弗萊貝格工業(yè)大學(xué)金屬成形學(xué)院和德國MgF Magnesium Flachprodukte 股份有限公司正在基于雙輥軋和工業(yè)級帶材軋制開發(fā)一種新的使軋制卷的厚度最多不超過1.0毫米的鎂帶材生產(chǎn)技術(shù)。由雙輥軋技術(shù)以及連續(xù)軋制生產(chǎn)的鎂條具有良好的加工性能,在一定程度上優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的帶材。其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢源于使帶材的生產(chǎn)初始條件更為優(yōu)越的縮短生產(chǎn)過程鏈的技術(shù)。

　　使用成型工藝，可以生產(chǎn)出高效、節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。變形技術(shù)和熱處理進(jìn)行結(jié)合,使材料屬性的潛力可以最大化。這適用于特定的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的輕型結(jié)構(gòu)概念,不像其他的制造方法,若結(jié)合獨(dú)特的設(shè)計(jì)方案則會(huì)取得最優(yōu)材料特性。鎂是最輕的結(jié)構(gòu)金屬,也因此使其成為一個(gè)在汽車輕型結(jié)構(gòu)，電子產(chǎn)品(筆記本外殼等)和民用航空上如何應(yīng)用的重要課題。在研究和開發(fā)領(lǐng)域的活動(dòng)材料和工藝生產(chǎn)的鎂合金半成品穩(wěn)步上升超過十年。近年來,鎂每年在汽車行業(yè)使用的增長呈兩位數(shù),但是除少數(shù)例外一直局限于鑄件的生產(chǎn)。一個(gè)顯著的擴(kuò)展應(yīng)用在很大程度上依賴于半成品的可用性，特別是薄板。流程步驟的減少與連鑄生產(chǎn)制備材料,結(jié)合高性能成型技術(shù),提供了新的供應(yīng)高性能產(chǎn)品的可能性。例如如何滿足當(dāng)前和未來的需求，如何形成半成品零件的供應(yīng)以及形成組件和建筑類型，如何在數(shù)量和質(zhì)量等方面有所突破。雙輥軋制在收益方面所獲得的重視程度,特別是在連接與熱軋帶處理,生成鎂板材產(chǎn)品幾個(gè)流程步驟中可以消除幾個(gè)步驟的工藝提高過程中將會(huì)引領(lǐng)一個(gè)具有完全經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能工藝鏈的出現(xiàn)。

　　雙輥軋制和帶材軋制技術(shù)：

　　使用連續(xù)厚板軋制薄板的傳統(tǒng)生產(chǎn)在和鋁材競爭中將對使用鎂合金是否在經(jīng)濟(jì)上可行提出質(zhì)疑。盡管額外的車身質(zhì)量的節(jié)約可能證明相比相同體積的鋁合金更高價(jià)格的合理性,這個(gè)密度效益仍然不能充分等于生產(chǎn)成本劣勢和產(chǎn)量。這種技術(shù)可極大地降低生產(chǎn)成本,因此在全球市場變得越來越重要。主要優(yōu)勢是反映在使用廉價(jià)的原材料,節(jié)約原料的生產(chǎn)與加工連鑄板坯表面、經(jīng)濟(jì)化的加熱和中間退火和減少需要通過數(shù)字來實(shí)現(xiàn)最終的尺寸。另一個(gè)特點(diǎn)是快速凝固雙輥軋制(超過10的速度比在連鑄板)和形成同步的部分。除了更精細(xì)的初級微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)造，還有減少的空隙、氣孔、粗糙易碎的沉淀物和分凝物。這是在材料的成形性能和產(chǎn)品質(zhì)量上一個(gè)非常明顯的效果。圖1是傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的鎂板與薄板和通過雙輥軋制技術(shù)計(jì)劃性地生產(chǎn)的帶材的比較。2002年，弗萊貝格工業(yè)大學(xué)和MgF Magnesium Flachprodukte 股份有限公司合作建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的雙輥軋制工廠。這個(gè)設(shè)備是在2009年完成的,增加了一個(gè)高效的熱軋機(jī)。當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)熱軋制工藝生產(chǎn)的鎂條最低限度的最終厚度為1.0 mm,改進(jìn)工藝條件以求性能穩(wěn)定。

