半固态镁合金连续铸轧技术

    本文介绍了镁合金的基本性能和优势，重点论述了半固态加工技术、连续铸轧技术、半固态镁合金连续铸轧技术及其未来展望，指出其加工技术将得到进一步发展。

    镁合金是目前应用最轻的金属结构材料，密度小，比强度、比刚度高，具有优良的导电、导热性能，尺寸稳定性好，电磁屏蔽性好，在航空、汽车运输行业，计算机、通讯等产业得到快速发展。我国是镁资源大国，但目前我国的镁合金生产规模还比较小，生产技术还不成熟，应抓住这难得的机遇，把我国的镁合金生产水平提到一个新高度。

    一、镁合金的基本性能

    （一）镁合金的物理及力学性能

    镁合金与其它相关材料的物理和力学性能如下表所示。

镁合金与相关材料的物理和力学性能比较表

    从表1可以看出，镁合金的主要力学性能接近于铝合金，但其密度却小于铝合金，比强度是铝合金的1.8倍，可以说，在应用金属范围内镁合金具有最高的比强度。与工程塑料相比，镁合金的密度虽比其高，但其熔点却是它的4～6倍，比强度是它的1.8倍左右，此外，镁合金的热传导系数是工程塑料的300倍以上，在一些电子产品的应用上具有明显的优势。

    （二）镁合全产品具备的优势

    1、轻量化：密度 1.8g/cm³ 左右，是铁的l/4，铝的2/3，与塑料相近；2、比强度高、刚性好，优于钢、铝；3、对振动/冲击的吸收性高，极佳的防震性，耐冲击、耐磨性良好；4、优良的热传导性，改善电子产品散热问题；5、非磁性金属，抗电磁波干扰，电磁屏蔽性好；6、加工成型性能好，成品外观美丽，质感佳；7、材料可100%回收，回收率高，符台环保法；8、良好的抗蠕变性，尺寸稳定，收缩率小，不易因时间和环境温度变化而改变（相对于塑料）。

    二、半固态镁合全连续铸轧技术

    （一）半固态加工技术

    半固态加工是利用金属材料从固态向液态，或从液态向固态转变过程中，经历半固态温度区间，在该温度区间内实现的加工过程。半固态技术综合了液态铸造成形、固态压力加工的优点，半固态加工技术能大大提高材料的力学性能，达到节约材料的目的，是目前材料领域最热门的研究热点之一。半固态成型技术是近几年兴起的一种高效优质的成型方法。

    半固态加工的主要成型手段有压铸和锻造，此外也有人试验用挤压和轧制等方法，其工艺路线有两条：一条是将搅拌获得的半固态浆料在保持其半固态温度的条件下直接成形，通常被称为流变铸造（Rheocasting）；另一条是将半固态浆料制备成坯料根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度成形，通常被称为触变成形。对于触变成形，由于半固态坯料便于输送成形，易于实现自动化，因而在工业中较早得到了广泛应用。对于流变铸造，由于将搅拌后的半固态浆料直接成形，具有高效、节能、短流程的特点，近年来发展很快。

    半固态金属加工成形中，由于采用了非枝晶半固态浆料，可以直接得到几乎均一的球状细晶组织，显著地改善了金属材料的组织性能。半固态成形件表面平整光滑，晶粒细小，力学性能好；半固态浆料的部分凝固潜热已经放出，所以一方面对加工设备的热作用小，设备材料的选择范围扩大，制造设备的难度大大降低，另一方面半固态浆料本身凝固收缩小，产品尺寸精确。由此可见，半固态加工技术比传统的加工技术有很大的优势，目前越来越多的科技工作者高度重视半固态加工技术，在工艺实验和理论等方面开展了广泛的研究。

    （二）连续铸轧技术

    连续铸轧技术是将熔融金属直接注入两个相向旋转的铸轧辊之间，使其在铸轧辊的冷却与轧制作用下凝固并具有一定的轧制变形量，从而直接获得金属带坯的一种近终成形加工工艺。

    连续铸轧过程是集快速凝固与热轧变形于一体的成型过程。在该过程中，铸轧辊起“结晶器”与“热轧辊”双重作用。当高温金属熔体通过与铸轧辊表面接触的区域时，将热量快速传递给轧辊，实现其凝固结晶；又对已凝固的带坯进行轧制，起“热轧辊”作用；同时已凝固的高温带坯在轧制变形过程中，继续将热量传递给轧辊，轧辊继续吸热。轧辊的内表面与冷却水、外表面与周围介质，在轧辊连续旋转过程中不断进行着热交换，使进入工作区域的部分轧辊表面能以较低的温度与金属熔体接触，以保证铸轧过程的顺利进行。

