鎂合金板材的生產歷史與研究現狀

丁云鵬，崔建忠，樂啟熾，張志強，寶磊

（東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室，沈陽 110819）

鎂合金作為質量最輕的金屬結構材料，具有比強度高，彈性模量大，消震性好，承受沖擊載荷能力大，電磁屏蔽性能優異，易被回收等優點，被稱為“21世紀的綠色環保結構材料”［1—2］，已被應用于汽車制造、軍工、航空航天和3C 產業等行業［3—4］。近年來，隨著環保問題和能源危機的不斷加劇，對結構件輕量化、綠色環保以及可回收性的要求不斷提高，使得鎂合金的研究和開發受到國內外研究者及工業廠商的廣泛關注。

我國是鎂資源大國，菱鎂礦儲量世界第一，占世界已查明儲量的60%［5］，而且具有世界各國難以比擬的質量優勢和可規模開采經營優勢;同時我國對汽車、飛機和3C產品等的巨大需求，為鎂合金板材的應用提供了廣闊的市場，所以將我國的能源優勢轉化為產業優勢，成為了鎂合金行業發展的重中之重。鎂合金板（帶）材是高技術含量、高附加值的產品，是提升鎂行業技術水平與經濟效益的重要選擇。因此，發展鎂合金板材成形技術成為我國鎂業搶占深加工產業高地和推廣鎂應用的一個關鍵問題，進行鎂合金板材成形工藝研究，具有很大的理論和應用價值。

鎂合金的hcp結構導致其室溫塑性變形能力差，成為了板材成形技術發展的主要障礙之一。鎂合金板材的生產開始于20世紀初，之后在曲折中發展。目前，鎂合金板材的生產主要通過軋制工藝來實現。近來國內外學者及工業廠商對此做了大量的嘗試和研究工作。文中旨在總結鎂合金板材的生產歷史和研究現狀，探討板材制備工藝的研究方向。

1 鎂合金板帶生產歷史與技術發展

1.1 概況

鎂于1774年首次被人們發現，并以希臘古城Magnesia命名，元素符號為Mg，屬于周期表中A族堿土金屬元素，相對原子質量為24.305，純鎂的密度為1.738 g/cm3（僅為鋁的2/3，鋼鐵的1/4），是輕金屬的一種。鎂與鋁基本上在相同時期被發現，但Alfred Wilm在1906年發現了鋁合金時效強化效應，從而大大促進了其產量的提升，而鎂合金由于相應的關鍵性技術并未實質性改善，導致其長期發展緩慢。而近來來自節能和環保的壓力，大大促進了鎂合金產業的發展。

目前，世界上鎂的消費主要集中在三大領域:鋁合金生產、鎂壓鑄生產及煉鋼脫硫，這三者占其總消費量的大部分［6］。鎂合金產品多以壓鑄件為主，而塑性加工產品較少。在整個鎂合金應用中，變形鎂合金所占比例約為10%左右。但隨著鎂合金應用的不斷發展，提高鎂合金塑性加工產品的制備水平，拓展鎂合金塑性加工產品的種類，對我國的經濟技術發展、環境保護及提高國防水平都有著十分重要的意義［1］。

圖1所示為鎂合金技術發展過程示意圖。從圖中可以看到，鎂合金板（帶）材是鎂合金技術發展的高級產品。發展鎂合金板材具有重要意義:首先，發展鎂合金板（帶）材是擴大鎂合金應用上規模、上檔次的必由之路;其次，鎂合金板（帶）材是高技術含量、高附加值的產品，是提升鎂行業技術水平與經濟效益的重要選擇;再次，鎂合金板（帶）材是交通工具輕量化的基礎結構材料，是輕量化-節能、減排的重要措施。

圖1 鎂合金成形技術發展過程示意圖［7］Fig.1 Development of magnesium alloy forming technique

1.2 鎂合金板帶生產的歷史［8］

1808年Humphrey首先從汞合金分餾出汞和鎂。1852年Buhsen第一次用電解法在氯化鎂中電解鎂。1886年在德國Bremen附近創建了世界第一個電解鎂廠。1910年世界年產鎂僅約10 t，到1930年增長到了 1200 t以上［9］。

鎂合金板材的生產開始于1930年代，美國道屋（Dow）化學公司首先采用半連續DC鑄造生產板坯，以二輥軋機軋制板材，開始了鎂合金板材的生產，并曾經出口到納粹德國;二戰期間，鎂工業獲得了飛速發展。從1935年開始，德、法、奧、意、前蘇聯等國分別新建了鎂廠，其中德國鎂薄板產量達到月產300 t的規模，大部分為AM503鎂合金板材;也采用AZM鎂合金在150 MN的鍛壓機上壓制生產了2500 mm長，700 mm寬的鎂合金板帶，用于制作重型炮架。二戰結束后，德國的鎂合金研究與應用被禁止，此禁令1949年后被解除。前蘇聯在1930年代中期開始了鎂合金軋制試驗。在鋁合金板材軋機上進行了MA3鎂合金（相當于AZ31）的軋制生產;采用擠壓坯料在加熱軋輥條件下熱軋生產出了1 mm厚的鎂合金板。1946年，在英國伊利可創鎂鋁公司（Magnesium Elektron），Ansel和 Betterson在配有高速立輥（183 m/min）的二輥可逆鋼軋機上軋制AZ31扁坯，不經中間退火繼續在四機架四輥精軋機上以高達379 m/min的速度進行軋制。同年，在鋼鐵軋機上把ZW3扁坯以152.5～183 mm/min的速度不經中間退火初軋為5.1 mm×5.1 mm棒條和30.5 mm×1.9 mm薄板。他們采用二輥可逆軋機加熱軋輥熱軋開坯，精軋也是二輥可逆軋機，軋速一般為61～76 m/min，主要生產低合金的AM503（Mg-0.2Al-1.3～2.5Mn-0.3Zn）板材。

