可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作るための圧延プロセス方法

专利摘要:
可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作るための圧延プロセス方法である。マグネシウムとマグネシウム合金の可塑性が悪いし、塑性加工が難しいため、ずっとマグネシウム産業発展の主な技術ボトルネックとなっている。可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作るための圧延プロセス方法として、加熱鋼板圧延機の圧延ローラーは、逆方向温度場で圧延して、本書に言う加熱より圧延ローラーの温度と圧延板材の初期温度場とは該当することである。本書に言う逆方向温度場は被圧延板材の半製品の表面温度が半製品の中央部の温度より高く、圧延・変形過程における熱量が外部から内部に伝える。本発明の方法は可塑性の高いマグネシウム合金板材を造ることに用いる。
公开号:JP2011509833A
申请号:JP2010543356
申请日:2008-01-23
公开日:2011-03-31
发明作者:于洋；劉祖岩；楊徳山；王爾徳
申请人:哈爾濱工業大学Ｈａｅｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；
IPC主号:B21B3-00

专利说明:

[0001] 本発明は被圧延鋼板の半製品が逆方向温度場の状態で、マグネシウムとマグネシウム合金板材を圧延する方法に関っている。]
[0002] 〔背景技術〕
マグネシウムとマグネシウム合金は21世紀で最も将来性のある軽量構造金属材だと誉められており、省エネ化、再生資源、電磁遮蔽性能に優れた環境にやさしい材料で、航空・宇宙、兵器、自動車、オートバイ、自転車、列車、メトロ電車、3C製品、電子通信、家電製品、スポーツ器材、医療器材、医療用介入材料、建物、海底ケーブルなどの領域で実用価値の将来性が高い。]
[0003] マグネシウムとマグネシウム合金の可塑性が悪いし、塑性加工が難しいため、ずっとマグネシウム産業発展の主な技術ボトルネックとなっている。いかなる金属材料の応用では、鋳造技術をベースにする生産製品の市場はただ10〜15%を占めることに対し、塑性加工製品は80%以上の市場占有率を占有している。マグネシウムとマグネシウム合金の塑性加工の難しさはずっと世界の共通認識である。マグネシウムとマグネシウム合金は一次塑性加工が難しいだけではなく、二次塑性加工は一次よりも難しい。一次塑性加工技術の主要内容は次の通り：
押出技術：押出棒材、管材、型材。]
[0004] 引抜技術：引抜糸材、線材、管材。]
[0005] 圧延技術：圧延板材、線材、棒材、型材。]
[0006] 鍛造技術：マグネシウム合金インゴットによる成形部品。]
[0007] 一次塑性加工技術のうち、マグネシウムとマグネシウム合金板の圧延技術は最も難しい。マグネシウム合金薄板（0.3〜2 mm 厚さ）の製材率が30〜40%と低く、圧延スピードが遅く、圧延の工程が多くて、途中に何回もの加熱が必要であるため、マグネシウム合金板材の製造コストは高くて、価格は非常に高価である。板材が一次塑性加工製品の60％を占めており、マグネシウム合金板材圧延技術はマグネシウムとマグネシウム合金の産業発展を妨げる主要技術なのである。]
[0008] 一次塑性加工で圧延製造されたマグネシウム板材の可塑性が悪いため、二次塑性加工が必要となる。例えば、熱押出の成形部品の場合、軟鋼板とアルミニウム板のように、室温における冷却押抜と冷却押出による成形部品が出来ないので、生産性は低い。加熱成形部品表面品質が悪いし、コストが高くて、非常に高価である。加温押出や加熱押出では、ひび発生が易いことから、その生産過程の困難さに繋がる。]
[0009] マグネシウムとマグネシウム合金の可塑性、仕上げ率、生産性を高めて、コストダウンを図るのは、世界諸国の科学技術者の長期的な取り組みの目標となるが、現在では、ブレークスルーを遂げていない。]
