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镁带材在汽车轻量化结构中的应用

2015-4-20 15:14| 发布者: admin| 查看: 2300| 评论: 2

摘要: 弗莱贝格工业大学金属成形学院和德国MgF Magnesium Flachprodukte 股份有限公司正在基于双辊轧和工业级带材轧制开发一种新的使轧制卷的厚度最多不超过1.0毫米的镁带材生产技术。由双辊轧技术以及连续轧制生产的镁条 ...

    弗莱贝格工业大学金属成形学院和德国MgF Magnesium Flachprodukte 股份有限公司正在基于双辊轧和工业级带材轧制开发一种新的使轧制卷的厚度最多不超过1.0毫米的带材生产技术。由双辊轧技术以及连续轧制生产的条具有良好的加工性能,在一定程度上优于传统技术生产的带材。其经济优势源于使带材的生产初始条件更为优越的缩短生产过程链的技术。

 

  使用成型工艺,可以生产出高效、节能和环保的优质产品。变形技术和热处理进行结合,使材料属性的潜力可以最大化。这适用于特定的实现创新的轻型结构概念,不像其他的制造方法,若结合独特的设计方案则会取得最优材料特性。是最轻的结构金属,也因此使其成为一个在汽车轻型结构,电子产品(笔记本外壳等)和民用航空上如何应用的重要课题。在研究和开发领域的活动材料和工艺生产的合金半成品稳步上升超过十年。近年来,每年在汽车行业使用的增长呈两位数,但是除少数例外一直局限于铸件的生产。一个显着的扩展应用在很大程度上依赖于半成品的可用性,特别是薄板。流程步骤的减少与连铸生产制备材料,结合高性能成型技术,提供了新的供应高性能产品的可能性。例如如何满足当前和未来的需求,如何形成半成品零件的供应以及形成组件和建筑类型,如何在数量和质量等方面有所突破。双辊轧制在收益方面所获得的重视程度,特别是在连接与热轧带处理,生成板材产品几个流程步骤中可以消除几个步骤的工艺提高过程中将会引领一个具有完全经济效益和节能工艺链的出现。

 

  双辊轧制和带材轧制技术:

 

  使用连续厚板轧制薄板的传统生产在和铝材竞争中将对使用合金是否在经济上可行提出质疑。尽管额外的车身质量的节约可能证明相比相同体积的铝合金更高价格的合理性,这个密度效益仍然不能充分等于生产成本劣势和产量。这种技术可极大地降低生产成本,因此在全球市场变得越来越重要。主要优势是反映在使用廉价的原材料,节约原料的生产与加工连铸板坯表面、经济化的加热和中间退火和减少需要通过数字来实现最终的尺寸。另一个特点是快速凝固双辊轧制(超过10的速度比在连铸板)和形成同步的部分。除了更精细的初级微观结构构造,还有减少的空隙、气孔、粗糙易碎的沉淀物和分凝物。这是在材料的成形性能和产品质量上一个非常明显的效果。图1是传统技术生产的板与薄板和通过双辊轧制技术计划性地生产的带材的比较。2002年,弗莱贝格工业大学和MgF Magnesium Flachprodukte 股份有限公司合作建立一个实验性质的双辊轧制工厂。这个设备是在2009年完成的,增加了一个高效的热轧机。当前技术发展的目标是开发一个热轧制工艺生产的条最低限度的最终厚度为1.0 mm,改进工艺条件以求性能稳定。

 

  图1:板带生产技术,a)传统技术b)板带生产双辊轧制

 

  这个概念的实验过程如图2所示。目前,两个过程阶段,双辊轧制和带轧机,测试合金AZ21, AZ31, AM20, AM40, AM50, ZE10, ME21 和WE43。

  

  图2:设施的概念

 

  工艺过程概括如下:第一步是双辊轧制。保护气体使合金熔化并运送到轧制通道。有一个位于铸造通道口的尾部铸造喷嘴。其目的是将溶液输送到滚动缝隙中,并在和冷却辊接触时迅速凝固。条带的变形部分在离开之前具有3至7毫米厚的轧制间隙。合金薄带的边缘被循环空气炉或轧机修剪后可以进行分发。炉线圈可以最终退火或加热到一个指定的轧制温度。技术数据在表1中可以找到。

 

  表1:双辊连铸机和四辊可逆式轧机的技术数据

 

  加热后,双辊轧制带直接转移到轧制线上(见图3)。由四辊回轮为双辊轧制带提供所需的最终厚度。在轧制过程中就温度控制和考虑成型性能和表面质量的材料而言有必要保持紧密的进程窗口。

  图3:在试验工厂里滚动的板带最终轧制厚度为1.5毫米

 

  双辊轧制材料带测试及结果:

 

