立式双辊铸轧AZ31镁合金薄带试验研究_王广山

··镁合金是目前应用较广的轻合金结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、电磁屏蔽效果好、吸震性能优良、易回收等优点，在航空航天、交通、3C 等领域已有多年的应用历史[1-3]。

但是，由于受材料制备、加工技术以及价格等因素的制约，镁合金尤其是变形镁合金的应用量远远落后于钢铁和铝合金[4]。

双辊铸轧技术以其短流程、低能耗的特点在当今冶金行业越来越受到人们的重视。

双辊铸轧是以转动的铸辊为结晶器，将液态金属直接浇入由铸辊和侧封板围成的熔池中，实现由金属液直接铸成金属薄带的理想[5]，工艺原理如图1所示。

它将凝固与成形融为一体，把铸造和压力加工合二为一，有利于简化工序、缩短流程、节省能源，同时在凝固过程中施加变形也是金属近终成形过程的有效途径。

对于镁合金的双辊铸轧技术，水平式铸轧技术在国内外已经取得了一定进展，且水平双辊铸轧技术制备镁合金薄板坯技术在国外已经接近实现工业化[6-7]。

立式铸轧技术目前大量的研究集中在钢铁材料的连铸上，已进入了工业化应用阶段，且最高铸速已达到150m/min ，而镁合金薄带立式双辊铸轧技术的研究和开发才刚开始。

在立式铸轧镁合金技术研究中，国外已经取得了一定的进展[8-9]；在国内，2001年重庆大学率先提出采用立式双辊法生产镁合金薄带，随后成功制备出了AZ31镁合金薄带[10-11]，其铸带宽度为150mm ，厚度为1~3mm ，最高铸速达到15m/min ，铸带的组织细小均匀。

由于设备条件的限制，铸轧的速度和板带的宽度限制了该技术的发展。

随后，东北大学也对其投入研究[12-13]。

本研究将立式双辊铸轧技术应用于镁合金成形工艺中，直接制备宽254mm 、厚1~3mm 的AZ31镁合金薄带，解决镁合金薄板成形难问题。

由于省去了常规王广山，邸洪双，黄锋（东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁沈阳110004）摘要：利用近终形双辊铸轧薄带新工艺快速凝固、动态直接成形的特点，直接制备出宽254mm 、厚1~3mm 的镁合金薄带坯。

解决了镁合金坯料成形难问题，极大地简化了生产工艺流程。

同时细化晶粒，提高镁合金薄带坯的加工成形性能。

关键词：镁合金；双辊铸轧；晶粒细化中图分类号：TG146.22文献标识码：A 文章编号：1001-4977（2009）04-0322-04WANG Guang-shan,DI Hong-shuang,HUANG Feng（State Key Laboratory of Rolling and Automation,Northeastern University,Shenyang 110004,Liaoning,China）Abstract ：For the flash set and dynamic compaction of the new twin roll strip casting technology,itwas used to prepare the magnesium alloy thin strip of 254mm in width and 1-3mm in thickness with near net shape.By using of the new technology,the problem of magnesium alloy ingot formation was solved and it simplified production process greatly.At the same time,the technology can refine grain size and improve the forming performance of the magnesium alloy.Key words ：magnesium alloy;twin roll casting;grain refinement 立式双辊铸轧AZ31镁合金薄带试验研究Experimental Study on Vertical Twin-Roll Casting ofMagnesium Alloy Strip基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划2006CB605208-1）。

收稿日期：2008-08-26收到初稿，2008-12-07收到修订稿。

作者简介：王广山（1979-），男，河南南阳人，博士研究生，研究方向为双棍铸轧镁合金薄带。

E-mail ：wgs1979@图1立式双辊铸轧镁合金工艺示意图Fig.1Schematic of vertical twin-roll casting magnesium alloyApr.2009Vol.58No.4铸造FOUNDRY322··镁合金板带轧制中的铸锭、铣面和热粗轧过程，可以缩短工序，减少设备投资和能源消耗，从而使镁合金薄板的生产具有更高的成本效率。

同时利用双辊铸轧过程中快冷凝固的特点，可使带坯晶粒细化，强度与塑性提高，使成品板材获得理想的组织与性能。

1立式双辊铸轧镁合金试验1.1试验设备镁合金板带铸轧机为东北大学国家重点实验室在国家自然科学基金资助下建造的等径双辊式铸轧机，辊径Φ500mm，辊宽254mm，铸速5~30m/min，可轧带厚为1~5mm带卷。