　　圖1：鎂板帶生產(chǎn)技術(shù),a)傳統(tǒng)技術(shù)b)鎂板帶生產(chǎn)雙輥軋制

　　這個(gè)概念的實(shí)驗(yàn)過程如圖2所示。目前,兩個(gè)過程階段,雙輥軋制和帶軋機(jī),測試鎂合金AZ21, AZ31, AM20, AM40, AM50, ZE10, ME21 和WE43。

　　圖2：設(shè)施的概念

　　工藝過程概括如下:第一步是雙輥軋制。保護(hù)氣體使合金熔化并運(yùn)送到軋制通道。有一個(gè)位于鑄造通道口的尾部鑄造噴嘴。其目的是將溶液輸送到滾動(dòng)縫隙中，并在和冷卻輥接觸時(shí)迅速凝固。條帶的變形部分在離開之前具有3至7毫米厚的軋制間隙。鎂合金薄帶的邊緣被循環(huán)空氣爐或軋機(jī)修剪后可以進(jìn)行分發(fā)。爐線圈可以最終退火或加熱到一個(gè)指定的軋制溫度。技術(shù)數(shù)據(jù)在表1中可以找到。

　　表1：雙輥連鑄機(jī)和四輥可逆式軋機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)

　　加熱后,雙輥軋制帶直接轉(zhuǎn)移到軋制線上(見圖3)。由四輥回輪為雙輥軋制帶提供所需的最終厚度。在軋制過程中就溫度控制和考慮成型性能和表面質(zhì)量的材料而言有必要保持緊密的進(jìn)程窗口。

　　圖3：在試驗(yàn)工廠里滾動(dòng)的鎂板帶最終軋制厚度為1.5毫米

　　雙輥軋制材料鎂帶測試及結(jié)果：

　　試點(diǎn)工廠允許在現(xiàn)有技術(shù)參數(shù)下并且無需中間加熱的情況下使雙輥軋制的鎂帶材的厚度范圍為從7.0到3.0毫米或者通過最多5道次可以最終軋制厚度為1.0毫米的帶材。當(dāng)使用自動(dòng)線規(guī)進(jìn)行操作時(shí)通過調(diào)節(jié)軋制速度來減少鎂帶上的熱損失是可能實(shí)現(xiàn)的。一方面, 改善帶材表面質(zhì)量減少初始溫度。另一方面,良好的最終軋制溫度可以讓成品帶材保持優(yōu)越的性能。除了采取一次加熱的方法,通過對軋制卷進(jìn)行中間加熱，可獲取測試所有環(huán)節(jié)所需的時(shí)間表。通過對微結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)發(fā)展進(jìn)行分析，可以在每一個(gè)步驟后優(yōu)化帶材軋制工藝。

　　通過對金屬鎂的材料進(jìn)行雙輥軋制加工,熔析形成和易碎沉淀就不能完全被抑制。如在鎂鋁鋅階段中存在枝晶間的空隙。為了生成同性質(zhì)的初始結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行熱處理以溶解或發(fā)散這些相。在雙輥軋制成型過程中，能量被注入材料中并且在這些區(qū)域形成靜態(tài)再結(jié)晶。主要的機(jī)理是拉伸一方面導(dǎo)致在其他方面動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。然而,再結(jié)晶是不均勻的。它開始在最畸形的地區(qū)?；靵y堆積在晶界、晶粒邊界地區(qū)因此作為成核站點(diǎn)的再結(jié)晶。此外,含有細(xì)顆粒(粒子)增加存儲(chǔ)能量,因此對再結(jié)晶形成驅(qū)動(dòng)力。大型非相干粒子作為成核站點(diǎn),而細(xì)分散的晶界會(huì)產(chǎn)生沉淀阻塞[3]。在某型區(qū)域如果無法獲取可用的變形或者溫度過低，都無法對形成一個(gè)完整的再結(jié)晶,孿晶體就形成了。

　　一個(gè)中間加熱的帶材在第二軋機(jī)通過時(shí)觸發(fā)靜態(tài)再結(jié)晶和邊際晶粒生長。在隨后的軋制關(guān)口,后者控制設(shè)置足夠的溫度、軋制速度和每次壓下量,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒細(xì)化就會(huì)發(fā)生。成品帶材的平均晶粒尺寸是≈5µm。由于中間加熱、帶材因?qū)挾群烷L度特征往往在軋制條件下打成平局。此外,一個(gè)穩(wěn)定的過程控制可以實(shí)現(xiàn)條邊不易開裂。

