專利名稱：變形鎂合金薄板、帶、線材的電致塑性軋制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄板、帶、線材(厚度在2mm以下或直徑在3mm以下)的軋制技術(shù)，特別是變形鎂合金的薄板、帶、線材的電致塑性軋制方法及裝置。
背景技術(shù)：
金屬鎂被稱作“21世紀最具發(fā)展前景的綠色工程材料”。上世紀90年代以來，日本、美國、德國、澳大利亞等國相繼出臺了各自的鎂研究計劃。對近幾年以來國際上主要金屬材料發(fā)展趨勢的分析表明，鋼鐵、銅、鉛、鋅、鋁等材料的應(yīng)用呈下降或緩慢增長趨勢，而鎂則以每年大于20％的速率連續(xù)保持快速增長，其原因是鎂合金作為最輕的工程金屬材料，具有儲量驚人(海水中鎂的的含量居第3)、比重輕(見表1)、比強度及比剛度高(見圖1)、阻尼性及切削加工性好、導(dǎo)熱性好、電磁屏蔽能力強以及減振性好和易于回收等一系列優(yōu)點，在汽車工業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域得到了日益廣泛的重視和應(yīng)用。以高度集成化、輕薄化、微型化發(fā)展趨勢的3C(Computer，Communication，consume)產(chǎn)品為例，鎂合金以其抗沖擊及電磁屏蔽和散熱性好的特性，加之硬度為傳統(tǒng)塑料機殼的數(shù)倍，而重量僅為后者的1/3以下。因此鎂合金已成為中高檔超薄型機殼的首選材料，而且這種殼體更豪華、美觀、易于上色。
但目前上述鎂合金產(chǎn)品90％以上為壓鑄技術(shù)生產(chǎn)出來的。壓鑄技術(shù)經(jīng)過許多年發(fā)展，其生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率、表面質(zhì)量都得到了顯著提高，但由于本身很難避免的缺點，如鑄造缺陷難以消除、壁厚不能過薄、性能難滿足承載零件要求、加工過程需氣體保護(產(chǎn)生溫室效應(yīng))等限制了壓鑄鎂合金的進一步應(yīng)用發(fā)展。與壓鑄鎂合金相比，更低成本、更高強度、更多樣化力學(xué)性能的變形鎂合金應(yīng)具有更加廣闊的發(fā)展空間。但目前變形鎂合金在應(yīng)用面上還遠不如壓鑄鎂合金，主要是基于鎂合金室溫下加工塑性差(韌性低)的限制性鎂屬于密排六方晶體結(jié)構(gòu)，滑移系少，只有三個幾何滑移系和兩個獨立滑移系，容易出現(xiàn)孿生現(xiàn)象(加工性能差，單道次變形量僅為15％以下)。目前變形鎂合金薄板、帶、線材的軋制加工方法主要包括1、完全退火后冷軋。變形鎂合金在經(jīng)過一系列變形(如熱擠、熱軋)后，通過300~400℃、約30分鐘至1小時左右的再結(jié)晶退火，進入冷軋工序來獲得薄板、帶、線材產(chǎn)品。該方法產(chǎn)品表面質(zhì)量較好，但此時兩次退火間的總軋制變形率不超過25％，否則出現(xiàn)軋裂現(xiàn)象。因此如需獲得薄材，需反復(fù)多次進行中間退火處理。因該方法退火工序太多，而不適于實際生產(chǎn)；2、熱軋加工。通過升高溫度增加滑移系(≥225℃)的手段增加其塑性變形能力，因此可提高兩次退火間的總軋制變形率(25％~40％)來減少退火次數(shù)。目前加熱方式又可分為爐卷加熱、在線超高頻加熱、直接熱輥三種。爐卷加熱即軋機兩端布置帶開收卷裝置的加熱爐，鎂材在一端爐卷裝置中加熱后，再進入熱軋輥軋制，同時收卷的鎂材又在另一端中的爐卷裝置中加熱，如此反復(fù)軋制；如專利號為JP2004-183062的日本專利報道了一種變形鎂合金線的在線超高頻加熱軋制技術(shù)，利用進入軋輥前的超高頻加熱裝置，使鎂材迅速感應(yīng)加熱至250℃~450℃間，再進入熱軋輥軋制；直接熱輥則是用煤氣管加熱軋輥，而鎂材料進入軋輥前不另外加熱，由于鎂材在接觸熱輥時能迅速導(dǎo)入熱量而提高塑性。