铝镁合金冷轧板带边紧边裂问题探讨①

徐利璞 苏明 魏志毅 甄永富

（1：中国重型机械研究院股份公司 陕西 西安 710032；2：燕山大学机械工程学院 河北 秦皇岛 066004）

1 前言

当前生态环境问题日益突出，资源节约和环境友好成为世界各国日益重视的问题。由于温室气体排放及雾霾问题，世界各国政府均要求汽车制造商降碳降耗，减少环境污染。目前新能源技术尚未十分成熟，减少能耗、提高燃油经济性是汽车轻量化的重要途径［1，2］。同时，高强钢已发展到了较高水平可减重量有限，铝合金、镁合金以及高分子聚合物等轻质材料的研发和应用备受关注。铝合金具有比强度高、成形性好、耐腐蚀性能优良、可回收利用等特点，其板带轧制工艺成熟，成为备受青睐的汽车轻量化材料［3，4］。在欧美市场，5系和6系铝合金板材已广泛应用于发动机罩、行李箱盖、车门等汽车覆盖件，国外汽车制造商甚至推出了全铝车身的高档汽车［5，6］。中国是世界第一大铝材生产国和消费国，良好的市场前景引得众多铝企纷纷布局铝合金汽车板市场，如中国忠旺、南山铝业等［7］。部分钢铁汽车板生产企业也开始进军铝板带加工行业，如宝武集团收购同人铝业建成宝武铝业科技有限公司。还有汽车公司收购铝厂为全铝汽车做准备，如吉利收购宁波巨科铝业。在车用其他材料方面，镁合金是实际应用中质量最轻的金属材料，其密度约为铁的1／4，铝的2／3。同时，镁合金具有比强度和比刚度高、弹性模量大、生物相容性好、导热导电性好、电磁屏蔽能力强和阻尼减震性能好等优点，是汽车和飞机制造的理想材料［8］。汽车板巨头浦项对镁板轧制技术提前布局，于2007年投资建成了一条可轧600mm宽镁板的中试生产线。可见，以铝代钢、以镁代钢是汽车轻量化的一大趋势。

2 现象及原因分析

2.1 铝合金板带冷轧边紧现象

无论碳钢还是铝镁合金板带，冷轧采用的主流机型均为三菱日立的HC轧机或西马克的CVC轧机。碳钢单机架冷轧采用乳化液作为工艺润滑介质，单轧程或多轧程多道次可逆轧制。铝合金带材轧制通常采用挥发性好、易清除、无腐蚀性且具有较大油膜强度的轧制油作为润滑和冷却介质，多为不可逆群轧生产方式［9］。另外碳钢生产线普遍设计轧制速度最高1200m／min，而高端铝合金生产线速度可达1800m／min，这些都会造成铝合金带材轧制时发热严重。同时由于铝带中间与边缘散热速度不同，边部温度低于中部，造成带材边部变形抗力比中部高。另外对于轧辊来说，与带材边缘接触的工作辊区域其散热比辊身中部快，该区域热凸度比辊身中部小，存在一个明显的热凸度梯度降［10］。因此铝带边缘在该区域延伸较少（带钢冷轧过程中主要出现边缘降现象），轧制过程中受到相邻区域的拉应力造成“紧边”现象，容易使带材边缘产生裂纹。另外由于其工艺润滑介质闪点低（煤油基轧制油的闪点约为105℃），这种“边紧肋松”的板形一旦造成断带，必然引起轧机起火。

