專(zhuān)利名稱(chēng)：鎂合金沖壓薄板生產(chǎn)技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種鎂合金薄板軋制技術(shù)，尤其屬于用于沖壓的高性能鎂合金薄板軋制生產(chǎn)技術(shù)。
背景技術(shù)：
鎂合金是密度最低的實(shí)用金屬，具有比強(qiáng)度高、剛度好、電磁界面防護(hù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是理想的結(jié)構(gòu)金屬新材料。過(guò)去在結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用則僅限于航空航天方面的少量需求。近年隨著原鎂生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料方面的廣泛應(yīng)用受到極大的重視。目前，在汽車(chē)、電子電器、宇航、體育設(shè)施等領(lǐng)域都顯示出重要應(yīng)用前景。使用輕質(zhì)材料是降低汽車(chē)重量的關(guān)鍵，而車(chē)身要求具有高強(qiáng)度、高抗撞性和高精度，質(zhì)量可占汽車(chē)總質(zhì)量的20％-25％，如果采用輕型材料，將明顯降低汽車(chē)重量，從而降低汽車(chē)能耗。目前汽車(chē)上采用的鎂合金制件包括儀表底板、座椅架和發(fā)動(dòng)機(jī)蓋等。德國(guó)大眾(奧迪)汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)了鎂合金汽車(chē)覆蓋件的熱沖壓成型技術(shù)，成功地加工出汽車(chē)內(nèi)門(mén)板為內(nèi)鎂外鋁混合車(chē)門(mén)，比用鋼板減重50％、鋁板減重20％。鎂合金常用的成形方法有壓鑄、半固態(tài)鑄造、擠壓鑄造、擠壓和沖壓等。其中鎂合金產(chǎn)品的80％是通過(guò)鑄造方法獲得，鎂合金變形加工技術(shù)正在成為鎂合金研究和應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)。開(kāi)發(fā)鎂合金塑性加工技術(shù)是目前亟待進(jìn)行的工作，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)在塑性加工技術(shù)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面獲得了一定進(jìn)展。沖壓成形是一種生產(chǎn)效率高、可直接使用性能優(yōu)良的軋制板材而具有很大的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)和廣闊的發(fā)展前景。
由于鎂合金晶體結(jié)構(gòu)是密排六方，滑移系少，在室溫下塑性很低，延伸率只有4-8％，因此不適于常溫沖壓成型，一般須在150℃以上進(jìn)行。拉深成形在沖壓成形工藝中最為復(fù)雜，難度也較大。許多應(yīng)用領(lǐng)域的零件采用沖壓成型技術(shù)必須面對(duì)拉深成形的難題，鎂合金超塑性是重要研究方向，超塑性成形是一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的課題，對(duì)于常規(guī)沖壓生產(chǎn)，更需要提供傳統(tǒng)意義上的優(yōu)質(zhì)沖壓板帶。
