径向剪切轧制（RSR）技术是一种现代、高效的方法，用于从各种金属和合金（包括难变形材料）中获得具有特定结构的半成品和最终棒材产品。由于 RSR 设备（小型轧机）中实现的设计特点（送进角18−20°、辗轧角0−12°、轧辊锥角10±2.5°）以及独特的轨迹-变形条件，可以获得超细晶功能梯度结构。同时，小型轧机结构紧凑且通用性强，有助于降低人工成本。本文综述了RSR技术和设备的工业应用、不同科学团队在该方向上的科学与应用研究，概述了理论要素以及开发和实施的主要阶段。研究表明，RSR技术在获得具有独特性能组合的产品方面具有需求和广阔的应用前景。

在现代金属成形工艺分类中，径向剪切轧制（RSR）被定义为在大送进角（18°或更大）范围内，使用具有特殊孔型校准的三辊轧机对实心坯料进行螺旋轧制的一个特例。

RSR工艺作为一种新的金属成形方法，始于俄罗斯国家研究型技术大学（MISIS）为提高穿孔机生产率而进行的全面研究。研究发现，增加送进角不仅提高了轴向速度和穿孔生产率，而且从根本上改变了金属的变形条件。在穿孔工艺传统的较小送进角（最大12-15°）下，坯料的中心区域容易出现空洞，这被称为曼内斯曼效应。而在大送进角范围（最大18-24°）内，则观察到相反的效果。金属在整个截面上被强烈压实，即使在压缩率超过25%的情况下，也不会产生内部破裂。

根据变形区的几何形状和每道次的延伸率（直径缩减量），可以区分出RSR的两种主要变体，如图1所示。

变体“a”：在具有缩减段的轧辊中，一道次实现高延伸率（4-6或更高），轧辊母线与轧制轴的倾角为12−50°。

变体“b”：多道次轧制，每道次延伸率有限（不超过3-4），轧辊具有缩减段，轧辊母线与轧制轴的倾角为6−12°。

变体“a”的主要功能是对连铸坯进行变形，以实现强烈的致密化并处理整个截面上的金属结构。该变体的RSR机架曾被设想用作型钢轧机和轧管厂中的减径机架。国外开发了一种用途相似但工作原理不同的行星式螺旋轧机。变体“b”是一种通用方法，设计用于轧制许多可变形材料，包括低塑性和难成形的材料。它用于可逆轧制和通过小型轧机进行轧制。

这两种RSR变体都是在专门设计的全尺寸三辊轧机“MISiS-100T”上开发和全面测试的，该轧机能够以10−24°的送进角旋转轧辊。根据变体“a”，采用一道次工艺将直径为120−125mm的连铸碳钢和不锈钢坯料轧制成直径为55−60mm的圆棒。根据变体“b”，将直径为105−120mm的预变形高速钢R6M5、R18、耐热镍基合金KhN77TYuR等坯料轧制成直径为55mm的棒材。

基于多年的研究和工业生产，自20世纪90年代以来，MISIS一直积极开发新一代径向剪切（螺旋）轧制小型轧机的概念，用于生产几乎任何可变形金属和合金的小截面、具有特定组织的棒材。RSR小型轧机是一种技术综合体，具有结构预设的轧制参数，用于生产具有独特组织和高水平性能的棒材。这种轧机以其紧凑性、通用性、简单性和经济性而著称。

已经有超过7个国家的科研机构配备了由MISIS设计的RSR小型轧机。关于使用径向剪切轧制细化长材产品中金属和合金组织的出版物数量急剧增加。目前已知的几乎所有使用RSR作为手段在长材产品中获得超细晶、功能梯度结构的结果都是通过小型轧机实现的。

径向剪切轧制方法和新一代小型轧机已在研究和生产领域得到广泛应用。超过40套带有RSR小型轧机的综合体在俄罗斯联邦、哈萨克斯坦、白俄罗斯、德国、韩国等国的企业中成功运行，因为它们已被证明对于解决各种金属成形问题非常有效。

在MISIS，对RSR技术的理论和应用研究始于20世纪70年代后半期，并持续至今。在此期间，RSR工艺已用于各种黑色和有色金属、低密度合金、粉末材料、特殊钢及其他材料。

2.1 RSR工艺模拟：特点与可能性

RSR工艺的特点是变形区中的温度-速度和变形参数发生复杂变化。在大多数情况下，在实际过程中分析这些参数是不可能的。因此，近年来，基于有限元分析（FEM）的现代软件包被积极用于研究RSR。这使得预测工艺参数和最终产品的性能、识别可能产生缺陷的原因成为可能，从而为实际过程选择最合适的变形模式。

