8月21日,“2021年新能源汽車材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新峰會”在山東淄博順利召開,峰會主題為“創(chuàng)新材 賦齊能”,本次活動由“新材料名都”淄博攜手國創(chuàng)中心、國創(chuàng)(淄博)中心共同舉辦。峰會上,來自全國的知名專家學(xué)者、企業(yè)家齊聚首,共議國內(nèi)外新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的良策,分享先進(jìn)材料技術(shù)研發(fā)進(jìn)展和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的經(jīng)驗。哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士楊建雷受邀以“復(fù)雜斷面鎂型材梯度溫控變路徑鍛擠技術(shù)”為題進(jìn)行了專題匯報。
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士楊建雷)
以下為報告實錄,在不改變原意的情況下有所調(diào)整:
各位同仁,各位專家大家好。
今天我匯報的題目是復(fù)雜斷面鎂型材梯度溫控變路徑鍛擠技術(shù)。本次報告分為下面幾個部分,第一部分叫做技術(shù)的研發(fā)背景。眾所周知,輕量化在國家軍民各領(lǐng)域存在著廣泛而迫切的需求,例如在航空航天領(lǐng)域,當(dāng)飛行器的飛行速度達(dá)到3.5Ma時,全彈重量每減去2%,其射程可以增加10%,戰(zhàn)斗部的毀傷可以增加15%。例如在汽車領(lǐng)域,當(dāng)汽車的重量減輕10%,其油耗可以降低6%～8%,燃油的效率可以提高5.5%,制動距離可以減少5%,轉(zhuǎn)向力可以減少6%,因此輕量化屬于其核心訴求,我們可以通過選擇輕質(zhì)的材料,或者是輕體的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。
這其中鎂合金就是目前工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,其密度約為1.8g/cm3。相比較于鋁合金,鎂合金密度僅為其2/3。除了其較低的密度以外,還有較高的比強度、比鋼度、較好的阻尼減震效果、良好的導(dǎo)熱性以及電磁頻率性。因此鎂合金具有結(jié)構(gòu)減重、結(jié)構(gòu)承載以及功能結(jié)構(gòu)一體化的優(yōu)勢,尤其是變形鎂合金經(jīng)過塑性加工以后,其表現(xiàn)為綜合性能更加優(yōu)異與多樣化,比如其組織穩(wěn)定性更好,成品率更高,強韌性更高,動載服役性更加可靠。其板材、型材、線材和管材及制造具有技術(shù)優(yōu)勢,鑄造工藝無法代替,那么說高性能的鎂合金材料以及輕體結(jié)構(gòu)制造技術(shù),可以使零部件的減重達(dá)到20%～60%。因此如何發(fā)揮鎂合金的輕質(zhì)特性是目前鎂合金研究的一個熱點。
另外鎂合金具有良好的資源優(yōu)勢,例如世界儲量鎂合金大約有180億噸,其中國的儲量就在100億噸以上,占世界儲量的80%。相較于鋁合金世界儲量約為280億噸,中國的鋁土礦大概在42.3億噸,其進(jìn)口依賴度在60%以上。另外鎂合金具有廣闊的市場需求,例如在航空航天領(lǐng)域,航空用鎂合金的市場容量大約在8～10萬噸,約合200億元/年。在汽車行業(yè),根據(jù)節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖,到2030年,單車用鎂量要達(dá)到45千克,預(yù)計鎂加工材市場可以達(dá)到700億元/年。在軌道交通領(lǐng)域,輕量化需求潛力巨大,車身用鎂整體將減重13%以上,節(jié)能可以達(dá)到8%。
但是目前鎂合金的產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小,例如目前鎂合金的產(chǎn)量約在100萬噸/年,其中合金的產(chǎn)量約為35萬噸/年,其中變形加工材約為5萬噸/年,它主要應(yīng)用在非關(guān)鍵承力或者次承力構(gòu)件上。相對于鋁合金來講,其產(chǎn)量約3600萬噸/年,變形加工材就會達(dá)到3000萬噸/年,約占整個核心產(chǎn)量的85%,應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,可以用在所有的領(lǐng)域。
因此現(xiàn)在鎂合金的產(chǎn)業(yè)存在于它的儲量大,需求比較旺盛,但是其產(chǎn)業(yè)規(guī)模小,應(yīng)用領(lǐng)域受限,這主要是因為鎂合金在塑性加工或者塑性成形過程中,存在幾個關(guān)鍵性的問題,沒有得到解決。