鎂合金薄板軋制加工比較困難，一般采用熱軋坯料反復(fù)冷軋加工，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)量不大，加之目前國(guó)內(nèi)民用沖壓成型技術(shù)限制，下游產(chǎn)品對(duì)其需求少，因此未形成規(guī)模生產(chǎn)。隨著鎂合金板帶的軋制技術(shù)的逐步發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)能批量生產(chǎn)鎂合金薄板。鎂合金板帶的應(yīng)用已經(jīng)直接面對(duì)性能更好的產(chǎn)品的市場(chǎng)需求。
由此可見(jiàn)，沖壓用鎂合金板材應(yīng)該具備更高的沖壓性能。
發(fā)明內(nèi)容
本專(zhuān)利的目的是提出一種生產(chǎn)具備良好沖壓性能鎂合金板帶的軋制技術(shù)。本專(zhuān)利從理論上對(duì)鎂合金沖壓板必須具備的性能進(jìn)行了分析，并采用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。鎂屬于密排六方晶體結(jié)構(gòu)，在室溫下只有1個(gè)滑移面(0001)，滑移面上有3個(gè)密排方向[1120]、[2110]和[1210]，所以室溫下只有3個(gè)滑移系，其塑性比面心和體心立方金屬都低。室溫下，鎂合金的塑性較差，變形困難，且易出現(xiàn)變形缺陷，這是由鎂合金自身性質(zhì)決定的，也是制約變形鎂合金加工成形的本質(zhì)原因。以拉深為主的變形過(guò)程，屈服強(qiáng)度越低，工藝穩(wěn)定性就高、回彈小、零件準(zhǔn)確度高，屈強(qiáng)比越小，對(duì)所有沖壓成形都有利，均勻延伸率越大，沖壓性能也越好。各向異性指數(shù)要適中，低溫較大的塑性變形沖壓，板材的脆性轉(zhuǎn)變溫度需要降低到?jīng)_壓操作的溫度。殼類(lèi)零件沖壓成形主要的失效形式是拉深成形時(shí)危險(xiǎn)端面處的破裂，影響因素包括拉深力、壓邊力、模具園角、拉深間隙、拉深速度、模具溫度、坯料溫度等。但從實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程看，板料性能是基本內(nèi)在因素，沖壓溫度是最關(guān)鍵的工藝因素。例如用普通成分的熱擠壓AZ31板料拉深成形手機(jī)外殼，即使采用不同的板和模具預(yù)熱溫度，進(jìn)行拉伸生產(chǎn)仍然比較困難。采用AZ31B軋制板料，板料加熱到360℃～390℃，沖壓凸模的溫度保持在120℃～150℃、凹模的溫度350℃～380℃，拉深基本能成功。
由此可見(jiàn)，如果不采用更新的板帶軋制生產(chǎn)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的生產(chǎn)方式，大幅度地改進(jìn)鎂合金板帶的沖壓性能，將無(wú)法滿(mǎn)足沖壓生產(chǎn)對(duì)鎂合金板帶性能的要求。
基于上述分析和驗(yàn)證，本專(zhuān)利采用的途徑是細(xì)化晶粒、提高合金純度、鑄軋、熱軋、板坯熱處理。技術(shù)手段包括高純合金熔煉和供應(yīng)、近終形超細(xì)組織鑄軋、熱連軋、激光毛化輥平整冷軋、軟化熱處理的短流程生產(chǎn)技術(shù)。
材料的晶粒尺寸和形狀對(duì)板材的沖壓性能有重要的影響。細(xì)晶組織的特性是使有害雜質(zhì)更分散、材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度降低、高溫屈服極限降低，因此，細(xì)化組織對(duì)室溫或高溫沖壓性能都有改進(jìn)。材料的軋制組織形態(tài)中，以蝶狀晶粒的沖壓性能更佳。軋制時(shí)，鑄態(tài)金屬在熱加工中形成纖維組織。熱軋過(guò)程中，縮松、縮孔被焊合，小裂紋愈合，夾雜物和脆性相細(xì)化及拉長(zhǎng)而分散其危害性，部分偏析被消除，粗大的柱狀晶和樹(shù)枝狀晶被改造成細(xì)小、均勻的等軸晶。此外，經(jīng)過(guò)熱軋和再結(jié)晶，并和最后冷卻配合獲得亞晶組織，材料的性能大為提高。但是傳統(tǒng)鑄軋大尺寸鑄錠，不僅組織粗大，而且性能不好的粗大人字柱狀晶，在后續(xù)軋制時(shí)需要很大的壓下率才可能徹底消除鑄造組織，更難獲得晶粒細(xì)小和均勻的組織。薄板坯連鑄連軋工藝流程短、生產(chǎn)簡(jiǎn)便、產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)成本低、組織致密細(xì)小。
