鎂合金薄帶材軋制新進展

王祝堂

(中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會，北京100814)

鎂及鎂合金是一類密度極小的結(jié)構(gòu)材料，具有比強度、比剛度高，電磁屏蔽和減震性能優(yōu)良，且鑄造性能優(yōu)越，適宜批量壓鑄，在交通運輸裝備和電子器件領(lǐng)域有著廣泛的應用。近些年來，由于個人電子設(shè)備的高速增長，提高車輛燃油效率呼聲日益高漲，減輕其自身質(zhì)量迫在眉睫，而鎂合金在這方面具有特別強的競爭力。然而由于鎂合金的價格高、成形性能較低削弱了它的競爭力，限制了其應用范圍的拓寬，尤其是薄板帶的應用，因為在當前的生產(chǎn)技術(shù)條件下，工業(yè)化生產(chǎn)薄板帶的難度比生產(chǎn)擠壓材、模鍛件、鍛件、壓鑄件與鑄件大得多，擴大薄板帶的應用，更有助于眾多裝備與器材的輕量化。

鎂為密集六方(HCP)晶體結(jié)構(gòu)，室溫塑性較差。迄今，所有的薄鎂板都是用小錠熱軋的，熱軋溫度250～450℃，因此，生產(chǎn)薄板時必須進行幾次離線加熱才能繼續(xù)軋制，軋制溫度必須保證在以上區(qū)間。薄板是一塊一塊軋制的，不但成本高，勞動強度大，效率低、成材率低，而且品質(zhì)得不到保證，性能與尺寸穩(wěn)定性差，所以必須研發(fā)高效的、技術(shù)含量高的鎂薄帶軋制工藝與裝備。近些年來，中國、德國、澳大利亞、韓國等在雙輥式連續(xù)鑄軋鎂合金帶坯工藝方面取得了長足的進展，可直接鑄軋成大帶卷，帶坯厚度4～7mm，但還不能高效地軋制出市場競爭力強的薄帶材。如何解決這一問題，開發(fā)新的鎂帶卷軋制技術(shù)與裝備，如同軋制鋁帶卷那樣優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，是對冶金工作者與軋制裝備設(shè)計工程師的一個嚴峻挑戰(zhàn)。

1 法塔亨特公司的中試軋制-加熱生產(chǎn)線

美國法塔亨特公司2010年設(shè)計制造的可逆式軋機及由一些附屬設(shè)備組成的中試生產(chǎn)線(圖1)于2011～2012年在UT-Battelle ORNL(Oak Ridge National Laboratory，橡樹嶺國家實驗室)投入中間試驗，取得了階段性的成效，完全能批量生產(chǎn)可滿足用戶需求的鎂板帶，不但可進行工業(yè)化生產(chǎn)，而且改善所軋帶材的顯微組織，提高其可塑性與成形性能，保持良好的表面特性，并使軋制后的熱處理減至最低限度。中間試驗由三個單位實施，法塔亨特公司提供生產(chǎn)線的成套設(shè)備，橡樹嶺國家實驗室提供廠房與必要的技術(shù)支持，英國伊利可創(chuàng)鎂業(yè)公司北美公司提供原材料及人力資源，并參與材料各項性能、組織的冶金評價。

圖1 美國橡樹嶺國家實驗室的鎂帶中試熱軋線

1.1 初步投產(chǎn)試驗

2012年在南加利福尼亞(Southern Califonia)的一企業(yè)進行了初步投產(chǎn)試驗，成功地試產(chǎn)出鎂合金帶材。軋制生產(chǎn)線來料帶坯規(guī)格，厚≤12.7mm，寬≤250mm，對軋制速度可進行同步或非同步控制?，F(xiàn)在的進料輥道適于塊片進料，但將來可改為帶卷進料。該軋制生產(chǎn)線是美國2012年最優(yōu)秀發(fā)明創(chuàng)新100項之一，并取得美國實用專利。

