镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、导电和导热性能好、无磁性、屏蔽性好和无毒等特点,同时也具有易于回收、可再生利用和环境友好等优异性能,因而镁合金材料被誉为“21世纪的绿色结构材料”,在国防军工、航空航天、交通工具、机械电子及3C电子产品等领域具有广阔的应用前景^[1].

按照加工方法,镁合金可以分为铸造镁合金和变形镁合金.铸造镁合金与变形镁合金相比,其制备技术相对成熟,但产品力学性能明显比变形镁合金差,产品尺寸、形状存在一定的限制,且容易产生组织缺陷,导致应用范围受到很大的限制.因此,变形镁合金的研究和生产已经成为镁工业发展的一个重要方向.

近年来,镁合金板带材的生产和研究成为镁合金行业最主要的热点.但与常用的钢铁、铜、铝等金属相比,镁合金板带材在合金牌号、生产技术、工业产量、市场应用、研究开发和工艺数据等方面存在较大差距,还处于规模开发与市场应用的初级阶段^[2].

制约镁合金板材发展的因素很多,最主要的是镁的滑移系少,室温塑性变形能力差,只有温度升高到220 ℃以上时,镁合金才能获得较好的变形能力.因此,镁合金热加工过程中往往需要进行多次加热.与挤压件和锻件生产相比,镁板的轧制难度更大,主要体现在轧制过程中板材易产生裂纹、产品存在各向异性、道次压下量小、生产效率低、成品率低等方面,但以轧制方式生产板材产品是镁合金大规模开发和应用的重要标志.

镁合金轧制板带材由于具有优良的组织和力学性能,因而广泛应用在以下领域.

主要用于制造卫星和登月飞船底座、导弹和火箭的仪表舱壁板、导弹和飞机的尾翼、战斗机副油箱及衬板、高效海水电池电极片以及其他结构零部件.

目前用于航空航天、国防军工领域的镁合金板材年消费量约为500 t,以镁合金中厚板材为主,厚度一般在4～80 mm.

主要用于生产:列车减震地板、蜂窝面板及芯板、座椅骨架、卧铺骨架、车厢壁板、内衬板、物品架、客车行李箱板;汽车前后盖板、汽车门及门夹层板、变速器及离合器盖板、集装箱用板;以及儿童车、摩托车、自行车的相关零部件.目前镁合金板材还未在交通运输领域规模化应用,但其前景非常广阔.

最近,相关镁板生产企业正与科研机构、交通工具生产厂家进行合作开发列车蜂窝板、客车行李箱盖板等,以打开该市场的镁合金板材规模化应用.按照实际统计,如果国内客车行李箱盖板全部使用镁合金板材,其年需求量在3 000 t左右.该领域所使用的镁合金板材厚度一般在1.5～3 mm.

主要用于生产:笔记本电脑、移动硬盘、手机、数码相机、U盘、摄像机、电视机、冰箱、音响等电子电器产品的外壳;以及蓄电池、音响音膜、光学眼镜连接、干电池外壳等方面.

该领域主要以镁合金薄板为主,其厚度范围一般在0.3～1.5 mm,表面质量及冲压性能要求较高,如该领域用镁市场完全打开,前景非常看好.目前,镁合金薄板已小批量用于商业笔记本电脑及移动硬盘外壳的生产,市场也非常认可.

镁合金板材在其他领域主要用于制作泥瓦工工具板、建筑模板、地坪花纹板、运动器材、医疗器械、手动及电动工具等.如印刷行业基板原以铜板、锌板为主,目前已开始大量使用蚀刻及雕刻镁板.综合镁合金板的力学性能、规格及市场价格等因素,蚀刻及雕刻镁板市场前景非常看好.如国内印刷蚀刻板全部采用镁板,其市场年需求量在1 500 t左右.以上领域使用镁合金板材多为中板和薄板,厚度范围一般在2～15 mm.