本專(zhuān)利采用內(nèi)水冷下輥、外加熱上輥的差溫輥鑄軋技術(shù)，使之用同時(shí)具備快速凝固和半固態(tài)軋制的雙重特點(diǎn)。鎂板的晶粒達(dá)到10微米左右，同時(shí)快速凝固又使組織處于較大的過(guò)飽和狀態(tài)，即沿晶界分布的第二相消失或減少。加熱上輥造成軟壓下，促使凝固過(guò)程的二次枝晶間距減小，同時(shí)由于半固態(tài)變形，初生的二次枝晶被壓碎，擴(kuò)大了等軸晶的比例，縮小了柱狀晶的比例。本專(zhuān)利的近終形鑄軋，具有接近最終產(chǎn)品尺寸、改善材料性能、生產(chǎn)流程短、投資省、節(jié)能和保護(hù)環(huán)境等一系列優(yōu)點(diǎn)。
熱軋板的沖壓性能比冷軋板優(yōu)異，根本原因在于熱軋對(duì)組織的改變更有利于沖壓，熱軋板內(nèi)部織構(gòu)、晶粒大小分布、機(jī)械性能等方面的均勻性、穩(wěn)定性以及可控性好，是沖壓加工的最為理想的坯料。本專(zhuān)利研究了熱軋AZ31合金，發(fā)現(xiàn)225℃熱軋，產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而引起晶粒細(xì)化；450℃軋制，鎂合金有超塑性，組織分析發(fā)現(xiàn)此時(shí)的晶粒多是細(xì)等軸晶，并且在受壓方向扁平化。因此可以肯定熱軋可顯著提高鎂合金成型性和沖壓性能。但是由于鎂的熱容很小，對(duì)鎂合金薄板很難實(shí)施熱軋，實(shí)際上目前對(duì)于鎂合金的熱軋基本只能在厚度大于4-6毫米的板塊操作，薄板通常是退火狀態(tài)冷軋。連鑄連軋板帶的冶金組織很接近鑄錠熱軋，表面品質(zhì)也與后者相差無(wú)幾，比連續(xù)鑄軋材料好得多，另外的優(yōu)點(diǎn)是在于軋前微量元素幾乎完全處于固溶狀態(tài)，使再結(jié)晶易于進(jìn)行，在軋制冷卻后的析出微細(xì)、分布彌散，不僅能起強(qiáng)化作用，還能抑制再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大，有利于晶粒細(xì)化。因此本專(zhuān)利采用鑄軋后處于熱態(tài)的板材立即進(jìn)行熱軋的連續(xù)鑄軋熱連軋的短流程生產(chǎn)技術(shù)。熱軋時(shí)亞晶粒隨著道次增多逐漸形成完善和變細(xì)。從質(zhì)量上衡量，熱軋卷是后續(xù)加工的最為理想的坯料，適應(yīng)于規(guī)?；a(chǎn)。
鎂合金板材沖壓時(shí)可能出現(xiàn)滑移線，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組的平行線。本專(zhuān)利采用1％-5％小壓下量的平整冷軋，能顯著消除沖壓滑移線。
在板材成型過(guò)程中，板面微坑有儲(chǔ)油和冷卻作用，改善板與模具間的摩擦和接觸條件(減小摩擦、增加潤(rùn)滑)，有利于材料流動(dòng)，使成型易于進(jìn)行。同時(shí)，板面微坑可容納成型過(guò)程中產(chǎn)生的金屬屑，減少成型表面劃傷，提高工件質(zhì)量。可增強(qiáng)板面對(duì)涂層的附著力和提高成形件表面涂漆光亮度，增加產(chǎn)品的附加值。鎂合金是一種很容易發(fā)生粘連的材料，沖壓的劃傷程度隨溫度的增加而增加，因此在鎂合金的熱成形中潤(rùn)滑劑的選用比在冷成形中更為重要。拉深生產(chǎn)時(shí)采用潤(rùn)滑劑，有效地減小了坯料與壓邊圈及拉伸凹模之間的摩擦，增強(qiáng)了金屬的流動(dòng)性，防止粘模，并保證良好的零件外觀質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)證明，毛化板能更有效發(fā)揮潤(rùn)滑劑的作用，本專(zhuān)利采用激光毛化的軋輥表面的冷軋可以得到這種鎂合金板材。
