隨著現代科技的不斷發展,金屬材料的消耗與日俱增,金屬礦產資源逐漸趨於枯竭。鎂是地球上儲量最豐富的元素之一,在地殼表層金屬礦的資源含量為2.3%,位居常用金屬的第4 位,此外在鹽湖及海洋中鎂的含量也十分可觀,如海水中鎂含量達2.1×1015 噸。在很多金屬趨於枯竭的今天,加速開發鎂金屬材料是實現可持續發展的重要措施之一。由國際著名鎂合金專家聯合撰寫的「鎂基合金」(師昌緒、柯俊、R.W 卡恩主編《材料科學與技術》叢書第8 卷)一文指出:「在材料領域中,還沒有任何材料像鎂那樣潛力與現實有如此大的顛倒。

近當代應用

鎂的一種新的應用說明其強度得到了改進是在老式軍用悍馬車上加入一個兩件式平板插片。這些插入物設計可以保持車輛以30英里/小時的速度使用單個輪胎行駛30英里。之後,由於鎂金屬插片切入輪胎縮短了其使用壽命,後來由橡膠耐磨插入件取代。

之後鎂合金最為突出的軍事應用是在西科斯基黑鷹等3000多架陸軍和海軍飛機上的傳動和齒輪箱。強度的增加和耐腐蝕性的提高促使鎂合金的應用的普及。類似的合金也被用在通用動力海軍陸戰隊兩棲遠徵戰鬥車(EFV)上。EFV變速器殼體由Elektron21,ZE41和AZ91E製成的多於15種的鎂零件組成。

在實踐應用中,科學家和工程師瞭解到高強度性能和良好的耐腐蝕性不足以表明該合金具備良好的衝擊響應和穿孔阻力。重新引起工程師們注意的是對舊的(AZ31B-H24)和新的(Elektron 675,Electron 21等)鍛造合金的彈道評估以確定穿孔阻力的實驗結果。通用型AZ31B-H24具有中等的強度和良好的耐腐蝕性,但在防彈性能方面沒有任何優化的方法;但是在重量基礎上其防彈性能超過5083-H131對抗穿甲彈。而這些結果最終也導致了第一個鎂合金裝甲材料規範指南(MILDTL-32333(MR))出臺,其可作為進一步發展鎂合金(如Elektron 675和WE 54)裝甲的基準。

隨著科技的發展,軍事活動對其裝備的性能和動力提出了新的要求。而性能和動力的要求的提高也引起了國防部對鎂應用的新興趣。因此在2007年,美國國防部參與舉辦了國際鎂研討會。研討會的目的是評估鎂合金的全球最先進水平,並就加工,微觀結構和相應性能方面的最新進展交換信息。納米結構和超細晶粒材料,集成計算材料工程(ICME)以及合金和加工設計等技術的出現為鎂合金的研究打開了全新的設計框架大門,並指出從人員防護到車輛結構的鎂廣泛的應用潛力。

之後美國致力於鎂合金應用的研發。美國陸軍研究實驗室與MENA公司達成協議,共同發展製造用於裝甲地面車輛的鎂合金。根據協議,其主要對高強度WE43和Elektron 675合金進行研究開發。

此外,各種合金也正在被研究用於複合頭盔外殼,其中重量輕,比剛度和高阻尼,加上適當的防彈性都可能引起性能的提升。燃油效率地面車輛演示器(FED)計劃旨在通過設計戰術車輛來降低戰區內的燃料消耗,其燃料經濟性明顯高於M114。在考慮高風險/高回報技術時,他們試圖將鎂發動機缸體和殼體部件結合在一起。

為了發掘鎂合金的使用潛力,美國能源部在93年到03年的這十年中也投資了類似的項目來支持汽車工業,並取得了一切成績。克爾維特使用在「結構鑄造鎂合金開發」(SCMD)項目下研發的鎂合金髮動機支架;鎂動力系統鑄造組件(MPCC)計劃展示了在高壓壓鑄動力系統部件中使用鎂的可行性和益處。針對輕型車輛結構的超大型鑄件項目探索了用於超大型結構的半固態成型和/或多口熱流道技術,以克服高壓鑄造的缺點。鎂前端應用研究和開發計劃是一個多國努力的結果,開發實用技術和知識,使得車輛前端車身結構輕50-60%。而這些成功的應用也促進了鎂合金在汽車領域的廣泛應用。