此三種方式都是利用了溫度效應(yīng)來提高軋制變形能力，均帶來表面質(zhì)量難以保證(易氧化變色)、產(chǎn)品尺寸精度難以控制(軋輥加熱后剛度下降)、材料性能較低(升高溫度造成晶粒尺寸偏大)等諸多問題，另外爐卷加熱方式由于爐中存在溫度場不均勻及材料軋制過程中加熱時間不相等等因素，還會帶來卷材性能一致性差問題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，特別克服獲得變形鎂合金薄材過程中冷軋加工成本高(退火次數(shù)增加)、熱軋產(chǎn)品質(zhì)量差(表面氧化、尺寸控制難、性能較低和可能的一致性差)等缺陷，本發(fā)明提供一種變形鎂合金薄板、帶、線材的電致塑性軋制方法及裝置，此時鎂材軋制變形能力(塑性)大為提高，變形抗力降低，而且可避免高溫氧化、尺寸精度差現(xiàn)象，最終產(chǎn)品較常規(guī)軋制強度更高、韌性更好，產(chǎn)品性能更加均勻。
本發(fā)明變形鎂合金薄板、帶、線材的電致塑性軋制方法及裝置，包括以下步驟通過軋機的開、收卷裝置帶動連續(xù)鎂材以一定速度經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的軋制輥縫，厚度變小(軋制變形率為ϵH0-H1H0×100%,]]>H0、H1分別為軋前和軋后厚度)，且向所述收卷裝置方向運動；在進入軋輥前鎂材直接導(dǎo)入單向瞬間高能連續(xù)脈沖電流，電流通過一對可調(diào)距離的電接觸裝置加在材料上，而軋輥本身作為其中的負極，電致塑性軋制時加入必要的冷卻和潤滑措施。
單向瞬間高能連續(xù)脈沖電流由一配置的高能連續(xù)電脈沖電源產(chǎn)生，高能連續(xù)脈沖電的工藝參數(shù)可以為脈沖寬度10-200μs，頻率100-3000HZ，電流密度的幅值≥100A/mm2。其中，優(yōu)選高能連續(xù)脈沖電的工藝參數(shù)為脈沖寬度10-100μs，頻率100-1500HZ，電流密度的幅值≥500A/mm2。
強制冷卻的加入有兩方面目的1)減少因軋前鎂材加上了高能連續(xù)電脈沖所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，避免了軋前的高溫氧化現(xiàn)象；2)避免軋后溫度升高造成的晶粒長大，提高軋后材料綜合性能。而潤滑措施可達到清除軋制過程污垢、減少軋制變形抗力、提高鎂材表面光潔度綜合效果。
該軋機的配置可根據(jù)單向軋制或可逆雙向軋制的需要進行，由于后者生產(chǎn)效率更高(可不用換卷而連續(xù)進行)，一般采用可逆雙向軋制配置。此時包括開卷裝置5、收卷裝置6、高能脈沖電源1、潤滑裝置8與8’、開卷裝置5和軋輥7與收卷裝置6和軋輥7之間的兩個電接觸正極裝置3、3’以及強制冷卻裝置4、4’。材料從左往右軋制時，用電源1為高能連續(xù)電脈沖電源，該高能連續(xù)電脈沖電源的正、負輸出端分別連接兩個電接觸裝置3、7，通過該兩個電接觸裝置使高能連續(xù)脈沖電流輸入運動的連續(xù)鎂材的加電區(qū)域段2’，在運動的連續(xù)鎂材的加電區(qū)域段2’周圍設(shè)置強制冷卻裝置4，用于對運動的連續(xù)鎂材的加電區(qū)域段同時進行強制冷卻，此時的軋輥入口的潤滑裝置8向軋制變形區(qū)噴潤滑液，軋后的鎂材又立即進入軋輥和另一電接觸正極裝置3’(此時3’并不通電)之間的強制冷卻區(qū)域4’進行冷卻，最后進入收卷裝置6。下一道鎂材從右往左軋時，軋輥7的輥縫繼續(xù)下調(diào)，高能連續(xù)電脈沖電源的正、負輸出端分別連接兩個電接觸裝置3’、7(而此時軋輥左側(cè)電接觸裝置3不通電)，裝置8’向軋制變形區(qū)噴潤滑液，入口強制冷卻裝置為4’，出口強制冷卻裝置則為4，開卷裝置換成6、收卷裝置則為5，其他配置不變。