以研究铝合金为例，已有研究分析了变形模式对工业纯铝（AA1050）RSR工艺条件的影响。结果表明，基于FEM模拟，可以选择变形模式以获得所需的性能。

有研究计算并构建了一个参数化模型，该模型能够为新的初始参数自动重建变形区，并快速确定小型轧机的轧辊和变形区的整体尺寸和空间位置，如图2所示。

有学者对铝合金5754在300℃和350℃温度、50rpm和100rpm转速下的RSR工艺进行了数值模拟。根据模拟结果，分析了应力-应变状态、轧辊温度和转速对温度分布、应变和应变速率的影响。该研究旨在为5000系列难变形铝合金开发最佳的变形模式。还有学者使用QFORM程序，分析了Al−Mg−Sc合金在RSR过程中，改变延伸率（1.2-2.4）和转速（15rpm到120rpm）时的工艺特点。结果表明，变形区的温度场由表层和中心区域的金属流动轨迹几何形状的显著差异决定。基于对变形区内变形金属流动轨迹的分析，识别并描述了RSR工艺的特点及其对成形参数的影响。外部循环金属轨迹区域的存在决定了应变发展的交替性和外部精细分散结构层的形成。

大量研究显示了使用计算机模拟进行RSR工艺理论研究的潜力。人们正在尝试模拟变形区中金属环形断裂发生的概率，这反过来又是确定合理RSR工艺参数的标准之一。

2.2使用RSR的金属成形领域研究

径向剪切轧制（RSR）技术作为一种新型塑性变形工艺，凭借独特的变形机制与显著优势，不仅在多种金属材料加工中展现出良好潜力，更在钢铁行业实现了广泛且高效的应用。该技术可作为连铸坯穿孔前的预变形工艺，有效细化铸坯组织、提升无缝管产品性能，能精准调控钢铁材料微观组织以实现高性能化生产，还可对废旧火车轴、钢筋等钢铁长材进行低成本回收再利用。

2.2.1钛合金

通过新的工艺路线提高广泛用于各行各业的钛合金的机械和服役性能是当代研究的一个有前景的方向。

使用RSR技术可以改善医用纯钛（VT1）坯料的力学性能。研究人员使用SVP-8轧机，在500℃温度下，将直径为30mm的初始坯料轧制成直径为15mm的成品棒材，随后进行水冷。结果表明，该棒材具有梯度结构，表面为超细晶等轴区，中心区为拉长的晶粒。这种结构的形成导致强度性能提高了1.5倍，而塑性略有下降。

研究者开发了一种结合RSR和后续热处理（时效）的工艺路线，用于生产具有超细晶组织的VT22钛合金棒材。使用小型轧机，将直径为40mm的初始坯料变形为直径为22mm的棒材，总延伸率为3.3。显微组织分析表明，RSR导致了晶粒组织的显著细化，平均晶粒尺寸约为0.4μm。此外，在450℃下时效5小时后与初始状态相比，VT22合金的强度性能提高了20%以上。

还有学者研究了热机械处理（在850−750℃温度范围内进行RSR，随后在500℃时效）对VT22合金力学性能和蠕变的影响。研究发现，与初始状态相比，由于采用了这种处理方案，在20−500℃的温度范围内进行拉伸试验时，合金的屈服强度提高了30%-40%，同时保持了可接受的塑性（4%−12%）。此外，在473℃的蠕变条件下，在低于屈服强度两倍的应力范围内观察到抗蠕变性能的提高。

在后续工作中，分析了循环载荷对通过RSR工艺获得的具有超细晶组织的VT22合金抗疲劳断裂性能的影响。在细观尺度上研究了合金在低于屈服强度的应力区域内，在低频率和高频率加载下的行为。结果表明，与超高周疲劳区域的高频加载相比，在可比较的施加应力水平（950−600MPa）范围内，材料在低频加载下的耐久性低三个数量级。RSR及后续热处理（时效）过程中形成的位错结构在低频加载下的裂纹萌生阶段对位错积累的抵抗力低于高频加载下的抵抗力。然而，与传统生产技术相比，通过RSR工艺获得的VT22合金具有更高的耐久性特性。

有学者使用RSR的热机械处理对VT35伪β钛合金的结构-相态和力学性能进行研究。RSR使用小型轧机在850℃下进行5道次轧制，最终直径为16mm。这种处理导致了合金晶粒组织的细化。此外，发现所得组织在高达750℃的温度下是稳定的。在随后的420−500℃温度范围内退火5小时，析出了细针状α相，这使得在保持可接受的塑性的同时，显著提高了抗拉强度（从860MPa提高到1200MPa）。

