龍形軋制鋁厚板彎曲程度和變形滲透性研究

黃冠騰，黎國立，梁昌旺，顏錦華，周 瑩，覃文東，武 磊

(百色學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 百色 533000)

高強(qiáng)高韌鋁合金厚板廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶艦艇以及軌道交通等領(lǐng)域[1]。以航空用高強(qiáng)高韌鋁合金為例，近年來在擠壓工藝[2]和熱處理工藝[3]方面已有一定的試驗(yàn)研究。熱軋是生產(chǎn)鋁合金厚板中的關(guān)鍵工藝之一，不僅可以使鋁合金板材發(fā)生較大的塑性變形，還可以破碎鑄造狀態(tài)下的粗大晶粒，減少或消除鑄造缺陷[4]。目前，工業(yè)上對(duì)厚板鋁合金性能的要求越來越高，但由于其厚度較大，心部很難進(jìn)行有效的塑性變形，存在組織均勻性差、殘余應(yīng)力大的缺點(diǎn)[5]。為解決這一難題，各國學(xué)者紛紛開始研制新的軋制技術(shù)。日本學(xué)者研究了異步熱軋，完成工業(yè)試驗(yàn)，并在工藝上取得了一定進(jìn)展[4]。在異步軋制中，上、下兩個(gè)軋輥的速度是不同的，軋件在受到壓縮應(yīng)力的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)變，有利于晶粒細(xì)化，但也會(huì)因?yàn)樗俣鹊牟黄ヅ鋵?dǎo)致軋板向慢輥彎曲，彎曲的軋板會(huì)對(duì)輥道產(chǎn)生極大傷害，甚至損壞軋機(jī)。龍形軋制，亦稱蛇形軋制，是非對(duì)稱軋制的一種。在異步軋制的基礎(chǔ)上，將轉(zhuǎn)速不同的兩輥在水平方向上前后偏移，對(duì)板材增加一個(gè)彎矩以抵消可能的彎曲，通過調(diào)節(jié)匹配好異速比、錯(cuò)位量、壓下量等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無彎曲的軋制[6]。

本文研究7075鋁合金厚板在龍形軋制時(shí)，均熱溫度、異速比及壓下量等因素對(duì)軋件彎曲和分層硬度的影響，并對(duì)影響機(jī)理進(jìn)行初步探討。

1實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的均熱溫度分別為280、440和480 ℃，異速比分別為1.00、1.06、1.10、1.16和1.20。

實(shí)驗(yàn)采用二輥龍形軋機(jī)。龍形軋制工藝參數(shù)見表1，軋制分三組進(jìn)行。各組板坯在不同溫度下均熱4 h后熱軋，軋制道次為一道次。在龍形軋制過程中，軋輥錯(cuò)位量設(shè)置為4 mm。第一組實(shí)驗(yàn)軋板彎曲程度，如圖1所示。

表1 軋制實(shí)驗(yàn)分組和工藝參數(shù)

圖1 第一組實(shí)驗(yàn)軋板彎曲程度Fig.1 Bending degree of rolled plates in the first group of experiments

研究龍形軋制工藝參數(shù)對(duì)軋板彎曲程度的影響，首先要解決軋板彎曲程度的表征問題，即如何描述軋板的彎曲程度。本文采用測(cè)量軋板彎曲內(nèi)弧高度y與內(nèi)弧與底面的投影長度x的比值y/x值來描述軋板彎曲的程度，該方法較曲率法[7]的測(cè)量和計(jì)算更簡便，也更能有效地反應(yīng)軋板彎曲程度。y/x值測(cè)量示意圖，如圖2所示。

圖2 y/x值測(cè)量示意圖Fig.2 Diagram of y/x value measurement

2 均熱溫度對(duì)軋板彎曲的影響

為分析均熱溫度對(duì)軋制的影響，設(shè)置2組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。

第一組實(shí)驗(yàn)均熱溫度為280 ℃，保溫時(shí)間為4 h，壓下量為5 mm，壓下率為10%。在均熱溫度偏低的情況下仍能完成軋制，是因?yàn)榕f式軋機(jī)的軋制速度低，在軋制過程中軋件的溫降大，因此把開軋溫度提得較高；而新式的連軋機(jī)軋制速度較高，在軋制過程中產(chǎn)生的變形熱，會(huì)使軋件溫度基本維持不變甚至升溫，這就為低溫軋制創(chuàng)造了條件[8]。

第二組實(shí)驗(yàn)均熱溫度為440 ℃，保溫時(shí)間為4 h，壓下量為5 mm，壓下率為10%。保溫溫度正常，軋制完成。

第三組實(shí)驗(yàn)均熱溫度為480 ℃，保溫時(shí)間為4 h，壓下量為5 mm，壓下率為10%。在軋制過程中軋板出現(xiàn)開裂，如圖3所示。

圖3 第三組軋板開裂Fig.3 Cracking of the third group of rolled plates

軋板軋裂的原因?yàn)椋涸贏l-Zn-Mg-Cu合金中，Al為主要金屬，加入Zn、Mg和Cu后生成許多第二相，析出相為Al-Zn-Mg-Cu高強(qiáng)合金強(qiáng)化的關(guān)鍵，析出溫度范圍為440～480 ℃。在440 ℃均熱時(shí)，第二相能正常固溶回鋁基體中，所以對(duì)軋制過程并沒有影響；當(dāng)均熱溫度達(dá)到480 ℃時(shí)，出現(xiàn)明顯過燒，第二相出現(xiàn)長大現(xiàn)象[9]，且開始發(fā)生局部熔化，成為板坯中的軟點(diǎn)，導(dǎo)致板坯強(qiáng)度出現(xiàn)局部降低，在軋制過程中出現(xiàn)軋裂或軋成燕尾型。

