Возможности асимметричной прокатки однослойных и слоистых материалов из алюминия и его сплавов

Асимметричная прокатка алюминиевых сплавов является одним из способов улучшения их механических и эксплуатационных характеристик. Кинематическая асимметрия при прокатке осуществляется при варьировании отношений скоростей рабочих валков (V₁ /V₂). Считается, что при V₁ /V₂ > 3 процесс асимметричной прокатки по механизму совмещения больших деформаций сжатия и сдвига приближен к процессам интенсивной пластической деформации. Выявлено, что большее количество исследований основано на данных, полученных при ограниченном диапазоне соотношения скоростей валков V₁ /V₂ < 2 при асимметричной прокатке. В статье рассмотрены эффекты, полученные при V₁ /V₂ = 1÷7,7. Реализация данного условия стала возможна благодаря уникальной научной установке – лабораторно-промышленному стану 400 асимметричной прокатки лаборатории «Механика градиентных наноматериалов им. А.П. Жиляева» МГТУ им. Г.И. Носова. Проведены эксперименты по асимметричной тонколистовой прокатке алюминиевых сплавов 2024, 5083 и 6061 и аккумулирующей прокатке с получением листовых слоистых алюминиевых композитов 5083/2024, 5083/1070 и 6061/5083. Выявлены недостатки асимметричной прокатки по сравнению с симметричной: наблюдалось разрушение образцов при единичных относительных обжатиях от 37 % для листовых слоистых алюминиевых композитов (5083/2024) и от 40 % – для тонколистовых алюминиевых сплавов (6061). Описаны нюансы подготовки материала к обработке, в том числе необходимость зачистки и обезжиривания поверхности сплавов перед соединением в композит. Подобраны температурные режимы прокатки, определившие холодную асимметричную тонколистовую прокатку (комнатная температура обработки) и теплую асимметричную аккумулирующую прокатку (температура нагрева заготовок в печи перед прокаткой 320–350 °C). Показаны снижение силы прокатки (минимально в 1,3 раза), возможность варьирования твердости (в том числе увеличения минимально на 30 %) и технологической пластичности при изменении отношений скоростей валков в пределах от 2 до 7,7. Предложены варианты сокращения технологических циклов обработки алюминиевых сплавов без снижения качества готовой продукции путем уменьшения количества прокаток и отжигов в стандартной схеме.

1. Youzhi Li, Yongfeng Shen, Sixin Zhao, Weina Zhang, Xue W.Y. Strengthening a medium-carbon low-alloy steel by nanosized grains: The role of asymmetrical rolling. Nanomaterials. 2023;13(5):956. https://doi.org/10.3390/nano13050956

2. Muñoz J.A., Avalos M., Schell N., Brokmeier H.G., Bolmaro R. Comparison of a low carbon steel processed by cold rolling (CR) and asymmetrical rolling (ASR): Heterogeneity in strain path, texture, microstructure and mechanical properties. Journal of Manufacturing Processes. 2021;64:557—575. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.02.017

3. Graça A., Vincze G., Wen W., Butuc M.C., Lopes A.B. Numerical study on asymmetrical rolled aluminum alloy sheets using the visco-plastic self-consistent (VPSC) method. Metals. 2022;12(6):979. https://doi.org/10.3390/met12060979

4. Tao Zhang, Lei Li, Shi-hong Lu, Jia-bin Zhang, Hai Gong. Comparisons of flow behavior characteristics and microstructure between asymmetrical shear rolling and symmetrical rolling by macro/micro coupling simulation. Journal of Computational Science. 2018;29: 142—152. https://doi.org/10.1016/j.jocs.2018.10.005

5. Guofu Xu, Xiaowu Cao, Tao Zhang, Yulu Duan, Xiaoyan Peng, Ying Deng, Zhimin Yin. Achieving high strain rate superplasticity of an Al—Mg—Sc—Zr alloy by a new asymmetrical rolling technology. Materials Science and Engineering: A. 2016;672:98—107. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.06.070

6. Ji Wang, Xianghua Liu, Xiangkun Sun. Study on asymmetrical cold rolling considered sticking friction. Journal of Materials Research and Technology. 2020;9(6):14131—14141. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.10.027

7. Amegadzie M.Y., Bishop D.P. Effect of asymmetric rolling on the microstructure and mechanical properties of wrought 6061 aluminum. Materials Today. 2020;25:101283. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.101283

8. Tao Zhang, Lei Li, Shi-Hong Lu, Hai Gong, Yun-Xin Wu. Comparisons of different models on dynamic recrystallization of plate during asymmetrical shear rolling. Materials. 2018;11(1):151. https://doi.org/10.3390/ma11010151

9. Cunqiang Ma, Longgang Hou, Jishan Zhang, Linzhong Zhuang. Influence of thickness reduction per pass on strain, microstructures and mechanical properties of 7050 Al alloy sheet processed by asymmetric rolling. Materials Science and Engineering: A. 2016;650(5): 454—468. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.10.059