另外,纺织机械用针板、振动平台用板、牺牲阳极板目前开始规模化使用镁合金中厚板材,市场需求量稳步提升,以上领域使用的镁合金板材厚度大都在10 mm以上.

由于镁合金市场开拓的步伐较慢,国内外对镁合金板带材的研发和生产远不及钢铁、铜、铝等金属板带材,相对于金属镁的性质和资源来说,与其地位不相对应.

国内镁合金板带材生产企业规模都不大,布局分散,企业综合实力不强,一些国有大型企业对于镁合金板带的生产也以辅助性生产为主.在生产工艺设备方面,大多使用钢铁、铝、铜或钛板带材的加工设备,或者是一些“二人转”轧机,甚至是几十年前设计制造并濒临报废的设备,而专业化的镁板带材轧机较少.生产过程中的矫直、切头尾、切边、产品定尺等工序多为离线进行.除个别大型国有企业外,很多民营企业基本没有专业化的表面清洗、精整、热处理和表面防腐等设备.

镁合金板材虽然生产工艺比较复杂,但技术含量和附加值高,同时也是镁合金大量应用的重要方向和标志.目前,镁合金板材的生产主要有以下三种方法:铸锭热轧开坯法、挤压开坯轧制法和双辊铸轧法.挤压开坯法主要用于生产薄板,但板材的宽度受到限制.铸轧法是低成本镁合金板材生产工艺,但比铝铸轧难度要大得多,主要原因是分流困难,氧化夹杂难以控制,同时也存在合金元素偏析等问题,产品质量不如轧制法,且目前还处于探索阶段,不具备产业化规模生产的条件,要实现宽幅板材的铸轧生产更是难上加难.铸锭热轧开坯法尽管是传统的镁合金板材生产方法,但优点是生产的规格多,不仅可以生产镁合金厚板材,也可以进一步轧制成薄板材,并且可以生产宽幅板材,而宽幅板材是镁合金应用最具战略意义的标志.但用该方法进行板材轧制的成品率低,生产成本高,价格因素成为限制该工艺生产镁板带材应用的瓶颈之一^[3].

镁合金板带材3种生产工艺流程及其特点:

(1) 双辊铸轧(或连铸连轧)生产工艺:熔炼→合金化→净化→分配器→铸轧→后续轧机温轧→剪切下料→矫直→精轧→精整→表面处理→成品包装.该工艺的优点是投资及生产成本低,生产工艺流程短,可低成本推广镁合金板带产品;缺点是镁合金板材成品宽度受到限制(一般在650 mm以下),产品组织性能不高、生产工艺不稳定、合金品种受限.适合于中小规模生产,产品适合中低端市场,以民用为主.

目前,利用该工艺生产的企业主要有山西闻喜银光、福州华镁、中铝洛铜等公司.在铸轧带坯后续生产方面,仍采用块式法温冷轧.

(2) 锭坯+挤压工艺+温轧生产工艺:该生产工艺的主要特点相比于热轧开坯来说,增加了挤压工艺过程,这有利于消除合金的各向异性、提高镁合金薄板带材的冲压性能.但因受设备与工艺的影响,其产品宽度受限(一般在600 mm以下),无法生产厚板材,生产成本较高且生产连续性不强,适合中小规模尤其是小规格镁合金薄板材的生产.

利用该工艺生产的企业主要有洛阳华凌镁业、山东华盛荣镁业等公司.

(3) 铸锭热轧开坯生产工艺:熔炼→铸造→铣面→均匀化→加热→热轧→剪切下料→加热→温轧→表面清洗→剪切下料→中间退火→精轧→成品退火→精整→表面处理→包装入库.该生产工艺的优点是能够生产出宽幅中厚板,组织性能较好,可以大规模连续化生产几乎所有品种的镁合金,产品覆盖高、中端市场;缺点是生产流程长、投资和生产成本相对高,较难实现低成本镁板材产品的推广应用,长规格铸锭由于轧制设备的限制无法实现换向轧制,镁合金板材尤其是薄规格冲压产品各向异性比较明显.