为了提高钛生产的效率，进行了生产小直径热变形钛棒的研究。已有研究证明了仅使用RSR方法，无需中间处理，即可从较小直径（最大200mm）的锭材中获得具有可控组织和力学性能的两相钛合金VT-8的可能性。研究展示了轧制路线和热变形条件对合金组织和力学性能的影响；获得的性能符合现行规范文件的要求。

2.2.2铝合金

近年来，由于航空航天、化工等行业的发展，对铝合金的需求显著增加。同时，大多数铝合金半成品是通过挤压工艺生产的，这种工艺生产成本较高。以下是一系列致力于使用RSR对工业用和新开发的铝合金进行变形加工的研究。

铝合金性能的定性改善和加工技术的发展仍然是一项紧迫的研究任务。因此，有学者探究了RSR对AMg6铝合金显微组织和力学性能演变的影响。结果表明，在变形程度达到e~2.4时，晶粒尺寸从200μm显著减小到5μm，同时形成了均匀的组织。这反过来又导致了强度（σ_B，σ_0.2分别增加到370MPa和200MPa）的提高，且没有损失塑性。

为了通过获得细晶组织来提高D16T铝合金半成品的质量，确定了RSR过程中的变形模式。轧制使用RSR“10−30”小型轧机按照阶段式方案在380−180℃温度范围内进行，每道次温度降低50℃，最终直径为13mm。在高于380℃的温度下变形会导致工件破坏，原因是晶粒长大和合金塑性降低。研究确定，所选择的工艺模式导致均匀的组织细化，纵截面的平均晶粒尺寸从10μm减小到5μm。此外，表层和心部的亚晶平均尺寸减小到0.9μm。

研究人员使用RSR轧机对从D16（T）铝合金（A2024）连铸坯生产棒材的技术进行了初步工业测试。力学性能拉伸试验表明，在直径达35mm的样品中发现了最佳性能，即总延伸系数μ_Σ>4.2。在整个研究的延伸系数范围内，实验棒材的塑性超出GOST 21488-97要求高出2.1-2.5倍。同时，与初始铸态相比，延伸率提高了5.7-6.8倍。

2.2.3 Co-Cr-Mo合金

MISIS研究团队在全球范围内首次使用RSR方法从Co-Cr-Mo系医用合金生产长棒状半成品进行了研究。这些合金具有很高的变形抗力，在960-1000℃的温度范围内发生多晶转变，这给变形过程带来了限制和困难。目前，已进行了初步的实验轧制。研究证明了RSR技术用于Co-28Cr-6Mo合金的基本可行性和潜力。分别获得了直径为29mm和18mm的棒材，总延伸率分别为3.86和10.03。变形后棒材的显微组织相当均匀，平均晶粒尺寸为10-20μm。研究还发现，金属间化合物σ相夹杂物因其脆性（不可变形性）导致合金中形成缺陷。进一步的研究旨在选择最佳的变形和热处理模式，以获得最佳的力学性能和最合适的加工方式。

2.3组合工艺领域的研究

近年来，使用RSR技术生产医用高性能小直径棒材（包括骨植入物），已成为一个重要的研究课题。基于RSR和旋转锻造（RF）的组合高温热机械加工可能是发展方向之一。为了预测产品截面上的应变分布，有研究人员使用QFORM软件包中的FEM方法对组合RSR和RF过程进行了模拟。对于Ti-Zr-Nb系形状记忆合金，实验证实，当结合两种方法时，可以发挥各自的优点，即RSR的高塑性变形水平和生产率，以及RF后工件的光滑表面和均匀显微组织。类似的方法使得组合变形方法在工业生产长棒材方面具有前景。

3.1 RSR技术在钢连铸坯穿孔前预变形中的应用

在从连铸坯生产无缝管的有前景的技术方案中，有一种方案包括在穿孔前在径向剪切轧机中对钢坯进行初步变形。MISIS进行了研究、开发、设计和工程工作，以创建一种特殊设计的技术和径向剪切轧机，用于在PRM-160机组运行条件下以18°的进料角对连铸坯进行初步变形。在第一阶段，研究了12Kh1MF、18KhMFB和18Kh3MFB钢直径为150-156mm的连铸坯的初步径向剪切轧制对无缝管组织和性能的影响。轧制使用MISIS 100T轧机，送料角为21°。结果表明，RSR可以集中细化连铸坯的结构，并确保在2.0-2.2的延伸率下将铸件结构加工70%-90%。由这种坯料在PRM-160PNPP下生产的管道完全符合ISO 11960:2004对强度组J55的要求（σ_B>517MPa；σ_0.2>379MPa；δ>16%）。同时，实验钢管的塑性性能水平（就延伸率5%而言）比标准要求高1.6-1.8倍。为了使用当前技术达到可比的性能水平，需要对管道进行额外的热处理。

