鎂合金塑性加工產業(yè)技術研究進展

王爾德

（哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱 150001）

長期以來，人們十分關注鎂合金塑性加工技術的研究。歷史上對鎂合金塑性加工技術的研究主要由美國與前蘇聯主導，可以說從工藝上基本形成了一套完整的體系，從事塑性加工的研究者和工程師已經形成習慣性的認識。鎂合金室溫塑性差，難塑性加工，而高溫塑性加工也很困難，因此關于鎂合金塑性加工技術的研究人員相對很少，由于形變鎂合金種類很少，研究的范圍也很窄。我國塑性加工界，長期堅持鎂合金塑性加工技術的研究者更是屈指可數。

文中的鎂合金塑性加工技術研究是指擠壓、拉拔、軋制、沖壓、鍛造等最常規(guī)的生產技術，其它塑性加工方法研究不在本文所指的范圍內。僅介紹近年來，本課題組在鎂合金擠壓拉拔軋制生產技術上研究的進展。

本課題組長期以來從事難變形材料塑性加工的研究，由于難變形材料很大部分均是粉末冶金方法制造的。粉末冶金制造的材料由于存在孔隙，絕大部分塑性較低，也屬于難變形材料，因此粉末多孔體塑性加工技術研究，也成為了本課題組的主要研究內容。

難變形材料主要指塑性差、變形抗力高，二者具備其一，均屬難變形材料。鎂合金僅塑性差，僅具其一，因此應該說鎂合金屬于難變形材料，但不是最難的。從這一觀點出發(fā)看，鎂合金由于變形抗力不高，僅塑性相對差，因此鎂合金塑性加工產業(yè)技術未來必然會有重大突破。

文中根據十幾年來長期對鎂及鎂合金擠壓、拉拔、軋制技術的實驗研究經驗，發(fā)表對鎂合金塑性加工技術研究的看法或者說觀點，可能要觸及一些鎂合金界的認知，僅希望共同討論這些問題，為鎂合金塑性加工產業(yè)技術發(fā)展找到較正確的方向。

1 塑性加工技術與鎂合金產業(yè)鏈

鎂具有資源豐富、輕質節(jié)能、環(huán)境友好這三大優(yōu)勢，是人類最后一個沒有被大量開發(fā)應用的金屬，被公認為21世紀最有發(fā)展前景的新材料產業(yè)，因此堅持研究鎂合金塑性加工生產技術是正確的方向，投資發(fā)展塑性加工產業(yè)會有很好的前景。

任何金屬材料進入市場的主要產品都是板材、型材、管材、棒材、線材、箔材。這6種材料進入市場的占有量，大概是該種金屬材料在市場份額中的70%以上，而鑄造產品僅占10% ～15%。

這6種材料均是依賴塑性加工技術生產的，主要依賴軋制、擠壓和拉拔技術，其中軋制技術占有最重要地位，這里講技術，不僅指工藝，還指專用設備與工裝模具技術問題。

從鑄坯經軋制、擠壓和拉拔，生產板材、型材、管材、棒材、線材及箔材，稱為一次塑性加技術。當然一次塑性加工還含鍛造，從鑄坯的鍛造也是一次塑性加技術。

將一次塑性加工技術生產材料，再經塑性加工成形各種形狀零件，稱為二次塑性加工，二次塑性加工工藝方法很多，主要有沖壓、模鍛、擠壓、輾壓、彎曲、脹形等。

擠壓、拉拔、軋制、沖壓、鍛造被生產實踐證明是最高效的高質量、低成本的塑性加工生產技術，目前還沒有什么工藝方法能夠替代。鎂合金塑性加工生產技術研究必須在擠壓、拉拔、軋制、鍛造、沖壓技術研究上進行，有所突破，才能將鎂合金塑性加工產業(yè)發(fā)展起來。

看來很簡單的問題，而恰恰在鎂合金擠壓、拉拔、軋制、鍛造、沖壓等工藝技術上的研究相對較少，有深度研究的報導就更少，這就是說要在傳統(tǒng)的工藝研究上有所突破，對鎂合金來講難度很高，既使難度高也要進行不斷地深入研究，尋找提高生產效率，提高材料利用率，降低成本，以及改善或提高鎂合金性能，特別是塑性的工藝方法。只有不斷地研究改善或提高鎂合金軋制、擠壓、拉拔、鍛造、沖壓等工藝方法，降低生產技術成本，改善或提高塑性，才是唯一的途徑，沒有其他途徑可走。任何企圖尋找捷徑的工作，都是徒勞的。