[0010] 可塑性加工技術、特に板材圧延技術で解決されない板材の応用と普及は、型材、糸材、管材などの応用に制約要因となっている。これによって、マグネシウムとマグネシウム合金の産業は、アルミニウムとアルミニウム合金産業のように急成長を遂げるものではない。]
[0011] マグネシウムの結晶構造は6つのベタ組みに属して、室温環境における可塑性の悪さが“生まれつき弱い”で、結晶構成を変わる取り組みは不可能だ。6つのベタ組みの構成を変わると、もうマグネシウムとマグネシウム合金とならないのだ。マグネシウムとマグネシウム合金の純度を高めることは、防食性能と可塑性を改善することができるが、高価のコストを必要とするので、量産に適しない。現在、全世界はどのようにマグネシウム合金の結晶粒子を細分化するかを目標に集めている状態である。細分化された結晶粒子はマグネシウムとマグネシウム合金の可塑性を大幅に改善できるからである。このように、ようやくマグネシウム合金の2次塑性加工成形部品に役立つ。]
[0012] 研究によると、マグネシウム合金の可塑性を大幅に向上させるには、結晶粒子を10um に細分化することが必要だが、これは必要条件である。10um までの細分化だけではなく、必ず結晶粒子の大きさの均一化を保つことは十分な条件である。]
[0013] このような技術は、マグネシウムとマグネシウム合金の可塑性を効果的に高めることができる。]
[0014] 従来のマグネシウム合金熱間圧延とコールド・ローリング技術に基づいて、マグネシウム合金板材の結晶粒子を10um 以下に細分化し、結晶粒子の大きさの均一化を保つことは非常に困難で、量産に絶対に適しない。]
[0015] 現在、国内外のマグネシウム合金結晶粒子を細分化する新技術と方法は次の通り：
快速粉末凝固セット押出再熱間圧延技術、同一の直径経路による押出方法（ECAE）等が挙げられている。これらの技術はマグネシウム合金の結晶粒子の寸法を亜ミクロンに細分化するなら、これらの方法は可塑性を大幅に向上させることができるが、生産性の低下、高コストを原因として、量産に適せず、板材の生産に対応できない。]
[0016] 現在、国内外の最も人気を呼んでいるマグネシウム合金板材のダブルローラープロセスでは、結晶粒子を10um 以下に細分化することができるが、鋳造構造に帰するので、さらに熱間圧延とコールド・ローリングの実施が必要である。ダブルローラー板材をそのままに使用しようとすれば、純マグネシウムと強さの低いマグネシウム合金のみに適し、また板材の可塑性の指標は不安定で、質は最も制御しにくいことから、同技術を用いる量産が出来ない。個々の先進国では、液体マグネシウム合金のダブルローラー鋳造技術がただ半製品の製造のみに適し、後続の熱間圧延工程に作業量を削減し、生産性アップに繋がるので、コストダウンが可能であるが、板材の可塑性を大幅に向上させる必要があり、今のところ実行可能性がなく、さらに検討しなければならないことをもう認識している。]
[0017] 従って、ダブルローラー鋳造技術を用いて生産を小規模に行ったのは、ただオーストラリア国家科学技術と工業研究センターだけあり、その他の各国、例えば米国、ドイツ、中国などは依然として試験段階にとどまっている現状である。]
[0018] 本発明の以外、現在、マグネシウムとマグネシウム合金板材圧延技術で本質的なブレークスルーを遂げておらず、マグネシウムとマグネシウム合金板材の市場価格は依然として非常に高価で、応用と普及をなかなか実現することができない。]
[0019] 〔発明の概要〕
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は1種の逆方向温度場圧延技術を用いて、マグネシウムとマグネシウム合金板材における出来率低下、生産性の低下、高コスト、高価など一連の課題を解決するとともに、マグネシウム合金板材の可塑性の悪さという課題を解決することを目的とする。]
[0020] マグネシウム合金板材の2次塑性加工、即ち板材の押抜成形と押出成形を室温環境下に行えるために、基礎を築く。]
[0021] 〔課題を解決するための手段〕
上記の目的を達成するには、次の技術案を用いる必要がある：