美國道屋（Dow）化學公司于1950年代，在Madison建立了世界上第一臺按鎂合金要求設計的四輥軋機，2133 mm可逆熱軋機，熱軋輥直徑686 mm，支承輥直徑1346 mm，軋輥不可加熱。開發了連續帶材軋制與卷曲技術，是變形鎂合金技術歷史的重要里程碑。Madison廠主要為美國軍工服務。鎂合金板被用于機翼與尾部前緣蒙皮、噴氣式發動機吊艙、整流罩等，美國B-36轟炸機（未投產）的鎂合金薄板用量達到5555 kg;KC-135噴氣式空中加油機的單機鎂合金板重達590 kg;1957～1960年生產了大量的HK31和HM21等含Th的鎂合金（高溫性能優良）板材，被用于美國的核武器制造。期間發生了多次爆炸事故，死傷很多工人。Dow公司鎂合金軋制相關設備在1986年被賣給Spectrulite公司，后者2003年破產后又轉手給伊利可創北美公司。該公司現在仍然是世界上主要的鎂軋制生產公司。另外，美國Brooks and Perkins公司于1952年（抗美援朝時期）從Alcoa購買了三機架軋機，在底特律建立了鎂軋制廠;隨后擴大了軋制規模并建立了鎂合金板坯鑄造廠。

1.3 鎂合金板帶生產技術發展情況簡要介紹

在鎂合金板材生產歷史中，軋制是板材制備的主要方法［10］。除1930年代德國采用鍛壓機壓制生產了用于制作重型炮架的長2500 mm，寬700 mm的AZM鎂合金板外，大部分都采用軋制生產的方法。傳統鎂合金板材生產的主要技術路線包括:鑄錠-軋制法、鑄軋法和擠壓-軋制法。

早期鎂合金板生產均采用鑄造-熱軋開坯法進行生產，例如1930年代的美國道屋化學公司就首先采用二輥軋機用半連續DC鑄造生產的板坯來軋制生產板材。Dow公司于1950年代，在Madison建立了世界上第一臺鎂合金專用四輥軋機;并開發了連續帶材軋制與卷曲技術，成為變形鎂合金技術發展歷史的重要里程碑。2002年，德國SZMT（Salzgitter Magnesium Technologie GmbH）公司采用鑄錠軋制法生產了1000 mm×1500 mm或1500 mm×2000 mm的寬幅鎂合金板帶。

由于鋁鑄軋技術的成熟，1980年代起鎂合金鑄軋研究開始出現。1980年代 Hunter和 DOW公司［12］開發了鎂帶的雙輥鑄軋技術，并成功生產出多卷鎂合金帶材，但是由于當時鎂合金板材的市場尚未形成，最終放棄該項研究計劃。2001年Thyssen Krupp［13］公司建立了第一臺鎂合金專用鑄軋機;澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）［14］從2000年開始鎂鑄軋研究，致力于鎂合金鑄軋和終軋技術的一體化建設，2004年宣布成功生產出寬100～600 mm，厚 2.3～5 mm 的 AZ31，AZ61，AM60 和AZ91鎂合金板材樣品。2008年，土耳其材料研究院（TUBITAKMRC）［11］采用雙輥連續鑄軋技術生產了6 mm×（800～1500）mm的AZ31鎂合金板，并可以被連續卷曲或在線切割成平板。圖2所示為1500 mm寬幅鎂合金板的鑄軋和卷曲過程。韓國浦項鋼鐵公司（POSCO）［12］于 2007年建立了年產3000 t的鑄軋板生產線，最大板寬530 mm，2010年與Magnesium Elektron合作，2011宣布軋出2000 mm寬鑄軋卷。德國SZMT公司和日本住友鋁業也進行了相應的研究和生產實踐。

圖2 1500 mm寬幅鎂合金板的鑄軋和卷曲過程［11］Fig.2 Photographs of 1500 mm wide AZ31 magnesium alloy sheet during twin roll casting process and coiling process

為提高鎂合金板帶的軋制成形性，開發出了采用晶粒細小的擠壓板坯進行軋制。前蘇聯在1930年代中期采用擠壓坯料在加熱軋輥條件下，在鋁合金板材軋機上進行了MA3鎂合金（相當于AZ31）的軋制生產，生產出了1 mm厚的鎂合金板。