電致塑性軋制過程中，單向瞬間高能連續(xù)電脈沖從電接觸正極通過鎂材導(dǎo)向軋輥(負極)，即軋制變形區(qū)內(nèi)也通有電脈沖。此時單向瞬間高能電脈沖作用于鎂材的變形區(qū)間，由于高沖量電子和位錯間強烈的相互作用機制，將產(chǎn)生電致塑性效應(yīng)和附加效應(yīng)。電致塑性效應(yīng)系指當(dāng)電流密度峰值足夠大時，可在打開位錯纏結(jié)增加變形區(qū)內(nèi)可動位錯密度的同時，有效增加位錯運動速度，從而提高塑性、降低變形抗力；而附加效應(yīng)則主要由熱效應(yīng)、磁壓縮效應(yīng)等構(gòu)成，它也對提高塑性、降低變形抗力方面發(fā)揮著重要作用。電致塑性效應(yīng)和附加效應(yīng)構(gòu)成的耦合作用，可在一定程度上降低熱效應(yīng)在提高塑性和降低變形抗力方面的比例，即在遠低于鎂材熱變形溫度(一般高于250℃)的情況下，就能達到同樣甚至更高程度的提高塑性和變形抗力下降效果，同時溫度的降低也可避免高溫氧化現(xiàn)象。另外由于電致塑性效應(yīng)有利于鎂材軋制變形過程中的亞晶轉(zhuǎn)動過程，從而促進了動態(tài)再結(jié)晶過程的晶粒形核率的提高和降低晶粒長大速度，使得軋出的鎂材具有更細小的晶粒。由于本發(fā)明中在軋制入口和出口均加入了強制冷卻手段，大大降低了軋制過程的熱效應(yīng)而強化了非熱效應(yīng)(電致塑性效應(yīng))，使得耦合作用最大化，最終提高了鎂材料的軋制變形能力(塑性)，降低了變形抗力，而且還避免了高溫氧化、保證了尺寸精度(軋輥溫度降低可提高軋機的剛度)。更加有利的是，采用本發(fā)明軋制后的鎂材由于晶粒細化后，抗拉強度高且塑性下降少，可提高兩次退火間的總變形率在60％以上，使得變形鎂合金薄板、帶、線材的加工成本高的問題得到很好的解決。


圖1為變形鎂合金薄板、帶、線材的電致塑性軋制裝置裝置實施例示意圖。
具體實施例方式
參照圖1，包括開卷裝置5、收卷裝置6、高能脈沖電源1、潤滑裝置8與8’、開卷裝置5和軋輥7與收卷裝置6和軋輥7之間的兩個電接觸正極裝置3、3’以及強制冷卻裝置4、4’。連續(xù)的鎂材由開、收卷裝置支撐并張緊，它們帶有的張力調(diào)整機構(gòu)保證鎂材運動過程的穩(wěn)定性，旋轉(zhuǎn)的軋輥7能帶動連續(xù)鎂材2以一定速度通過向所述收卷裝置方向(圖1箭頭方向)連續(xù)傳輸，連續(xù)鎂材的軋制速度可為0-60mpm，軋制速度由控制軋輥轉(zhuǎn)動的變頻器和馬達調(diào)整控制(圖中未畫出)，在0-60mpm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。材料從左往右軋制時，用電源1為高能連續(xù)電脈沖電源，該高能連續(xù)電脈沖電源的正、負輸出端分別連接兩個電接觸裝置3、7，通過該兩個電接觸裝置使高能連續(xù)脈沖電流輸入運動的連續(xù)鎂材的加電區(qū)域段2’，在運動的連續(xù)鎂材的加電區(qū)域段2’周圍設(shè)置強制冷卻裝置4，用于對運動的連續(xù)鎂材的加電區(qū)域段同時進行強制冷卻，以降低電致塑性軋制過程中的焦耳熱效應(yīng)。冷卻裝置4可包括冷卻槽41，冷卻槽41內(nèi)通以循環(huán)冷卻介質(zhì)43，42、44分別為循環(huán)冷卻介質(zhì)的進口和出口。冷卻方式可以是鎂材的加電區(qū)域段2’浸入冷卻介質(zhì)中，也可以是高壓霧化噴淋鎂材的加電區(qū)域段2’，也可以是強風(fēng)強制對流散熱，且冷卻介質(zhì)的流量可調(diào)。此時的軋輥入口的潤滑裝置8向軋制變形區(qū)噴潤滑液，軋后的鎂材又立即進入軋輥和另一電接觸正極裝置3’(此時3’并不通電)之間的強制冷卻區(qū)域4’進行冷卻(完全等同于強制冷卻裝置4)，最后進入收卷裝置6。下一道鎂材從右往左軋時，軋輥7的輥縫繼續(xù)下調(diào)，高能連續(xù)電脈沖電源的正、負輸出端分別連接兩個電接觸裝置3’、7(而此時軋輥左側(cè)電接觸裝置3不通電)，裝置8’向軋制變形區(qū)噴潤滑液，入口強制冷卻裝置為4’，出口強制冷卻裝置則為4，開卷裝置換成6、收卷裝置則為5，其他配置不變。開、收卷裝置可以是原有鎂材生產(chǎn)線的一部分，高能連續(xù)電脈沖電源1的功率為5000w，它輸出脈沖寬度為10-200μs，輸出脈沖頻率為0-3000HZ。優(yōu)選高能連續(xù)脈沖電的工藝參數(shù)為脈沖寬度10-100μs，頻率100-1500HZ，電流密度的幅值≥500A/mm2。
