本發(fā)明屬于有色金屬加工領(lǐng)域，具體涉及一種鎂合金板坯超聲鑄軋方法。

背景技術(shù)：
鎂合金具有密度輕、比強(qiáng)度和比剛度高、電磁屏蔽和阻尼性能好等優(yōu)點，在軍事與民用領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前景，高性能鎂合金板材日益受到制造領(lǐng)域的重視。然而，鎂合金為密排六方晶體結(jié)構(gòu)，其對稱性低，室溫下可啟動的滑移系少，變形加工困難，傳統(tǒng)鎂合金板材制備工藝較復(fù)雜，加工成本居高不下。雙輥鑄軋技術(shù)具有短流程、低能耗和高效率的優(yōu)勢，可顯著降低鎂合金板材加工成本，在鎂合金板材加工領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。近年來，研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)鎂合金鑄軋過程中α-Mg枝晶在生長的同時向鄰近液相排出Al、Zn等溶質(zhì)元素，造成溶質(zhì)在枝晶間未凝固的液相中富集，在枝晶間形成初晶α-Mg和不規(guī)則的塊狀Mg17(Al，Zn)12相組成的離異共晶，鑄坯組織沿著傳熱方向形成發(fā)達(dá)胞狀晶。此外，熔體凝固過程中溶質(zhì)元素排擠至鑄坯中心部位，極易形成中心線偏析，不利于后續(xù)軋制。鎂合金鑄軋板坯存在的組織粗大和成分偏析等問題，必然會限制鎂合金鑄軋板坯后續(xù)加工性能。超聲外場對金屬凝固組織有顯著的有益影響，在鎂合金鑄軋過程中施加超聲外場，可利用聲空化和聲流效益，促進(jìn)形核細(xì)化晶粒，并改善溶質(zhì)分布均勻性，提高鎂合金鑄軋板坯組織與成分均勻性。目前鎂合金超聲鑄軋制備方法中，超聲施加位置多放置于前箱與鑄嘴熔體流經(jīng)位置，距離合金熔化液凝固前沿有還有一段距離，超聲波到達(dá)凝固前沿時，已經(jīng)大幅衰減，難以充分發(fā)揮超聲外場對鎂合金鑄軋板坯凝固組織改善的功效。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種鎂合金板坯超聲鑄軋方法，改變傳統(tǒng)超聲鑄軋中超聲探頭施加位置，將其直接施加在鑄軋區(qū)凝固前沿位置，有效利用超聲外場聲空化和聲流效益，顯著改善鎂合金鑄軋板坯組織結(jié)構(gòu)與成分分布，改善板坯冶金質(zhì)量，并提高成品鎂合金板材的力學(xué)性能。本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：鎂合金板坯超聲鑄軋方法，其包括如下步驟：合金熔煉、熔體輸送、鑄軋立板、超聲振動和板坯卷取，其特征在于：鑄軋過程中采用空心軋輥，將超聲探頭設(shè)置在軋輥內(nèi)，并且位于軋輥靠近熔體輸送側(cè)，以在熔體凝固前沿施加超聲外場。進(jìn)一步的，超聲探頭施加在軋輥內(nèi)壁，軋輥為環(huán)狀軋輥。進(jìn)一步的，超聲波發(fā)生裝置功率范圍在2-8kW，頻率25±0.5kHZ。進(jìn)一步的，超聲探頭數(shù)量根據(jù)軋輥直徑與鑄軋速度進(jìn)行匹配設(shè)置，超聲探頭數(shù)量范圍為2-6個，上下軋輥對稱設(shè)置。進(jìn)一步的，軋輥直徑范圍300-800mm，鑄軋速度范圍1-3m/min。進(jìn)一步的，在鑄軋時應(yīng)匹配鑄軋速度，隨時開啟進(jìn)入鑄軋區(qū)凝固前沿范圍內(nèi)的兩個超聲波探頭，輸入超聲波；在超聲探頭隨軋輥旋轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離鑄軋區(qū)凝固前沿范圍時，及時切除超聲波輸入。