1.4 我國鎂合金板帶生產歷史與現狀介紹［15］

我國是世界上的鎂大國，菱鎂礦儲量居世界首位，約為27億t，占全球儲量的60%，礦石品位超過40%［16—17］。我國的鎂工業起步較晚，20世紀60年代才形成工業規模，但我國具有豐富的能源和廉價的勞動力資源以及政府的高度重視和引導，以及民營企業的積極參與等優越條件。1990年以來，鎂工業獲得了飛速發展，產量成倍增加。2012年，中國原鎂產量為65.5萬t，增長了6.5%，占全球的市場份額是84.5%。中國原鎂消費量25.8萬t，增長了12.2%，占全球的34.8%。我國是全球增長最快的鎂市場，已成為世界上鎂生產大國和出口大國［18］，但還不是鎂業強國，特別是在鎂合金材料的研制開發與應用方面與世界先進水平還有一定的距離［9］。

直到1958年在東北輕合金加工廠才開始采用鑄錠-軋制法生產鎂合金板材，但1960年停止，將鎂板生產轉移到了洛陽銅加工廠即現在的中鋁洛陽銅業公司。1965年中鋁洛陽銅業有限公司鎂材分廠（以下簡稱洛銅公司）建成并全面投產。采用鑄錠-軋制法在φ750 mm×1600 mm二輥可逆式軋機上生產規格為（12～32）mm×（950～1200）mm×（410～3700）mm的厚板和規格為（0.8～6）mm×（1000～1500）mm×（3000～4000）mm的薄板，生產的鎂合金主要有 MB1，MB2，MB3，MB8等。2005年5月9日，規格為6 mm×600 mm的AZ31B鎂合金帶坯鑄軋成形技術試制成功，讓我國成為繼德國、澳大利亞之后第3個掌握該技術的國家。其產品通過了美國軍工ASM4377標準的全部要求，已批量供給波音公司。洛銅公司采用1988年引進鑄軋鋁帶坯的亨特雙輥式鑄軋線并對熔體供流系統作了必要的改進后，用于生產鎂合金帶坯。該鑄軋生產線的主要技術參數為:規格φ980 mm×1400 mm，最大軋制力為15 000 kN，最大軋制速度為2 m/min，帶坯厚度為6～10 mm，帶坯最大寬度為1270 mm，帶卷最大質量為5 t。洛銅公司6 mm厚的AZ31B合金鑄軋帶坯的典型力學性能為:硬度HV0.5=70，Rm=210～240 MPa，Rp0.2=160～200 MPa，A=3% ～6%。

山西銀光鎂業集團與福州華美新技術公司合作，于2006年5月在山西聞喜建成了一條年產5000 t的鎂合金雙輥異步連鑄連軋板材生產線，所生產的鎂合金板帶幅寬600 mm，厚5～10 mm。圖3為聞喜銀光公司的鑄軋板卷生產線。其生產流程為:鎂合金錠熔化→鎂熔體輸入流嘴→鑄軋→雙輥單機架軋機軋制→剪切→矯直→加熱→精軋→后處理→成品包裝，所制得的鎂合金板材晶粒尺寸保持在10 μm 左右。

圖3 聞喜銀光公司的鑄軋板卷生產線Fig.3 Photographs of extrusion-rolling production line of magnesium alloy sheet in Wenxi silver company

營口銀河鎂鋁合金公司與東北大學合作，于21世紀初開始采用擠壓-軋制法生產400 mm寬的AZ31鎂合金薄板。如圖4為營口銀河擠壓-軋制板材生產線。2011年7月營口銀河鎂鋁合金有限公司以東北大學崔建忠課題組為技術支撐，投資2.4億元在營口開始建設年產2000 t的高質量寬幅鎂合金板材生產線。本生產線采用鑄錠-軋制法生產鎂合金板材。厚板熱粗軋和薄板卷精軋生產線在2013年末建成并投產。圖5為營口銀河公司的鎂合金板材軋制和卷曲的生產線，可生產最大幅寬1600 mm、厚度范圍8～100 mm的AZ系鎂中厚寬板;厚度≥2.5 mm、幅寬≤1500 mm或厚度≥1.0 mm、幅寬≤800 mm的鎂合金薄板和厚度≥0.3 mm、幅寬≤350 mm、最大卷重可達1000 kg的鎂合金薄板卷。圖6為營口銀河公司生產的鎂合金厚板、薄板和卷板照片。

圖4 營口銀河公司鎂合金板材擠壓-軋制板材生產線Fig.4 Photographs of extrusion-rolling production line of magnesium alloy sheet in Yingkou galaxy company

圖5 營口銀河公司鎂合金板材軋制和卷曲生產線Fig.5 Photographs of rolling and coiling production line of magnesium alloy sheet in Yingkou galaxy company

圖6 營口銀河公司生產的鎂合金厚板、薄板和卷板照片Fig.6 Photographs of magnesium alloy plate，sheet，and coiled sheetin Yingkou galaxy company

目前國內從事鎂合金板板材生產的企業主要有:中鋁洛陽銅業有限公司、山西銀光鎂業集團、福州華鎂公司和營口銀河鎂鋁合金公司等企業。充分利用我國豐富的鎂資源，加強鎂及鎂合金的應用，研究深加工制品的開發，發展鎂合金板材高效低成本的軋制技術，是我國發展鎂工業的首要任務［9］。