在民用方面,主要集中在汽車領域。各國紛紛加大鎂合金製品的研發力度,尤其是20世紀90年代以來,相繼出臺了鎂研究計劃,開展了大型的"產、學、研"聯合攻關項目和計劃。德國政府制訂了一個投資2500萬德國馬克的鎂合金研究開發計劃,主要研究壓鑄合金工藝,快速原型化與工具製造技術和半固態成型工藝,以提高德國在鎂合金應用方面的能力;1993 年歐洲汽車製造商提出"3公升汽油轎車"的新概念,美國也提出了"PNGV"(新一代交通工具)的合作計劃,其目標是生產出消費者可承受的每百公里耗油3公升的轎車,且整車至少80%以上的部件可以回收,這些要求迫使汽車製造商採用更多高新技術,生產重量輕、耗油少、符合環保要求的新一代汽車。此外,科學家還研究將鎂合金用於筆記本電腦、行動電話、數碼相機、攝像機上,並廣泛推廣到家電和通訊器材等領域。

鑒於鎂合金的發展前景,許多鋼鐵業主也轉向參與鎂業的投資開發。上述趨勢造成許多大型項目的實施和完成,必將推動鎂工業的低成本生產工藝的研究開發和應用,加上鎂合金回收容易的因素,將使全球鎂金屬的價格穩步下降。目前,世界的鎂金屬的價格與鋁的價格已非常接近,而鎂的價格還將繼續下降,影響鎂合金廣泛使用的原材料價格瓶頸正在突破。

優勢單位

東北大學 擁有材料電磁過程教育部重點實驗室和軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室,也是我國最早設立鋁鎂輕金屬冶金專業的高等學校,有一大批專門從事輕合金電磁冶金與提取冶金的研究人員;開發了鎂合金低溫連鑄和鎂合金低頻電磁連鑄新技術。先後承擔原冶金部無隔板鎂電解槽煉鎂,水氯鎂石脫水及皮江法煉鎂等項目。

中科院金屬研究所 是國內較早開展鎂合金設計、開發與應用研究的單位之一。近年來承擔了有關鎂合金的四個「863」項目、一個「十五」攻關項目、國家自然科學基金和重點基金3 項。主要研究了鎂合金的冶煉和鑄造技術,高溫變形行為、強化機理和高速變形機理和溫熱塑性成形原理。已研製出Mg-Li 合金棒料、2mm 薄板材、鎂合金汽車輪轂,以及強度超過450MPa 的高強度變形鎂合金等產品。並在鎂合金凝固過程式控制制、半固態鎂合金方面進行了研究,發現了Mg2Ca,Al2Ca,(Mg,Al)2Ca 等強化相的形成規律。金屬所在材料的環境行為研究領域有雄厚的研究基礎,具備腐蝕和材料的環境敏感斷裂研究的各種設備。在多項國家項目的支持下,廣泛開展了鎂合金腐蝕與防護的研究工作,包括腐蝕電化學理論、電鍍,化學鍍,陽極氧化等表面處理技術。開發的化學鍍技術獲瀋陽市科技進步獎。目前,已經獲得了無污染的轉化膜,化學複合鍍和微弧氧化防護方法。

中科院瀋陽分院-金屬研究所 設有鎂合金腐蝕防護及表面處理研究課題組和鎂基輕質材料及其應用創新團隊。鎂合金腐蝕防護及表面處理研究團體從事包括鎂合金的微觀腐蝕機制研究、耐蝕型鎂合金的研發及鎂合金表面化學轉化膜、微弧氧化、化學鍍及生物可降解塗層研究等在內的鎂合金腐蝕防護研究。團隊主要研究方向有鎂合金的腐蝕防護研究、鎂合金無鉻轉化膜技術、鎂合金自封孔微弧氧化技術、鎂合金多功能化學鍍鎳技術。鎂基輕質材料及其應用創新團隊的主要研究方向:鎂合金材料加工製備工藝-組織-性能關係、高品質鎂合金結構零部件成形製造技術、鎂合金腐蝕及其表面防護技術等;擁有高活潑性鎂合金熔體無熔劑合金化、熔體高潔凈化工藝及設備研製(解決了鎂合金夾雜傾向嚴重的技術難題)、高強、耐熱鎂合金砂型-低壓鑄造工藝及高品質、高緻密度鑄件開發、室溫高塑性鎂合金板材、型材製備技術及其室溫成形技術、高強、耐熱鎂合金高效、低成本鍛造及各向異性調控技術、鎂合金表面防護技術等。