为了在PRM-160机组运行条件下全面实施RSR技术，制造并提供了一个特殊设计的三辊机架。

该机架设备在空间几何形状、万向传动强度和电机功率方面与PRM-160的组合传动完全兼容。该机架作为替换设备安装在三辊轧机现有机架的基础上。针对轧制不同直径棒材的条件，优化了辊组的空间布置，同时尽量减少了输入和输出侧的重新配置。直径为290mm的工作辊具有通用校准功能，可确保将直径为156mm的连铸坯轧制成直径为90-150mm范围内任意直径的管坯，将直径为220mm的CCB轧制成直径为170-210mm的管坯，材料为碳钢和合金钢，如12kH1MF、15kH5M、08kH18N10T等。在18°的进给角度下，每道次的最大允许延伸率为3.0-3.3。单轧辊的扭矩不超过40kN·m，电机功率不超过1500kW。

实践证明，使用轧辊进给角为18°的RSR机架，可以从直径为156mm和220mm的连铸坯上穿孔出各种各样的管坯。它还提高了穿孔过程中金属的工艺塑性，减少了初始表面缺陷的发展，削弱了连铸金属的负面结构特征对最终产品质量的影响。

在其他研究中也介绍了在螺旋轧机中使用连铸坯预变形的效果。研究人员提出了一种技术，通过在PRM-80生产线穿孔前，在三辊螺旋轧机中对连铸坯进行预变形操作，来生产高强度抽油管以及耐寒和耐腐蚀的钢管。该技术被证明能够确保高水平的机械性能并获得细晶组织。

3.2 RSR技术用于耐热合金的变形

为了提高耐热合金小直径棒材的生产效率，在半工业条件下对直径为60mm的KhN73MBTYu耐热合金小直径铸锭进行了RSR研究。结果表明，所得直径为20-25mm棒材的组织、力学性能和长期耐热性符合TU14-1-1973-77对长材的要求。经过测试的技术解决方案在小型和微型冶金厂的条件下具有高度的工业实施可行性。

3.3 RSR技术在长材产品回收中的应用

使用RSR方法对已超过使用寿命的长材金属产品进行低成本回收，以获得新产品，是该方法的一个有前景的发展方向。使用RSR90-220小型轧机从废旧火车轴生产轧材的资源节约型技术的开发，就是RSR此类应用的一个例子。新技术已在实际报废车轴上成功进行了测试。用旧火车轴生产圆钢的工艺流程如图3所示，1）车轴检查和分类；2）将车轴切割成2-4个初始工件；3）在直径差异处倒角，表面修复（如有必要）；4）初始工件加热；5）RSR；6）所得轧材在缓冷坑冷却；7）切割成定尺长度并去除尾部缺陷；8）控制检查，几何尺寸控制；9）标记、包装。

奥切斯基机械制造厂投入使用了一个模块化部分，该部分采用了基于RSR小型轧机14−40的废旧抽油杆修复回收创新技术。在这种情况下，由于将直径较大的杆塑性加工成直径较小的杆，RSR可确保延长使用过的泵杆的生命周期。因此，产品的表面得以更新，微缺陷被消除，金属性能得到恢复。修复后的抽油杆享有与新抽油杆相同的保修期。抽油杆由15N3MA、40G2、40KhGM、15Kh2GMF、20KhGNMFA、20N2M、35KhN2M等结构合金牌号和其他轧制产品制成，这些产品在各行各业都有需求，增加了低成本回收的相关性。此外，正在进行使用RSR技术和轧机回收废棒材和一些黑色和有色金属产品的工作，以获得可销售的成品。

本文综述了径向剪切轧制工艺的研发与产业化主要阶段、当前研发布局与技术水平，及工艺装备的应用潜力，证实该技术在研发初期即奠定了强大的技术潜力，数十年来，相关研究始终保持前沿性，形成了新材料应用、装备技术创新两大研究方向。

RSR工艺为高端金属成形工艺发展与各类钢、金属、合金特种性能制品制备开辟了新路径。已发表的大量科研成果表明，RSR是制备长型材结构化金属与合金的高效手段，可实现传统难变形、不可变形材料的塑性加工。同时，RSR技术与装备的应用可显著降低人力成本与生产废料，完全契合现代精益生产理念。