兩個電接觸裝置3、3’均是由一對采用銅-石墨制成的直徑為160mm、寬度約為軋輥寬度的導(dǎo)電輪構(gòu)成，導(dǎo)電輪與開卷鎂材形成一定的包角，以保證接觸良好，減小接觸電阻，兩輪中心連線的中點與軋輥(即負極)中心連線的中點間的距離可在100～200mm范圍內(nèi)調(diào)整，該距離根據(jù)所需的軋制速度、來料狀態(tài)、截面尺寸等調(diào)整，軋速越高、來料越硬、截面尺寸越大，兩導(dǎo)電輪之間的距離應(yīng)加長。反之亦然。導(dǎo)電輪也可以采用黃銅等導(dǎo)電性較好且耐磨材料制成。
軋輥附近配置有一對潤滑裝置8和8’，它們分別保證不同方向軋制過程的潤滑。所噴潤滑液一般為礦物油或特制的乳化液，反復(fù)循環(huán)過濾后的潤滑液才能使用。
對于具體不同截面尺寸、不同來料硬度、軋制道次變形率的鎂材，輸入的高能連續(xù)脈沖電的工藝參數(shù)的原則是1、按集膚效應(yīng)公式δ＝(π*μ*f/ρ)-1/2，其中μ、ρ、f分別為磁導(dǎo)率、電阻率、頻率，δ為電流滲入的厚度。即鎂材截面尺寸越小，相應(yīng)輸入的高能連續(xù)脈沖頻率可增大；2、來料硬度越大，相應(yīng)輸入的高能連續(xù)脈沖寬度或電流密度幅值應(yīng)提高才能達到效果；3、軋制道次變形率越大，相應(yīng)輸入的高能連續(xù)脈沖寬度或電流密度幅值才能達到應(yīng)有的效果。
下面為采用本發(fā)明對變形鎂合金材料進行電致塑性軋制的兩個實施例實施例1來料為完全退火態(tài)，直徑為1.7mm的AZ31鎂線，進行冷軋和電致塑性軋制的對比。
電致塑性軋制時參照圖1，連續(xù)的鎂材2由開、收卷裝置控制張力，工作輥徑為100mm的兩輥軋機帶動按箭頭方向以入口速度3mpm進行軋制。入口的鎂材導(dǎo)入高能連續(xù)電脈沖，正、負極分別為銅-石墨制成的導(dǎo)電輪3(直徑為60mm)和軋輥7(正負極中心距離為150mm)與電脈沖電源1相連，同時加電區(qū)域段2’采用冷卻裝置4進行強制冷卻處理，循環(huán)冷卻介質(zhì)為淬火油，通過進口42泵入已冷卻的油，而通過出口44不斷排出因退火過程而加熱的油。潤滑裝置8向軋輥噴礦物油潤滑，而出口冷卻裝置4’采用與入口冷卻裝置4完全相同方式冷卻軋出發(fā)熱的鎂材。高能連續(xù)脈沖電的脈沖寬度80μs，頻率為600Hz，電流密度幅值為1000A/mm2。
則該線材冷軋至1.30mm后開始出現(xiàn)開裂現(xiàn)象(即臨界變形率只有23％)，而電致塑性軋制可軋至0.65mm仍未開裂(既兩退火間總變形率超過60％)，材料表面光潔度與冷軋無差異。
實施例2來料為完全退火態(tài)，厚度0.8mm、寬為2.mm的AZ31鎂帶，進行電致塑性軋制與冷軋軋至0.7mm厚的對比。
電致塑性軋制過程的裝置配置除正負極中心距調(diào)整為200mm外，其余與具體實施例1完全相同。同時此時輸入的高能連續(xù)脈沖電參數(shù)改為脈沖寬度60μs，頻率為400Hz，電流密度為1500A/mm2。
軋制過程中電致塑性軋制的變形抗力較冷軋降低17％(用5噸壓力傳感器在線測試)，軋出后的材料性能對比電致塑性軋制樣品抗拉強度295Mpa，延伸率6.5％；而冷軋樣品抗拉強度310Mpa，延伸率2％，再經(jīng)過350℃、10min退火后，測試力學(xué)性能得到電致塑性軋制樣品退火后的抗拉強度250Mpa，延伸率13.5％，晶粒尺寸平均約為5μm；而冷軋樣品退火后抗拉強度238Mpa，延伸率10％，晶粒尺寸平均約為13μm，兩者表面質(zhì)量無差異?？梢?，電致塑性軋制在降低變形抗力的同時，也提高產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能。
