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镁合金行业报告(三)

材料十2020-07-06 16:21:21



【材料+】祝大家狗年发大财

【材料+】说:

随着现代科技的不断发展,金属材料的消耗与日俱增,金属矿产资源逐渐趋于枯竭。镁是地球上储量最丰富的元素之一,在地壳表层金属矿的资源含量为2.3%,位居常用金属的第4 位,此外在盐湖及海洋中镁的含量也十分可观,如海水中镁含量达2.1×1015 吨。在很多金属趋于枯竭的今天,加速开发镁金属材料是实现可持续发展的重要措施之一。由国际著名镁合金专家联合撰写的“镁基合金”(师昌绪、柯俊、R.W 卡恩主编《材料科学与技术》丛书第8 卷)一文指出:“在材料领域中,还没有任何材料像镁那样潜力与现实有如此大的颠倒。

近当代应用

镁的一种新的应用说明其强度得到了改进是在老式军用悍马车上加入一个两件式平板插片。这些插入物设计可以保持车辆以30英里/小时的速度使用单个轮胎行驶30英里。之后,由于镁金属插片切入轮胎缩短了其使用寿命,后来由橡胶耐磨插入件取代。

之后镁合金最为突出的军事应用是在西科斯基黑鹰等3000多架陆军和海军飞机上的传动和齿轮箱。强度的增加和耐腐蚀性的提高促使镁合金的应用的普及。类似的合金也被用在通用动力海军陆战队两栖远征战斗车(EFV)上。EFV变速器壳体由Elektron21,ZE41和AZ91E制成的多于15种的镁零件组成。

在实践应用中,科学家和工程师了解到高强度性能和良好的耐腐蚀性不足以表明该合金具备良好的冲击响应和穿孔阻力。重新引起工程师们注意的是对旧的(AZ31B-H24)和新的(Elektron 675,Electron 21等)锻造合金的弹道评估以确定穿孔阻力的实验结果。通用型AZ31B-H24具有中等的强度和良好的耐腐蚀性,但在防弹性能方面没有任何优化的方法;但是在重量基础上其防弹性能超过5083-H131对抗穿甲弹。而这些结果最终也导致了第一个镁合金装甲材料规范指南(MILDTL-32333(MR))出台,其可作为进一步发展镁合金(如Elektron 675和WE 54)装甲的基准。

随着科技的发展,军事活动对其装备的性能和动力提出了新的要求。而性能和动力的要求的提高也引起了国防部对镁应用的新兴趣。因此在2007年,美国国防部参与举办了国际镁研讨会。研讨会的目的是评估镁合金的全球最先进水平,并就加工,微观结构和相应性能方面的最新进展交换信息。纳米结构和超细晶粒材料,集成计算材料工程(ICME)以及合金和加工设计等技术的出现为镁合金的研究打开了全新的设计框架大门,并指出从人员防护到车辆结构的镁广泛的应用潜力。

之后美国致力于镁合金应用的研发。美国陆军研究实验室与MENA公司达成协议,共同发展制造用于装甲地面车辆的镁合金。根据协议,其主要对高强度WE43和Elektron 675合金进行研究开发。

此外,各种合金也正在被研究用于复合头盔外壳,其中重量轻,比刚度和高阻尼,加上适当的防弹性都可能引起性能的提升。燃油效率地面车辆演示器(FED)计划旨在通过设计战术车辆来降低战区内的燃料消耗,其燃料经济性明显高于M114。在考虑高风险/高回报技术时,他们试图将镁发动机缸体和壳体部件结合在一起。

为了发掘镁合金的使用潜力,美国能源部在93年到03年的这十年中也投资了类似的项目来支持汽车工业,并取得了一切成绩。克尔维特使用在“结构铸造镁合金开发”(SCMD)项目下研发的镁合金发动机支架;镁动力系统铸造组件(MPCC)计划展示了在高压压铸动力系统部件中使用镁的可行性和益处。针对轻型车辆结构的超大型铸件项目探索了用于超大型结构的半固态成型和/或多口热流道技术,以克服高压铸造的缺点。镁前端应用研究和开发计划是一个多国努力的结果,开发实用技术和知识,使得车辆前端车身结构轻50-60%。而这些成功的应用也促进了镁合金在汽车领域的广泛应用。

在民用方面,主要集中在汽车领域。各国纷纷加大镁合金制品的研发力度,尤其是20世纪90年代以来,相继出台了镁研究计划,开展了大型的"产、学、研"联合攻关项目和计划。德国政府制订了一个投资2500万德国马克的镁合金研究开发计划,主要研究压铸合金工艺,快速原型化与工具制造技术和半固态成型工艺,以提高德国在镁合金应用方面的能力;1993 年欧洲汽车制造商提出"3公升汽油轿车"的新概念,美国也提出了"PNGV"(新一代交通工具)的合作计划,其目标是生产出消费者可承受的每百公里耗油3公升的轿车,且整车至少80%以上的部件可以回收,这些要求迫使汽车制造商采用更多高新技术,生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车。此外,科学家还研究将镁合金用于笔记本电脑、移动电话、数码相机、摄像机上,并广泛推广到家电和通讯器材等领域。

鉴于镁合金的发展前景,许多钢铁业主也转向参与镁业的投资开发。上述趋势造成许多大型项目的实施和完成,必将推动镁工业的低成本生产工艺的研究开发和应用,加上镁合金回收容易的因素,将使全球镁金属的价格稳步下降。目前,世界的镁金属的价格与铝的价格已非常接近,而镁的价格还将继续下降,影响镁合金广泛使用的原材料价格瓶颈正在突破。


