中国电建集团成都院:镁合金材料研发进展概况 -- 新材料产业网

镁合金材料研发进展概况
2011-3-15 15:39:50　来源: 新材料产业网
1.       镁的资源
镁资源蕴藏量丰富，在地壳中的含量达到2.1%～2.7%（地壳的质量为59.76×1022t ），是仅次于铝、铁、钙、钠、钾居第6位的金属元素。海水和盐湖水中均含有炼镁的原料氯化镁（MgCl2）。海水中含量最多的是氯化钠（NaCl），其次就是氯化镁，1m3海水含镁1.3kg。世界上著名的大盐湖有位于美国犹他州的大盐湖、以色列和约旦间的死海以及中国青海省的察尔汗盐湖。中国青海察尔汗盐湖面积为5.86×109m2 ，已探明镁盐储量40亿t。
镁资源在地壳中分布的也比较广，地壳含有1500多种矿物，其中含有镁化合物的即占200多种。目前世界上生产镁质非金属和金属材料的主要矿物为菱镁矿和白云石。截至2004年底，世界已探明的菱镁矿储量约为124亿t，主要赋存在中国、朝鲜、俄罗斯等13个国家和地区，其中29%的菱镁矿分布在中国（图1）。白云石矿主要分布在中国、前苏联、美国、法国、日本、加拿大、意大利、澳大利、英国等国家和地区。由于白云石矿储量巨大、分布广泛，因而一般地质资料中均未提及其储量。
国际上原镁生产以中国、加拿大、澳大利亚、前苏联为主。目前，北美和欧洲国家的镁产量已降至世界镁产量的20%左右。2009年中国原镁产量50.2万t，占世界产量的79.2%；2010年1-10月份，中国原镁产量达54.3万t。凭借资源、能源和成本优势，中国几乎控制和垄断了全球原镁的供应。
作为国际上的原镁生产大国，我国每年要向国外提供大量的原镁及镁的初级产品。我国在国际镁产业链的布局中，长期处于产业链的前端位置。中国镁产品出口的情况比较见表1。
表1  中国镁产品出口情况                    万t
 
产品
2000年
2005年
2008年
2009年
2010年
原镁（锭）
9.49
18.19
19.71
11.74
14.00
镁合金
1.88
9.29
10.8
6.36
8.52
镁废碎料
0.38
0.33
0.02
0.02
0.30
铁屑、镁粒及镁粉
4.27
7.14
8.59
4.07
9.50
镁合金加工材
0.048
0.16
0.6
0.28
0.52
镁及镁合金制品
0.04
0.20
0.63
0.87
1.71
合计
16.11
35.31
40.35
23.34
34.55
 
1.       我国镁合金材料发展现状
我国镁材料起步于20世纪50年代末期，以军事用途为主，经过50多年的发展，特别是近10年的联合科技攻关，无论原镁冶炼产量、出口量，还是国内消费量以及经济效益等方面都取得了举世瞩目的成就，已经初步形成了包括镁及镁合金生产、镁合金深加工、产品开发与应用及装备制造等相对完整的镁合金产业链，并在全国形成了多个各具特色的镁产业基地和产业集群。
为了推动我国镁产业结构升级和可持续发展，以师昌绪院士和李恒德院士为首的科学家，在2000年联名倡议从国家层面大力支持镁的研究。此后，我国各级政府和科技部门对镁产业的发展给予了高度重视，科技部等有关政府部门以及地方政府自“十五”以来相继出台了一系列推动镁产业发展的政策。自“十五”国家科技攻关计划项目正式启动以来，一批与镁合金开发应用及产业化相关的项目先后在国家“973”、“863”、“国际合作”等计划中获得立项支持。国家专项经费投入近2亿元，吸引各方面资金近15亿元。按照镁产业链的总体布局，以企业为主体，以市场应用为牵引，全国共21个省市自治区的30多家企业、20多所高校和院所直接参与了项目研究工作，围绕镁产业发展的关键工艺技术和重大装备等进行联合攻关，推动镁合金高端产业价值链的形成。目前，已初步形成了从原材料到深加工再到应用的完整镁产业链，初步建立了从基础研究到应用研究再到产品开发的完整科研开发体系，突破了一批前沿核心技术和产业化关键共性技术，在全国建立了一批产业化示范基地。我国不仅是原镁第一生产国和出口国，而且成为科研大国。