權(quán)利要求
1.變形鎂合金薄板、帶、線材的電致塑性軋制方法及裝置，其特征是變形鎂合金薄板、帶、線材在軋制過程中直接導(dǎo)入單向瞬間高能連續(xù)脈沖電流，電流通過一對可調(diào)距離的電接觸裝置施加在鎂材料上，而軋輥本身作為其中的負極，電致塑性軋制時加入必要的冷卻和潤滑措施。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的變形鎂合金的電致塑性軋制方法，其特征是鎂材料在軋制入口的一定區(qū)域段上通入了單向瞬間高能連續(xù)脈沖電，其電流參數(shù)為脈沖寬度10-200μs，頻率0-3000HZ，電流密度的幅值≥100A/mm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的變形鎂合金的電致塑性軋制方法，其特征是所述單向瞬間高能連續(xù)脈沖電，其電流參數(shù)為脈沖寬度10-100μs，頻率100-1500HZ，電流密度的幅值≥500A/mm2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的變形鎂合金的電致塑性軋制方法，其特征是兩次退火間的總變形率可在60％以上，而不出現(xiàn)軋制裂紋。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的變形鎂合金的電致塑性軋制裝置，其特征是可按單向或可逆雙向軋制分別配置裝置，優(yōu)選后者(可提高軋制生產(chǎn)效率)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的變形鎂合金的電致塑性軋制裝置，其特征是電接觸裝置的正極為一對導(dǎo)電金屬輪，兩輪中心連線的中點與軋輥(即負極)中心連線的中點間的距離可在100～200mm范圍內(nèi)調(diào)整，正極為單個(單向軋制時)配置或雙個兩側(cè)配置(可逆軋制時)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的變形鎂合金的電致塑性軋制裝置，其特征是軋輥兩側(cè)對稱(可逆軋制時)配置有強制冷卻裝置(水冷或風(fēng)冷或油冷或相互組合)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的變形鎂合金的電致塑性軋制裝置，其特征是軋輥附近配置有潤滑裝置，以保證軋制過程順利進行和軋制鎂材的表面質(zhì)量。
全文摘要
本發(fā)明涉及變形鎂合金薄板、帶、線材的電致塑性軋制方法及裝置，它包括變形鎂合金薄板、帶、線材在軋制過程中直接導(dǎo)入單向瞬間高能連續(xù)脈沖電流，電流通過一對可調(diào)距離的電接觸裝置加在運動的鎂材料上，而軋輥本身作為其中的負極，電致塑性軋制時加入必要的冷卻和潤滑措施。此時鎂材料的軋制變形能力(塑性)大為提高(兩次退火間的總變形率在60％以上)，變形抗力降低，而且可避免高溫氧化、尺寸精度差現(xiàn)象，最終產(chǎn)品較常規(guī)軋制強度更高、韌性更好，退火后的晶粒尺寸更為細小。特別適合厚度在2mm以下或直徑在3mm以下的變形鎂合金薄板、帶、線材軋制加工。
文檔編號B21B15/00GK1891363SQ20051008049
公開日2007年1月10日 申請日期2005年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月6日
發(fā)明者唐國翌, 徐卓輝, 田紹權(quán), 肖昌鵬 申請人:清華大學(xué)深圳研究生院, 佛山精密電工合金有限公司