2 鎂合金板帶制備技術的研究進展

鎂具有密排六方結構，室溫下變形{0001}基面的＜11-20＞方向滑移提供的3個滑移系，不能滿足需要5個滑移系的多晶體塑性變形協調性原則，所以其塑性變形能力較差，故鎂合金軋制需在再結晶溫度以上進行。另外鎂合金體積熱容較小，僅1781 J/（dm3·K）［19］，塑性變形時與較冷的模具接觸，局部溫度會迅速降低。而且導熱速率較差，導致坯料對局部溫降區域的補溫能力有限。這使得熱變形加工時溫度不均勻，易發生邊裂和裂紋。相對于其他金屬材料而言，鎂合金的熱加工溫度范圍較窄。這些因素導致鎂合金板材加工較鋁合金要困難很多，所以研究和改進鎂合金板帶的制備工藝和制備方式，提高其成形性，以得到力學性能優良、二次成形性好的板材，是現在急需解決的問題。

2.1 傳統制備技術

軋制是鎂合金板材制備的主要方法［10］。軋制過程可以細化晶粒，改善組織并顯著提高合金的力學性能。傳統鎂合金板材生產的主要技術路線包括:鑄錠-軋制法、鑄軋法和擠壓-軋制法。

2.1.1 鑄錠-軋制法

鎂合金板材鑄錠-軋制法是指在軋機上通過對鎂合金鑄錠進行熱軋（再結晶溫度以上）和溫軋（再結晶溫度以下、回復溫度以上）來制備鎂合金板材［20］，有時也在最后采用冷軋［5］。鎂合金板材常規生產工藝流程如圖7所示。這是合金含量不高、塑性加工性能較好的Mg-Mn系（Mn＜2.5%（質量分數））、Mg-Zn系、Mg-Li系和 Mg-Al-Zn系鎂合金常采用的板帶制備工藝［19］，例如 Mg-Mn系的MB1和MB8合金，Mg-Al-Zn系的AZ31B合金，Mg-Li系的LAl41合金等［21］。表1為幾種常用鎂合金的軋制規范。目前研究較多的是AZ31系列鎂合金的軋制。

鎂合金在再結晶溫度以上軋制時，可激活棱柱面及錐面等潛在滑移系，使合金的塑性顯著提高。熱軋溫度通?？刂圃?50～450℃，道次壓下量通常在10%～25%左右。加熱一次后可多道次軋制，但要保證軋件始終在熱軋范圍內。在熱軋過程中，為減少中間補溫次數，常采用軋輥控溫軋制。即通過軋輥控溫裝置使軋輥溫度保持在100～160℃的范圍內。鎂合金熱軋主要是生產中厚板以及為溫軋和冷軋薄板生產板坯［22—23］。

溫軋是合金化程度相對較高的難變形鎂合金常采用的終軋工藝，其目的是在一定的溫度下實現較大壓下量軋制，從而得到了強度優于熱軋且較薄的板材。但是溫軋工藝范圍窄，尤其溫加工溫度區間小，常將開軋溫度控制在230℃左右，而鎂合金體積熱容小、傳熱快，軋制時溫度很難保證均勻，尤其是薄板帶，故實施難度較大，大規模生產時工藝難以控制［22—23］。

圖7 鎂合金板材常規生產工藝流程圖［19］Fig.7 The conventional production process flow chart of magnesium alloy sheet

表1 鎂合金板的典型軋制規范［19］Table 1 Typical rolling rules for magnesium alloy sheet

雖然鎂合金的冷變形能力很差，但冷軋工藝可提高板帶力學性能、尺寸精度和表面質量，容易滿足工業化大生產的要求，故也常采用。為防止軋制嚴重開裂，必須嚴格控制道次壓下量及冷軋總變形量。一般道次壓下量要小于5%，總變形量不超過20%［23］。而道次壓下量和總變形量會受到合金成分及熱軋工藝和熱軋板組織的影響。通常AZ31的冷軋總變形量可達到16%，而MAI鎂合金總變形量則可達到50%以上［7］。

2.1.2 鑄軋法

雙輥薄帶連續鑄軋技術（英文簡稱TRC-twin roll casting或TRSC-twin roll strip casting）是冶金及材料領域內的一項短流程、低成本板材生產技術，分為水平雙輥鑄軋和立式雙輥鑄軋。這項技術在鎂合金方面的成功開發僅有10年。圖8為雙輥連續鑄軋薄帶過程的示意圖［24］。它是以2個逆向旋轉的軋輥作為結晶器，將熔融狀態下的金屬液體澆入由一對等徑鑄輥及其兩側的側封板圍成的熔池中，鑄輥同時起到鑄造和軋制雙重作用，直接鑄成薄帶的新工藝［25］。澆注時應盡可能采取較低的澆注溫度，以降低熔體的氧化速度。鎂合金融體的最佳澆注溫度應控制在熔點以上15～25℃［26］。雙輥鑄軋將鑄造和塑性加工合為一體，使鎂合金溶液在快速冷卻的同時發生塑性變形，由鎂液直接生產出具有壓延組織的板坯或薄板［27］。