低屈服強(qiáng)度、低的屈服強(qiáng)度/極限強(qiáng)度比、高的均勻延伸率、小的各向異性指數(shù)，對(duì)幾乎所有沖壓都是有利的。在優(yōu)化軋制工藝的條件下，軋板常常需要熱處理配合，通常是采用適當(dāng)?shù)能浕嘶鹨垣@得需要的性能。沖壓板的材料通常屬于不能熱處理強(qiáng)化的塑性變形鎂合金，熱處理的主要目的是消除軋制時(shí)的加工硬化或再結(jié)晶退火。本專(zhuān)利認(rèn)為，鑄軋時(shí)的快速凝固可能造成脆性的非平衡金屬化合物在晶界出現(xiàn)，脆性化合物對(duì)沖壓十分有害，熱處理參數(shù)的選定需要保證這些化合物能夠充分溶解。
為達(dá)到所需要的性能指標(biāo)，本專(zhuān)利在板帶生產(chǎn)中采取的技術(shù)措施包括采用以熱軋為主的短流程鑄軋熱連軋，包括鎂合金液潔凈化熔煉、快速凝固鑄軋、半固態(tài)軋制、熱連軋、激光毛化輥平整和高溫軟化熱處理等技術(shù)措施，獲得具有優(yōu)質(zhì)織構(gòu)和性能的沖壓薄板。
具體實(shí)施例方式
2毫米厚AZ31鎂合金沖壓板軋制生產(chǎn)。
采用YAG固體脈沖激光器，功率密度約100W/cm2、重復(fù)頻率每秒數(shù)千至上萬(wàn)的脈沖激光束聚焦到軋輥表面，實(shí)施熔凝強(qiáng)化。經(jīng)特殊調(diào)制的高能量密度激光束在軋輥表面溶化出微小熔池，同時(shí)由側(cè)吹輔助氣體對(duì)微小熔池施以設(shè)定壓力，使溶池中的溶融物按指定要求盡量堆積到溶池邊緣形成圓弧形凸臺(tái)。這些預(yù)熱區(qū)、微坑和凸臺(tái)在軋輥?zhàn)詫?dǎo)熱的作用下迅速冷卻形成硬度強(qiáng)化區(qū)即是激光毛化。
在鎂合金液熔煉時(shí)，原材料嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，熔煉坩堝采用高鉻無(wú)鎳合金，合金成分把幾個(gè)關(guān)鍵雜質(zhì)限制在低于如下范圍0.005％Si，0.002％Cu，0.003％Fe，0.0004％Ni，雜質(zhì)總量0.02％。為了降低氯離子含量，采用無(wú)熔劑熔煉技術(shù)。此成分要求超過(guò)了AZ31B的成分標(biāo)準(zhǔn)。
鑄軋機(jī)上、下輥保持一定的溫度差，下輥內(nèi)水冷使軋輥表面溫度不超過(guò)40℃，以獲得細(xì)晶粒凝固板坯。上輥采用外部設(shè)置加熱裝置加熱或內(nèi)部油加熱方式使輥溫升高超過(guò)100℃，使板坯在軋制時(shí)處于大約120℃的較高溫度，此時(shí)和上軋輥接觸的板坯表面處于尚未達(dá)到完全的固體溫度，達(dá)到半固態(tài)，實(shí)現(xiàn)壓下半固態(tài)加工的效果。
采用鑄軋后的熱態(tài)鎂板立即熱軋的連續(xù)鑄軋熱連軋，熱軋一定程度并使板帶接近產(chǎn)品的厚度。在鑄軋熱連軋?jiān)偌右粋€(gè)道次的熱軋效果更好，但此時(shí)板帶溫度已經(jīng)下降到所需要的溫度以下，因此，可以增加在線加熱裝置，或?qū)堓伡訜幔瑢?shí)施熱輥溫軋，效果也比較顯著。然后施加3％小變形量的冷軋，以獲得準(zhǔn)確的尺寸并消除沖壓所可能出現(xiàn)滑移線。采用強(qiáng)化熱軋弱化冷軋可以獲得碟狀晶組織，細(xì)的碟狀晶組織是鎂合金板材高沖壓性能最好的組織。