1.2 熱軋線組成

中試熱軋生產(chǎn)線的基本組成單元為1臺4輥可逆式熱軋機(也可以用2輥或6輥軋機)；軋機兩側(cè)各有1臺熱卷取/開卷機，可將鎂合金帶卷加熱和保持在既定的溫度范圍內(nèi)；1套軋機驅(qū)動系統(tǒng)，可以在非對稱軋制鎂板時獨立驅(qū)動工作輥；可裝/卸帶卷的工作臺(圖2)

1-1號熱卷取/開卷機；2-4輥可逆式熱軋機；3-2號熱卷取/開卷機；4-出料側(cè)喂料夾送輥；5-惰氣冷卻區(qū)；6-剪切機；7-輥矯機導向輥；8-卷取/開卷機組

1.3 基本特點

法塔亨特鎂帶軋制中試生產(chǎn)線具有以下特點：

——可實現(xiàn)可逆式多道次軋制，帶材溫度始終保持在200～450℃；

——可進行中間退火處理，軟化帶材組織；

——工作輥速度可同步，也可異步。在異步軋制時，可向所軋帶材導入更多機械功和熱，從而可減小鎂密集六方晶體結(jié)構(gòu)的主平面織構(gòu)，因此所軋帶材的可塑性及低溫成形性能都得到改善；

——在運轉(zhuǎn)的任何時候可全程提升軋制速度，加快變形速度；

學生學習完“植物激素調(diào)節(jié)”后，進行探究活動。由于該活動開放性較大，因此教師可提前1～2周布置任務。學生自行組隊分工，利用課余時間查閱資料，然后設(shè)計探究方案。某小組同學設(shè)計了如下的探究不同濃度2，4-D對柳樹枝條生根的影響的方案：

——一個工作輥的直徑作了適當減小，以便在異步(非對稱)軋制鎂帶時能適應接觸弧長最小的情況下，仍有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度與強度去平衡軋制負載的上升；

——輥縫的高速調(diào)控是通過液壓系統(tǒng)進行的，因而調(diào)得又快又準，可得到厚度偏差均勻穩(wěn)定的帶材；

——每道次的壓下率可達到恰如其分的最大值，使軋制帶材有細小均勻的晶粒組織，各項力學性能得到全面提升；

——工作輥彎曲系統(tǒng)強而有力，可軋制板形好的帶材；

——可進行片-片軋制，也可實現(xiàn)片-卷軋制，是一條技術(shù)水平高的鎂帶連續(xù)軋制中試生產(chǎn)線，可生產(chǎn)部分商品。

2 軋制線結(jié)構(gòu)簡介

這條生產(chǎn)線用于將雙輥式連續(xù)鑄軋鎂帶坯熱軋成薄帶材，在軋機的兩側(cè)各有1臺熱卷取/開卷機，在右端有一開卷/重卷轉(zhuǎn)軸。軋好的熱帶卷由小車運走，待軋的冷鑄軋帶卷由小車從貯料區(qū)運來，轉(zhuǎn)軸有可脹縮芯桿，其作用是支撐鑄軋帶卷運送到軋制線上，在卷取熱軋帶時可向帶材施加張力。開卷轉(zhuǎn)軸也可使帶卷側(cè)向移動，從而在軋制過程中保持帶卷與軋制中心線一致。

2.1 備料臺

在開卷/卷取轉(zhuǎn)軸之后有帶卷準備裝置即備料臺，由帶材修整機、帶偏轉(zhuǎn)輥的夾送輥和矯平機組成。夾送輥的作用是將待軋帶卷的第一圈送入軋機輥縫，夾住軋后帶卷的最后一圈帶材。

2.2 剪刀與加熱系統(tǒng)