圖8 雙輥鑄軋薄帶示意圖［24］Fig.8 Sketch of thin strip by twin roll casting

與傳統成形工藝相比，連續鑄軋技術具有以下優點［5，28］:①工藝流程和生產周期短，生產效率高，成本低，比傳統工藝可節約成本1/3以上;②可對多種材料和新材料實現加工并生產多種規格的板材;③凝固速度快，變形壓力均勻，使板材的上下表面光滑一致，同時變形壓力大，使板材組織更加致密，減少合金的氧化夾雜，使板材截面的性能連續一致，有利于熱軋、沖壓等后續加工。鎂合金板材的鑄軋法存在的問題:氧化夾雜難以排除;鑄板的表面缺陷和內部偏析缺陷難以控制;寬幅板材生產困難;塑性變形能力和力學性能均難以達到鑄錠熱軋板材水平。但鎂合金雙輥連續鑄軋技術具有巨大的技術和經濟發展潛力，而連續鑄軋過程中溶液的晶體凝固規律、晶體生長與控制規律還有待進一步深究［10］。

東北大學已用鑄軋的方法生產出了寬250 mm、厚1～3 mm的鎂合金薄帶，并采用熱軋或冷軋的方式對板帶進行了后續加工。研究表明:鑄軋方法得到的鎂合金板帶顯微組織更加細小、均勻，夾雜物減少，且彌散分布，板材性能顯著改善且具有良好的后續軋制性能，橫向、縱向均實現了20%以上的壓下量，最大可達50%，為進一步加工成最終產品創造了條件［25，27］。

2.1.3 擠壓-軋制法

所謂擠壓-軋制法，就是通過熱擠壓開坯然后軋制成形的鎂合金板帶制備工藝。用擠壓-軋制法具有比鍛造和軋制更為強烈的三向壓應力狀態，擠壓應力狀態更接近靜水壓力，可以最大限度地發揮其塑性，有利于克服因鎂合金塑性差、溫降快而易產生邊裂和裂紋的缺點。擠壓可為后續的軋制提供細小均勻的組織，利于制備性能更好的鎂合金板帶卷。對一些合金含量較高的鎂合金，用常規方法生產的鑄錠軋制性能較差，因此常采用擠壓坯進行軋制［19］。其主要缺點是板材寬幅有限，設備投資大，壓余和縮尾導致廢料損失較多，生產效率低。

東北大學崔建忠課題組的張志強等人［29—30］對擠壓-軋制法制備鎂合金板帶工藝進行了研究，結果表明:擠壓速度比較低時，板材晶粒尺寸小，板材的表面質量比較好;隨著擠壓速度的降低，各性能都有一定提高。在400℃以16 m/min的速度軋制時，組織均為等軸晶。此工藝軋制的薄板抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為345～350 MPa，290～300 MPa和11.2% ～12%，且各向異性極小。張青來等人［31］研究了擠壓比對AZ31鎂合金薄板性能的影響。結果表明，大擠壓比可明顯細化鎂合金晶粒，通過單向和交叉軋制可獲得平均晶粒尺寸＜5 μm的鎂合金薄板，經退火后，鎂合金薄板中孿晶、位錯和亞結構基本消失，板材具有良好的力學性能和組織結構，獲得了足夠的變形能力。

2.2 制備技術的新發展

目前鎂合金的軋制成形多采用傳統的對稱軋制，雖然可以得到晶粒相對細小的鎂合金組織來提高其力學性能，但是軋制后板材具有強烈的（0002）基面織構，不利于后續加工成形。近年來隨著對鎂合金板帶制備技術研究的深化，通過在原有傳統板材生產設備或方法上的改進以及與金屬成形相關領域新技術的結合，一些新型鎂合金板帶制備技術不斷涌現，使得鎂合金板帶制備技術更加多元化，大大促進了鎂合金板材制備技術的發展，為將來其工業化生產技術的發展提供了更多的選擇。

2.2.1 交叉軋制

交叉軋制是指在軋制過程中改變軋制方向（改變90°），軋制中可以每道次后都改變軋向，也可以保持一個方向軋制多道次后再改變軋制方向［5］。板料轉向后的第一次軋制時壓下量應控制在20%～30%之間。在熱加工狀態下進行多次交叉軋制，基本可消除板材縱向、橫向力學性能的差異［32］。交叉軋制可使板坯長、寬靈活配合，而且能使晶粒均勻細小，降低各向異性，利于提高板材的塑性變形和沖壓性能［7］。但由于軋制方式的限制，交叉軋制增加了板材加工工藝上的難度，不適合大規模、大規格鎂合金板材的制備［5］。

張青來等人研究了軋制方式對AZ31鎂合金板材組織和性能的影響，結果表明:與單向軋制相比，交叉軋制使板材的伸長率顯著提高，強度明顯下降，板材的各向異性顯著改善;交叉軋制可加強材料內部組織的均勻性和等軸性作用，為深沖變形提供良好的內部組織［33］;交叉軋制制備的 AZ31B薄板具有良好的深沖性能［10］。

