热态的板材立即进行热轧的连续铸轧热连轧的短流程生产技术。热轧时亚晶粒随着道次增多逐渐形成完善和变细。从质量上衡量，热轧卷是后续加工的最为理想的坯料，适应于规模化生产。
镁合金板材冲压时可能出现滑移线，即板片在拉深部位因拉伸量太大，在沿45°方向滑移面的板表面有成组的平行线。本专利采用1％-5％小压下量的平整冷轧，能显著消除冲压滑移线。
在板材成型过程中，板面微坑有储油和冷却作用，改善板与模具间的摩擦和接触条件(减小摩擦、增加润滑)，有利于材料流动，使成型易于进行。同时，板面微坑可容纳成型过程中产生的金属屑，减少成型表面划伤，提高工件质量。可增强板面对涂层的附着力和提高成形件表面涂漆光亮度，增加产品的附加值。镁合金是一种很容易发生粘连的材料，冲压的划伤程度随温度的增加而增加，因此在镁合金的热成形中润滑剂的选用比在冷成形中更为重要。拉深生产时采用润滑剂，有效地减小了坯料与压边圈及拉伸凹模之间的摩擦，增强了金属的流动性，防止粘模，并保证良好的零件外观质量。实验证明，毛化板能更有效发挥润滑剂的作用，本专利采用激光毛化的轧辊表面的冷轧可以得到这种镁合金板材。
低屈服强度、低的屈服强度/极限强度比、高的均匀延伸率、小的各向异性指数，对几乎所有冲压都是有利的。在优化轧制工艺的条件下，轧板常常需要热处理配合，通常是采用适当的软化退火以获得需要的性能。冲压板的材料通常属于不能热处理强化的塑性变形镁合金，热处理的主要目的是消除轧制时的加工硬化或再结晶退火。本专利认为，铸轧时的快速凝固可能造成脆性的非平衡金属化合物在晶界出现，脆性化合物对冲压十分有害，热处理参数的选定需要保证这些化合物能够充分溶解。
为达到所需要的性能指标，本专利在板带生产中采取的技术措施包括采用以热轧为主的短流程铸轧热连轧，包括镁合金液洁净化熔炼、快速凝固铸轧、半固态轧制、热连轧、激光毛化辊平整和高温软化热处理等技术措施，获得具有优质织构和性能的冲压薄板。
具体实施例方式
2毫米厚AZ31镁合金冲压板轧制生产。
采用YAG固体脉冲激光器，功率密度约100W/cm2、重复频率每秒数千至上万的脉冲激光束聚焦到轧辊表面，实施熔凝强化。经特殊调制的高能量密度激光束在轧辊表面溶化出微小熔池，同时由侧吹辅助气体对微小熔池施以设定压力，使溶池中的溶融物按指定要求尽量堆积到溶池边缘形成圆弧形凸台。这些预热区、微坑和凸台在轧辊自导热的作用下迅速冷却形成硬度强化区即是激光毛化。
在镁合金液熔炼时，原材料严格控制杂质含量，熔炼坩埚采用高铬无镍合金，合金成分把几个关键杂质限制在低于如下范围0.005％Si，0.002％Cu，0.003％Fe，0.0004％Ni，杂质总量0.02％。为了降低氯离子含量，采用无熔剂熔炼技术。此成分要求超过了AZ31B的成分标准。
铸轧机上、下辊保持一定的温度差，下辊内水冷使轧辊表面温度不超过40℃，以获得细晶粒凝固板坯。上辊采用外部设置加热装置加热或内部油加热方式使辊温升高超过100℃，使板坯在轧制时处于大约120℃的较高温度，此时和上轧辊接触的板坯表面处于尚未达到完全的固体温度，达到半固态，实现压下半固态加工的效果。
采用铸轧后的热态镁板立即热轧的连续铸轧热连轧，热轧一定程度并使板带接近产品的厚度。在铸轧热连轧再加一个道次的热轧效果更好，但此时板带温度已经下降到所需要的温度以下，因此，可以增加在线加热装置，或对轧辊加热，实施热辊温轧，效果也比较显著。然后施加3％小变形量的冷轧，以获得准确的尺寸并消除冲压所可能出现滑移线。采用强化热轧弱化冷轧可以获得碟状晶组织，细的碟状晶组织是镁合金板材高冲压性能最好的组织。
热处理使材料进一步达到具备低屈服强度、低的屈服强度/极限强度比、高的均匀延伸率、小的各向异性指数的性能，为此在热处理参数的选择上基本是采用固溶热处理的原则。根据合金的成分，把加热温度选择在尽可能接近固相线的温度，保温时间1小时，充分溶解脆性第二相或低熔点非平衡共晶。冷却采用空气自然冷却或吹风冷却。
实验证明此时得到的板带性能指标有很好的冲压性能。板材在高温拉深时，其拉深比甚至超过铝合金和低碳钢板的常温拉深成形极限，例如，在175℃时镁合金板拉伸比可达2.0，而在225℃时可达3.0，超过了钢板和铝板在室温下的拉深伸比(分别为2.2和2.6)。在该温度下镁合金板拉深成形性能与钢板和铝板在室温下的拉深性能相近。
权利要求
1.一种镁合金冲压薄板生产技术，其特征是采用以热轧为主的短流程铸轧热连轧，包括镁合金液洁净化熔炼、快速凝固铸轧、半固态轧制、热连轧、激光毛化辊平整和高温软化热处理等技术措施，获得具有优质组织和性能的冲压薄板。
2.根据权利要求1所述的镁合金冲压薄板生产技术，其特征在于镁合金液洁净化熔炼，使镁合金中有害杂质含量控制在不低于高纯合金的标准水平。
3.根据权利要求1所述的镁合金冲压薄板生产技术，其特征在于快速凝固铸轧和半固态轧制，采用差温铸轧辊，即内水冷下辊和加热上辊。
4.根据权利要求1所述的镁合金冲压薄板生产技术，其特征在于热连轧在薄板轧制量分配中，变形主要靠热轧完成。
5.根据权利要求1所述的镁合金冲压薄板生产技术，其特征在于对冷轧辊激光毛化，冷轧采用1％-5％压下量的平整轧制制度。
6.根据权利要求1所述的镁合金冲压薄板生产技术，其特征在于高温软化热处理用稍低于合金固相线温度下加热和保温。
全文摘要
本发明涉及一种镁合金冲压板材，从冲压过程塑性变形和破坏机理分析出发，提出镁合金高性能冲压薄板生产应具备的生产条件和可以采用的技术手段，包括采用高纯镁合金液洁净化熔炼技术，短流程铸轧热连轧，铸轧辊采用差温辊以获得超细晶凝固板坯和半固态初轧，强化热轧以得到有利的织构组织，并采用激光毛化冷轧辊弱化冷轧，结合热处理得到细晶碟状等轴晶组织并具备高性能冲压薄板。
文档编号B22D11/06GK101045279SQ20061007094
公开日2007年10月3日 申请日期2006年3月27日 优先权日2006年3月27日
发明者李华伦, 黄育宏, 李书伟, 杨仲可 申请人:李华伦, 黄育宏, 李书伟, 李仲可