目前,利用该工艺生产的企业主要有中铝洛铜、西部钛业、营口银河、重庆奥博等公司.厚板仅需要进行一次或二次热轧,中板采用二次热轧+温轧,薄板采用二次热轧+温轧+冷轧.

国内镁合金板带主要生产企业及其生产线特点见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 国内镁合金板带主要生产企业情况(包括在建工程) Tab. 1 Status of the Magnesium sheet manufacturing plants(including constructions in progress) 生产企业 开坯方式 产能 主要生产设备 特点 西部钛业 热轧 5 000 t/a累计1 000 t 2 800 mm四辊热轧机1 780 mm六辊冷轧机 可生产国内最大规格中厚板材的企业,产品最大宽2 600 mm,长10 000 mm 营口银河 热轧 2 000 t/a实际小批量生产 1 725 mm四辊热轧机1 650 mm六辊冷轧机 国内首家可生产幅宽超1 200 mm温冷轧薄卷的企业 中铝洛铜 热轧 500 t/a累计10 000 t 1 600 mm热轧机800 mm冷轧机 国内最早专业化生产镁合金板材的企业,累计产能国内最高 中铝洛铜宜阳产业园 热轧、铸轧 规划10 000 t/a建设中 热轧机及冷轧机铸轧机 国内目前规划生产工艺及产品种类最为齐全的镁合金板带生产线 闻喜银光 铸轧 规划3 000 t/a实际小批量生产 600 mm铸轧机规划1 800 mm铸轧线 国内最早进行双辊铸轧工业化生产和应用的企业,镁合金产业链最为齐全 洛阳华凌/鑫友镁业 挤压、热轧 2 00 0t/a实际300 t/a左右 2 500 t挤压机800 mm冷轧机 专业化生产中厚板最具代表性的民营企业,产品应用于神五～神九飞船 山东华盛荣 挤压、热轧 规划2 000 t/a实际少量生产 4 500 t挤压机1 500 mm轧机 主要开发和生产交通运输领域用镁合金板材 重庆奥博 热轧 规划1 000 t/a投产情况未知 1 500 mm热轧机1 250 mm冷轧机 主要生产电子产品尤其是笔记本电脑外壳用镁合金薄板 陕西中能蛟大 连铸 规划3 000 t/a建设中 连铸机组及轧机 国内首家规划建设以连铸+轧制进行工业化生产薄带卷的企业 陕镁集团 热轧 规划100 000t/a规划建设中 2 100 mm热粗轧机1 800 mm炉卷温轧机 国内首家规划以热轧开坯进行卷式法温冷轧及后续精整生产线的企业 福州华镁 铸轧、连铸 规划30 000 t/a投产情况未知 2 300 mm连铸连轧机 主要研制开发镁合金板带铸轧、连铸连轧生产工艺及设备的企业

表 1 国内镁合金板带主要生产企业情况(包括在建工程) Tab. 1 Status of the Magnesium sheet manufacturing plants(including constructions in progress)

厚度在4～6 mm以上的镁合金板材产品从生产规模、生产技术成熟度、产品组织、力学性能以及产品市场适应性等方面考虑,采用铸锭热轧开坯块式法生产最为合适,其技术也比较成熟.在国外,早在1930年美国道屋公司就使用二辊轧机进行扁锭的热轧开坯块式法生产;1942年,德国利用该生产工艺和二手轧机实现了3 000 t/a的镁板产量;而英国伊利可创公司以及前苏联和目前的俄罗斯更是将铸锭热轧开坯+温冷轧并以块式法生产镁合金板材的技术和产量推到了一个新的高度^[4].