可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作る為の圧延プロセス方法である。加熱鋼板圧延機の圧延ローラーは逆方向温度場外で圧延して、本書に言う加熱より、圧延ローラーの温度と非圧延板材の初期温度場とは該当することである。本書に言う可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作る為の圧延プロセス方法、逆方向温度場は被圧延板材の圧延開始時点における半製品の表面温度が半製品の中央部より高い温度を指し、圧延変形過程において、熱量が外部から内部へ伝えることである。本書に言う可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作る為の圧延プロセス方法では、本書に言う圧延過程において、半製品表面温度が450〜250 ℃，中央部の温度が20〜150 ℃を範囲にし、毎回の下向け圧延量が相対値の20％〜70％、圧延スピードが5〜10メートル／分を範囲にすることである。本書に言う可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作る為の圧延プロセス方法では、本書に言う圧延過程において、半製品の表面温度が450 ℃ 、400 ℃ 、300 ℃にあり、中央部の温度が20 ℃にあることである。]
[0022] 本書に言う可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作る為の圧延プロセス方法では、本書に言う圧延過程において、半製品の表面温度も450℃を選ぶことが可能で、中央部の温度が100 ℃であることである。]
[0023] 本書に言う可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作る為の圧延プロセス方法では、もとの半製品を構成部分にするインゴットに対する何回目もの圧延を行う時、第1 〜２回目下向け圧延量は、相対変形量の20 〜30 % ，第3 〜6 回目は30〜40 % ，第6 〜10 回目は40〜50% ，第10 回目以上は50〜70％であること。]
[0024] 本書に言う可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作る為の圧延プロセス方法では、もとの半製品を構成部分にするインゴットに対する何回目もの圧延を行うとき、第1 〜2 回目下向け圧延量は、相対変形量の20 〜30 % ，第3 〜5 回目は30〜40 % ，それ以後圧延する時、最終板材の厚さによって、毎回の下向け圧延量が相対変形量の30〜60 ％を範囲にすることである。]
[0025] 〔発明の効果〕
1 、国内外の現行マグネシウム合金板材の熱間圧延技術では、初期温度が420 ℃ 〜50 ℃ ，最終温度が約300 ℃ 、毎回の下向け圧延量が20％程度。肉厚120mm のインゴットをl 〜2mm板材に圧延するには、加熱回数3 〜5 回を必要とする。必要な圧延作業回数は26〜28回、出来率は30〜40 %。本発明におけるマグネシウムとマグネシウム合金板材圧延技術は、既存の国内外の圧延技術と異なり、逆方向温度場圧延技術を採用しているのだ。厚さ120mm からl mm に圧延する薄板では、半製品で加熱回数が一回、初期温度が420℃ ，毎回の下向け圧延量を30〜60 %と高めることが出来るとともに、必要な総回数は13〜１４回程度、加熱の回数は2 〜4回削減が可能で、総回数は一般圧延技術の1/2程度を実現することが出来る。さらに、材料の利用率は60- 70 ％。このようなだけではなく、本発明で提案されているマグネシウム合金板材の結晶粒子は小さくて、しかも平均しているので、板材の結晶粒子の寸法を10um以下に抑え、普通の場合、2〜6um 範囲内に細分化し、大幅に板材の可塑性を向上することが出来ることから、板材の延長率は、横や縦に関らず21％以上と安定に達成することが出来るとともに、大多数は25〜28%に上り、ひいては34％にも達することができる。その上、板材の縦方向と横方向における性能の食い違いはとても小さくて、10-15 ％と小範囲に抑えることが可能である。]