2.2.2 交叉輥軋制

交叉輥軋制是在上下軋輥成一定的角度下進行的軋制，軋制示意圖［34］見圖9。它改變了傳統軋制成形中板材的拉壓應力應變分布:減小了板材厚度方向壓縮應變和寬度方向的拉伸應變方向性。Yasumasachino 等人［34—36］對與橫向成 7.5°的交叉輥軋制進行的研究表明:較普通的軋制方式，交叉輥軋制晶粒細化，基面織構密度由8.2減小到了5.9。在后續的杯突實驗棱柱面＜a＞滑移和錐面＜a+c＞滑移被激活，故大幅度提高了板材的壓力成形性能。

圖9 交叉輥軋制示意圖［34］Fig.9 The schematic view of cross-roll rolling

2.2.3 累積疊軋

累積疊軋（Accumulative roll-bonding，ARB）就是將板材裁剪、堆垛、軋制，再裁剪進行下次循環，以獲得需要的累積應變量的板材制備方法［37］，其基本原理如圖10所示。累積疊軋由日本大阪大學SAITO等人［38］于1999年首次提出。它克服了軋制時由于材料厚度減小導致的對總應變量的限制，被認為是劇烈變形工藝中最有希望能工業化生產大塊超細晶金屬材料的方法［39］。它的突出特點是通過多次反復復合軋制使材料獲得較大的累積變形量，而軋制后不改變材料的最終尺寸，可有效提高材料的強度并細化組織［40］。它用于制備鎂合金板材存在的問題主要是大塑性變形時易開裂，加熱時易氧化，并且難以制備大尺寸板材。

圖10 累積疊軋原理［38］Fig.10 Diagrammatic representation of ARB process

Perez-Prado等人［37］對 AZ31 和 AZ91 鎂合金在400℃下進行多道次80%累積疊軋，研究表明:ARB工藝對鎂合金的強烈細化能力主要發生在第一道次（4.2 μm）。詹美燕等人［39］研究了累積疊軋對AZ31鎂合金薄板材組織和性能的影響。結果表明:經2道次累積疊軋后大部分晶粒尺寸細化達到1～2 μm左右，而進一步軋制組織均勻性增加。由于晶粒的細化均勻，經5道次軋制后板材室溫強度可增加10%，伸長率可提高40%。

2.2.4 異步軋制

異步軋制（DSR）是一種差速軋制。異步軋制有3種形式:①異徑同速軋制;②同徑異速軋制;③上、下軋輥不同摩擦因數軋制［41］。異步軋制的突出特點是在變形區內無摩擦峰出現，因上下輥中性點位置不同，當軋制時，慢速輥側的中性點向變形區入口側移動，快速輥側中性點向變形出口側移動，使變形區內上下表面的摩擦力相反而形成具有對稱壓縮與剪切變形疊加變形模式的獨特的“搓軋區”［5］，如圖11所示。正是搓軋區的存在使得軋制過程中金屬流變不對稱，進而可以改變板材的織構;同時也可使軋件表而的氧化鐵皮易于脫落，提高了軋件表面的質量。與常規軋制相比，異步軋制可以大大降低軋制壓力與軋制扭矩，降低能耗，減少軋制道次，增強軋薄能力，而且軋制產品厚度精度高、裂邊少、板形較好，可提高軋制效率并可細化晶粒，減弱基面織構，提高板材力學性能和二次成形性能［42—43］。異步軋制技術自20世紀40年代產生以來，異步軋制工藝幾經改進，其軋制原理研究已日臻成熟。

圖11 搓軋區示意圖Fig.11 The schematic view of cross shear zone

Lee 等人［44］和 Kim 等人［45］通過異步軋制獲得的1.4 μm超細晶AZ31鎂合金板材，具有細小均勻的組織和良好的室溫塑性。異步軋制還增大了加工硬化指數，減小了塑性各向異性比，使其室溫沖擊性能得到明顯改善［46］。Watanabe 等人［47］在 473 K 對擠壓態AZ31板材進行了軋制，其上、下軋輥速度分別為2.2和2.0 m/s，發現異速軋制所得板材的晶粒尺寸減小，基面織構取向向軋制方向傾斜了5°～8°，延伸率提升了50%。王麗娜等人［48］研究發現:異步軋制的變形機制為基面滑移和壓縮孿晶，正是異步軋制產生的平行于軋面的剪切力促進了相反的基面滑移，使得基面織構連續地弱化為非基面織構;單道次異步軋制時，隨著道次變形量的增大，平行于軋面的剪切力產生的基面滑移被增大的壓下量造成的反方向的基面滑移所抵消，故弱化基面織構的效果反而變差。

2.2.5 等通道軋制

等通道軋制（Equal channel angular rolling，ECAR）工藝由湖南大學陳振華教授課題組首先提出，是基于ECAE（等徑角擠壓）的基本原理并在連續剪切變形工藝（如Conshearing，C2S2等）的基礎上而發展起來的一項特殊軋制技術［50］。圖12所示為2種等通道軋制裝置示意圖［7，10］，ECAR 的基本原理為:板材首先在兩輥之間進行小變形量的普通軋制變形，然后在軋輥與板材之間摩擦力的作用下，將板材擠入模具進口通道，并在模具拐角處產生大的剪切變形［51］。板材在通過模具轉角后厚度略有增加。通過調整模具結構參數，可以實現多道次反復軋制而獲得大的剪切應變積累［40］。

圖12 陳振華［7］和 Lee，J.C.［49］提出的 2種等通道軋制裝置Fig.12 Two sketches of equal channel angular rolling proposed by Chen，Z.H.and Lee，J.C.