随着我国镁加工产业链的形成和发展，近年来，我国金属镁的消费量保持持续迅速增长态势。从2007年起，我国成为世界第一大镁消费国，占全球镁消费量的1/3，成为全球最具潜力的镁消费市场。在中国镁合金快速发展和原材料优势的带动下，国外很多拥有镁合金技术优势的公司纷纷到中国投资建立镁合金压铸厂，生产汽车、摩托车和3C产品等镁合金零部件。随着越来越多的来自我国台湾地区和北美、欧洲及日本等的镁加工企业将产业基地转移到中国内地并扩大其生产规模，中国正在成为世界镁合金产业加工制造基地。
二、镁合金开发主要技术进展
我国镁材料科技发展在国家政府的关注和支持下起步。2000年7月，年近80高龄的师昌绪院士高瞻远瞩，敏锐地捕捉到国际材料学术动态的前沿，及时倡导中国要发挥资源大国优势，研究镁材料应用，同时联名其他院士向科技部提出加快发展我国金属镁工业发展的建议。科技部领导及时采纳了科学家的建议，于2001年8月启动了“十五”国家科技攻关计划“镁合金开发应用及产业化”项目，之后，又陆续启动了“973”、“863”、“国际合作”及“十一五”科技支撑计划等有关镁合金研发项目。国家发改委、国家自然科学基金委员会、教育部、中国科学院、各省市地方政府随后均陆续对镁的研究给予积极支持。经过广大科技人员的共同努力，我国镁合金开发取得了可喜成果。
1.原镁冶炼技术取得新进展
我国原镁生产企业基本上采用横罐还原炉，直接燃煤方式使得生产能耗高。“十一五”期间，南京云海特种金属有限公司开发了“大直径竖式还原罐炼镁技术”，采用竖罐（图2），底部出渣还原炉技术，能够使球料快速受热升温，且工艺操作更简便，缩短了镁料进出炉时间，也进一步增加了热能利用。同时，在镁冶炼过程采用双蓄热器式镁还原炉（图3）和余热利用系统，加上广泛采用炉料预热，使热能得到充分利用，吨镁生产能耗由原来的10t标煤降到5t标煤以下，环境污染也得到了有效治理，烟气含尘量≤100mg/m3。
我国还开发了镁废料回收利用成套技术，每吨再生镁合金总燃料平均消耗只有0.328t标煤，金属回收率达到98.2%，熔剂渣残金属回收率由50%提高到95.7%。
原镁生产企业研制出利用镁渣制造水泥的技术：镁渣添加比率为30%～32％，吨水泥镁渣利用量≥300kg，现已达到日产镁渣水泥熟料2500t，年可消化炼镁还原废渣30万t，废渣达到零排放。
总之，通过近10年的努力，我国皮江法原镁冶炼技术向前推进了一大步，初步改变了原镁生产能耗高、污染严重的景象。
2.镁合金型材、板材成形加工技术有突破
镁合金由于其流动性、充型性能好，适于采用压铸成形，且成本低。目前，镁合金部件约90%以上采用压铸方式生产，但由于铸态缺陷又限制了镁合金材料的应用。因此，亟待开发镁合金变形加工技术。近几年，主要进行了型材和板材成形技术的开发工作。
东北大学等采用电磁铸造方法，突破了大型镁合金铸造锭坯的制备技术，获得了表面光洁、内部晶核细化的F500mm大型镁合金铸锭（图4），表面车削量为1.5mm时已经能够满足后续加工要求。
为开发低成本板材，山西闻喜银光镁业（集团）有限公司等开发出镁合金连续铸轧及成卷技术，建成了宽幅600mm、厚度0.5～9mm的板材生产线，并形成年产板带3000t的商品化生产能力（图5）。
在镁合金型材的开发中，重庆大学等研制出外接圆直径为368mm的镁合金薄壁中空大型材（图6）。同时开发了镁合金快速挤压技术，镁合金管材的挤压速度可达到4～8m/min，棒材达到20m/min以上。
镁合金板材连铸轧新技术和型材挤压技术的突破，为镁合金材料作为结构材料的推广应用打下了基础。
3.表面处理与连接技术取得突破