如果一次塑性加工生產鎂合金的板材、型材、管材、棒材、線材、箔材的軋制、擠壓、拉拔技術，無法做到低成本、高塑性生產這6種材料，那么鎂合金塑性加工產業(yè)不可能大發(fā)展，鎂產業(yè)也發(fā)展不起來，因此鎂合金一次塑性加工，成為了當前鎂合金產業(yè)發(fā)展的瓶徑。一次塑性加工技術需要解決的2個主要問題是成本和塑性。

塑性加工產業(yè)鏈及工藝方法:

必須降低鎂合金軋制、擠壓、拉拔的成本，也就是研究縮短工藝流程，降低能耗，提高生產效率，提高材料利用率的技術途徑。必須研究鎂合金軋制、擠壓、拉拔的最佳工藝參數，以保證提高或改善生產出這6種材料的塑性。以便可以在二次塑性加工時，保證所提供的6種材料的塑性有利于成形零件，不提高二次塑性加工成形零件的成本。所以一次塑性加工技術要求必須同時解決成本問題和塑性問題，因此要求在降低工藝成本的同時，必須保證鎂合金材料具有一定的塑性，至少保證二次塑性加工成形零件時不增加成本。否則，鎂合金塑性加工產業(yè)鏈還是建立不起來，一次塑性加工產品生產的這6種材料還是沒有市場，必須充分的認識這一問題，技術的進步必須與市場相結合，否則還是沒有前景。

2 對鎂合金塑性加工產業(yè)技術研究的要求

阻礙鎂合金應用的主要問題是生產成本和鎂合金的塑性。當前研究軋制、擠壓、拉拔的生產成本達到鋁合金塑性加工的成本水平，是鎂合金塑性加工生產技術研究的主要目標。

從十幾年來對鎂合金軋制、擠壓、拉拔工藝技術研究的水平與經驗來看，鎂合金擠壓已經達到，軋制與拉拔生產技術已經接近鋁合金成本水平，但要完全達到鋁合金軋制與拉拔技術成本水平看來很難，近期是不可能的。

具體講，擠壓生產鎂合金棒材、型材、管材的成本，可以說能夠達到鋁合金擠壓成本水平（但不含鎂合金原材成本的差異，僅從擠壓生產技術成本來講），但板材和線材的軋制與拉拔技術成本的降低，只能接近，而不可能達到鋁合金軋制和拉拔成本水平。這是目前形變鎂合金的品種太少，而且主要是鎂合金密排六方晶體結構特點所決定的。僅靠鎂合金軋制和拉拔技術的改善或進步去完全解決是不可能的，還必須從改善形變鎂合金材料入手，提高軋制的工藝性能入手，才有可能解決。

鎂合金板材的軋制成本，主要是指薄板的軋制成本。這里說的薄板，指0.4～2.0 mm厚的板材，要使鎂合金薄板軋制成本進一步降低，必須進一步簡化工藝，同時實現自動化或半自化連續(xù)生產薄板帶材工藝及生產線，這樣才能提高生產效率，降低成本，使之接近鋁合金薄板軋制工藝成本水平，不可能達到防銹鋁合金薄板水平。主要有2個原因:一是防銹鋁合金可以冷軋，鎂合金不能冷軋只能溫軋，二是軋制速度，鎂合金對軋制速度十分敏感，不可能高速軋制。在薄板的軋制生產效率上，不可能達到同類鋁合金軋制生產效率水平。對鎂合金薄板軋制生產的技術要求，就是能夠實現連續(xù)生產過程，能夠進行不間斷的大批量生產薄板帶材，這是當前最大的技術進步，成本就會大幅度降低，才能實現產業(yè)化。