與常規軋制板材相比，ECAR工藝可以有效地細化鎂合金板材晶粒，使基面取向轉變為錐面取向，板材的屈強比和塑性各向異性減小，應變硬化指數值和均勻伸長率明顯提高［40］。ECAR工藝極具工業應用前景，目前所而臨的主要問題是薄板軋制時容易失穩起皺，軋制工藝過程仍不十分穩定［52］。

有研究表明:與等通道軋制前的板材相比，板材晶粒尺寸略有長大并有孿晶出現，但強度卻明顯提高，單道次軋制的板材其抗拉強度提高約15%，屈服強度提高約24%，而斷裂延伸率變化不大;隨著等通道軋制道次的增加，板材的強度逐漸降低。但是塑性得到提高，軋制成型性和二次成形性有了明顯的改善［53］。有學者研究發現，用ECAR工藝制備的AZ31鎂合金板材的室溫IE（杯突）值可達6.2 mm且LDR（極限拉延比）高達I.6以上［52］。程永奇等人［54］進行了2.1 mm AZ31板材制備5%壓下量軋制后的等通道軋制，研究結果表明:晶粒明顯細化;隨著軋制道次的增加，板材晶粒取向由之前的僅有{0002}基面織構逐漸轉化為{101（一）1}錐面織構與基面織構并存的狀態。與等通道軋制前的板材相比，板材晶粒尺寸略有長大并有孿晶出現，但強度卻明顯提高，而斷裂延伸率變化不大。

2.2.6 半固態軋制

鎂合金的熔點低且半固態溫區寬，非常適于半固態成形。半固態軋制是將半固態加工與雙輥連續鑄軋成形相結合，故也可稱為鎂合金半固態鑄軋，是在將被軋制材料加熱到所需的半固態后，送入軋制間軋制。這種技術的特點是具有非枝晶組織的半固態坯料具有維持其固態形狀不被破壞的強度且變形抗力低，特別適合板材的軋制成形［55］。鎂合金半固態鑄軋技術具有以下優點［28］:①澆注溫度低，氧化少，可適當提高鑄軋速度;②板帶的中心部位組織為球形晶粒，可有效消除凝固生長的方向性，提高鎂合金的塑性加工性能;③孔洞類缺陷少，可進行熱處理;④尺寸精度高，減少了加工道次。

2004 年，在 Haga［56］的研究基礎上，Watari等人采用了預冷斜槽法［57］和低溫澆注法［58］來獲得半固態鎂合金漿料，然后進行半固態鑄軋。研究發現，為了保證漿料鑄軋時的半固態狀態，預冷斜槽法的供料箱溫度必須維持在595～640℃，在300 mm×100 mm雙銅輥鑄軋機下，采用15～30 m/min的鑄軋速度，生產出3～4 mm厚的帶坯;另外低溫澆注法的澆注溫度控制在620～630℃。張頌陽等人［59］將水平雙輥鑄軋機與半固態攪拌裝置結合起來，制得了非常圓整的典型半固態組織，從而發現鑄軋對半固態組織有圓整化的作用。在后續再加工時，鎂合金板坯表現出了較好的塑性加工性能:AZ91D板坯的冷變形可達28%，熱變形達47%;AZ31B的最大熱變形量達57%以上。南昌大學與北京有色金屬研究總院利用半固態鑄軋技術制備出了AZ91D鎂合金板帶樣品，并進行了后續軋制和沖杯實驗［60—61］。研究表明，半固態AZ91D鎂合金鑄軋的最佳工藝參數是:攪拌速度為500 r/min，靜置時間為10 min，攪拌時間為15 min，澆注溫度為560℃。制備的AZ91D鎂合金板材的最大冷變形可達到28%，熱變形可達到47%。

2.2.7 電脈沖軋制

由大學生對外賣服務的滿意情況與對市場未來前景觀點的交叉圖（見圖2）可以看出，隨著調查對象滿意程度的加強，他們對共享經濟在未來發展趨勢的樂觀度也隨之加強．

電脈沖軋制就是在2個相互絕緣的軋輥之間施加脈沖電流的同時進行軋制，如圖13所示。其原理［62］是通過施加高密度脈沖電流使金屬基材料內部原子運動的能量升高，改變金屬中位錯的激活能，加快運動位錯運動的速度，打開位錯間的纏結，從而激活非基面滑移，增強晶界滑動能力，極大的提高金屬的塑性。鎂合金的電塑性加工技術不僅可以降低材料的變形抗力，提高材料塑性，增加材料成形極限，減少冷加工的軟化退火工序，還可以改善產品表面質量，提高材料力學性能。因此，電塑性加工技術在鎂合金塑性加工中具有廣闊的應用前景。

在國內，清華大學在國際上首次開發成功了一套電致軋制鎂合金加工新技術，并成功軋制出了厚度為0.3 mm的成卷帶材，使鎂合金的單道次變形率達到30%以上，總變形量達到80%以上［63］。閻峰云等人［64］研究了AZ91D鎂合金板材的電脈沖軋制，發現道次累計變形量可達到40%，晶粒明顯細化，抗拉強度等力學性能顯著提高。