瀋陽工業大學 是承擔國家十五攻關計劃「鎂合金研究開發與產業化」重大項目「高性能鎂合金及其擠壓產品關鍵技術研究開發及產業化」等多項課題的參加單位,以及國家十五「863」計劃「高強高韌鎂合金及其在車輪上的應用」課題的單位。瀋陽工業大學具有一個省級重點實驗室,立足於當前學科領域的前沿,開展了對鎂合金強韌化機制、鎂合金疲勞強度、鎂合金疲勞裂紋擴展、鎂合金凝固過程及缺陷控制、鎂合金晶粒細化、鎂合金塑性變形和超塑性、鎂合金蠕變行為、鎂合金快速凝固與非晶、鎂合金複合材料等方面的研究工作。

北京工業大學鎂合金課題組 長期致力於開展新型高強耐熱鎂合金材料、高性能鎂合金複合材料、鎂合金型材塑性成形技術等研究以及為企業制定中長期鎂產業發展規劃。目前擁有7項發明專利。完成國家973計劃--鎂合金加工新方法及原理的基礎研究、鎂及鎂合金關鍵技術開發與應用、高性能鎂合金成分設計優化及製備工藝、面嚮應用的新型鎂合金研究開發等國家科技支撐計劃。課題組目前擁有800噸壓鑄機、630噸擠壓機、Φ400X450雙輥軋機等大型工業化製備加工設備,可為國內相關企業提供新產品開發、合作研究及制定企業發展規劃等業務。

國家鎂合金材料工程技術研究中心 是一家經科技部於2007年批准組建的以重慶大學為依託單位的國家國際合作重點基地。其成員單位包括重慶鎂業科技股份有限公司、長安汽車(集團)有限責任公司、西南鋁業(集團)有限責任公司、西南技術工程研究所、重慶工學院等,其前身為重慶市鎂合金工程技術研究中心。2007年底被批准為國家國際合作重點基地。

在國家"211"和"985"工程的支持下,中心已在重慶大學建成6000多平方米的研發基地,擁有鎂合金熔煉、壓鑄、半連續鑄造、薄帶連鑄、擠壓、軋制和衝壓等成套研發設備和先進的材料分析檢測儀器。中心的中試及產業化核心基地擁有壓鑄、擠壓、裝備製造等工業設備,建有多條鎂合金產業化生產線。

國家鎂合金材料工程技術研究中心先後承擔國家及省部級重要項目等30餘項,突破並掌握了一批關鍵技術,取得了一批具有自主知識產權的標誌性成果;促進了鎂合金產品在摩托車、汽車、軍工、手動工具、3C產品等方面的應用,極大地推進了我國鎂產業的發展。通過技術服務與項目合作,中心的研發成果已輻射到全國40餘家鎂及鎂合金生產與應用企業。

潘復生院士專長鎂合金、鋁合金、工具鋼、冶金鑄軋技術、冶金熔體純凈化技術等方面的研究和應用,特別是在鎂合金方面成就顯著。他建立了國家鎂合金材料工程技術研究中心,組建了一支在國際上有重要影響的科研團隊。三十多年來,潘復生教授和他的團隊重點致力於解決鎂合金材料塑性差、加工成形難、純凈度低等關鍵難題,承擔完成了一批重要的國家級項目和多個重要的國際合作項目,在高塑性鎂合金、先進成形加工技術和深度純凈化等領域取得重要創新成果,為我國鎂科學技術與產業的發展壯大和走向世界做出了重要貢獻。已在國際著名刊物發表SCI收錄論文350多篇,出版著作12部(本)。獲國家技術發明獎和科技進步獎4項,省部級重要科技獎勵10餘項;獲國家授權發明專利130多項,制訂並獲批國家標準多項。

