鋁鎂合金冷軋板帶邊緊邊裂問題探討①

徐利璞 蘇明 魏志毅 甄永富

（1：中國重型機械研究院股份公司 陜西 西安 710032；2：燕山大學(xué)機械工程學(xué)院 河北 秦皇島 066004）

1 前言

當(dāng)前生態(tài)環(huán)境問題日益突出，資源節(jié)約和環(huán)境友好成為世界各國日益重視的問題。由于溫室氣體排放及霧霾問題，世界各國政府均要求汽車制造商降碳降耗，減少環(huán)境污染。目前新能源技術(shù)尚未十分成熟，減少能耗、提高燃油經(jīng)濟性是汽車輕量化的重要途徑［1，2］。同時，高強鋼已發(fā)展到了較高水平可減重量有限，鋁合金、鎂合金以及高分子聚合物等輕質(zhì)材料的研發(fā)和應(yīng)用備受關(guān)注。鋁合金具有比強度高、成形性好、耐腐蝕性能優(yōu)良、可回收利用等特點，其板帶軋制工藝成熟，成為備受青睞的汽車輕量化材料［3，4］。在歐美市場，5系和6系鋁合金板材已廣泛應(yīng)用于發(fā)動機罩、行李箱蓋、車門等汽車覆蓋件，國外汽車制造商甚至推出了全鋁車身的高檔汽車［5，6］。中國是世界第一大鋁材生產(chǎn)國和消費國，良好的市場前景引得眾多鋁企紛紛布局鋁合金汽車板市場，如中國忠旺、南山鋁業(yè)等［7］。部分鋼鐵汽車板生產(chǎn)企業(yè)也開始進軍鋁板帶加工行業(yè)，如寶武集團收購?fù)虽X業(yè)建成寶武鋁業(yè)科技有限公司。還有汽車公司收購鋁廠為全鋁汽車做準(zhǔn)備，如吉利收購寧波巨科鋁業(yè)。在車用其他材料方面，鎂合金是實際應(yīng)用中質(zhì)量最輕的金屬材料，其密度約為鐵的1／4，鋁的2／3。同時，鎂合金具有比強度和比剛度高、彈性模量大、生物相容性好、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、電磁屏蔽能力強和阻尼減震性能好等優(yōu)點，是汽車和飛機制造的理想材料［8］。汽車板巨頭浦項對鎂板軋制技術(shù)提前布局，于2007年投資建成了一條可軋600mm寬鎂板的中試生產(chǎn)線。可見，以鋁代鋼、以鎂代鋼是汽車輕量化的一大趨勢。

2 現(xiàn)象及原因分析

2.1 鋁合金板帶冷軋邊緊現(xiàn)象

無論碳鋼還是鋁鎂合金板帶，冷軋采用的主流機型均為三菱日立的HC軋機或西馬克的CVC軋機。碳鋼單機架冷軋采用乳化液作為工藝潤滑介質(zhì)，單軋程或多軋程多道次可逆軋制。鋁合金帶材軋制通常采用揮發(fā)性好、易清除、無腐蝕性且具有較大油膜強度的軋制油作為潤滑和冷卻介質(zhì)，多為不可逆群軋生產(chǎn)方式［9］。另外碳鋼生產(chǎn)線普遍設(shè)計軋制速度最高1200m／min，而高端鋁合金生產(chǎn)線速度可達1800m／min，這些都會造成鋁合金帶材軋制時發(fā)熱嚴(yán)重。同時由于鋁帶中間與邊緣散熱速度不同，邊部溫度低于中部，造成帶材邊部變形抗力比中部高。另外對于軋輥來說，與帶材邊緣接觸的工作輥區(qū)域其散熱比輥身中部快，該區(qū)域熱凸度比輥身中部小，存在一個明顯的熱凸度梯度降［10］。因此鋁帶邊緣在該區(qū)域延伸較少（帶鋼冷軋過程中主要出現(xiàn)邊緣降現(xiàn)象），軋制過程中受到相鄰區(qū)域的拉應(yīng)力造成“緊邊”現(xiàn)象，容易使帶材邊緣產(chǎn)生裂紋。另外由于其工藝潤滑介質(zhì)閃點低（煤油基軋制油的閃點約為105℃），這種“邊緊肋松”的板形一旦造成斷帶，必然引起軋機起火。