2.2 镁合金板带冷轧边裂现象

我国是镁资源大国，但由于变形镁合金室温塑性变形能力差，镁合金板带冷轧加工工艺技术还不够成熟，目前多以压铸方式进行生产，造成产能不足，产品性能不高，严重制约其推广应用。镁合金板带轧制时边裂现象严重，边裂成为抑制镁合金带材应用的关键问题。为了提高镁合金板带轧制生产率，近年来越来越多的研究者利用各种技术方法及仿真手段研究镁合金边裂现象。有学者认为大量边部裂纹是板材边部不均匀变形引起的应力集中达到理论断裂强度导致的。有文献表明裂纹可能是由边部晶粒粗大、损伤严重导致的，且发现在裂纹尖端塑性区的再结晶现象，导致沿着裂纹尖端生成了含有非常细小晶粒的晶粒带［11］。还有学者通过数值模拟研究了损伤因子、应力场、应变场对AZ31镁合金板材边部裂纹的影响以及轧制时边部的受力情况，认为宽厚比的增加增大了边部轧制应力峰值，边部损伤因子逐渐增加，提高了边部开裂的几率。本课题组联合燕山大学对镁合金边裂问题开展研究，并在燕山大学轧制工程中心的中试轧机上进行了实验。对MnE21镁合金薄板在不同温度、不同速度、不同道次压下率条件下进行轧制实验，并对轧前轧后的薄板试样进行力学性能分析。试验发现，镁合金多道次轧制累积变形量不宜超过50%，且终轧道次压下率不易过大，否则会发生边裂现象甚至裂纹扩展到带材宽度全幅面；镁合金板材适宜在250℃以上进行温态轧制，难以在室温冷态轧制；轧后的镁合金板材会出现明显的各向异性，并且横向强度与塑性明显优于纵向［12］。实验结果为镁合金薄板轧制工艺优化提供了参考依据。

3 解决方案

3.1 铝合金冷轧边紧问题的解决

传统铝轧机通常采用降速或在轧机出口设置圆盘剪在线切边的方式处理边紧问题，十分影响成材率和生产效率。现代进口高速冷轧机一般釆用热油喷淋对工作辊边部进行加热，调整与带材边部接触部分辊身的凸度进而调整板形，能够有效抑制边紧、减少裂边断带事故［13］。热油轧辊边部加热系统原理如图1所示，热油箱的介质来自于工艺润滑系统供应的轧制油，通过液位控制器实时检测液位情况，当液位过高时可溢流回工艺润滑油箱。轧制油经过一次加热器预热后进入热油箱，使其达到一定初始温度。二次加热器安装于油泵吸油口。温度传感器在线检测热油箱和管路中轧制油的温度，并根据检测值实时调整加热功率以实现轧制油喷淋温度的恒定。该系统存在较为明显的缺点，热油喷淋到轧辊后与工艺润滑系统喷射出的轧制油混合，温度快速降低并再次循环到热油箱内，能量消耗非常大，且热油改变轧辊凸度较慢，存在较大滞后性。

图1 热油轧辊边部加热系统原理图

具有热油喷淋功能的工艺润滑喷射梁布置如图2所示，上中间辊与支撑辊冷却喷淋梁为D梁，A梁主要负责辊缝润滑，B梁负责工作辊分段冷却，C梁即为热油喷淋梁。D梁为单独一根，A、B、C梁一体化整体设计，上下两根布置。热油喷淋系统采用和工艺润滑系统一样的介质，主要由加热站和C喷射梁组成，C梁布置在工作辊入口侧，上下各有一排喷嘴，安装在精细冷却喷射梁B的外侧。喷嘴根据铝带宽度范围对称设计在横梁的两侧，其开闭根据轧制带材宽度进行控制。系统利用90℃～100℃左右的热油进行工作辊局部喷淋，以增加辊身在此区域的热凸度，使带材边缘延伸增加，减少带材边缘的拉应力，降低断带率，保证了高速、大张力状态下的稳定轧制。这套系统能够在轧制过程中实时根据带材宽度，对与带材边缘接触的工作辊身区域进行热油喷射，有效降低带材在高速轧制过程中的断带率，防范断带起火的危险。