鎂合金薄板的塑性，要求延伸率在20%以上，這是除對成本降低的要求外，同時對鎂合金薄板的塑性要求，這樣的薄板才能應用，必須保證鎂合金薄板有一定的可沖壓成形的性能。一般AZ31鎂合金的屈服強度與抗拉強度之差在100 MPa左右，屈強比相對較高，板材沖壓性能要求相對較低的屈服強比。同時要有一定的塑性，也就是延伸率達到20%以上。由于鎂合金的加工硬化率n值不夠大，既使延伸率達到20%以上，變薄拉深也很困難，只能達到一般冷沖壓或溫沖壓件成形性能要求。大批量生產薄板帶材，必須滿足上述對板材沖壓性能的最基本要求。

這里所討論的是鎂合金薄板作為結構材料及結構件的技術要求，否則即使能夠較低成本的大批量生產薄板帶材的技術也無法獲得發(fā)展，必須充分認識對鎂合金塑性加工生產的技術要求，是結構材料對塑性加工技術的要求。

軋制的鎂合金薄板要滿足一般沖壓性能要求，必須是細晶鎂合金板材，這里的細晶指的是平均晶粒尺寸至少要小于10 μm，否則很難保證板材的延伸率在20%以上。同時要求板材的各向異性不能超過15%，最好在10%以內，這就要求對板材軋制工藝與織構的關系有深入研究才能把握。

這里不得不說鑄軋鎂合金薄板問題，鑄軋AZ31鎂合金薄板完全可以獲得10 μm以下的平均晶粒尺寸，但是它是鑄態(tài)組織形態(tài)，不可能作為結構材料。鑄軋鎂合金板材，應該理解為僅能夠提供板坯，也就是坯料，不是最終能夠應用結構材料的板材，因此不是最終產品，還必須通過軋制改善性能才能生產最終產品。

鑄軋鎂合金板坯的主要問題是合金成分存在較嚴重的枝晶偏析，必須擴散退火消除。鑄軋板坯再經過以后的多次加熱軋制，可以改善枝晶偏析。要保證大批量生產薄板的延伸率保證在20%以上，這就是很難的問題，所以從來不看好鎂合金板材采取鑄軋工藝來生產。嚴重一點說，沒有前景。

鑄軋技術不是新技術，世界上鑄軋技術唯一在生產中應用成功的是純鋁板坯的生產，因此建議將鑄軋技術應用到純鎂板材軋制生產中才會有出路。鑄軋不能應用于合金材料，只能應用到熔點低的純金屬板坯的生產中，既使單相固溶體的AZ31鎂合金也不行，何況合金元素多，相成分復雜的合金就更不行了。

由于鎂合金室溫塑性差，要使鎂合金材料能夠應用，必須有一定塑性，才可能普及應用，目前來講唯一的出路就是細化晶粒到10 μm以下，暫時沒有其他方法。除非在形變鎂合金材料研究上有所突破，因此未來鎂合金板材、棒材、型材、管材、線材、箔材必須采用細晶材料，而且必須采用軋制、擠壓、拉拔技術生產，因為其他方法的生產成本更高，所以只能在鎂合金的軋制、擠壓、拉拔技術上下功夫進行研究，沒有其他出路。

板材是這6種原材料的龍頭產品，板材不發(fā)展，型材、線材很難發(fā)展。對于鎂合金的二次塑性加工產業(yè)，主要是針對板材、棒材和管材。板材的沖壓成形是塑性加工生產零件的最重要產業(yè)，棒材用于擠壓件、模鍛件的主要原材料。管材的彎曲、脹形，是管材二次塑性加工生產過程常見的工藝方法。鎂合金從鑄錠直接鍛造成零件坯料，主要應用于鎂合金大的鍛件，所以較少，因此鎂合金主要研究的塑性加工生產技術，還是軋制、擠壓、拉拔、沖壓、模鍛這些塑性加工產業(yè)的最基本工藝，這是鎂合金塑性加工產業(yè)技術的主體，關乎鎂合金產業(yè)能否發(fā)展起來的核心技術。所以說一次塑性加工技術生產的這6種材料，不能以較低成本和較高塑性進入市場，那么二次塑性加工產業(yè)就是無米之炊。在這種情況下，研究二次塑性加技術難度很高，很難實現較低成本的生產。鎂合金塑性加工技術的成本問題，關乎價格問題，因此決定了有沒有市場空間，價格越低，市場空間就會越來越大，鎂合金產業(yè)才會發(fā)展壯大。

