異速比對(duì)龍形軋制7075鋁厚板變形的影響研究

武 磊,覃 銘,何 兵,覃文東

(1.運(yùn)城職業(yè)技術(shù)大學(xué)智能制造與數(shù)智礦山學(xué)院,山西 運(yùn)城 044000;2.廣西壯族自治區(qū)鋁基新材料工程研究中心,廣西 百色 533000;3.百色學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 百色 533000; 4.吉利百礦研究院有限公司,廣西 百色 533000)

傳統(tǒng)的厚板軋制變形滲透性不佳、心部變形不足,造成在板厚方向上變形不均,影響最終性能。異步軋制是通過(guò)加入非對(duì)稱元素,在軋制變形區(qū)內(nèi)形成“搓軋區(qū)”,產(chǎn)生較大的剪切變形量[1]。通過(guò)引入不同的非對(duì)稱因素,非對(duì)稱軋制也可分為不同的軋制方法,如異步軋制、水平錯(cuò)位等速軋制和龍形軋制都是典型代表[2]。龍形軋制,亦稱蛇形軋制,是非對(duì)稱軋制的一種。龍形軋制由荷蘭學(xué)者提出,是指在異步軋制的基礎(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(guò)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(wú)彎曲的軋制[3]。文獻(xiàn)[4-6]介紹了龍形軋制的基本原理和實(shí)現(xiàn)方式。

7075鋁合金是傳統(tǒng)航空用高強(qiáng)度鋁合金,也是航空用鋁合金中經(jīng)久不衰的經(jīng)典牌號(hào)。我國(guó)對(duì)7075鋁合金研究起步相對(duì)國(guó)外較晚,但近年來(lái)也成為研究熱點(diǎn),進(jìn)行了航空用 7075 鋁合金擠壓棒材粗晶環(huán)測(cè)試分析[7]、熱處理工藝對(duì) 7075 合金腐蝕性能的影響[8]等大量實(shí)驗(yàn)研究。

由于航空用鋁合金對(duì)板厚方向組織和性能均勻性要求較高。本文以7075鋁合金50 mm厚板為研究對(duì)象,并對(duì)其進(jìn)行了龍形軋制,在相同軋輥錯(cuò)位量的條件下,不同異速比對(duì)其厚板變形的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析了異速比對(duì)軋板彎曲程度、厚度、板厚方向分層晶粒組織和顯微硬度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

本文所用軋制板坯為國(guó)內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn)的7075鋁合金T6態(tài)成品板,經(jīng)鋸切和銑面后獲得板坯尺寸為300 mm×100 mm×50 mm(長(zhǎng)×寬×厚)。實(shí)驗(yàn)所用軋機(jī)為二輥龍形鋁板軋機(jī),該軋機(jī)可在線調(diào)整軋輥異速比,軋輥錯(cuò)位量最大可達(dá)20 mm。坯料均勻化采用臺(tái)車式電阻爐,均勻化工藝為440 ℃保溫6 h。

龍形軋制實(shí)驗(yàn)軋輥錯(cuò)位量4 mm,異速比分別為1.00、1.06、1.10和1.16,每個(gè)異速比單道次軋制1塊鋁板,道次壓下量設(shè)為10 mm、壓下率為20%,軋后立即水淬。

分別在軋后鋁板距離快速軋輥接觸面、慢速輥接觸面3 mm處以及心部切取縱截面金相試樣,經(jīng)磨拋后采用4%HF+6%HCL+10%HNO3+80%H2O溶液侵蝕,采用Observer 3m ZEISS光學(xué)顯微鏡觀察金相組織。采用HVT-1000型數(shù)字式顯微硬度計(jì)檢測(cè)顯微硬度,實(shí)驗(yàn)力為1 kg,載荷時(shí)間10 s,每個(gè)試樣至少測(cè)量3次并取平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 軋板厚度

圖1為異速比對(duì)軋板頭、中、尾部厚度的影響。軋板頭部和尾部厚度分別是在距離軋板先出軋輥的端面和后出軋輥的端面5 mm處測(cè)量,以避免受到軋板兩端面特殊變形條件的影響;中部厚度是在軋板長(zhǎng)度中部測(cè)量,在軋制前的坯料上預(yù)先標(biāo)好位置。

圖1 不同異速比下軋板頭、中、尾部厚度Fig.1 Thickness of head, middle and tail of the rolled plates under different speed ratios

雷軍義等[9]提出,與傳統(tǒng)軋制過(guò)程相比,龍形軋制的變形區(qū)發(fā)生了改變,新增了不產(chǎn)生金屬板減薄的反彎作用區(qū)。因此,軋制變形區(qū)的改變需要對(duì)上、下工作輥的壓下量以及輥縫的補(bǔ)償量進(jìn)行計(jì)算,所得到的同徑異速龍形軋制輥縫補(bǔ)償量如下式:

(1)