上海交通大學 擁有輕合金精密成型國家工程研究中心,輕合金精密成型國家工程研究中心(Light Alloy Net Forming National Engineering Research Center-LAF-NERC)成立於2000年3月,是由國家發改委批准組建、上海交通大學承建的國家級工程研究中心,現任中心主任為丁文江教授。中心以國家戰略需求和產業發展為導向,致力於新型高品質輕合金及其製品的研製、工程化、產業化和技術轉移等工作,開展了先進鑄造鋁合金、鎂合金與液態成型、塑性成型與控制、材料能量場製備、腐蝕與防護技術、鎂基生物材料、鎂基能源材料等方面的研究。

現有科研人員50多名。近年來,輕合金精密成型國家工程研究中心先後承擔了國家「八五」、「九五」和「十五」重點科技攻關、「863」計劃、國防預研究項目、民口軍工配套項目、國家自然科學基金、上海市科技發展基金等國家和省部級科研項目40 多項,發表論文250 餘篇,申請和取得國家發明專利權39 項,獲得國家及省部級科技獎勵15 項,已產業化成功的成果4 項。工程中心擁有鎂合金壓鑄機5 臺、擠壓鑄造機1 臺、低壓鑄造機2 臺、800 噸型材擠壓機1 臺、150 噸衝壓機1 臺。工程中心擁有的核心技術包括高品質鎂合金熔劑、高品質鎂合金錠生產技術、鎂合金精密壓鑄成型技術、鎂合金輪轂生產技術、鎂合金塑性變形加工技術(擠壓、軋制、衝壓等)和鎂合金表面處理技術等。

上海鎂材料及應用工程技術研究中心(SMA) 成立於2009年9月,是上海市科學技術委員會批准正式組建的鎂基新能源材料研究和開發基地,主要從事先進鎂材料設計、製備及產業化的研究開發工作。

中心現有研究開發人員18名,包括教授4名和副教授7名,擁有博士學位的研究人員10名,從海外引進高水平研究人員4名。中心設有先進鎂材料與成型、能源鎂合金設計與製備、生物醫用鎂合金等研究方向,有等離子體金屬納米粉體製備儀、同步熱分析儀、氣相-固相反應儀、電化學工作站等先進材料製備、測試和表徵儀器設備,主要通過第一性原理計算、X射線衍射、同步輻射、中子衍射、高分辨透射電鏡等先進研究和分析方法,對鎂合金及其製備技術開展研發。中心十分關注國際國內合作與交流,與國內上汽、比亞迪、華為等大型企業開展了產學研合作,同時與美國通用汽車研發中心、密歇根大學、挪威科技大學、日本東北大學、加拿大英屬哥倫比亞大學建立了良好的國際合作關係,通過訪問研究、學生交換和合作發表論文促進了中心研發實力的提升。

中南大學 是國家「211」工程和「985」工程重點建設的全國重點大學。學校在變形鎂合金研究方面有良好的工作基礎,其中金屬材料研究所是國家「輕質高強材料」國防重點實驗室、教育部快速凝固材料重點實驗室,開展了大量變形鎂合金、噴射沉積、電磁場鑄軋的研究。承擔了「稀土鎂合金製造渦噴-10 型航空發動機機匣」、「魚雷動力源Mg/CuCl 陽極鎂合金薄板材料」和國家「十五」攻關—「鎂合金應用及產業化」研究項目。研究所擁有完整的鎂合金擠壓和軋制生產線,目前已成為海裝和航天某部特種鎂合金板材的定點生產單位,自行研製的快速凝固噴射沉積裝備,可實現自動化全密封噴射沉積製備非平衡凝固材料;自行研製的ф400×500mm 電磁場鑄軋機組,可進行常規電磁場鑄軋和超薄快速電磁場鑄軋的系列實驗,能為鎂合金薄帶凝固-變形一體化的研究提供較好的實驗平臺。

北京有色金屬研究總院 創建於1952 年11 月,是我國有色金屬行業規模最大的綜合性研究開發機構。擁有有色金屬行業開發基地、有色金屬材料製備加工國家重點實驗室、有色金屬複合材料工程中心、有色金屬及電子材料分析測試中心等國家級研發部門8 個。開展鎂合金材料及其深加工技術研究已有近四十年的歷史,尤其是九五、十五期間,承擔了包括「973」、「863」、國家科技攻關重大專項、國防科工委民口重點項目等在內的鎂合金相關課題十餘項。自主研究開發建成了鑄造鎂犧牲陽極生產線、擠壓陽極生產線、高純變形鎂合金材料製備中試線。2005 年經國家科技部批准組建了面向我國有色金屬行業技術創新的有色金屬材料製備加工國家重點實驗室。針對鎂合金領域,與東北輕合金集團、寧夏東方有色金屬集團建立了聯合技術中心。