西安理工大学首次提出微弧氧化(MAO)过程临界电流密度的概念，以放电瞬间的能量梯增速度替代击穿电压理论作为控制系统设计的指导思想，处理过程的电流密度从15A/dm2减小到0.48A/dm2，开发出一次性处理面积达6m2的低能耗镁合金微弧氧化成套装备（图7）。兰州大成科技股份有限公司根据多年研究真空镀膜的成果，开发出镁合金制品真空镀膜成套技术及装备（图8），将真空电弧离子镀膜和磁控溅射镀膜等多项先进镀膜技术集成应用于镁合金零件表面处理。
大连理工大学率先研究低功率激光-电弧复合热源焊接技术、镁合金活性电弧焊接技术以及胶焊新技术，开发出优质、高效的镁合金连接技术，实现了镁合金与异种材料的连接，接头动、静载荷达到镁合金母材的90%以上，镁合金补焊熔深达5mm；并且开发出镁合金连接的成套设备并实现工业化应用。
4.大型复杂件的开发与应用
东风汽车、一汽、重庆长安、奇瑞汽车等已开发和生产变速箱壳体、真空助力器中间隔板、制动阀体、方向盘骨架、气阀室罩盖等50多种镁合金零件（图9），累计生产各类零部件超过800万件。一汽、重庆长安、东风汽车等汽车公司还开展了大型复杂压铸件的结构设计、强度分析、压铸工艺优化、压铸模具开发的并行研究，实现了镁合金座椅骨架、油底壳、链轮室罩盖等压铸件在自主品牌B级车——奔腾轿车等新车型上的同步开发，见图10。
成发集团铸造公司采用砂型铸造技术，开发出平台、音圈等大型镁合金砂型铸件，突破了熔体压头轻、易于氧化燃烧等一系列难题。其中，镁合金振动平台的最大尺寸达到1800mm×2200mm，最大质量达到1200kg。
三、国际合作与技术交流
为了促进我国镁产业的发展，近10年，国内镁研发有关的企业、高校和科研院所与德国、美国、日本、加拿大、俄罗斯、澳大利亚、新西兰、韩国等进行了广泛接触，建立了经常性的学术联系。成功组织的2004年北京国际镁会议，首次全面向世界展示了中国在镁的研发和应用方面的工作，提升了中国镁的国际影响力和竞争力。与德国弗劳恩霍夫工业经济与组织研究所(IAO)合作开展的欧盟第六框架下“镁加工生产系统设计与规划项目（PROSYS）”，培训企业在设计规划时如何考虑环境、健康和安全等因素，促进产业可持续发展。
在此期间，尤其侧重加强与国外企业的密切联系，开展实质性合作。特别是2007年以来，正式启动了中国、美国、加拿大3国政府间国际合作开展的“镁质车体前端结构研究与开发”（MFEFD）项目，研究内容包括：防撞性研究，噪声、振动和平顺性（NVH）研究，疲劳和耐久性研究，腐蚀与表面处理，低成本挤压成形，低成本板材成形，高致密度铸件的开发，焊接和连接，综合计算材料工程和全寿命周期分析10个任务。参加项目的外方合作单位主要有美国、加拿大的政府研究机构、大学以及有关汽车零配件生产厂。目前，在3个国家技术人员的共同努力下，取得了以下成果：
①建立了汽车用镁合金关键材料的基础数据库：针对4种汽车用镁合金关键材料AZ31、AM30、AM50、AM60，测试了这些材料的抗撞击性能、NVH、疲劳性能和集成计算材料工程等相关内容，建立了镁质汽车前端材料设计的基础数据库。
②研发出了适合汽车前端设计需求的关键制备技术：研制出挤压速度达到6m/min以上，抗拉强度最高达到300MPa以上的镁合金高速挤压技术；开发出韧性可提高50%～60%，且具有可热处理和可焊接性能的超真空压铸工艺技术(SVDC)；开发了幅宽600mm、厚度0.5～9mm的镁合金板材制造技术。
③研发出了适合汽车零部件的表面处理与连接技术：开发出微弧氧化和微弧氧化及电泳(MAOE)相结合的表面防腐处理新工艺；开发出低能耗激光氩弧复合焊接技术和搅拌摩擦焊技术，与传统焊接方法相比，焊接接头的动载荷强度从72%提高到98%以上。
④完成了镁全生命周期中的二氧化碳排放调查与分析：对镁的冶炼、合金化、成形、应用、回收与再利用进行全生命周期分析，结果表明，与钢相比，镁在其全生命周期中的二氧化碳排放比钢要少得多。