式中:ΔS為輥縫補(bǔ)償量;R為軋輥半徑,實(shí)驗(yàn)中為175 mm;L為軋輥錯(cuò)位量,取值為4 mm。從式(1)可見(jiàn),龍形軋制的輥縫補(bǔ)償量只與軋輥直徑和軋輥錯(cuò)位量有關(guān),與異速比無(wú)關(guān)。

通過(guò)式(1)計(jì)算輥縫補(bǔ)償量為-0.0457 mm,即若想得到與傳統(tǒng)軋制相同的軋板厚度,需將輥縫在傳統(tǒng)軋制基礎(chǔ)上調(diào)整0.0457 mm。實(shí)驗(yàn)所用龍形軋機(jī)輥縫設(shè)置的精度為0.1 mm,因此無(wú)法體現(xiàn)這一輥縫補(bǔ)償量。由圖1可知,不同異速比下軋板3個(gè)不同位置的厚度相差很小,異速比對(duì)軋板厚度沒(méi)有明顯影響。

2.2 金相組織

圖2為原始7075鋁板坯的上邊面(慢速輥接觸面)、心部、下邊面(快速輥接觸面)的金相組織,觀察位置為板厚方向上距表面3 mm左右處。原始7075鋁板坯采用常規(guī)軋制并經(jīng)過(guò)T6處理,其上邊面、下邊面附近的金相組織與心部的金相組織有明顯不同。上邊面、下邊面附近的晶粒沿軋制方向呈明顯的細(xì)長(zhǎng)條狀,雖然晶界可以比較清晰的分辨,但在板厚方向上晶界間距較小;心部晶粒組織雖然也明顯沿軋制方向拉長(zhǎng),但沿板厚方向晶界間距較大。心部與上邊面、下邊面相比,晶粒變形程度較小,證明了常規(guī)軋制變形滲透性問(wèn)題的存在。

(a)上邊面;(b)心部;(c)下邊面圖2 原始板坯金相組織(a)up side;(b)center;(c)down sideFig.2 Microstructure of original plate

圖3為異速比分別為1.00、1.06、1.10和1.16的龍形軋板金相組織。當(dāng)異速比為1.00時(shí),軋板上邊面、下邊面附近的晶粒晶界仍然在板厚方向上距離較小,而心部晶粒晶界沿板厚方向較大,變形明顯小于兩個(gè)邊面附近,如圖3(a)～3(c)所示。在異速比為1.06、1.10和1.16時(shí),晶粒組織的基本特征仍然是呈沿軋制方向的細(xì)長(zhǎng)條狀,并且上邊面、下邊面附近晶粒晶界沿板厚方向的距離小于心部晶粒,該特征與原始板和異速比為1.00的龍形軋板相同;但所有軋后的鋁板上邊面、下邊面附近的晶界沿板厚方向的距離較原始板明顯減小,體現(xiàn)出軋制變形的效果,而心部變化并不明顯。同時(shí),不同異速比下,軋板上邊面、下邊面附近晶粒組織均無(wú)明顯差異。

(a)異速比1.00,上邊面;(b)異速比1.00,心部;(c)異速比1.00,下邊面;(d)異速比1.06,上邊面;(e)異速比1.06,心部;(f)異速比1.06,下邊面;(g)異速比1.10,上邊面;(h)異速比1.10,心部;(i)異速比1.10,下邊面;(j)異速比1.16,上邊面;(k)異速比1.16,心部;(l)異速比1.16,下邊面圖3 不同異速比下龍形軋板金相組織(a)speed ratios 1.00,up side;(b)speed ratios 1.00,center;(c)speed ratios 1.00,down side;(d)speed ratios 1.06,up side;(e)speed ratios 1.06,center;(f)speed ratios 1.06,down side;(g)speed ratios 1.10,up side;(h)speed ratios 1.10,center;(i)speed ratios 1.10,down side;(j)speed ratios 1.16,up side;(k)speed ratios1.16,center;(l)speed ratios 1.16,down sideFig.3 Microstructure of rolled plate with different speed ratio

實(shí)驗(yàn)中龍形軋制7075鋁板在板厚方向的晶粒組織特征與作為軋制坯料的常規(guī)軋制T6板相同,均為上邊面、下邊面附近晶粒變形明顯,而心部晶粒則變形較弱。異速軋制對(duì)板材心部變形的增強(qiáng)作用是通過(guò)產(chǎn)生“搓軋區(qū)”而引起板材心部的附加剪切應(yīng)變,而“搓軋區(qū)”內(nèi)復(fù)雜的變形情況,使附加剪切應(yīng)變對(duì)晶粒組織特別是晶粒形狀和尺寸的影響也變得復(fù)雜,可能無(wú)法用二維金相的方法來(lái)全面的顯示影響的結(jié)果,而需要進(jìn)行三維的金相觀察以及織構(gòu)分析才能全面表征這一影響。