中鋁洛陽銅業有限公司 擁有我國完整的一條鎂板帶材生產線,具有四十多年的鎂合金板帶材研究開發和實際生產的經驗,具有很強的開發、研製、生產鎂合金材料新品種的能力,目前該生產線已累計生產近萬噸鎂及鎂合金板帶材,開發生產的鎂合金板帶材在化工、交通、紡織、航天航空等行業得到廣泛應用,並為我國的國防軍工和重點武器型號的發展做出了重大的貢獻。洛銅集團自60年代建成鎂及鎂合金板帶材生產線以來,先後承擔並完成了多項國家重點軍工科研試製任務,研製開發了多種變形鎂合金材料和鎂屑重熔技術,SF6 保護技術、壓力導流鑄造等技術。近年來加大力度在變形鎂板傳統的加工方式的工藝改進優化、變形鎂合金材料應用性能的研製開發、變形鎂材在交通、3C產品的推廣應用等民用方面進行大量的技術工作。對鎂合金連續鑄軋成型技術進行了有益的前期探索。在2005 年5 月份進行了變形鎂連續鑄軋實際工藝試驗,成功鑄軋出6×600mm 的AZ31 帶坯;於2005年8 月份成功鑄軋出6×600mm 並卷取成功,連續鑄軋出6×1000mm 的帶坯,可以說在連續鑄軋成型技術上取得了實質性的突破。

鎂合金基地

隨著中國汽車、IT、通訊等產業近年來的快速發展,對鎂合金產品的需求不斷增長,從而帶動了國內鎂合金壓鑄產業的發展,在中國產、官、學、研的努力下,一些地區形成了不同產品種類和規模的鎂合金壓鑄產業羣體,中國的六大鎂合金基地建設已經初具規模:

1、重慶:重慶鎂業主要製造鎂合金輕型汽車、摩托車零配件和手動工具壓鑄件。

2、青島:金谷鎂業、海爾集團合作生產3C 用鎂合金零配件(手機與筆記型電腦外殼),並為海信、摩托羅拉等公司提供家電、通訊類產品。

3、長三角地區:上海交大輕金屬精密成型國家工程研究中心研發新型鎂合金及其精密成形技術,而近幾年長三角也湧現出一批鎂合金壓鑄企業,以臺資居多,主要投資地點是上海、蘇州、崑山等地。主要生產汽車和摩托車用鎂合金壓鑄件,行動電話和筆記本電腦鎂合金殼體。

4、深圳:深圳力勁集團公司由香港力勁公司和北京清華大學聯合對鎂合金鑄造設備及其技術進行研發;同時,在廣東省,主要由一批臺資和港資企業組成鎂合金壓鑄件生產羣體,集中在珠江三角洲一帶,以生產計算機、通訊和消費類電子產品部件為主。

5、東北:在遼寧,主要從事氧化鎂及鎂礦開發;吉林長春一汽鑄造有限公司以汽車用鎂合金壓鑄件為產品定位方向,批量生產轎車方向盤和大馬力柴油機汽缸罩蓋。

6、寧夏:將建成中國高品質鎂合金生產基地及示範區。

但是,同其他國家相比,我國的鎂技術和應用水平還是較低的。要提升我國鎂產業整體水平,實現我國高性能鎂合金及其型材自給自足,拓寬我國鎂合金的應用領域,必須重視鎂資源的低耗提取與鎂合金高效製備、加工及應用的關鍵科學問題,需在原鎂冶金動力學及合金熔體純凈化、鎂合金強韌化與塑性變形機理以及鎂合金與環境交互作用機制等方面取得突破。從而為我國鎂產業中的各個關鍵環節的發展提供理論與技術支撐。

往期回顧:

1、鎂合金行業報告(一)

2、鎂合金行業報告(二)

本文由【材料+】原創,【e測試】編輯整理推送,如需轉載請聯繫[email protected]

微信搜索:

【材料+】材料人的專屬平臺!

【e測試服務平臺】「一站式」分析測試服務平臺!

推薦閱讀:

相關文章