鎂合金塑性加工生產材料的塑性問題，例如生產的板材塑性差，那么二次塑性加工成本會提高，因此一次塑性加工的鎂合金的塑性必然影響二次塑性加工成形零件的成本問題，所以說塑性加工生產技術的研究，必須同時解決兩大難題，即降低成本和提高塑性的問題。

3 鎂合金軋制板材的塑性研究進展

對于目前商業(yè)化的鎂合金來講，改善或提高塑性，唯一的出路就是細化組織，細化和改善第二相的大小、形態(tài)、分布、細化晶粒。對常用的形變鎂合金AZ31和Zk61，主要是細化晶粒。

晶粒大小對塑性的影響規(guī)律，可以從AZ31鎂合金大量的實驗研究總結出的規(guī)律（表1和圖1）看到。

表1 AZ31鎂合金平均晶粒尺寸對力學性能影響Table 1 Effect of average grain size on mechanical properties of AZ31Mg alloys

圖1 晶粒尺寸與力學性能的關系Fig.1 The relationship between the grain size and mechanical properties

通過軋制、擠壓、拉拔生產技術方法，將AZ31鎂合金晶粒尺寸細化到10 μm以下，可以保證20%以上的延伸率，如果能夠很容易地將平均晶粒細化到5 μm以下，可以達到30%以上，那么大批量生產的鎂合金板材棒材、型材、管材、線材、箔材保證較高的塑性應該沒有任何問題。這樣的材料進入市場，能夠保證二次塑性加工成形零件不增加成本，才會有大的市場空間，所以說未來鎂合金產業(yè)的發(fā)展，必然是塑性加工生產的細晶鎂合金占有市場。

4 鎂合金薄板的軋制工藝研究進展

常規(guī)的AZ31鎂合金薄板板材軋制工藝，加熱次數多，道次軋下量小，道次多，材料利用率低，生產效率低，成本高，無法實現連續(xù)大規(guī)模生產，生產的板材塑性較低，板材各向異性較大。所以對板材軋制工藝的要求:①從鑄錠開始軋制僅加熱一次;②提高道次變形量（30% ～40%），降低軋制次數;③對于0.5～2.0 mm板材的材料利用率，只少要達到60% ～65%以上;④必須實現連續(xù)不間斷薄板帶材的生產過程;⑤板材大批量生產的性能批量一致性好;⑥板材的板型和表面質量好;⑦ AZ31和ZK61薄板帶材的兩方向上的延伸率均在20%以上，各向異性小。這是對AZ31和Zk61形變鎂合金薄板帶材，軋制生產技術要達到的最基本要求。達不到上述技術要求，鎂合金薄板帶材無法進行大批量生產，市場空間也無法擴大。AZ31鎂合金的薄材帶材軋制，不能像防銹鋁合金那樣進行高速冷精軋，一般低速冷軋減薄也做不到，也就是說AZ31鎂合金板帶材無法依賴冷精軋生產，因為道次變形量小，只有5%，軋制次數多，中間退火次數多。對于溫精軋軋制過程，由于板薄，再加上鎂合金散熱快，冷卻速度快，板坯降溫快，極易軋裂。因此鎂合金薄板帶材只能在200～250℃區(qū)間溫精軋。溫精軋對設備精度要求更高，軋輥輥型必須控制，否則薄板帶材容易起浪，依靠牽引來拉平薄板會產生極大的內應力，既使退火后消除內應力，板型也達到不要求，因此軋制過程板材起浪會產生廢品，起浪是堅決不充許的。

溫精軋道變形量過大很容易使板起浪，道次變形量過小，軋制次數多，而且需中間多次加熱。這樣效率太低，板表面氧化加重，板表面質量較差。

國內外許多企業(yè)的鎂合金薄板帶材軋制技術均處于保密狀態(tài)。雖然保密，但從板材的組織和性能結果分析看，沒有什么突破，也沒有新意，還是傳統(tǒng)的工藝方法，均在薄板兩次軋制之間，卷捆機的保溫裝置上下功夫，或者增加遠紅處幅射來加熱薄板，這樣才能實現連續(xù)多道次軋制生產薄板帶材。給出了4道次軋制AZ31鎂合金薄板的工藝及各道次軋制板材的力學性能，見表2和表3所示，各道次板材金相組織見圖2和圖3。