進(jìn)一步的，軋輥采用熱風(fēng)預(yù)熱與冷風(fēng)冷卻方式，將高壓氣體介質(zhì)直接噴吹在軋輥表面實現(xiàn)軋輥溫度控制。進(jìn)一步的，鑄軋板坯之前軋輥表面溫度預(yù)熱至150～300℃，鑄軋過程中軋輥表面溫度冷卻至250～350℃范圍內(nèi)。進(jìn)一步的，預(yù)熱氣體由火焰燃燒提供熱源，冷卻氣體采用高壓氬氣、氮氣或二氧化碳作為冷卻軋輥風(fēng)冷系統(tǒng)的氣源。進(jìn)一步的，該鑄軋方法能夠制備厚度3-8mm、寬度200-2000mm的鎂合金鑄坯。通過上述技術(shù)手段，本發(fā)明具有以下積極效果：(1)功率超聲施加位置在軋輥內(nèi)壁，聲流與聲空化效應(yīng)可直接作用于鑄軋凝固前沿，大大減少原有超聲鑄軋作用在前箱或鑄嘴位置而產(chǎn)生的聲波衰減；(2)本發(fā)明功率超聲施加方式，可根據(jù)工藝調(diào)整超聲探頭施加位置和施加數(shù)量，以匹配鎂合金鑄軋多種合金牌號和鑄坯規(guī)格變化需求；(3)超聲波探頭施加在鑄軋凝固前沿位置，可大幅減少超聲波傳播距離，充分發(fā)揮功率聲空化和聲流效益，達(dá)到細(xì)化晶粒、均勻成分分布的目的，提高鑄坯冶金質(zhì)量；(4)采用軋輥氣體預(yù)熱和冷卻系統(tǒng)，替代原軋輥預(yù)熱和冷卻裝置，可消除鑄軋過程中輥套破裂漏水而引起鎂合金熔體劇烈爆炸的隱患，提高工業(yè)生產(chǎn)安全性；此外風(fēng)冷裝置冷卻強(qiáng)度相對水冷系統(tǒng)更低，鎂合金的密度低、比熱容小且凝固潛熱小，鑄坯凝固需要的冷卻強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其它合金，風(fēng)冷系統(tǒng)的冷卻強(qiáng)度可與鎂合金材料熱物理性能良好匹配；(5)軋輥去掉軋輥輥芯裝置，可減少軋輥預(yù)熱時無效熱量散失，在預(yù)熱時可提高預(yù)熱效率、高精度控制軋輥預(yù)熱溫度；同時鑄軋軋輥重量顯著降低，能夠降低工業(yè)鑄軋過程中的無效功率消耗，節(jié)約成本。采用本發(fā)明的超聲鑄軋方法制備的鎂合金板坯成品率高，力學(xué)性能優(yōu)良，抗拉強(qiáng)度可到達(dá)260～280MPa，屈服強(qiáng)度200～220MPa，延伸率15～20％，平均晶粒尺寸10μm以下。附圖說明圖1是本發(fā)明超聲鑄軋過程的示意圖。圖2為超聲鑄軋機(jī)超聲探頭施加方式示意圖。圖3為軋輥預(yù)熱和冷卻系統(tǒng)示意圖。圖4為超聲波發(fā)生裝置與探頭布置方式的示意圖。其中：1-鎂合金熔液；2-軋輥；3-超聲波探頭；4-鑄軋板坯；5-軋輥預(yù)熱和冷卻系統(tǒng)；6-軋輥加強(qiáng)筋；7-預(yù)熱和冷卻氣體噴嘴；8-預(yù)熱通道閥門；9-冷卻通道閥門；10-鼓風(fēng)機(jī)；11-煤氣燃燒器；12-氮氣站；13-功率超聲發(fā)生裝置。具體實施方式下面對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。