2.2 鎂合金板帶冷軋邊裂現(xiàn)象

我國是鎂資源大國，但由于變形鎂合金室溫塑性變形能力差，鎂合金板帶冷軋加工工藝技術(shù)還不夠成熟，目前多以壓鑄方式進行生產(chǎn)，造成產(chǎn)能不足，產(chǎn)品性能不高，嚴(yán)重制約其推廣應(yīng)用。鎂合金板帶軋制時邊裂現(xiàn)象嚴(yán)重，邊裂成為抑制鎂合金帶材應(yīng)用的關(guān)鍵問題。為了提高鎂合金板帶軋制生產(chǎn)率，近年來越來越多的研究者利用各種技術(shù)方法及仿真手段研究鎂合金邊裂現(xiàn)象。有學(xué)者認(rèn)為大量邊部裂紋是板材邊部不均勻變形引起的應(yīng)力集中達到理論斷裂強度導(dǎo)致的。有文獻表明裂紋可能是由邊部晶粒粗大、損傷嚴(yán)重導(dǎo)致的，且發(fā)現(xiàn)在裂紋尖端塑性區(qū)的再結(jié)晶現(xiàn)象，導(dǎo)致沿著裂紋尖端生成了含有非常細小晶粒的晶粒帶［11］。還有學(xué)者通過數(shù)值模擬研究了損傷因子、應(yīng)力場、應(yīng)變場對AZ31鎂合金板材邊部裂紋的影響以及軋制時邊部的受力情況，認(rèn)為寬厚比的增加增大了邊部軋制應(yīng)力峰值，邊部損傷因子逐漸增加，提高了邊部開裂的幾率。本課題組聯(lián)合燕山大學(xué)對鎂合金邊裂問題開展研究，并在燕山大學(xué)軋制工程中心的中試軋機上進行了實驗。對MnE21鎂合金薄板在不同溫度、不同速度、不同道次壓下率條件下進行軋制實驗，并對軋前軋后的薄板試樣進行力學(xué)性能分析。試驗發(fā)現(xiàn)，鎂合金多道次軋制累積變形量不宜超過50%，且終軋道次壓下率不易過大，否則會發(fā)生邊裂現(xiàn)象甚至裂紋擴展到帶材寬度全幅面；鎂合金板材適宜在250℃以上進行溫態(tài)軋制，難以在室溫冷態(tài)軋制；軋后的鎂合金板材會出現(xiàn)明顯的各向異性，并且橫向強度與塑性明顯優(yōu)于縱向［12］。實驗結(jié)果為鎂合金薄板軋制工藝優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

3 解決方案

3.1 鋁合金冷軋邊緊問題的解決

傳統(tǒng)鋁軋機通常采用降速或在軋機出口設(shè)置圓盤剪在線切邊的方式處理邊緊問題，十分影響成材率和生產(chǎn)效率?，F(xiàn)代進口高速冷軋機一般釆用熱油噴淋對工作輥邊部進行加熱，調(diào)整與帶材邊部接觸部分輥身的凸度進而調(diào)整板形，能夠有效抑制邊緊、減少裂邊斷帶事故［13］。熱油軋輥邊部加熱系統(tǒng)原理如圖1所示，熱油箱的介質(zhì)來自于工藝潤滑系統(tǒng)供應(yīng)的軋制油，通過液位控制器實時檢測液位情況，當(dāng)液位過高時可溢流回工藝潤滑油箱。軋制油經(jīng)過一次加熱器預(yù)熱后進入熱油箱，使其達到一定初始溫度。二次加熱器安裝于油泵吸油口。溫度傳感器在線檢測熱油箱和管路中軋制油的溫度，并根據(jù)檢測值實時調(diào)整加熱功率以實現(xiàn)軋制油噴淋溫度的恒定。該系統(tǒng)存在較為明顯的缺點，熱油噴淋到軋輥后與工藝潤滑系統(tǒng)噴射出的軋制油混合，溫度快速降低并再次循環(huán)到熱油箱內(nèi)，能量消耗非常大，且熱油改變軋輥凸度較慢，存在較大滯后性。

圖1 熱油軋輥邊部加熱系統(tǒng)原理圖

具有熱油噴淋功能的工藝潤滑噴射梁布置如圖2所示，上中間輥與支撐輥冷卻噴淋梁為D梁，A梁主要負責(zé)輥縫潤滑，B梁負責(zé)工作輥分段冷卻，C梁即為熱油噴淋梁。D梁為單獨一根，A、B、C梁一體化整體設(shè)計，上下兩根布置。熱油噴淋系統(tǒng)采用和工藝潤滑系統(tǒng)一樣的介質(zhì)，主要由加熱站和C噴射梁組成，C梁布置在工作輥入口側(cè)，上下各有一排噴嘴，安裝在精細冷卻噴射梁B的外側(cè)。噴嘴根據(jù)鋁帶寬度范圍對稱設(shè)計在橫梁的兩側(cè)，其開閉根據(jù)軋制帶材寬度進行控制。系統(tǒng)利用90℃～100℃左右的熱油進行工作輥局部噴淋，以增加輥身在此區(qū)域的熱凸度，使帶材邊緣延伸增加，減少帶材邊緣的拉應(yīng)力，降低斷帶率，保證了高速、大張力狀態(tài)下的穩(wěn)定軋制。這套系統(tǒng)能夠在軋制過程中實時根據(jù)帶材寬度，對與帶材邊緣接觸的工作輥身區(qū)域進行熱油噴射，有效降低帶材在高速軋制過程中的斷帶率，防范斷帶起火的危險。