[0026] 2 、本発明は、マグネシウム合金板材の製造コスト上の課題を解決したことで、アルミニウム合金板材の製造コストに達成するか近似することを可能にするとともに、板材の可塑性の悪さという課題を解決しており、板材の可塑性指標を防錆アルミ合金のレベルに達成させて、軟鋼板材の可塑性の指標のレベルに接近することを実現していた。本発明は本質から、マグネシウムとマグネシウム合金の可塑性加工技術の課題を解決していることである。]
[0027] 3 、本発明は人々の持っているマグネシウム合金の可塑性の悪さ、塑性加工の困難さがあるという従来の考え方を変わっており、マグネシウム合金の室温での冷却塑性加工が出来ないペナルティエリアをブレークスルーしている。すでにマグネシウムとマグネシウム合金の可塑性の加工技術分野で、重大なブレークスルーを収めたと言える。それによって、マグネシウムとマグネシウム合金の応用と普及のために、新しい技術の道を創始した。]
[0028] 4 、本発明の逆方向温度場圧延は被圧延板材の半製品の表面温度が半製品の中央部の温度より高いことから生じた温度場を逆方向温度場圧延と言って、普通の全ての圧延過程における温度場の温度の格差とちょうど反対している。普通の全ての圧延技術では、熱間圧延か、それとも室温下の冷間圧延かに関らず、半製品の中央部の温度は表面温度より高く、熱量は半製品から外部と圧延ローラーに向かって放熱することで、つまり板材の中央部の温度が板材の表面温度より高い正方向の温度場を形成する。]
[0029] マグネシウムとマグネシウム合金室の室温可塑性が悪いため、容易に塑性加工が出来ない。本発明はマグネシウムとマグネシウム合金の塑性加工技術の可塑性の直しに着手して、すべての従来の塑性加工技術方法におけるマグネシウムとマグネシウム合金の塑性加工への不適応という全ての課題を解決しており、現在全ての塑性加工の過程が正方向の温度場に属し、いわゆる正方向の温度場は、すべての塑性加工の変形体内部の温度が皆表面温度より高いので、過程を変形する中で、可塑性変形の発生熱量は鋳型の方向に向かって放熱することで、このような変形体の中央部の温度が変形体の表面温度より高い温度の格差を形成しているので、本発明でそれを正方向の温度場と定義し、本発明では、ちょうど正方向の温度場に反対し、変形体に表面が中央部の温度より高い格差を実現することから、従来の塑性加工のプロセスにおける正方向の温度場とちょうど反対したので、本発明では“逆方向温度場の塑性加工”だと定義される。逆方向温度場の圧延技術は逆方向温度場の塑性加工中の逆方向温度場塑性加工方法の1つである。]
[0030] 逆方向の温度塑性加工という新技術方法は、技術原理から従来の塑性加工での正方向温度場の過程に対して提案されることから、逆方向温度場は従来の正方向の温度場に対する裏切りだ。人為的に変えた従来の塑性加工の温度場では、熱間圧延の塑性加工であっても、冷間圧延の可塑性加工であっても、全ての方法に基づく変形中の変形体の温度場の規則が確立されており、鋳型の方向に放熱、熱伝導を行う過程だと言える。そのため、逆方向の温度塑性加工での変形過程は、皆変形体の表面から変形体の内部に熱伝導を行う過程であり、本発明はマグネシウムとマグネシウム合金に対し提案されるものの、原理からすべての金属材料塑性加工の過程に適用して、技術理論の面から普遍の意義を有している。そのため本発明のマグネシウムとマグネシウム合金の逆方向温度場圧延プロセス方法は、堅固な技術理論の基礎を持っている。]
[0031] 技術上から、本方法がマグネシウムとマグネシウム合金の塑性加工に対応することで、マグネシウムとマグネシウム合金板材の圧延作業が最も困難なため、この課題を徹底的に解決するため、本発明はマグネシウムとマグネシウム合金板材に対する圧延プロセス方法に対応して提出される。]
[0032] 〔発明を実施するための形態〕
〔実施例〕
〔実施例１〕
可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作る為の圧延プロセス方法である。加熱鋼板圧延機の圧延ローラーは逆方向温度場外で圧延して、本書に言う加熱より、圧延ローラーの温度と非圧延板材の初期温度場とは該当すること。]
[0033] 本書に言う逆方向温度場は圧延開始時点における半製品の初期温度場、被圧延板材の圧延開始時点における半製品の表面温度が半製品の中央部より高い温度を指し、圧延変形過程において、熱量が外部から内部へ伝えることである。]