熱處理使材料進(jìn)一步達(dá)到具備低屈服強(qiáng)度、低的屈服強(qiáng)度/極限強(qiáng)度比、高的均勻延伸率、小的各向異性指數(shù)的性能，為此在熱處理參數(shù)的選擇上基本是采用固溶熱處理的原則。根據(jù)合金的成分，把加熱溫度選擇在盡可能接近固相線的溫度，保溫時(shí)間1小時(shí)，充分溶解脆性第二相或低熔點(diǎn)非平衡共晶。冷卻采用空氣自然冷卻或吹風(fēng)冷卻。
實(shí)驗(yàn)證明此時(shí)得到的板帶性能指標(biāo)有很好的沖壓性能。板材在高溫拉深時(shí)，其拉深比甚至超過(guò)鋁合金和低碳鋼板的常溫拉深成形極限，例如，在175℃時(shí)鎂合金板拉伸比可達(dá)2.0，而在225℃時(shí)可達(dá)3.0，超過(guò)了鋼板和鋁板在室溫下的拉深伸比(分別為2.2和2.6)。在該溫度下鎂合金板拉深成形性能與鋼板和鋁板在室溫下的拉深性能相近。
權(quán)利要求
1.一種鎂合金沖壓薄板生產(chǎn)技術(shù)，其特征是采用以熱軋為主的短流程鑄軋熱連軋，包括鎂合金液潔凈化熔煉、快速凝固鑄軋、半固態(tài)軋制、熱連軋、激光毛化輥平整和高溫軟化熱處理等技術(shù)措施，獲得具有優(yōu)質(zhì)組織和性能的沖壓薄板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金沖壓薄板生產(chǎn)技術(shù)，其特征在于鎂合金液潔凈化熔煉，使鎂合金中有害雜質(zhì)含量控制在不低于高純合金的標(biāo)準(zhǔn)水平。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金沖壓薄板生產(chǎn)技術(shù)，其特征在于快速凝固鑄軋和半固態(tài)軋制，采用差溫鑄軋輥，即內(nèi)水冷下輥和加熱上輥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金沖壓薄板生產(chǎn)技術(shù)，其特征在于熱連軋?jiān)诒“遘堉屏糠峙渲?，變形主要靠熱軋完成?br>
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金沖壓薄板生產(chǎn)技術(shù)，其特征在于對(duì)冷軋輥激光毛化，冷軋采用1％-5％壓下量的平整軋制制度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金沖壓薄板生產(chǎn)技術(shù)，其特征在于高溫軟化熱處理用稍低于合金固相線溫度下加熱和保溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鎂合金沖壓板材，從沖壓過(guò)程塑性變形和破壞機(jī)理分析出發(fā)，提出鎂合金高性能沖壓薄板生產(chǎn)應(yīng)具備的生產(chǎn)條件和可以采用的技術(shù)手段，包括采用高純鎂合金液潔凈化熔煉技術(shù)，短流程鑄軋熱連軋，鑄軋輥采用差溫輥以獲得超細(xì)晶凝固板坯和半固態(tài)初軋，強(qiáng)化熱軋以得到有利的織構(gòu)組織，并采用激光毛化冷軋輥弱化冷軋，結(jié)合熱處理得到細(xì)晶碟狀等軸晶組織并具備高性能沖壓薄板。
文檔編號(hào)B22D11/06GK101045279SQ20061007094
公開(kāi)日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2006年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月27日
發(fā)明者李華倫, 黃育宏, 李書(shū)偉, 楊仲可 申請(qǐng)人:李華倫, 黃育宏, 李書(shū)偉, 李仲可