表2 4道次軋制板材工藝及性能（4 mm軋到0.72 mm）Table 2 The rolling parameters and mechanical properties of the as rolled AZ31Mg alloy sheet（from 4 mm to 0.72 mm）

表3 4道次軋制薄板的工藝及性能（從4 mm軋到0.77 mm）Table 3 The rolling parameters and mechanical properties of the as rolled AZ31Mg alloy sheet（from 4 mm to 0.77 mm）

圖2 4道次軋制薄板材的金相組織Fig.2 Microstructure of the as-rolled AZ31Mg alloy sheets

這些數據從未公開過，國內許多企業(yè)均不會給出這些數據，因為實際生產工藝是要保密的，但從薄板帶材軋制工藝及性能就可以分析出工藝是否合理。表2和表3給出的是從4 mm厚板開始進行4道次軋制，道次變形量30% ～40%的工藝。僅用來說明，如何實現高效低成本和高塑性AZ31鎂合金薄板帶材的生產，這里是指要達到這樣的目標是可能的。

上述工藝是建立在AZ31鎂合金軋制工藝與動態(tài)再結晶組織、織構的深入分析和研究的基礎上的，是具有充分的工藝基礎系統(tǒng)研究依據的。

圖3 4道次軋制板材的金相組織Fig.3 Microstructure of the as-rolled AZ31Mg alloy sheets

5 AZ31鎂合金的擠壓

一般鎂合金棒材和型材及管材的擠壓相對容易。這里僅介紹管材的擠壓和筒形件的冷擠壓。然而，要擠出細晶鎂合金管材就很困難，許多特殊工藝辦法擠出平均晶粒尺寸小于10 μm管材均能夠實現，但要考慮生產效率的話，這些特殊工藝方法效率太低、成本高，無法在生產上應用。

常規(guī)擠壓工藝必須降低擠壓溫度才能夠細化晶粒，但溫度低于220℃就會擠裂擠碎，許多研究已經證明這一點，如果追求生產效率，一般生產上，無論擠鋁合金還是銅合金擠壓比，均選擇在16～25，一般不超30，既使擠壓比小于4，在220℃以上也不可能將晶粒細化到10 μm以下，因此在大的擠壓比下，更不可能小于10 μm。既要提高生產效率，又要獲得細晶鎂合金，看來似乎是不可能的。表4為擠壓鎂合金管材的工藝與性能，說明這種可能是完全存在的，而且生產上很容易實現，既降低了生產成本，還提高了強度和塑性，完全可在產業(yè)中應用。

表4 AZ31鎂合金管材擠壓工藝及性能（φ22 mm，壁厚:1.0 mm）Table 4 The extrusion parameters and mechanical properties of the AZ31 Mg alloys tube（φ22 mm，thickness:1.0 mm）

圖4為φ3 mm，管壁厚為0.15 mm的管材，采取冷拉拔工藝生產，壁厚尺寸精度高，表面質量優(yōu)異，而且有良好的塑性，壓扁后沒有出現任何裂紋。這樣的薄壁細管再經激光加工，可以制造血管支架。冷拉拔AZ31鎂合金薄壁管外觀與用于血管支架的316 L不銹鋼冷拔薄壁管外觀幾乎完全一樣。經冷拉拔退火后的AZ31鎂合金薄壁管材的性能優(yōu)良，屈服強度達到210 MPa以上，抗拉強度達到300～320 MPa，延伸率大于16%。

圖4 冷拉拔AZ31鎂合金簿壁管（φ3 mm，壁厚為0.15 mm）Fig.4 Cold drawn thin-walled tube of AZ31 Mg alloys（φ3 mm，thickness:0.15 mm）

AZ31鎂合金擠壓棒材，如果其晶拉尺寸達到5 μm以下時，可以將其進行冷擠壓，可以冷擠壓線材，也可以冷反擠壓成形零件。比如從φ16 mm，平均晶粒尺寸為5 μm以下的棒材，冷擠壓到φ2 mm的線材，如圖5所示。也可以冷反擠壓薄壁殼體件，如圖6所示為φ16.5 mm，壁厚為0.15 mm的5號電池殼體。