2.3 顯微硬度

金屬在變形過(guò)程中受到的等效應(yīng)變對(duì)其顯微硬度值有一定影響,而且軋制板材沿厚度方向上的正應(yīng)變都是相同的,因此板材沿厚度方向硬度值的大小可以反映出該位置所受到的剪應(yīng)變的大小[10]。

對(duì)龍形軋制鋁板上邊面、下邊面附近和心部進(jìn)行顯微硬度測(cè)量,測(cè)量位置與晶粒組織觀察位置相同,結(jié)果如圖4所示。由圖4可見(jiàn),原始板坯為T(mén)6狀態(tài),其硬度水平明顯高于軋板;同時(shí),原始板坯上邊面、下邊面附近硬度水平較心部高約10%,這與常規(guī)軋制心部變形量不足的結(jié)論是相符合的。異速比為1.06和1.10時(shí),軋板心部顯微硬度高于異速比1.00的軋板,且與上邊面、下邊面附近顯微硬度更加接近。與原始板坯和異速比1.00軋板的上邊面、下邊面附近顯微硬度高于心部的情況相比,體現(xiàn)出了異速比強(qiáng)化心部變形的作用。

圖4 軋板顯微硬度與異速比的關(guān)系Fig.4 Relation between microhardness and speed ratio of rolled plates

由圖4還可知,當(dāng)軋板異速比為1.06、1.10和1.16時(shí),軋板心部硬度分別為180、178和178 HV,沒(méi)有明顯變化,即在此區(qū)間內(nèi)異速比對(duì)軋板心部硬度沒(méi)有明顯影響。在T.Zhang等[5]對(duì)7075鋁合金厚板龍形軋制所做的有限元模擬模型中,龍形軋制與常規(guī)軋制相比,雖然軋板心部的金屬流動(dòng)速度有較大差異,但等效應(yīng)力和等效應(yīng)變差別不大。從異速比來(lái)看,軋板心部剪切應(yīng)變隨異速比和軋輥錯(cuò)位量明顯增大,但在小軋輥錯(cuò)位量(10 mm)的情況下,異速比從1.00增至1.10時(shí),軋板心部剪切應(yīng)變雖然明顯增長(zhǎng),但數(shù)值仍未超過(guò)-0.04。實(shí)驗(yàn)所用軋輥錯(cuò)位量?jī)H4 mm,依照T. Zhang等[5]所做的計(jì)算,軋輥錯(cuò)位量越小,軋板心部的剪切應(yīng)變亦越小。因此盡管異速比增大能夠引起軋板心部剪切應(yīng)變?cè)龃?但軋輥錯(cuò)位量較小使軋板心部剪切應(yīng)變較小,導(dǎo)致不同異速比對(duì)軋板心部晶粒組織和顯微硬度的影響不明顯。

7075鋁合金T6態(tài)成品板是經(jīng)過(guò)了充分的固溶和人工時(shí)效,使析出物對(duì)板材基體的強(qiáng)化達(dá)到最優(yōu)。軋制板坯雖然經(jīng)過(guò)充分的均勻化過(guò)程,但單道次軋制時(shí)間較短、溫降較少,軋后再進(jìn)行水淬,鋁板中的合金元素仍大量固溶在α(Al)基體中,沒(méi)有起到充分的析出強(qiáng)化效果,導(dǎo)致軋板顯微硬度明顯低于原始板坯。同時(shí),當(dāng)異速比增大到1.16時(shí),軋板心部顯微硬度與異速比為1.06和1.10的軋板在相同水平,而上邊面、下邊面附近顯微硬度驟然下降至140和145 HV,出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象。

3 結(jié)論

針對(duì)異速比對(duì)龍形軋制7075鋁合金50 mm厚板的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,在單道次壓下10 mm、軋輥錯(cuò)位量4 mm的條件下,采用異速比1.00、1.06、1.10和1.16進(jìn)行了龍形軋制實(shí)驗(yàn),分析了異速比對(duì)軋板厚度、板厚方向分層晶粒組織和顯微硬度的影響,得出了以下結(jié)論:

1)異速比對(duì)軋板厚度沒(méi)有明顯影響;

2)龍形軋制后7075鋁合金厚板上邊面、下邊面附近和心部晶粒組織有明顯差異,上邊面、下邊面附近晶粒變形明顯,心部晶粒變形相對(duì)較小,與原始板坯的晶粒組織特征相同,但不同異速比對(duì)軋板晶粒組織的影響不明顯;

3)異速比為1.06和1.10時(shí),軋板心部顯微硬度高于異速比為1.00的軋板,且與上邊面、下邊面附近顯微硬度更加接近。與原始板坯和異速比為1.00軋板的上邊面、下邊面附近顯微硬度高于心部的情況相比,體現(xiàn)出了異速比強(qiáng)化心部變形的作用;

4)當(dāng)異速比達(dá)到1.16時(shí),龍形軋制軋板上邊面、下邊面附近顯微硬度明顯降低,推斷這一現(xiàn)象與軋板中的析出物有關(guān),具體原因還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究探索。