[0034] 〔実施例２〕
実施例I の圧延方法のうち、半製品表面温度が450〜250 ℃ ，中央部の温度が20〜150 ℃ を範囲にし、毎回の下向け圧延量が相対値の20％〜70 ％、圧延スピードが5〜10メートル／分を範囲にすることである。]
[0035] 〔実施例３〕
実施例1 の圧延方法のうち、半製品の表面温度が450 ℃ ，中央部の温度が100 ℃。]
[0036] 〔実施例４〕
本書に言う可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作る為の圧延プロセス方法では、もとの半製品を構成部分にするインゴットに対する何回目もの圧延を行う時、第1 〜２回目下向け圧延量は、相対変形量の20 〜30 % ，第3 〜6 回目は30〜40 % ， 第6 〜10 回目は40〜50% ，第10 回目以上は50〜60％であることである。]
[0037] 〔実施例５〕
上記の実施例1 、2 、3 に言う可塑性の高いマグネシウムとマグネシウム合金板圧延方法のうち、もとの半製品を構成部分にするインゴットに対する何回目もの圧延を行う時、第1 〜２回目下向け圧延量は、相対変形量の20 〜30 % ，第3 〜5 回目は30〜40 % 。その後、圧延作業を行うとき、最終の板材の厚さに基づいて、毎回の下向け圧延量は、相対変形量の30 〜60 %の選択が可能である。]
[0038] 〔実施例６〕
1 、原材料：厚さ100mm の偏平インゴットを採用。幅は鋼板圧延機のローラーの長さによって決定し、本実施例では、幅は400mm ，長さは600mm とする。]
[0039] 合金はAZ31マグネシウム合金（成分は米国の規格に準拠する）。]
[0040] 2 、原材料のインゴットに対する加熱：加熱インゴット表面と作業開始時点における表面と中央部の温度は400 ℃ 〜20 ℃程度
3 、圧延スピード：5〜10m/min 。]
[0041] 4 、潤滑剤：ケイ素油、植物油の吹付け塗装ベースの圧延ローラーおよび半製品の表面を採用する。]
[0042] 5 、毎回の下向け圧延量及び圧延回数合計：
毎回の下向け圧延量を相対変形量の30〜60％基準に制御し、厚さ100mmから1 mmに圧延、圧延作業の総回数は13〜14回。]
[0043] 6 、圧延後、縁の切断と頭部・トレーラー板への処理。]
[0044] 7 、材料の利用率：65〜66%。]
[0045] 8 、圧延後、厚さlmm薄板の力学性能：
板材の縦方向の性能：
屈服強度：l56Mpa ，抗張力26lMpa ，延長率26%。]
[0046] 板材の横方向の性能：
屈服強度：165MPa ，抗張力255MPa ，延長率24%。]
[0047] 〔実施例７〕
1 、原材料：zK61マグネシウム合金（成分は米国の規格に準拠する）のインゴット。]
[0048] インゴットの寸法：厚さ20mm X400mm （幅）X400mm（長さ）。]
[0049] 2 、インゴットの半製品に対する加熱：加熱のインゴットの表面、作業開始時点における表面と中央部の温度は400 ℃ 〜20 ℃程度450 ℃ 〜100 ℃。]
[0050] 3 、圧延スピード：5 〜10m / min 。]
[0051] 4 、潤滑剤；ケイ素油、植物油の吹付け塗装ベースの圧延ローラーおよび半製品の表面を採用する。]
[0052] 5 、毎回の下向け圧延量及び圧延回数合計：
厚さ20mmのインゴットを厚さ0.5mm〜0.4mm に圧延；
第1回目の下向け圧延量は20% .
第２回目の下向け圧延量は30% ;
第３〜６回目の下向け圧延量は40% ;
第７〜８ 回目の下向け圧延量は50% ;
総回数は8回。]
[0053] 6 、圧延後、縁の切断と頭部・トレーラー板への処理。]
[0054] 7 、材料の利用率：65〜66%。]
[0055] 8 、圧延後、厚さ１mm薄板の力学性能：
板材の縦方向の性能：
屈服強度：２３０Mpa ，抗張力３４０Mpa ，延長率３４%。]
[0056] 板材の横方向の性能：
屈服強度：２５０MPa ，抗張力３３６MPa ，延長率２８ % .