主要是由于鎂合金本身的低對稱性的密排六方晶體結(jié)構(gòu),其變形主要是以基面滑移為主;獨立的滑移系較少,應(yīng)變協(xié)調(diào)困難;第三是孿生容易開動且表現(xiàn)出極性。那么帶來的問題是為了增加其獨立滑移系,以改善其塑性,就需要提高我們塑性加工的一個溫度,塑性加工的溫度的提高且分布不均,中間加熱工序就會比較繁瑣,就會帶來較高的加工成本。另外高溫就會引發(fā)微觀組織粗化且累積變形下形成強基面結(jié)構(gòu)。這將導(dǎo)致鎂加工材拉伸塑性及二次成形性較差,輕體構(gòu)件深加工困難。帶來的第三個問題就是由于密排六方結(jié)構(gòu)和強基面結(jié)構(gòu)影響下,孿生就容易開動,可以使鎂材的構(gòu)件承載的各向異性嚴(yán)重和動/靜載的服役性嚴(yán)重不足。另外一個問題就是微合金化鎂合金的第二相偏聚嚴(yán)重且高溫容易粗化,從而帶來鎂合金變形加工時脆性大,易開裂且鎂材的強韌性不足,價格比較昂貴。
基于以上關(guān)鍵瓶頸問題,本課題組實現(xiàn)了幾個關(guān)鍵技術(shù)的突破。第一個就是我們采用了新型梯度溫控加熱技術(shù),它主要是針對傳統(tǒng)的塑性成形能力差,成形溫度高且分布不均,鎂材的經(jīng)濟優(yōu)勢不明顯。通過新型梯度溫控加熱技術(shù)可以實現(xiàn)一個低成本的成形。它主要是在于研發(fā)的新型的梯度溫控與高精智能預(yù)測系統(tǒng),大幅提升工藝塑性和擠壓變形區(qū)控溫精度。
例如傳統(tǒng)的鎂合金由于其較高的導(dǎo)熱系數(shù),在成形之前表層的溫度相較于心部溫度較低,在變形過程中容易開裂。
而在本技術(shù)過程中,我們可以實現(xiàn)表層的溫度較高,心部的溫度較低,從而可以提高表層的工藝塑性。下表我們對比了2mm厚的鎂合金板材制備,采用梯度溫控和傳統(tǒng)的工藝生產(chǎn)的一個對比周期,通過表中可以看到,我們可以達(dá)到降低坯料加熱需求,可以簡化加熱工序,縮短生產(chǎn)周期,那么2mm板的制備采用新型梯度溫控加熱技術(shù),我們可以實現(xiàn)2～3個小時的一個測驗周期,而傳統(tǒng)的測驗技術(shù)則需要7-12.5小時。
第二個就是針對塑性加工過程溫度高,加工材經(jīng)濟優(yōu)勢不明顯,基于我們的梯度溫控的專利技術(shù),完善了逆向溫控的工裝,優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu)設(shè)計,研發(fā)形成了鎂合金變形加工材冷溫強塑變擠壓技術(shù),其工業(yè)化的意義在于突破了較低溫度下難以塑變的一個行業(yè)禁區(qū),使我們的塑性加工流程短,能耗低,可以實現(xiàn)高效低成本的目標(biāo)。
該技術(shù)的指標(biāo)可以達(dá)到其坯料的塑變溫度較常規(guī)的塑變溫度可以低于100～250℃,那么常規(guī)一般都是在400℃以上,采用梯度溫控擠壓技術(shù),我們可以實現(xiàn)100～250℃的一個擠壓,可以實現(xiàn)鍛/擠/軋無中間加熱,生產(chǎn)效率可以提高200%,能耗可以降低30%,性能可以獲得較大的提高。
基于梯度溫控工裝,我們可以通過削弱摩擦的不利影響,提高我們的工藝塑性,來控制實現(xiàn)鎂合金棒材冷溫大擠壓比成形,充分的細(xì)化組織,大幅提高輕體構(gòu)件用鎂合金的性能,以及質(zhì)量穩(wěn)定性。
例如下圖中,以采用AZ31B鎂合金為例,可以看到鑄態(tài)的、常規(guī)擠壓,以及采用新型梯度溫控擠壓所獲得的鎂合金的組織形態(tài)。
可以看到鑄坯的晶粒尺寸可以在500um以上,常規(guī)擠壓一般都會在100um左右。通過新型梯度溫控擠壓,可以實現(xiàn)大幅度的晶粒細(xì)化,例如采用10℃擠壓,晶粒尺寸可以達(dá)到1.4um,其屈服強度可以增加到305MPa,抗拉強度可以提高到405MPa,延伸率可以達(dá)到16%。在常溫下進(jìn)行擠壓,延伸率可以達(dá)到23%。而國標(biāo)的條件下,其屈服強度為140MPa,抗拉強度為220MPa,延伸率為7%。
因此相較于國標(biāo),AZ31B的強度提升50%～100%,塑性可以提高100%以上,要高于5083鋁合金,相當(dāng)于6061鋁合金。
另外基于模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計及處理,拓展研發(fā)了多項微晶鎂合金加工材冷溫強塑變擠壓成形技術(shù),建設(shè)了相關(guān)的產(chǎn)線,然后開發(fā)了系列產(chǎn)品,提高了經(jīng)濟效益,拓展了應(yīng)用的領(lǐng)域。例如高精度大截面的鎂合金薄壁的管材型材擠壓,通過溫控加模具材料的設(shè)計以及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計,解決了型材的缺損、起皺、龜裂的問題,提高了管型材的質(zhì)量以及生產(chǎn)效率。本技術(shù)實施了以通訊桿、電動踏板車以及折疊擔(dān)架為代表的示范性的應(yīng)用。