    铸轧技术是冶金及材料领域的一项前沿技术，它不同于传统冶金工业中带材的生产工艺，而是将连续铸造、轧制、甚至热处理等串联为一体，铸出毫米级的薄带坯，经在线轧制后一次性形成工业产品。铸轧技术具有以下优点：

    1、在同一台设备上同时完成了铸造和轧制两道工序，相比热轧省去了铸锭加热、开坯及热轧等多道工序，减少了废料，节约了能源。

    2、省去了铸锭铣面，减少了热轧后的切头切尾，成材率提高15%～20%。

    3、设备简单集中，投资少，占地面积小，建造速度快，生产成本低。

    4、可连续稳定地进行生产，简化厂生产工艺，缩短了生产周期，使生产效率大大提高，且便于实现自动化。

    5、持轧薄带品质不亚于传统工艺，还可以生产出传统工艺难以轧制的材料以及具有特殊性能的新材料。

    （三）半固态镁合金连续铸轧技术

    将水平双辊连续铸轧技术与半固态加工技术相结合，所获得的半固态板带连续持轧成形技术，将是一种全方位高效、节能、短流程、近终成形的加工方法。把这种技术应用于投台金的加工成形，可以说是具有国际领先水平的技术，具有一定的创新性。这种新型的金属带坯生产工艺，不仅从根本上改变了传统的金属带坯生产方法，即使通常需由铸造、铣面、加热、热轧等多道次工序才能完成的生产工艺流程，仅由铸轧就可以实现，而且可以较方便地实现产品质量调控。

    具有球状晶的合金材料加热到半固态时，变形抗力很低，这对轧制成形有利。半固态轧制工艺是将被轧制材料加热到半固态后，送入轧辊间轧制的方法。试验对象主要是板材的轧制成形。结果表明，由于固相率的高低不同，轧辊咬入区内被轧制材料的变形和流动行为有很大不同。在被轧制材料固相率高的情况下（例如固相率在90%以上），其变形和固体金属热轧情况大致相同，内部固相成分和液相成分共同被轧制，可得到均一的轧制成品。固相率在70%以下时，轧辊间隙中轧制材料的液相成分和固相成分的流动、变形分别单独进行，由于轧辊施加的压力而引起的静水压力的影响，轧辊间隙内开始有液相成分从固相成分间隙溢出，流向压力减小的方向，即液相成分从轧辊间隙的入口处被铸轧材料的表面流出，通常被轧辊冷却凝固后再次被引，轧辊间隙里轧制成成品。半固态连续铸轧示意图见下图。

    半固态镁合金铸轧工艺模拟仿真是使材料成形工艺从经验走向科学指导的重要手段，是材料科学与制造科学的前沿领域和研究热点。利用计算机模拟材料成形过程，可预测产品的质量，减少试验次数；确定最佳的工艺流程，以达到某一特殊性能的要求；动态显示各个物理量的演变历程和空间分布；提高劳动生产率。因此，在半固态镁合金连续铸轧技术中，数值模拟分析是很重要的一部分。

    三、半固态镁合金连续铸轧技术的展望

    笔者认为，半固态镁台金的连续铸轧技术将会朝着以下方向发展：

    （一）对半固态浆料制备的深入研究，半固态浆料的好坏直接影响铸轧后的成品质量的好坏。

    （二）目前流变成形研究只有在实验室，工艺还不成熟，与应用还有一定的距离。流变成形比触变成形更能节省能源、流程更短、设备更紧凑，因此流变成形技术仍然是未来金属半固态加工技术的一个重要发展方向。另外，触变成形技术的研究也是未来工业化发展应用的重点。

    （三）对半固态连续铸轧过程中，铸轧材料及轧辊的数值分析的研究，为工业化生产提供技术支持。

    （四）半固态镁合金铸轧时，一方面要保证组织得到充分变形，达到改善组织的目的，因此要有一定的变形量；另外，由于多晶镁合金滑移系少，晶粒产生宏观屈服而易在晶界产生大的应力集中，合金很容易产生晶间断裂。因此，镁合金板带轧制以后的退火及热处理技术也是未来研究的热点问题。

    （五）半固态镁合金连续铸轧技术应用到工业化大批量生产就在将来的几年。

    四、结束语

    随着冶炼技术的提高和先进成型技术的出现以及制造成本的降低，镁台金材料才得到了实际应用。现代冶金工业正向着短流程、节能型、连续化、自动化、高质量方向发展，半固态镁合金连续铸轧技术已经得到越来越多研究人员的关注，为镁合金材料进一步工业化生产奠定坚实的技术基础。