一种弱非织构镁合金板材的高效轧制方法与流程

本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种弱非织构镁合金板材的高效轧制方法。

背景技术：

镁合金具有比重小、比强度高、高阻尼、高导热性以及减震性好、易于回收等优点越来越受到汽车、航空航天和3c等工业领域市场的青睐，尤其是具有良好塑性和成形性能的镁合金板材在汽车后备箱门、客车行李舱门、电子产品外壳等领域有着迫切需求。

制备镁合金板材最经济和高效的方式之一是热轧法，但是由于现有商业镁合金塑性差，轧制时只能采用很小的道次变形量(道次变形量低于30％)，并且轧制道次间需要反复加热坯料，加工工艺周期长，生产效率低，导致镁合金板材的生产成本高；同时，由于传统镁合金塑性变形能力较差，轧制过程中极易产生边裂，严重影响镁合金板材的成材率；而且，最终得到的轧制板材具有强烈的基面织构，导致镁合金板材室温塑性低(一般在15～20％)、各向异性大，二次塑性加工成形能力不足。

申请人针对传统镁合金板材形成强烈的基面织构，导致镁合金板材室温塑性低、各向异性大，二次塑性加工成形能力不足的问题，利用稀土和钙等元素的织构弱化效果，通过微合金化发展了一系列具有高塑性的mg-zn-re系镁合金，该类合金合金经高温塑性加工后具有非基面织构，并且在室温具有高塑性。专利200910011111.1公布了名称为“一种高塑性、低各向异性镁合金及其板材的热轧制工艺”的专利。该专利提出轧制mg-zn-re合金板具有弱化的非基面织构，室温塑性高(可达40％及以上)，室温成形性能好的特点。然而，该专利仍然采用传统的轧制工艺，轧制周期长，生产效率低。

深入研究发现对于此类合金，由于re元素对再结晶过程的抑制作用，对于铸锭，当单道次轧制变形量达到60％时，产生剪切变形而没有出现再结晶软化，导致轧制板材出现严重边裂。

综合考虑发现，目前镁合金板材还没有同时兼顾好轧制工艺周期、板材的成材率和最终轧制板材的弱织构三个方面，因而，有必要针对此类具有织构弱化效果的镁合金，开发新的轧制工艺，在保证轧制后板材非基面织构和高塑性以及成材率的前提下，提高板材的生产效率，以满足工业对镁合金板材成材率和弱织构同时兼顾的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种弱非织构镁合金板材的高效轧制方法，适合于具有织构弱化和非基面化效果的mg-zn-re镁合金，解决了这类镁合金在传统轧制工艺中轧制周期长，生产效率低等一系列问题。本发明提供的高效轧制方法能够进行单道次最大80％压下量的大变形量轧制，且板材表面和侧边均无或浅边裂，另外轧制板材在退火后的织构最大极密度值≤6m.r.d.,同时也为沿板材横向偏转40°以上的非基面织构。本发明的轧制方法可以显著减少上述镁合金的轧制工艺周期、提高板材的成材率、获得弱非基面织构，对扩大上述镁合金板材在汽车、3c产品等领域的应用具有重大意义。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种弱非织构镁合金板材的高效轧制方法，该方法是针对具有织构弱化和非基面化效果的mg-zn-re系合金进行轧制，其轧制工艺为：首先对铸锭进行均匀化热处理；然后在高温下进行小变形量粗轧制后回炉退火，获得完全再结晶组织和弱织构粗轧板；再对所述粗轧板采用降温大变形量轧制；最后对板材进行二次退火处理。最终所获得轧制板材的边裂深度＜5mm；(0002)面织构强度≤6m.r.d.,且其织构为沿轧制横向偏转35°以上的弱非基面织构。

本发明轧制方法具体包括如下步骤：

1)均匀化热处理阶段：温度400～520℃，保温时间为10～16h；

2)高温小变形量粗轧阶段：轧制温度400-500℃，每道次变形量5％-19％，累积变形量30％-60％；粗轧后对板材进行退火处理，退火温度320-450℃，退火时间10min～180min，由此获得完全再结晶组织和弱织构；

3)降温大变形量轧制阶段：轧制温度为300-450℃，每道次变形量为60％-80％，轧制道次为1-3道次；所述降温大变形量轧制阶段，采用道次间逐次降温的轧制方式。

4)最终得到的板材进行退火处理(二次退火)，退火温度为300℃-450℃，退火 时间0-120min。

上述步骤2)和步骤3)中热轧制工艺中，轧辊预热温度为室温～350℃。

本发明中，所述具有织构弱化和非基面化效果的mg-zn-re系合金的化学组成为(wt.％)：zn为0.1-2.0％，re为0.1-0.8％，其余为镁；其中：re为稀土元素(re为gd、ce、y和nd中的一种或几种)。

本发明原理如下：

镁合金属于密排六方结构，滑移系少，难以满足vonmises准则所要求的5个独立滑移系的要求，轧制变形能力差。研究表明，镁合金的轧制性能可以通过提高轧制温度、减小坯料的初始晶粒尺寸、调控初始织构以及合金元素来提高。其原理如下：

(1)高温条件下(＞400℃)，由于镁合金的棱柱面和锥面滑移系的临界剪切应力(crss)明显降低，棱柱面和锥面滑移启动，滑移系增加至5个，可以满足vonmises准则所要求独立滑移系的数量要求，轧制性能明显改善；