圖5 冷擠φ2 mm線材（擠壓比64）Fig.5 Cold extrusion φ2 mm wire（Extrusion ratio 64）

圖5和6說明，采用細晶AZ31鎂合金二次塑性加工成形，可以在室溫下進行，這樣可以大幅度提高生產效率、降低成本。如5號電池殼體成形在機械壓力機上反擠壓，每分鐘可以成形90～100件。所以說要建立鎂合金塑性加工產業(yè)，必須降低塑性加工成本、提高塑性才有可能。研究表明，塑性加工生產的板材、棒材、型材、管材、線材、箔材，必須是細晶的鎂合金材料，這樣才能用于二次塑性加工成形零件。

圖6 室溫反擠壓薄壁殼體件Fig.6 Anti-extrusion thin-walled housing members at room temperature

6 鎂合金線材的拉拔工藝研究

鎂合金塑性較差，室溫下冷拉拔線材十分困難，拉拔次數多，中間退火次數多，生產效率低，無法進行大批量生產，要不間斷連續(xù)拉拔下去，才能建立自動化生產線。這就要求大幅度減少中間退火次數，因為即使采取高溫快速退火，其速度也較慢，如果是中間退火次數多，頻繁進行中間退火，其生產效率實在太低，無法建立生產線，因為投資產出比達不到基本要求，甚至投資長期無法回報。要將鎂合金拉拔技術的中間退火次數控制到基本達到防銹鋁合金的水平，才能進行生產。也就是兩次中間退火累積冷變形量要達到60% ～70%，才能達到防銹鋁合金（如LF2）的水平。經過多年研究，現已經達到這一水平，表5給出了AZ31鎂合金從φ5 mm經多道次冷拉拔及中間退火，一直拉拔到φ0.12 mm細絲的工藝及力學性能;圖7為不同線徑的AZ31鎂合金的金相組織;圖8為冷拉拔AZ31鎂合金生產的0.3 mm絲材。

從表5中給出的數據可以看出，鎂合金線材拉拔是從φ5 mm，2.4 μm晶粒尺寸的擠壓棒材開始的。從原始晶粒尺寸為9.5 μm的擠壓φ2 mm的線材，進行冷拉拔到φ0.12 mm絲材，具體工藝及各階段線徑的力學性能見表6，其各線徑的金相組織見圖9。

表5 Aztec1鎂合金細絲冷拉拔工藝及各絲徑的力學性能（d0=2.4 μm）Table 5 Experimental cold drawing processing for AZ31 Mg alloy and mechanical properties of annealing wires（d0=2.4 μm）

圖7 AZ31鎂合金冷拉拔不同線徑退火后組織Fig.7 Microstructure of the cold drawn annealing AZ31 Mg alloys wires

圖8 冷拉拔φ0.3 mm的絲材Fig.8 Cold drawn φ0.3 mm wire

從冷拉拔線材原始擠壓坯料的晶粒尺寸2.4 μm和9.5 μm可以看出，原始晶粒越細越利于進行冷拉拔。可見二次塑性加工必須從細晶的鎂合金開始。這又一次說明，今后鎂合金二次塑性加工生產，一次塑性加工材料必須選擇細晶鎂合金才有可能。從而提出了對一次塑性加工生產技術的要求。這為鎂合金塑性加工產業(yè)發(fā)展指明了方向。似乎這是公認的事實，然而既要降低成本，又要獲得細晶，同時解決成本和塑性問題的技術要求，不是都能認識到的。

表6 AZ31鎂合金（d0=9.5 μm）線材拉拔工藝及性能Table 6 Experimental drawing processing for AZ31 Mg alloys（d0=9.5 μm）and mechanical properties of unanneal wires

圖9 AZ31鎂合金（d0=9.5 μm）累積大變形程度及絲材金相組織Fig.9 Microstructure of annealing AZ31Mg alloys wire with different cumulative area reduction

7 結語

這里不可能詳盡介紹關于鎂合金塑性加工生產技術研究進展的技術及工藝規(guī)律細節(jié)，僅簡述了鎂合金塑性加工生產技術研究的方向與進展。必須老老實實進行鎂合金軋制、擠壓、拉拔、沖壓、模鍛技術的研究，這是人類歷史和現今證明最有效的生產技術，沒有其他方法可替代。十幾年來，在鎂合金軋制、擠壓、拉拔方面的研究進展說明，鎂合金塑性加工產業(yè)技術研究的進步，必將迎來鎂合金塑性加工產業(yè)的大發(fā)展時期。

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