国内利用铸锭热轧开坯块式法生产镁合金板材的公司最早有东北轻合金厂(目前为中铝东北轻合金有限责任公司)和洛阳铜加工厂(目前为中铝洛阳铜业有限公司,简称中铝洛铜),以及后来的洛阳华凌/鑫友镁业公司、营口银河镁铝合金有限公司、西部钛业有限责任公司等.其中,中铝洛铜在研发、工艺技术、合金牌号开发、生产和市场供应等方面都走在前列.截至目前,中铝洛铜已向国内外的航空航天及军事领域、民用市场、生产教学等供应了10 000 t左右的镁合金板带材.一直到上世纪末,国内可生产镁板带的企业仅此一家,为我国国防军工与国民经济发展作出了突出贡献.

目前,镁合金板带材市场需求和规模化应用的发展趋势是宽幅化和低成本化.宽幅化是镁合金板材满足汽车、列车、客车、飞机等交通运输行业轻量化需要的基本条件,这有赖于宽幅板材生产技术与装备的进步.低成本化是镁合金板材可以与其他材料竞争的重要条件.

为降低生产成本,国内外都希望借鉴钢铁和铜、铝等金属板带的生产经验,采用大铸锭热轧开坯进行带式法生产的工艺路线,来提高成品率和生产效率,以降低镁合金板带材的生产成本.目前,在国家和行业政策引导下,在镁合金板带材研究及生产技术领域,“大铸锭热轧开坯”、“连续轧制”、“在线补热”、“炉卷状态轧制”、“卷式法生产”、“交叉轧制”、“搓轧工艺”、“连续铸轧”、“连铸连轧”、“温间轧制”、“高温冲压”、“低温大压下”等新技术和新工艺的研究不断深入,进而有力地推动了镁及镁合金板带的研发、试制和应用.但是,总体来说,目前大部分新技术和新工艺仍以实验室研究、试制为主,还没有进行产业化并实现大规模工业化生产与应用,尤其体现在镁合金板带卷式法生产方面.

目前国内市场在开发镁合金板带材热轧开坯并进行卷式法生产方面有代表性的企业为辽宁省营口银河镁铝合金有限公司.该企业的主要目标是制备幅宽超过1 500 mm的镁合金板材,并将相关产品应用在航空、汽车及蚀刻板等领域.其工艺路线采用半连续铸造扁锭+热轧开坯+温冷轧制,主要设备构成如下:镁合金熔炼铸造设备、热风循环铸锭加热炉、1 725 mm四辊可逆热轧机、1 650 mm六辊可逆温冷轧机、矫直精整及表面磨砂机列、热处理炉等.其热轧机原规划设计有左右卷取加热炉进行热温轧卷式法生产,但由于技术及工艺受限因素较多,实际生产线并未进行该项配置.其生产线通过将热轧机和温冷轧机串联,中间布置辊道在线加热炉,进而形成连轧模式.同时热轧机组配备有两组热风循环加热炉、两组中频感应式快速补热炉,温冷轧机组配备有中频感应式快速补热炉、机前加热炉等加热和补热设备.最终实现了镁合金生产试验性或小批量的温冷轧最终产品成卷技术.但由于镁合金金属变形特性、工艺技术、生产装备等诸多因素的限制或不成熟,公司在连续多道次卷式法往复轧制、后续带式法精整、板形及表面质量在线控制、工业化批量稳定生产等方面都还未形成技术的真正突破.公司生产的产品仍以块式法热轧中厚板为主^{[5, 6]}.

镁合金热轧开坯、温冷轧成卷技术的试验性轧制最早出现在前苏联.1970―1974年,前苏联轻合金研究院曾研究了轧制镁合金带卷的可能性.开发了250 mm×850 mm的大规格铸造工艺,并在2 800 mm四辊轧机上经过11～15道次,热轧到6.0～7.5 mm厚,然后在1 200 mm四辊可逆温冷轧机上进行了带卷轧制试验.带卷加热到380～400 ℃,将一些低合金化的镁合金带材卷轧制到2.0 mm的厚度,甚至轧制到1.2 mm.