  试点工厂允许在现有技术参数下并且无需中间加热的情况下使双辊轧制的带材的厚度范围为从7.0到3.0毫米或者通过最多5道次可以最终轧制厚度为1.0毫米的带材。当使用自动线规进行操作时通过调节轧制速度来减少带上的热损失是可能实现的。一方面, 改善带材表面质量减少初始温度。另一方面,良好的最终轧制温度可以让成品带材保持优越的性能。除了采取一次加热的方法,通过对轧制卷进行中间加热,可获取测试所有环节所需的时间表。通过对微结构和结构发展进行分析,可以在每一个步骤后优化带材轧制工艺。

 

  通过对金属的材料进行双辊轧制加工,熔析形成和易碎沉淀就不能完全被抑制。如在铝锌阶段中存在枝晶间的空隙。为了生成同性质的初始结构,需要进行热处理以溶解或发散这些相。在双辊轧制成型过程中,能量被注入材料中并且在这些区域形成静态再结晶。主要的机理是拉伸一方面导致在其他方面动态再结晶。然而,再结晶是不均匀的。它开始在最畸形的地区。混乱堆积在晶界、晶粒边界地区因此作为成核站点的再结晶。此外,含有细颗粒(粒子)增加存储能量,因此对再结晶形成驱动力。大型非相干粒子作为成核站点,而细分散的晶界会产生沉淀阻塞[3]。在某型区域如果无法获取可用的变形或者温度过低,都无法对形成一个完整的再结晶,孪晶体就形成了。

 

  一个中间加热的带材在第二轧机通过时触发静态再结晶和边际晶粒生长。在随后的轧制关口,后者控制设置足够的温度、轧制速度和每次压下量,动态再结晶晶粒细化就会发生。成品带材的平均晶粒尺寸是≈5μm。由于中间加热、带材因宽度和长度特征往往在轧制条件下打成平局。此外,一个稳定的过程控制可以实现条边不易开裂。

 

  带材轧制试验没有中间加热的情况下,第二进程表明完全再结晶颗粒只能在达到一个非常高的变形后才会形成。除了剪切带或“剪切带-相似“结构外,部分再结晶的微结构,孪晶体会形成拉伸机理。微结构也会形成不均匀分布。如前所述以上,中间退火导致更均匀、更精细的微结构,因此更高的拉伸值在没有中间加热轧制后也可以实现(图4和5)。

  图4:当轧制1.5毫米厚度AZ31合金带材时需要经过四道程序,中间退火对轧制过程中力学性能的影响

 

  然而, 在没有中间加热的情况下,带卷也可以达到25±2.5%的伸长率,只是对材料的强度稍有损失,故应用适当的最终退火可改善。

  图5:AZ31卷条的微结构,包括(右)和不包括(左)中间退火, 放大200 x

 

  此外,调查双辊轧制和热轧以及AM50合金的性能在除AZ31合金基体外,一般来说可以建立第二个标准,通常来说,初始状态的AM50合金轧制带材可以和AZ31合金进行对比。然而,对于合金而言更强的中心线偏析的发展和大量分散式偏析却是非常明显的现象。这是由于铝含量的增加,增加例如形成片状Mg17Al12 precipitations。 最终厚度为2毫米的AZ31和AM502合金轧制带材在轧制和退火时有类似范围的属性和状态。在就AM50合金带材和AZ31带材进行对比观察时就屈服强度和抗拉强度值二者只有轻微的倾向(见图6)。比较薄带(1.25毫米厚),差异更为明显(见图7)。

 

  图6:比较AZ31和AM50条的力学特性(厚度2毫米)

  

  图7:比较AZ31和AM50带材的力学特性(厚度1.25毫米)

 

  对于复杂形状的板料成形,研究材料在高温时的行为特别有趣。虽然描述了与温度有关的属性,强度值的连续降低可以进行测量,相应地,断裂伸长率在增加。和室温相比,均匀延伸率在降低,,而且越来越趋向软化。在局部颈缩发生之前,加热拉伸样品的高变形性对应着一个持续收缩的扩大的相位。

 

  汽车行业的组件光谱:

 

  原型例子显示板材产品具有广泛的应用领域的前景。就汽车行业而言,板为主要集中在汽车的车身,但也作为底盘、室内和电动机组件等部件而使用的汽车轻量化结构提供了新的机会。图8代表AZ31合金的一些原型。下面的表1可视化组件列表可视为在汽车中的应用,即如何合理地使用

 

 

 

  图8:关于汽车零部件的例子

 

  表1:在汽车中的应用

 

  未来展望

 

  进一步开发板带轧制工艺,最终使带材的厚度低于1毫米并且具有可再生的性能(优化针对于TRC板带的横切面的几何形状)

  通过先进的轧制策略和对促进器以及控制系统的技术扩展,确保卷型薄板带形成合适的加工板带平面

  在制卷过程中使用广泛的和节能的变形热可控制调整微观结构属性的相关性。

  通过面向流程的润滑剂应用和先进的辊清洗技术优化表面质量。

  使用额外的基于模型的辊缝控制增加和影响现有的控制元素和提高初步设计的辊轮廓磨削。


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