10. Šlapáková M., Kihoulou B., Grydin O. Development of microstructure of asymmetrically rolled AA3003 aluminium sheets with Zr addition. Journal of Alloys and Metallurgical Systems. 2023;2:100012. https://doi.org/10.1016/j.jalmes.2023.100012

11. Muñoz J.A., Khelfa T., Duarte G.A., Avalos M., Bolmaro R., Cabrera J.M. Plastic behavior and microstructure heterogeneity of anAA6063-T6 aluminum alloy processed by symmetric and asymmetric rolling. Metals. 2022;12(10):1551. https://doi.org/10.3390/met12101551

12. Vincze G., Simões F., Butuc M.C. Asymmetrical rolling of aluminum alloys and steels: A review. Metals. 2020;10(9):1126. https://doi.org/10.3390/met10091126

13. Sułek B., Krawczyk J., Majewski M., Nawida N., Plewa K. Analysis of the influence of kinematic and frictionasymmetry on the curvature of the strip and forceparameters of the rolling process. Tribologia. 2023; 305(3):81—94. https://doi.org/10.5604/01.3001.0053.9439

14. Sai Wang, Xianlei Hu, Xiaogong Wang, Jingqi Chen, Xianghua Liu, Changsheng Li. Design and experiment of V-shaped variable thickness rolling for rolled profiled strips. Journal of Materials Research and Technology. 2021;15:4381—4396. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.10.067

15. Biryukova O.D., Pesin A.M., Pustovoytov D.O. Investigation of the influence of kinematic asymmetry on the properties of laminated materials. Materials Research Proceedings. 2023;32:287—293. https://doi.org/10.21741/9781644902615-33

16. Biryukova O., Pesin A., Pustovoitov D. Experience in obtaining laminated aluminum composites by asymmetric accumulative roll bonding. Letters on Materials. 2022;12(4):373—378. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2022-4-373-378

17. Pustovoytov D., Pesin A., Tandon P. Asymmetric (hot, warm, cold, cryo) rolling of light alloys: A review. Metals. 2021;11(6):956. https://doi.org/10.3390/met11060956

18. Biryukova O., Pesin A., Pustovoytov D., Kozhemiakina A., Nosov L. Obtaining laminated aluminum composites with a gradient structure based on asymmetric deformation. METAL. 2021;496—501. https://doi.org/10.37904/metal.2021.4133

19. Pesin A., Raab G., Sverchkov A., Pustovoytov D., Kornilov G., Bochkarev A., Pesin I., Nosov L. Development of asymmetric cold rolling technology of high-strength steel grades in order to exclude intermediate annealing operations. Materials Research Proceedings. 2023;32: 355—361.

20. Kosturek R., Mróz S., Stefanik A., Szota P.L., Gębara P., Merda A., Wachowski M., Gloc M. Study on symmetry and asymmetry rolling of AA2519-T62 alloy at room-temperature and cryogenic conditions. Materials. 2022;15(21):7712. https://doi.org/10.3390/ma15217712

21. Pan D., Sansome D.H. An experimental study of the effect of roll-speed mismatch on the rolling load during the cold rolling of thin strip. Journal of Mechanical Working Technology. 1982;6(4):361—377. https://doi.org/10.1016/0378-3804(82)90034-1

22. Aboutorabi A., Assempour A., Afrasiab H. Analytical approach for calculating the sheet output curvature in asymmetrical rolling: In the case of roll axis displacement as a new asymmetry factor. International Journal of Mechanical Sciences. 2016;105:11—22. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2015.10.016

23. Qilin Zhao, Xianlei Hu, Xianghua Liu. Analysis of mechanical parameters in multi-pass asymmetrical rolling of strip by slab method. Materials. 2023;16(18):6286. https://doi.org/10.3390/ma16186286

24. Zejun Chen, Hongbo Hu, Xia Wu, Minhong Zhou, Kawunga Nyirenda, Qing Liu, Guojun Wang, Deman Wang. Effect of cross accumulative roll bonding process on microstructure and mechanical properties of laminated 1100/7075 composite sheets. TMS (The Minerals, Metals and Society). 2013;2285—2295. https://doi.org/10.1002/9781118792148.ch284

25. Mehtedi M.E., Lai D., Mohtadi R.E., Carta M., Buonadonna P., Aymerich F. Bonding of similar AA3105 aluminum alloy by accumulative roll bonding process. ESAFORM. 2021;942/1—942/11. https://doi.org/10.25518/esaform21.942

26. Seleznev M., Renzing C., Schmidtchen M., Prahl U., Biermann H., Weidner A. Deformation lenses in a bonding zone of high-alloyed steel laminates manufactured by cold roll bonding. Metals. 2022;12:590. https://doi.org/10.3390/met12040590

27. Karganroudi S.S., Nasab B.H., Rahmatabadi D., Ahmadi M., Gholami M.D., Kasaeian-Naeini M., Hashemi R., Aminzadeh A., Ibrahim H. Anisotropic behavior of Al1050 through accumulative roll bonding. Materials. 2021;14:6910. https://doi.org/10.3390/ma14226910