本發(fā)明的鎂合金板坯超聲鑄軋方法包括如下步驟：合金熔煉→熔體輸送→鑄軋立板→超聲波振動→鑄坯卷取，各工序的要求及參數(shù)范圍如下：(1)鎂合金熔體澆注溫度680～700℃；(2)軋輥預(yù)熱溫度為150～300℃；(3)超聲波發(fā)生裝置功率根據(jù)鑄坯寬度設(shè)置，對應(yīng)于輥面寬度200～2000mm的軋輥，超聲波功率2～8kW；功率超聲頻率為25±0.5kHZ；(4)上下軋輥超聲波施加探頭個數(shù)根據(jù)鑄軋速度設(shè)置，對應(yīng)于鑄軋速度1～3m/min范圍，超聲波振動頭沿軋輥圓周方向均勻分布；(5)上下軋輥中超聲波振動頭，在進(jìn)入鑄軋區(qū)凝固前沿時開始振動，在離開鑄軋區(qū)后，停止振動；不同位置振動頭施加振動與停止振動時刻，通過軋輥轉(zhuǎn)動編碼器進(jìn)行位置跟蹤，實時控制超聲振動頭的開啟與關(guān)閉；(6)鑄坯厚度3～8mm，卷取溫度為200～300℃。如圖1所示，本發(fā)明的鎂合金板坯超聲鑄軋方法，首先利用軋輥預(yù)熱和冷卻系統(tǒng)5中的軋輥預(yù)熱功能，對軋輥表面噴吹高溫氣體，將軋輥溫度預(yù)熱至合理范圍；然后，鎂合金熔液1由輸送裝置輸送到軋輥2左側(cè)，軋輥2在軋制過程中溫度會逐漸升高；高溫的軋輥對生產(chǎn)的鎂合金板坯的尺寸以及表明性能極為不利，因此將軋輥預(yù)熱和冷卻系統(tǒng)5切換至軋輥冷卻功能模塊，對軋輥2進(jìn)行冷卻，用高壓氣體直接噴吹在軋輥上，帶走軋輥2表面熱量。如圖2所示，軋輥厚度30mm，在輥環(huán)內(nèi)壁左右兩側(cè)和中心位置設(shè)置結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋。超聲波探頭3施加位置位于上下軋輥內(nèi)壁，對稱分布在鑄軋板坯寬度的1/4和3/4位置。軋輥2為環(huán)狀軋輥，超聲探頭施加在軋輥內(nèi)壁。超聲探頭數(shù)量可根據(jù)軋輥直徑大小與鑄軋速度設(shè)置。內(nèi)部中空的軋輥質(zhì)量減輕，能夠降低工業(yè)鑄軋過程中的功率消耗，同時能夠提高軋輥預(yù)熱效率。軋輥厚度范圍10mm---50mm，寬度范圍200mm----2000mm。如圖3所示，鑄軋之前，軋輥2的預(yù)熱采用煤氣燃燒產(chǎn)生高溫氣體，鼓風(fēng)噴吹至軋輥表面，將軋輥溫度預(yù)熱至150～300℃范圍；鑄軋過程中，軋輥2的冷卻采用高壓氮氣噴吹軋輥表面冷卻，氮氣氣源采用現(xiàn)場氮氣站制備，鑄軋過程中軋輥表面溫度冷卻至250～350℃。冷卻氣體還可以為高壓氬氣或高壓二氧化碳?xì)怏w。如圖4所示，功率超聲發(fā)生裝置13設(shè)置在軋輥2內(nèi)部，軋輥內(nèi)的各個超聲波探頭3與功率超聲發(fā)生裝置13電連接。超聲功率發(fā)生裝置13由電源、功率發(fā)生器和超聲探頭三個部分組成，超聲探頭施加位置在環(huán)狀軋輥內(nèi)壁，施加數(shù)量和位置，可以配合工藝進(jìn)行調(diào)整。超聲波探頭3根據(jù)軋輥直徑大小和鑄軋速度可以設(shè)置多個，優(yōu)選4到6個超聲波探頭。鑄軋時配合鑄軋速度，在鑄坯凝固前沿位置開啟探頭輸入超聲波，當(dāng)探頭位置旋轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離鑄軋區(qū)時，切斷該探頭超聲波輸入，根據(jù)軋輥速度對超聲波探頭3的開閉狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，從而確保超聲作用于鑄坯凝固前沿。上述手段僅是本發(fā)明的較好實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本技術(shù)方案的范圍內(nèi)。