圖4為不同均熱溫度下軋板y/x值隨異速比的變化曲線。由圖4可知，均熱溫度為440 ℃時(shí)，軋板的彎曲程度y/x值更高。這是因?yàn)榫鶡釡囟葹?40 ℃時(shí)，軋板的軟化更加強(qiáng)烈，變形抗力更低，使得軋板變形更為嚴(yán)重，所呈現(xiàn)出軋制的成品彎曲度也隨之增大。

圖4 不同均熱溫度下軋板y/x值隨異速比變化Fig.4 Change of y/x value of rolled plate with mismatch roll speed ratios under different soaking temperatures

3 異速比對(duì)軋板彎曲程度的影響

異速比是指軋制過程中下軋輥與上軋輥轉(zhuǎn)速的比值。當(dāng)異速比為1.00時(shí)，即上、下軋輥速度相等，軋板軋制后仍是平直的。一旦上、下軋輥有了速度差，軋板軋制后均會(huì)發(fā)生彎曲。

影響軋板彎曲的因素很復(fù)雜，異速比、壓下量、偏移量均對(duì)軋板彎曲產(chǎn)生影響。第一組和第二組實(shí)驗(yàn)的壓下量均為5 mm，軋輥偏移量均為4 mm，異速比增大對(duì)板材彎曲程度有較大的影響，如圖4所示。隨著異速比的增大，板材彎曲程度也在不斷提高，當(dāng)異速比為1.16時(shí)，軋板彎曲程度y/x值達(dá)到最大。當(dāng)異速比達(dá)到1.20時(shí)，第一組實(shí)驗(yàn)的板材彎曲程度基本不變，而第二組板材的彎曲程度則有所減小。由此可知，板材的彎曲程度并不會(huì)隨著異速比的增大而無限增大。因此在本實(shí)驗(yàn)中存在一個(gè)能使軋板在軋制后彎曲程度達(dá)到最大的異速比。這可能是異速比太大后，下軋輥與軋板接觸面出現(xiàn)了打滑現(xiàn)象，使軋板的彎曲不再增加[10]。

4 異速比對(duì)軋板分層顯微硬度的影響

圖5為第一組軋板的分層硬度。由圖5可知，隨著異速比的增大，軋板的分層硬度也在不斷變化。當(dāng)異速比分別為1.00、1.06、1.20時(shí)，心部硬度要低于上、下板兩邊部的硬度；而當(dāng)異速比為1.16時(shí)，心部硬度明顯高于兩邊部，體現(xiàn)出一定的強(qiáng)化效果。但異速比為1.00、1.06、1.10時(shí)，上、下板兩邊部的硬度要比異速比為1.16、1.20的兩邊部硬度高。

圖5 第一組軋板分層硬度Fig.5 Lamination hardness of the first group of rolled plates

圖6為第二組軋板的分層硬度。由圖6可知，隨著異速比的增大，軋板下邊部的硬度從略高于上邊部逐漸變?yōu)榕c上邊部持平；而心部硬度則始終要高于上邊部硬度。在異速比為1.00、1.06時(shí)，心部硬度要低于下邊部硬度。而當(dāng)異速比大于1.10后，心部硬度卻高于下邊部硬度。

圖6 第二組軋板分層顯微硬度Fig.6 Lamination microhardness of the second group of rolled plates

由圖5、圖6可以看出，異速比為1.00時(shí)，第一組實(shí)驗(yàn)軋板上邊部的顯微硬度要比中間高，但低于下邊部；而第二組實(shí)驗(yàn)軋板上邊部的顯微硬度要比中間、下邊部低。隨著異速比的增大，軋板的分層硬度也在不斷變化，但并不會(huì)隨著異速比的增大而無限提高。當(dāng)異速比提高到1.10后，再繼續(xù)增大異速比，軋板的分層硬度變化并不明顯。因此，第二組實(shí)驗(yàn)軋板的顯微硬度普遍比第一組高3%～5%。

5 結(jié)論

采用不同異速比和均熱溫度對(duì)7075鋁合金板材進(jìn)行龍形軋制，并對(duì)軋后樣品進(jìn)行彎曲程度和分層硬度分析。結(jié)論如下：

1)當(dāng)均熱溫度為480 ℃時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過燒現(xiàn)象，導(dǎo)致軋板出現(xiàn)明顯開裂；

2)均熱溫度對(duì)龍形軋制軋板彎曲程度影響較大，440 ℃均熱溫度下軋板彎曲程度y/x值要略高于280 ℃均熱溫度的；

3)當(dāng)龍形軋制異速比由1.00逐漸增大至1.16時(shí)，軋板彎曲程度y/x值達(dá)到最大；當(dāng)異速比增大至1.20時(shí)，y/x值保持平穩(wěn)或有所下降；

4)龍形軋制的軋板存在明顯的分層硬度，但受異速比的變化影響并不明顯。