1-進料側(cè)穿帶夾送輥；2-1#熱卷取機

2.3 軋機

帶材離開第一臺(左)熱卷取機后，通過夾送輥與糾偏輥向軋機前進。糾偏輥與夾送輥可以減小熱卷取機的開啟度，使帶卷的熱損失降至最少，在一卷軋完后能托住帶材尾，同時使后一卷帶材頭部被軋機咬入。帶材通過夾送輥與糾偏輥后隨即通過測厚傳感器，它可以向上抬起至一定高度。厚度傳感器安于C形框架上，軋機兩側(cè)各有一個。

工作輥輥縫大小可通過雙向動作的負載液壓缸(安于每個機架頂部)調(diào)控。每個液壓缸各有一個位于中心的位置轉(zhuǎn)換器與一些低摩擦的密封件。液壓缸底安有楔形塊系統(tǒng)，可保持軋制線恒定。在機架底部裝有漏油接收盤，可收集漏出的潤滑油，在冷卻液收集盤的上方安裝有鋼絲網(wǎng)，可收集掉落的各種固體物。工作輥彎曲桿與機架相連，可向工作輥施加強大的液壓機械力促使其彎曲，使軋制的帶材具有良好的板形，彎輥機械力由液壓缸發(fā)出。

工作輥和支承輥軸承設(shè)有降溫冷卻系統(tǒng)，工作輥和支承輥的內(nèi)外都有電阻加熱元件。電阻元件沿輥的縱軸對稱分布，電阻加熱元件封裝與可膨脹的銅合金殼內(nèi)與工作輥緊密接觸，可快速且均勻地加熱工作輥，加熱功率可調(diào)。工作輥的外部加熱采用減應法，沿輥面寬度分區(qū)加熱，采用這種內(nèi)外加熱法可迅速將工作輥加熱到預定溫度。內(nèi)部加熱元件可將工作輥最高加熱大350℃，加熱溫度可根據(jù)所軋帶材的板形要求隨時調(diào)控，板形測量數(shù)據(jù)與加熱溫度調(diào)控器實行閉環(huán)控制。

上下工作輥都設(shè)有刷輥器以刷除輥面粘鎂，刷輥器可振蕩擺動并帶有真空吸塵系統(tǒng)。冷卻潤滑劑噴淋管設(shè)在工作輥的上下方，兩側(cè)都有，可隨時向輥面噴灑，可根據(jù)需要使輥面保持干的、濕的、潤滑的、大量噴淋的4種狀態(tài)，噴淋管沿輥面寬度分區(qū)控制。軋機上方設(shè)有煙氣抽吸系統(tǒng)以保持良好的工作環(huán)境。

2.4 工作輥的驅(qū)動

工作輥通過齒輪減速機、傳動軸由電機獨立驅(qū)動，工作輥軋制速度可單個獨立調(diào)控，以便實現(xiàn)異步(不對稱)軋制時產(chǎn)生足夠的剪力進行切向軋制，使所軋鎂帶具有良好的織構(gòu)和均勻的顯微組織，在后續(xù)加工時具有大的塑性與高的成形性能，便于制造形狀復雜的零部件。

3 第二種熱軋線

不論是前面介紹的中試熱軋線還是即將介紹的第二種熱軋線都是全自動化軋制的，各項工藝參數(shù)諸如軋制道次、軋制溫度、壓下率、厚度、速度、外型與帶材的最終板形都由電腦自動調(diào)控。圖2所示的第一種熱軋線中有一組單獨開卷/卷取機組，軋制時計算機能確保經(jīng)最后一道軋制后能準確進入左邊的卷取機。

在右熱卷取機的進帶側(cè)有一穿帶臺，控制進料狀態(tài)。當帶材進入卷取機后帶材冷卻系統(tǒng)立即啟動，使帶材溫度降至可以卷取的設(shè)定溫度。冷卻至哪個溫度取決于鎂帶的最終用途。帶材在吹風冷卻后還可以根據(jù)用途進行補充霧冷或水冷，在霧、水冷卻后，帶材的潮氣與水由氣刀吹凈。吹干的帶材由夾送輥、糾偏輥平穩(wěn)地送進卷取機，以最佳的卷取角將帶材卷成松緊度合適的帶卷。在卷取過程中由板形輥檢測帶材的平直度，卷好的帶卷由電動小車運走。