圖2 具有熱油邊部噴淋的噴射梁總體布置

近年隨著軋輥感應(yīng)加熱技術(shù)的成熟，電磁感應(yīng)軋輥邊部加熱系統(tǒng)開始應(yīng)用于鋁帶冷軋生產(chǎn)中，其原理如圖3所示。由于軋輥磨損、帶材性能不均以及摩擦、潤滑、熱變形等瞬時效應(yīng)相互影響疊加形成非常復(fù)雜的板形，而且這種復(fù)雜板形會在整個生產(chǎn)過程中不斷變化。在傾輥、彎輥和竄輥的基礎(chǔ)上，分區(qū)控制的工藝潤滑噴淋系統(tǒng)配合工作輥邊部感應(yīng)加熱可精確噴淋輥身需要冷卻的位置并快速加熱軋輥邊部，或直接對起筋／起翹的部位加熱／冷卻，高效糾正板形偏差。

圖3 電磁感應(yīng)軋輥邊部加熱系統(tǒng)原理圖

目前現(xiàn)場應(yīng)用的感應(yīng)邊部加熱控制裝置一般包含兩個水冷感應(yīng)加熱器，系統(tǒng)配備安裝支架，兩個感應(yīng)器布置在工作輥的兩端，由兩個12kW 的變頻電源模塊分別進行控制，變頻電源模塊位于電氣控制柜內(nèi)。感應(yīng)加熱器的功率從0至12kW單獨可調(diào)，有效加熱寬度為30mm。如圖4所示，感應(yīng)加熱器由油缸擺動控制與軋輥之間的距離，由馬達和絲杠對稱橫移調(diào)整沿輥身位置，保證隨帶材寬度變化自動尋邊。相對于熱油邊部加熱系統(tǒng)，該電磁感應(yīng)邊部加熱系統(tǒng)控制精度高、加熱時間短、大量節(jié)約能耗，但其存在加熱溫度過快過高易引起軋機內(nèi)油霧起火或軋輥過熱爆輥的風(fēng)險。總體來說只要做好安全控制及連鎖，感應(yīng)邊部加熱控制技術(shù)能夠更有效解決鋁合金軋制的邊緊問題。

圖4 電磁感應(yīng)軋輥邊部加熱執(zhí)行機構(gòu)

3.2 鎂合金軋制邊裂問題的解決

盡管鎂合金板帶軋制工藝還不成熟，但鑒于軋制生產(chǎn)工藝可以細化鎂合金板材的組織，提高其力學(xué)性能，且具有連續(xù)化批量生產(chǎn)的優(yōu)勢，攻克鎂合金板帶軋制技術(shù)難題一直是廣大科技工作者的目標(biāo)。當(dāng)前對于鎂合金板帶冷軋而言，寬幅面、大卷重生產(chǎn)還存在大量未解決的工藝生產(chǎn)難題，邊裂問題十分突出［14］。針對鎂合金板材軋制過程中出現(xiàn)的邊裂問題，近幾年學(xué)者們釆用在線加熱、包覆軋制、襯板軋制、異步軋制、預(yù)制凸度、模型預(yù)測等方法對鎂合金板材軋制成形進行了研究，并取得了積極的效果［15］。考慮到鎂合金塑性較差，室溫下直接軋制易開裂，難以進行冷變形，現(xiàn)階段通常采用溫軋，且配備了接觸輥在線加熱、帶材在線加熱、水基石墨潤滑、帶材邊部噴覆粘接劑、大直徑隔熱卷筒卷取等一系列生產(chǎn)工藝技術(shù)。目前，溫軋比較成功的是蒂森克虜勃鎂合金事業(yè)部和弗萊貝爾格工業(yè)大學(xué)金屬成型研究所共同研制的軋制生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線采用可逆溫軋機生產(chǎn)厚度低于1mm的鎂卷。鎂卷首先在電爐里加熱至400℃左右取出裝入開卷機進行可逆溫軋，在入口側(cè)對帶材邊部噴涂特殊制劑，其終軋溫度不低于250℃，生產(chǎn)鎂板帶幅寬達650mm，厚度可達0.5～1.5mm，整體板形良好，邊部形狀得到有效控制。國內(nèi)寬幅鎂板帶生產(chǎn)工藝較為落后，除幾條由帶鋼軋機改造的低端機組不穩(wěn)定生產(chǎn)裂紋較嚴(yán)重的鎂卷外，缺乏工藝成熟、技術(shù)手段完善、配置高端的專業(yè)化鎂板帶工業(yè)軋制生產(chǎn)線。

圖5 鎂合金中試軋機

4 結(jié)論

以鋁代鋼、以鎂代鋁是汽車輕量化的一大趨勢，其板帶產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的邊緊邊裂問題亟需解決。本文分析了鋁鎂合金邊緊邊裂現(xiàn)象，給出了出現(xiàn)問題的原因。針對鋁合金板帶邊緊問題，采用熱油邊部加熱或電磁感應(yīng)邊部加熱技術(shù)可以得到較為滿意的解決，但熱油邊部加熱系統(tǒng)的能耗問題、電磁感應(yīng)加熱的過熱保護問題仍需進一步優(yōu)化。針對鎂合金板帶軋制，邊裂問題未得到有效解決，溫軋及在線加熱技術(shù)能夠生產(chǎn)部分規(guī)格的成卷帶材，目前仍有大量工藝技術(shù)問題尚待攻克。