　　帶材軋制試驗(yàn)沒有中間加熱的情況下，第二進(jìn)程表明完全再結(jié)晶顆粒只能在達(dá)到一個(gè)非常高的變形后才會(huì)形成。除了剪切帶或“剪切帶-相似“結(jié)構(gòu)外，部分再結(jié)晶的微結(jié)構(gòu),孿晶體會(huì)形成拉伸機(jī)理。微結(jié)構(gòu)也會(huì)形成不均勻分布。如前所述以上,中間退火導(dǎo)致更均勻、更精細(xì)的微結(jié)構(gòu),因此更高的拉伸值在沒有中間加熱軋制后也可以實(shí)現(xiàn)(圖4和5)。

　　圖4：當(dāng)軋制1.5毫米厚度AZ31合金帶材時(shí)需要經(jīng)過四道程序，中間退火對軋制過程中力學(xué)性能的影響

　　然而, 在沒有中間加熱的情況下，帶卷也可以達(dá)到25±2.5%的伸長率，只是對材料的強(qiáng)度稍有損失，故應(yīng)用適當(dāng)?shù)淖罱K退火可改善。

　　圖5：AZ31卷?xiàng)l的微結(jié)構(gòu),包括(右)和不包括(左)中間退火, 放大200 x

　　此外,調(diào)查雙輥軋制和熱軋以及AM50合金的性能在除AZ31合金基體外，一般來說可以建立第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn),通常來說，初始狀態(tài)的AM50合金軋制鎂帶材可以和AZ31合金進(jìn)行對比。然而,對于鎂合金而言更強(qiáng)的中心線偏析的發(fā)展和大量分散式偏析卻是非常明顯的現(xiàn)象。這是由于鋁含量的增加,增加例如形成片狀Mg17Al12 precipitations。 最終厚度為2毫米的AZ31和AM502合金軋制帶材在軋制和退火時(shí)有類似范圍的屬性和狀態(tài)。在就AM50合金帶材和AZ31帶材進(jìn)行對比觀察時(shí)就屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度值二者只有輕微的傾向(見圖6)。比較薄帶(1.25毫米厚),差異更為明顯(見圖7)。

　　圖6：比較AZ31和AM50條的力學(xué)特性(厚度2毫米)

　　圖7：比較AZ31和AM50帶材的力學(xué)特性(厚度1.25毫米)

　　對于復(fù)雜形狀的板料成形,研究材料在高溫時(shí)的行為特別有趣。雖然描述了與溫度有關(guān)的屬性,強(qiáng)度值的連續(xù)降低可以進(jìn)行測量,相應(yīng)地,斷裂伸長率在增加。和室溫相比，均勻延伸率在降低,,而且越來越趨向軟化。在局部頸縮發(fā)生之前，加熱拉伸樣品的高變形性對應(yīng)著一個(gè)持續(xù)收縮的擴(kuò)大的相位。

　　汽車行業(yè)的組件光譜：

　　原型例子顯示鎂板材產(chǎn)品具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域的前景。就汽車行業(yè)而言,鎂板為主要集中在汽車的車身,但也作為底盤、室內(nèi)和電動(dòng)機(jī)組件等部件而使用的汽車輕量化結(jié)構(gòu)提供了新的機(jī)會(huì)。圖8代表AZ31鎂合金的一些原型。下面的表1可視化組件列表可視為鎂在汽車中的應(yīng)用,即如何合理地使用鎂。

 

　　圖8：關(guān)于汽車零部件的例子

　　表1：鎂在汽車中的應(yīng)用

　　未來展望

　　進(jìn)一步開發(fā)板帶軋制工藝，最終使帶材的厚度低于1毫米并且具有可再生的性能(優(yōu)化針對于TRC板帶的橫切面的幾何形狀)

　　通過先進(jìn)的軋制策略和對促進(jìn)器以及控制系統(tǒng)的技術(shù)擴(kuò)展，確保卷型薄板帶形成合適的加工板帶平面

　　在制卷過程中使用廣泛的和節(jié)能的變形熱可控制調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)屬性的相關(guān)性。

　　通過面向流程的潤滑劑應(yīng)用和先進(jìn)的輥清洗技術(shù)優(yōu)化表面質(zhì)量。

　　使用額外的基于模型的輥縫控制增加和影響現(xiàn)有的控制元素和提高初步設(shè)計(jì)的輥輪廓磨削。