圖4為第二種鎂帶熱軋生產(chǎn)線示意圖。這條生產(chǎn)線有兩套獨立的開卷/卷取機組，并有主動式熱輥道，以便可逆軋制鎂薄板或厚板。這條生產(chǎn)線既可以軋制鑄軋帶坯，也可以軋制鑄造錠坯。輥道臺上下方有熱空氣噴吹系統(tǒng)，可將錠坯從室溫加熱到(約)500℃。在軋機的兩側(cè)設(shè)有熱輥道臺與熱卷取機，以確保帶材在規(guī)定溫度范圍內(nèi)一道次一道次地軋到最終厚度。

4 結(jié)束語

本文簡要地介紹了法塔亨特工程公司、伊利可創(chuàng)鎂業(yè)北美公司、美國橡樹嶺國家實驗室聯(lián)手對雙輥式連續(xù)鑄軋帶坯在中試熱軋線上進行了可逆式熱軋，取得了階段性的成果，是鎂合金薄帶材生產(chǎn)的新里程碑。試驗表明，盡管軋制的帶材較窄，但無可爭辯地證明生產(chǎn)線的裝備設(shè)計制造先進，軋制工藝可行，完全可以移置到寬帶的商業(yè)生產(chǎn)線上，進行800～1200mm寬的鎂合金薄帶商業(yè)化生產(chǎn)的時日不會遙遠了。

1-開卷機；2-糾偏輥與輥式矯機；3-剪床；4-進帶側(cè)夾送輥；5-1#熱卷取機；6-4輥可逆式熱軋機；7-2#熱卷取機；8-出帶側(cè)夾送輥；9-空冷區(qū)；10-出帶側(cè)夾送輥；11-卷取機

軋制薄鎂合金帶的關(guān)鍵裝備是加熱系統(tǒng)與自動化控制設(shè)備，而加熱設(shè)備與加熱方式是關(guān)鍵的關(guān)鍵，包括對帶材、軋輥和帶卷的加熱，軋制最好在340～380℃進行。

中國2005年洛陽銅業(yè)公司、銀光鎂業(yè)公司就鑄軋成功寬約500mm的、質(zhì)量達500kg的鎂合金帶卷，以后有些企業(yè)鑄軋成功寬1200mm的帶卷，但在工業(yè)化生產(chǎn)薄鎂帶(厚≥0.2mm)方面還沒有取得突破性的成就，其關(guān)鍵是受制于裝備水平。如果法塔亨特公司寬可逆式熱軋生產(chǎn)線成套供應有可能的話，也可以考慮引進。

鎂合金厚板(>6mm)必須用傳統(tǒng)的鑄錠熱軋法生產(chǎn)。

當前，如何較大幅度地降低鎂材的生產(chǎn)成本是鎂行業(yè)面臨的嚴峻挑戰(zhàn)之一，只有在鎂材價格僅比同規(guī)格同用途鋁材價格高四五倍時，鎂材在輕量化裝備與器材方面的應用才會有較強的競爭力，否則推廣鎂在軌道車輛與機動車中的應用有較大難度。

中國是一個世界鎂業(yè)大國，也已進入世界初級強國行列，但要成為一個真正的鎂業(yè)強國，還有一段較長的路要走。筆者衷心地希望，本文提供的信息對中國鎂板帶生產(chǎn)有一定的借鑒作用。在鎂合金帶材軋制中必須解決帶材、帶卷等加熱與裝備、工藝自動化問題。否則，很難生產(chǎn)出組織性能上乘穩(wěn)定、尺寸偏差精準的有市場競爭力的產(chǎn)品。

[1]Roberto Passoni, Chris Romanowski etc. New Reversing Rolling Mill Can Make Magnesium Sheet Commercially Viable[J], LIGHT METAL AGE, FEBRUARY 2013：53-55