另外,国内哈尔滨工业大学和鞍钢集团正在利用钢铁热连轧机组进行镁合金热温连轧技术和工艺的开发应用,并取得了一些成效.而在美国Brooks and Perkins 公司底特律镁板轧制厂就有一条“1+3”式的热连轧生产线,最初该生产线仅用于轧制镁板带坯,因为订单不多,目前主要生产铝板带材.

近年来,很多镁合金生产企业、科研机构、设计院相关技术人员都在考虑利用钢铁行业成熟使用的炉卷轧机,进行镁合金热温轧板带的卷式法生产,主要是考虑到炉卷轧机能够在加热或保温状态下实现热变形温度范围窄、轧制容易开裂金属的卷式法生产.而且一些生产企业已经在炉卷轧机上实现了有色金属板带,如钛及钛合金的试验性轧制及工业化批量生产.但截至到目前,世界范围内还未有以热轧开坯方式在炉卷轧机上实现热温卷式法轧制的试验、试轧或生产的实践和报道.而“炉卷状态”下温轧镁合金带材的试验、试制仅局限在来料为铸轧带坯时.

国内,重庆市应用技术有限公司和镁合金生产企业合作,利用300 mm×800 mm/650 mm×780 mm四辊不可逆简易炉卷轧机对双辊铸轧带坯进行热温轧制进行镁合金薄板带的生产,年产量约50 t.山西闻喜银光镁业集团利用在传统冷轧机组左右卷取机上加保温罩的方式,对该公司生产的600 mm宽度铸轧带坯进行温冷轧的加热减薄轧制.

在国外,美国法塔亨特公司2010年设计制造了一套类似于钢铁行业使用的炉卷轧机中试生产线,该公司和橡树岭国家实验室、英国伊利可创镁业公司进行合作,对镁合金板带进行热温轧卷式法生产,并实现了来料厚度12.7 mm以下、宽度250 mm以下的铸轧卷的试验性轧制.值得注意的是,该中试线核心部件左右卷取加热炉与钢铁行业最大的不同是能实现整卷上、卸料,也就意味着加热炉罩和卷取机具备分离进而实现在/离线模式,其相关开卷取辅助设备也相对复杂.同时,法塔亨特公司认为,炉卷状态热温轧不仅适用于来料为铸轧带坯,也可以进行铸锭热轧开坯后的连续化卷式法生产,但公司并未进行该项工艺的实践^[7].

另外,国内外有色金属加工及设备研制相关专家和技术人员也在考虑能否采用在铝、铜、锌等有色金属板带生产领域使用的哈兹列特生产工艺和装备进行镁合金薄板带的生产.目前,用于镁合金板带工业化生产的哈兹列特工艺和设备正在研制开发中^[8].

利用炉卷轧机对镁合金铸锭进行热轧开坯减薄后进而实现左右炉卷保温或补热状态下连续带式法轧制的最大难点为:不同于钢卷在厚度20～25 mm就可以进行卷取轧制,生产实践表明,镁板带在4～8 mm厚才可能实现热温卷取连续轧制,如果工业化批量生产,其厚度更应该严格限制到4 mm左右.而实际上,镁合金板带热轧至4～6 mm时,就需要待温进行第二阶段温冷轧或者是下线进行表面氧化缺陷层的去除后再加热温轧.同时,考虑到铸锭尺寸、料卷规格、板带长度、温降、机组配置等,如无技术突破,无论从生产成本考虑,还是轧制及温控技术的复杂性方面,炉卷轧机以热轧开坯方式进行连续卷式法生产都面临较大的考验及难度.但炉卷状态下对铸轧料卷进行生产(铸轧来料厚度一般在6～8 mm),优势非常明显,也具备产业化生产的可能,关键为左右卷取加热炉的设备设计必须能够满足工艺生产需求,同时,双辊铸轧也需突破带坯宽度的限制.

通过对目前镁合金板带材生产技术、工艺设备、产品应用、研发现状等方面的综述,分析了其生产与应用的特点,探讨了其发展趋势与前景,尤其是卷式法生产的可能.