侧封板选用熔融石英材料，通过弹簧压板压紧。

镁合金熔化炉为自主开发设备，额定功率为7.5kW，最大容量一次可熔炼20kg镁合金。

熔炼炉温度控制系统为铸轧试验的关键设备，其温度控制的准确与否直接关系到试验的结果和试验的安全性。

温度控制箱内由数显调节仪、转换开关、供电指示灯和接线排等构成，控制箱通过镍铬-镍硅热电偶进行测温，可实现升温、恒温控制等功能。

由于镁合金易燃烧的特殊性，在熔炼炉中增加了变压装置，通过调节电压来控制加热速率，避免了由于升温过快发生燃烧事故。

由于镁合金物理性能的特殊性，浇注时必须配以特制的水口装置用来布流。

布流装置在立式双辊薄带连铸技术中起着至关重要的作用，它与铸轧过程的稳定性和铸带质量密切相关。

布流的主要目的是使镁合金熔体均匀地分布在铸辊整个宽度内形成一定高度和稳定的熔池，熔池内传质流应具有最小的温度和速度梯度。

布流方式直接影响熔体在熔池内的流动与传热，对熔池内的流场与温度场影响很大。

其材质与镁合金熔体具有良好的物理化学相容性，因此水口采用导热性能低的耐火材料制成。

图2为铸轧水口结构示意图，通过与流槽连接，把浇注镁合金液均匀注入熔池中。

由于水口有一定的倾角，因此致使熔池温度分布更加均匀。

1.2铸轧过程铸轧原材料选用AZ31镁合金，其化学成分（质量分数，%）为：3Al，1.0Zn，0.2Mn，Fe≤0.05，Cu≤0.05，余量为Mg。

首先对镁合金锭进行破碎、烘干，然后在熔炼坩埚底部加入少量RJ-2熔剂，在镁合金熔炉预热到260~300℃时，加入镁合金锭进行熔炼。

为了防止加热温度过高发生镁合金燃烧事故，在熔炼温度达到600℃时，调节线圈变压器，控制加热速率。

待完全熔化后，熔炼温度达到720℃进行变质处理，把准备好的精炼剂撒入镁合金液中，人工搅拌后静置5min并进行除渣。

将精炼好的镁合金熔液静置，待温度降到635~650℃，开始进行浇注试验。

为了防止镁合金熔液注入熔池内发生飞溅、爆裂，在铸轧前对轧辊进行乙炔火焰预热，排除轧辊上的水汽。

将侧封板在加热炉中预热至700℃，利用弹簧压紧装置将其安装在铸辊端部，形成熔池。

将流槽在轧辊上方固定，水口出口处与铸辊辊缝对正，对流槽和水口进行电阻丝预热，预热温度为650℃，防止熔液直接浇注在铸辊上发生不均匀冷却，影响组织性能。

为了防止氧化，在整个浇注过程中，进行CO2气体保护。

2试验结果与分析2.1铸轧AZ31镁合金板带组织通过反复铸轧试验，确定了合理的铸轧镁合金工艺参数，成功铸轧出表面质量良好、厚度在1~3mm的镁合金薄带，如图3所示。

图4为在不同浇注速度和温度下铸轧出镁合金薄带的厚度。

可见，在保证成形的前提下，随着铸轧速度的加快，镁合金薄带厚度变小，此时，浇注温度随着下降。

取AZ31铸轧板带进行金相组织观测，可以看出试验得到细小等轴晶组织，如图5a所示。

由图可以清晰图2铸轧镁合金水口结构示意图Fig.2Schematic of the pouring cup for twin-roll casting magnesium alloy图3铸轧AZ31镁合金薄带Fig.3AZ31magnesium alloy strip by twin-roll casting图4不同温度下铸轧速度与板带厚度关系Fig.4Relationship between casting speed and strip thickness at differenttemperature铸造王广山等：立式双辊铸轧AZ31镁合金薄带试验研究323··看出，铸轧镁合金获得了理想的等轴晶粒组织，最小晶粒尺寸可达10μm ，平均为21μm 。

晶粒大小均匀，没有明显的方向性，而且组织夹杂物少、显微偏析小。

与图5b 相比，晶粒尺寸仅为铸造所得镁合金尺寸的五分之一。

铸轧镁合金的组织特点是与铸轧时熔池的特点密不可分的。

从宏观角度来看，铸轧熔池有其独特的特点。

铸轧过程中，熔池比较小，冷却速度大。

铸轧过程平均冷却速率可达102~103℃/s ，最大可达104~105℃/s ，凝固速度比常规工艺大约快1000倍左右。

而双辊铸轧镁合金时其冷却速度为200℃/s [10]。

在铸轧过程中，由于熔池中心液体温度高，熔池凝固界面处的散热快，冷却速度大，因而熔池的温度梯度大，结晶一般在很大的温差条件下进行。

铸轧过程中，金属液和低温的铸轧辊接触的一层液体受到强烈激冷，产生大的过冷，在金属液中大量形核。

同时，在铸轧的激冷过程中，金属液通过流槽以一定速度注入两辊间，随着辊的旋转和辊面外侧凝固层向下移动，使得辊间金属液产生强制流动，这个强制流动和温度的反复变化使正在生长的树枝晶根部颈缩而产生熔断，使得在熔池中存在着随金属液流动的小自由晶体，这些小自由晶体就在两凝壳之间成为等轴晶形成的萌芽晶体，在合适的凝固条件下长大而形成等轴晶区域。

同时，由于各种因素特别是铸辊转动引起的镁合金液流动作用的影响，除直接借助于独立形核以外，还会通过其他方式在熔池内部形成大量处于游离状态的自由小晶体，其作用相当于无数的“晶核”，而薄带中的等轴晶则基本上是由这些“晶核”生长而成的。

游离晶的形成过程及其在液流中的漂移和堆积，影响到等轴晶的数量、大小和分布状态，从而决定铸轧镁合金薄带宏观结晶组织的特征。

图6为AZ31镁合金铸轧态XRD 物相分析。

结果表明，铸轧态AZ31镁合金的XRD 衍射图谱上没有γ-Mg 17Al 12相衍射峰的存在，即双辊铸轧AZ31镁合金薄带的显微组织中仅有α-Mg 相存在，没有常规铸态组织中含有的γ-Mg 17Al 12相，Al 元素以固溶态存在于α-Mg 中。