⑤建立了中美加MFERD国际合作项目网络平台：依托密西西比州立大学建立了中美加MFERD合作项目网络平台（http://carload.hpc.msstate.edu.），建立了3方共享的成果和数据库，为3个国家科学家和管理人员通过网络进行信息技术交流及研发数据共享提供了有力支撑。
四、我国镁合金产业面临的主要问题
1.实用新材料品种少，难以满足多样性需求
我国镁材料研究历史短，基础相对薄弱。这也反映出我国镁合金材料基础研究与发达国家有差距，自主合金牌号少，与有400多个牌号的铝合金材料相比，差距更大，供应用选择的范围小，影响了镁产品的扩大应用。同时，镁合金的力学性能具有相对独特性，需要针对镁的特性开展研发工作。目前研究和开发的镁合金材料，不能同时满足性能与价格应用要求，获得实际应用的品牌品种少，数量受到限制，难以满足多样性的市场需求。
2.塑性成形成本高，限制了镁合金的广泛应用
镁合金成形以传统压铸工艺为主，但铸态缺陷限制了镁合金性能的提高，制约了镁合金的广泛应用。镁合金使用塑性成形，可消除铸态缺陷的影响，借助形变强化和热处理强化可显著提高合金性能，但由于镁是密排六方结构，变形比铝、钢、铜等常用金属困难。若直接采用铝合金的塑性成形方法，则镁合金成品率很低，因而使塑性成形成本过高，限制了镁合金在更为广泛领域的应用。
3.性能评价体系不完善，设计应用亟待提高
我国镁合金性能评价体系不完善：镁合金零部件应用时，需要镁合金腐蚀防护、疲劳、动态力学性能及耐久和可靠性的实用性基础数据，镁合金生产标准体系也待充实。但目前还没有完整的镁合金材料数据库，这方面的工作之前未引起重视，近年来，通过中美加3国项目的合作，科研人员已认识到此内容的重要性。
受上述因素影响，镁合金在国内的应用基本上仍处于样品复制基础上的简单替代阶段，同步设计开发尚未真正起步，应用水平也只处于常温下的低载荷压铸件。
五、“十二五”镁合金科技攻关设想
1.总体目标
“十二五”期间，要充分利用我国镁资源优势，顺应节能和低碳经济的总趋势，以技术突破为牵引，提高镁材料技术水平，促进我国镁应用的发展，将资源优势转化为技术和经济优势，推动镁合金应用快速发展；要依托产学研紧密合作，基于“十五”、“十一五”我国在镁研究领域形成的人才、技术和产业化基础，以应用需求为导向，重点开展实用镁合金、成形加工技术研究，建立镁合金应用评价体系，进行镁应用的同步设计开发。
2.重点内容
根据我国镁产业面临的主要问题，“十二五”已经优先启动的国家科技支撑计划项目研究内容拟以汽车的同步设计和集成应用为主线开展产学研联合开发工作，由汽车企业从设计角度提出零部件要求；依据应用工况，提出材料要求，开发适用的镁合金、压铸件、型材、板材及其工艺技术。材料要提供给制造企业试制零部件，并将这些部件装车应用；同时，对有关的材料部件进行可靠性、耐久性等评估测试，积累材料数据，形成我国镁合金应用的性能评价体系。镁合金材料、技术与工艺研究框架见图11。
项目涉及的主要内容为：面向应用的新型镁合金研究开发，镁合金高致密度铸造技术开发，镁合金板带高效低成本轧制技术开发，镁合金特种型材挤压成形技术开发，镁合金腐蚀连接、耐久性与可靠性研究及评价，镁合金零部件同步开发与集成应用等。
3.    展望
我国是世界上汽车消费增长最快的国家，汽车保有量增长速度前所未有。镁合金作为结构金属材料，80%以上都应用于汽车。因此，以汽车和其它运输工具为载体，开展镁合金产品制造技术创新工作，将镁合金产品的开发与自主品牌车型的推出同步运行，在结构优化的基础上发挥镁合金材料的轻量化优势，将在提高我国镁合金应用水平的同时对我国汽车制造业起到重要作用。
汽车零部件对镁合金性能的复杂性和多样性需求，使得镁合金相关技术具有较为宽阔的研究范围。因此，以汽车为载体获得的若干技术，还可以推广到轨道交通、航空航天、武器装备等宽广的领域。