另外基于冷溫塑性加工,實現(xiàn)了組織細(xì)化,匹配擠壓、軋制及鐓粗工藝來構(gòu)建基面織構(gòu)調(diào)控工藝,形成了組織性能的預(yù)測的基礎(chǔ)模型;為面向終端產(chǎn)品逆向設(shè)計的鎂合金變形加工材的塑性加工工藝設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支撐。
其次基于擠壓/軋制復(fù)合實現(xiàn)板材織構(gòu)弱化控制,形成了適于沖壓成形的板材低溫擠壓軋制技術(shù),突破了傳統(tǒng)單純來追求晶粒細(xì)化的塑性改善設(shè)計模式,現(xiàn)在該技術(shù)具有很好的普適性,例如通過變路徑的這種板材的軋制擠壓,其對商用ZK61鎂合金板材的室溫延伸率可以穩(wěn)定在30%以上,最高可以達(dá)到46%,而國標(biāo)僅為12%。
另外通過該技術(shù)可以提高板材的成形性,其室溫的成形性要遠(yuǎn)高于市面上的板材,與6061鋁板相當(dāng),例如右下角是對鎂和鋁板材塑性成型的對比,比如延伸率,該技術(shù)的延伸率可以達(dá)到30%～45%,市面上是小于20%,國標(biāo)的要求是8%～12%。另外室溫成形的一個重要的指標(biāo)叫做杯突值和相對彎曲半徑,該技術(shù)的杯突值可以達(dá)到8～9,市場上的杯突值基本上都是小于5,而相對彎曲半徑r/t≤1.0,提升幅度都在100%～200%以上。
另外基于孿生抑制實施形成了適于復(fù)雜載荷服役的鎂合金型材的復(fù)合擠壓技術(shù),解決了傳統(tǒng)的變形鎂合金構(gòu)件各向異性大,復(fù)雜載荷承載能力差等安全隱患,提高了使役性能,利于擴展其在結(jié)構(gòu)、承載上的應(yīng)用。
例如下圖可以明顯的看到,常規(guī)的擠壓其抗拉起步強度和抗壓起步強度存在很大的差異,比如抗壓屈服強度在200MPa左右,而該技術(shù)的抗拉屈服強度在312MPa,就是說通過這種復(fù)荷擠壓技術(shù),其抗壓強度和抗拉強度基本上保持一致,而常規(guī)工藝,抗壓強度和抗壓強度的比值僅為0.5～0.7,其各向異性較大,這說明其抗壓能力不足。現(xiàn)工藝可以實現(xiàn)抗壓強度和抗拉強度的比值等于一,且表現(xiàn)出高強的特征。
基于微觀組織調(diào)控,研發(fā)的承載用高性能鎂合金管型材冷溫強塑變擠壓技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了在新能源客車型材、輪椅管材上的應(yīng)用,其強韌性較現(xiàn)有的水平提高了20%以上。
例如可以做到最大直徑186mm的管材,以及鎂合金用的車身的型材,以及鎂合金的防撞梁,以及鎂合醫(yī)用的輪椅,都可以獲得很好的應(yīng)用,這些產(chǎn)品特點在于,第一,其性能指標(biāo)要比國標(biāo)提高20%～50%,各向異性要小于10%,另外還有優(yōu)異的塑韌性,其塑韌性可以穩(wěn)定高于30%以上。
現(xiàn)有鎂合金管型材規(guī)格可以做到?100至?300毫米,壁厚在2-20毫米,預(yù)期可以實現(xiàn)外輪廓到?600～?800毫米,性能指標(biāo)可以通過該技術(shù)實現(xiàn),例如ZK61,我們的抗拉屈服強度可以達(dá)到262MPa,抗拉屈服強度還可以達(dá)到335MPa,延伸率可以達(dá)到21%,抗壓強度可以達(dá)到282MPa。較現(xiàn)有的國標(biāo),例如屈服強度,國標(biāo)要求的是245MPa,延伸率要求到6%,通過該工藝可以極大的改善變形加工材的各向異性。
以上是我的專題匯報,謝謝各位!
轉(zhuǎn)自：中國科創(chuàng)網(wǎng)
【版權(quán)及免責(zé)聲明】凡本網(wǎng)所屬版權(quán)作品，轉(zhuǎn)載時須獲得授權(quán)并注明來源“中國產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟信息網(wǎng)”，違者本網(wǎng)將保留追究其相關(guān)法律責(zé)任的權(quán)力。凡轉(zhuǎn)載文章及企業(yè)宣傳資訊，僅代表作者個人觀點，不代表本網(wǎng)觀點和立場。版權(quán)事宜請聯(lián)系：010-65363056。
延伸閱讀
政策協(xié)同發(fā)力 做好“十四五”時期就業(yè)工作