图2 具有热油边部喷淋的喷射梁总体布置

近年随着轧辊感应加热技术的成熟，电磁感应轧辊边部加热系统开始应用于铝带冷轧生产中，其原理如图3所示。由于轧辊磨损、带材性能不均以及摩擦、润滑、热变形等瞬时效应相互影响叠加形成非常复杂的板形，而且这种复杂板形会在整个生产过程中不断变化。在倾辊、弯辊和窜辊的基础上，分区控制的工艺润滑喷淋系统配合工作辊边部感应加热可精确喷淋辊身需要冷却的位置并快速加热轧辊边部，或直接对起筋／起翘的部位加热／冷却，高效纠正板形偏差。

图3 电磁感应轧辊边部加热系统原理图

目前现场应用的感应边部加热控制装置一般包含两个水冷感应加热器，系统配备安装支架，两个感应器布置在工作辊的两端，由两个12kW 的变频电源模块分别进行控制，变频电源模块位于电气控制柜内。感应加热器的功率从0至12kW单独可调，有效加热宽度为30mm。如图4所示，感应加热器由油缸摆动控制与轧辊之间的距离，由马达和丝杠对称横移调整沿辊身位置，保证随带材宽度变化自动寻边。相对于热油边部加热系统，该电磁感应边部加热系统控制精度高、加热时间短、大量节约能耗，但其存在加热温度过快过高易引起轧机内油雾起火或轧辊过热爆辊的风险。总体来说只要做好安全控制及连锁，感应边部加热控制技术能够更有效解决铝合金轧制的边紧问题。

图4 电磁感应轧辊边部加热执行机构

3.2 镁合金轧制边裂问题的解决

尽管镁合金板带轧制工艺还不成熟，但鉴于轧制生产工艺可以细化镁合金板材的组织，提高其力学性能，且具有连续化批量生产的优势，攻克镁合金板带轧制技术难题一直是广大科技工作者的目标。当前对于镁合金板带冷轧而言，宽幅面、大卷重生产还存在大量未解决的工艺生产难题，边裂问题十分突出［14］。针对镁合金板材轧制过程中出现的边裂问題，近几年学者们釆用在线加热、包覆轧制、衬板轧制、异步轧制、预制凸度、模型预测等方法对镁合金板材轧制成形进行了研究，并取得了积极的效果［15］。考虑到镁合金塑性较差，室温下直接轧制易开裂，难以进行冷变形，现阶段通常采用温轧，且配备了接触辊在线加热、带材在线加热、水基石墨润滑、带材边部喷覆粘接剂、大直径隔热卷筒卷取等一系列生产工艺技术。目前，温轧比较成功的是蒂森克虏勃镁合金事业部和弗莱贝尔格工业大学金属成型研究所共同研制的轧制生产线。该生产线采用可逆温轧机生产厚度低于1mm的镁卷。镁卷首先在电炉里加热至400℃左右取出装入开卷机进行可逆温轧，在入口侧对带材边部喷涂特殊制剂，其终轧温度不低于250℃，生产镁板带幅宽达650mm，厚度可达0.5～1.5mm，整体板形良好，边部形状得到有效控制。国内宽幅镁板带生产工艺较为落后，除几条由带钢轧机改造的低端机组不稳定生产裂纹较严重的镁卷外，缺乏工艺成熟、技术手段完善、配置高端的专业化镁板带工业轧制生产线。

图5 镁合金中试轧机

4 结论

以铝代钢、以镁代铝是汽车轻量化的一大趋势，其板带产品生产过程中的边紧边裂问题亟需解决。本文分析了铝镁合金边紧边裂现象，给出了出现问题的原因。针对铝合金板带边紧问题，采用热油边部加热或电磁感应边部加热技术可以得到较为满意的解决，但热油边部加热系统的能耗问题、电磁感应加热的过热保护问题仍需进一步优化。针对镁合金板带轧制，边裂问题未得到有效解决，温轧及在线加热技术能够生产部分规格的成卷带材，目前仍有大量工艺技术问题尚待攻克。