圖13 電脈沖軋制結構示意圖［64］Fig.13 Schematic view of electrostimulated rolling process

2.2.8 側面預軋制

在軋制過程中，鎂合金板材內形成強的基面織構，使得{0001}基面與軋制面平行，導致進一步軋制成形邊裂嚴重。而弱化較強的基面織構是提高鎂合金成形性的一種有效方法。側面預軋制法就是在軋制前先進行立輥側面預軋制，調整基面織構來提高后續軋制的成形性。劉慶課題組［65］首先提出了這種方法。其原理為:{101（一）2}拉伸孿生可以調整基面取向達86°，并且{101（一）2}拉伸孿生在垂直于晶格C軸方向的2～2.8 MPa壓縮載荷下就可以啟動，側面預軋制法就是利用側面預軋制產生的拉伸孿生來調整基面織構，其原理圖如圖14所示。這種方法的優點是簡單、有效、易操作，對鎂合金軋制有很強的實際操作價值;缺點是在立輥軋制和后續軋制前需要進行中間退火，并且僅適用于具有一定厚度的強織構鎂合金板坯。

劉慶課題組［65］的研究表明:立輥側面預軋制可以顯著改善板材織構，使得晶粒c軸垂直于側面，從而提高鎂合金板材的軋制成形性，可實現300℃下50%壓下量軋制而未出現邊裂，而且可以提高后續軋制的組織均勻性并弱化織構。

圖14 側面預軋制調節織構原理Fig.14 A schematic diagram illustrating the orientation change of samples after pre-rolled along TD

2.2.9 定向凝固坯軋制技術

定向凝固技術［67］是指在凝固過程中采用強制手段，在凝固金屬和未凝固熔體中建立起沿特定方向的溫度梯度，按照要求的結晶方向進行凝固，獲得具有特定取向的柱狀晶的技術，圖16為定向凝固過程示意圖。這種方式獲得的組織具有方向性且消除了橫向晶界，故沿柱狀晶方向的力學性能特別優異［40］。定向凝固技術可以提高鎂合金的定向塑性變形能力以及軋制性能:一方面改變和控制了鎂合金晶粒取向，使得滑移面有序排布，在后續軋制加工時容易啟動滑移從而提高其塑性;另一方面，優化了析出相的形態及分布方式，改善了鑄件化學成分與組織的不均勻性，從而改善鎂合金鑄錠塑性變形能力和軋制成形能力。將定向凝固技術與軋制技術相結合，在鎂合金制備中同樣具有巨大的應用潛力與前景。

有研究［68—69］表明，單向凝固坯存在各向異性明顯的室溫塑性，沿垂直于熱流平面方向壓縮時，抗壓強度和壓縮率分別達345 MPa和34.6%，遠高于其余2個方向壓縮時的性能（分別為305 MPa，24.9%和255 MPa，26.8%）;定向凝固坯軋制技術能明顯改善AZ31鎂合金板坯的熱軋成形性能，軋制前無需對鑄錠進行長時間的高溫均勻化退火處理;可以增大道次變形量，在總變形量相同的條件下減少軋制道次和軋制過程中的邊裂，提高板材的成品率。但當總變形量為35%時，晶粒取向與常規板坯趨于一致。

圖15 側面預軋制對軋板組織、{0001}織構和邊裂的影響［66］Fig.15 Effect of pre-rolling on microstructure，{0001}texture and edge crack of rolled sheet

圖16 定向凝固示意圖［67］Fig.16 An illustration of directional solidification

3 結語

傳統的軋制方式雖然可以得到晶粒相對細小的鎂合金組織，在一定程度上提高其力學性能，但往往采用多道次小變形量軋制，并且需要中間退火和加熱軋輥，故傳統的軋制方式既低效又耗資，導致鎂合金板帶成本居高不下。另一方面傳統的對稱軋制后板材具有強烈的（0002）基面織構，不利于后續加工成形。如何提高板帶的性能，尤其是二次成形性，同時降低成本從而實現鎂合金板帶高效低成本制備，一直是研究的重點。與稀土合金化等方法相比，特殊軋制技術在制造成本、產品性能和回收等方面都具有獨到的優勢。盡管這些新技術大多還處于試驗研究階段，但這些新型鎂合金板帶制備技術的不斷涌現，使得鎂合金板帶制備技術更加多元化，促進了鎂合金板材制備技術的發展，為將來其工業化生產技術的發展提供了更多的選擇。

目前，我國生產的鎂合金板帶材產品依然存在二次成形性差、絕對強度低、生產成本高的問題。我國鎂合金板帶發展需要解決的問題主要有以下幾個方面。

1）建立鎂及鎂合金加工生產應用推廣示范性基地，加強現有新型板材制備技術的產業化及其與傳統制備技術的結合，促進鎂合金板材新型制備技術的產業化發展。

2）進一步開發新型鎂合金板帶高效低成本制備技術，促進鎂合金板帶的應用。

3）加強研制開發高性能、低成本的鎂合金板材型號，擴大鎂合金板材可選擇的種類。

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