本発明の実施例１と実施例２におけるコア技術仕様は半製品の初期逆方向温度場コントロールと毎回の下向け圧延量のコントロールである。]
[0057] 逆方向温度場コントロールは半製品の表面と中央部の温度の差、即ち温度の格差をさす。これは、初期圧延時の温度場、即ち初期温度場を制御するさえ結構である。圧延変形の過程において、熱伝導と可塑性変形に生じる熱エネルギーを受け、板材の表面と中央部の温度を次第に一致させるため。そのため、温度場は変化しているので、薄板の瞬間温度の変形は温度の格差をなくして、厚板に対し、温度の一致を達成するには、時間がかかる。実施例では、一種の実施方式のパラメーターだけが提案されており、実は、板厚に応じて、毎回の下向け圧延量及び合金成分によって、初期逆方向温度場の温度の格差を調整することができる。たとえば、温度の格差範囲：半製品の表面温度は250 ℃〜450 ℃ を範囲に調整が可能で、中央部の温度が20℃ 〜150 ℃を範囲に調整が可能である。]
[0058] 毎回の下向け圧延量の選択に際して、インゴットの合金成分とインゴット構成に応じて決定するものとする。普通の場合、圧延初期における下向け圧延量は少し小さく設定が可能で、回数の増加に伴い、下向け圧延量の追加を次第に行えることから、下向け圧延量を20〜70％範囲に選ぶことができる。]

权利要求:

請求項1
可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作る為の圧延プロセス方法である。加熱鋼板圧延機の圧延ローラーは逆方向温度場外で圧延して、本書に言う加熱より、圧延ローラーの温度と非圧延板材の初期温度場とは該当することを特徴とする。
請求項2
特許請求項１に述べたように、可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作る為の圧延プロセス方法では、本書に言う逆方向温度場は圧延開始時点における半製品の初期温度場、被圧延板材の圧延開始時点における半製品の表面温度が半製品の中央部より高い温度を指し、圧延変形過程において、熱量が外部から内部へ伝えることを特徴とする。
請求項3
特許請求項１や２に述べたように、本書に言う可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作る為の圧延プロセス方法では、本書に言う圧延過程において、半製品表面温度が450〜250 ℃ ，中央部の温度が20〜150 ℃ を範囲にし、毎回の下向け圧延量が相対値の20％〜70 ％、圧延スピードが5〜10メートル／分を範囲にすることを特徴とする。
請求項4
特許請求項１や２に述べたように、本書に言う可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作る為の圧延プロセス方法では、本書に言う圧延過程において、半製品の表面温度が450 ℃ 、400 ℃ 、300 ℃にあり、中央部の温度が室温にあることを特徴とする。
請求項5
特許請求項１や２に述べたように、本書に言う可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作る為の圧延プロセス方法では、本書に言う圧延過程において、半製品の表面温度も450℃を選ぶことが可能で，中央部の温度が100 ℃であることを特徴とする。
請求項6
特許請求項３や４に述べたように、本書に言う可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作る為の圧延プロセス方法では、もとの半製品を構成部分にするインゴットに対する何回目もの圧延を行う時、第1 〜２回目下向け圧延量は、相対変形量の20 〜30 % ，第3 〜6 回目は30〜40 % ， 第6 〜10 回目は40〜50% ，第10 回目以上は50〜60％であることを特徴とする。
請求項7
特許請求項３、４や５に述べたように 本書に言う可塑性の高いマグネシウム合金板材の逆方向温度場を作る為の圧延プロセス方法では、もとの半製品を構成部分にするインゴットに対する何回目もの圧延を行うとき、第1 〜2 回目下向け圧延量は、相対変形量の20 〜30 % ，第3 〜5 回目は30〜40 % ，それ以後圧延する時、最終板材の厚さによって、毎回の下向け圧延量が相対変形量の30〜60 ％を範囲にすることを特徴とする。