(2)初始坯料的晶粒尺寸影响镁合金的轧制变形能力，主要表现在粗大的晶粒尺寸会导致发生压缩孪生变形，而压缩孪晶容易成为裂纹源的萌生点，这些细小裂纹源在轧制过程中会继续沿孪晶界扩展，最终引起边裂，减小晶粒尺寸会抑制孪生从而降低裂纹源的萌生，另外，当初始晶粒尺寸减少到一定程度以后，镁合金在轧制过程中的再结晶机制发生转变，由孪晶动态再结晶变为连续动态再结晶，这一变化也能有效降低轧制过程中的边裂，实验发现，当初始晶粒尺寸低于100μm，镁合金的轧制性能会显著提高；

(3)坯料的初始织构影响镁合金板材的轧制性能主要表现在影响基面滑移和柱面滑移的schmid因子。研究表明，当初始织构为沿着板材轧制横向的非基面织构时，柱面滑移的schmid因子较高，适合柱面滑移，而柱面滑移不会导致晶粒基面逐渐向板材的轧制面靠拢，即柱面滑移可以延缓织构基面化的速率，从而可以使板材获得持续的轧制变形能力；

(4)稀土元素合金化会降低镁合金的基面层错能，提高柱面滑移和锥面滑移的活性，从而也能有效提高镁合金的变形能力，但是由于稀土原子易偏聚和形成含稀土的第二相，这二者会影响镁合金的再结晶过程，尤其是提高再结晶发生的温度，因此，要获得较高的轧制变形能力，必须保证较高的变形温度，以利于发生动态再结晶的软化作用。再考虑到稀土镁合金在热变形过程中的再结晶晶粒取向随机化，避免强基面 织构的形成，从而也可以使板材获得一个持续的轧制变形能力。

综合上述四个因素，可以发现，稀土元素合金化，结合高的轧制温度，向板材轧制横向偏转的初始织构和低于100μm左右的晶粒尺寸能显著提高镁合金板材的轧制性能。

本发明具有以下优点和有益效果：

1)显著减少轧制道次和中间退火次数，缩短轧制周期，提高轧制效率。

2)大的轧制道次变形量还能显著细化最终板材的晶粒尺寸，消除由于轧制温度过高导致的晶粒粗化。

3)采用本工艺方法可以获得弱非基面织构，无边裂或少边裂的板材。

附图说明

图1为mg-2.0zn-0.3gd(wt.％)合金在高温小变形量轧制后320℃退火3h后获得的(a)完全再结晶组织和(b)弱织构；(c)大变形量轧制板材的宏观照片；(d)板材轧态下的织构；(e)板材经350℃退火1h后的织构。

图2为mg-2.0zn-0.7gd(wt.％)合金(a)高温小变形量轧制后板材的宏观照片；(b)大变形量轧制板材的宏观照片；(c)板材经400℃退火2h后的织构。

图3为mg-1.3zn-0.2ce(wt.％)合金(a)高温小变形量轧制后板材的宏观照片；(b)大变形量轧制板材的宏观照片；(c)板材经350℃退火1h后的织构。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详述本发明。需强调的是，以下实施例仅用于说明本发明，而并不是对本发明的限定。

实施例1

将mg-2.0zn-0.3gd(wt.％)合金铸锭在450℃保温12小时均匀化处理后，将铸锭切为100mm(长)×80mm(宽)×20mm(厚)的坯料并铣面；将铣面后的坯料在420℃保温30min后进行轧制，轧辊温度为室温，高温小变形量轧制阶段采用3道次连续轧制的方法将坯料由20mm厚轧至10mm厚，累积变形量为50％，板材表明和侧边均无裂纹；再将板材在320℃退火3h后获得完全再结晶组织和弱织构，如图1(a)-(b)所示；然后在300℃保温15min后进行大变形量轧制，采用单道次轧制变形的方法， 轧制变形量为80％，最终得到2mm厚的板材，其表面和侧边均无裂纹，如图1(c)所示。最终板材本身即具有弱织构，如图1(d)所示，也可对板材在350℃下进行退火1h，获得更弱的非基面织构，其强度为2.88m.r.d.，织构峰值向横向偏转约55°，如图1(e)所示。

实施例2

将mg-2.0zn-0.7gd(wt.％)合金铸锭在480℃保温10小时均匀化处理后，将铸锭切为150mm(长)×100mm(宽)×20mm(厚)的坯料并铣面；将铣面后的坯料在500℃保温30min后进行轧制，轧辊温度为室温，高温小变形量轧制阶段采用3道次轧制的方法将坯料由30mm轧制至15mm(累积变形量为50％)，板材表明和侧边均无裂纹，如图2(a)所示；再将板材在350℃退火1h；然后采用降温大变形量轧制的方法，将15mm板材在400℃下保温15min后，采用一道次65％的大变形量轧制，再将板材在350℃下进行一道次62％的大变形量轧制，最终得到约2mm厚的板材，其表面无裂纹，侧边裂纹深度＜2mm，如图2(b)所示。对板材在400℃下进行退火2h，获得弱织构，其强度为5.63m.r.d.，织构峰值向横向偏转约45°，如图2(c)所示。

实施例3

将mg-1.3zn-0.2ce(wt.％)合金铸锭在460℃保温6小时均匀化处理后，将铸锭切为150mm(长)×100mm(宽)×30mm(厚)的坯料并铣面；将铣面后的坯料在400℃保温30min后进行轧制，轧辊温度为室温，高温小变形量轧制阶段采用多道次连续轧制的方法将坯料由30mm轧制至15mm(累积变形量为50％)，板材表面和侧边均无裂纹，如图3(a)所示；再将板材在330℃退火1h后，采用一道次大变形量轧制的方法，变形量约为60％，最终得到约2.4mm厚的板材，其表面无裂纹，侧边裂纹深度＜5mm，如图3(b)所示。对板材在350℃下进行退火1h，获得弱织构，其强度为4.03m.r.d.，织构峰值向横向偏转约42°，如图3(c)所示。