优势单位

东北大学 拥有材料电磁过程教育部重点实验室和轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,也是我国最早设立铝镁轻金属冶金专业的高等学校,有一大批专门从事轻合金电磁冶金与提取冶金的研究人员;开发了镁合金低温连铸和镁合金低频电磁连铸新技术。先后承担原冶金部无隔板镁电解槽炼镁,水氯镁石脱水及皮江法炼镁等项目。

中科院金属研究所 是国内较早开展镁合金设计、开发与应用研究的单位之一。近年来承担了有关镁合金的四个“863”项目、一个“十五”攻关项目、国家自然科学基金和重点基金3 项。主要研究了镁合金的冶炼和铸造技术,高温变形行为、强化机理和高速变形机理和温热塑性成形原理。已研制出Mg-Li 合金棒料、2mm 薄板材、镁合金汽车轮毂,以及强度超过450MPa 的高强度变形镁合金等产品。并在镁合金凝固过程控制、半固态镁合金方面进行了研究,发现了Mg2Ca,Al2Ca,(Mg,Al)2Ca 等强化相的形成规律。金属所在材料的环境行为研究领域有雄厚的研究基础,具备腐蚀和材料的环境敏感断裂研究的各种设备。在多项国家项目的支持下,广泛开展了镁合金腐蚀与防护的研究工作,包括腐蚀电化学理论、电镀,化学镀,阳极氧化等表面处理技术。开发的化学镀技术获沈阳市科技进步奖。目前,已经获得了无污染的转化膜,化学复合镀和微弧氧化防护方法。

中科院沈阳分院-金属研究所 设有镁合金腐蚀防护及表面处理研究课题组和镁基轻质材料及其应用创新团队。镁合金腐蚀防护及表面处理研究团体从事包括镁合金的微观腐蚀机制研究、耐蚀型镁合金的研发及镁合金表面化学转化膜、微弧氧化、化学镀及生物可降解涂层研究等在内的镁合金腐蚀防护研究。团队主要研究方向有镁合金的腐蚀防护研究、镁合金无铬转化膜技术、镁合金自封孔微弧氧化技术、镁合金多功能化学镀镍技术。镁基轻质材料及其应用创新团队的主要研究方向:镁合金材料加工制备工艺-组织-性能关系、高品质镁合金结构零部件成形制造技术、镁合金腐蚀及其表面防护技术等;拥有高活泼性镁合金熔体无熔剂合金化、熔体高洁净化工艺及设备研制(解决了镁合金夹杂倾向严重的技术难题)、高强、耐热镁合金砂型-低压铸造工艺及高品质、高致密度铸件开发、室温高塑性镁合金板材、型材制备技术及其室温成形技术、高强、耐热镁合金高效、低成本锻造及各向异性调控技术、镁合金表面防护技术等。

沈阳工业大学 是承担国家十五攻关计划“镁合金研究开发与产业化”重大项目“高性能镁合金及其挤压产品关键技术研究开发及产业化”等多项课题的参加单位,以及国家十五“863”计划“高强高韧镁合金及其在车轮上的应用”课题的单位。沈阳工业大学具有一个省级重点实验室,立足于当前学科领域的前沿,开展了对镁合金强韧化机制、镁合金疲劳强度、镁合金疲劳裂纹扩展、镁合金凝固过程及缺陷控制、镁合金晶粒细化、镁合金塑性变形和超塑性、镁合金蠕变行为、镁合金快速凝固与非晶、镁合金复合材料等方面的研究工作。

北京工业大学镁合金课题组 长期致力于开展新型高强耐热镁合金材料、高性能镁合金复合材料、镁合金型材塑性成形技术等研究以及为企业制定中长期镁产业发展规划。目前拥有7项发明专利。完成国家973计划--镁合金加工新方法及原理的基础研究、镁及镁合金关键技术开发与应用、高性能镁合金成分设计优化及制备工艺、面向应用的新型镁合金研究开发等国家科技支撑计划。课题组目前拥有800吨压铸机、630吨挤压机、Φ400X450双辊轧机等大型工业化制备加工设备,可为国内相关企业提供新产品开发、合作研究及制定企业发展规划等业务。

国家镁合金材料工程技术研究中心 是一家经科技部于2007年批准组建的以重庆大学为依托单位的国家国际合作重点基地。其成员单位包括重庆镁业科技股份有限公司、长安汽车(集团)有限责任公司、西南铝业(集团)有限责任公司、西南技术工程研究所、重庆工学院等,其前身为重庆市镁合金工程技术研究中心。2007年底被批准为国家国际合作重点基地。

在国家"211"和"985"工程的支持下,中心已在重庆大学建成6000多平方米的研发基地,拥有镁合金熔炼、压铸、半连续铸造、薄带连铸、挤压、轧制和冲压等成套研发设备和先进的材料分析检测仪器。中心的中试及产业化核心基地拥有压铸、挤压、装备制造等工业设备,建有多条镁合金产业化生产线。

国家镁合金材料工程技术研究中心先后承担国家及省部级重要项目等30余项,突破并掌握了一批关键技术,取得了一批具有自主知识产权的标志性成果;促进了镁合金产品在摩托车、汽车、军工、手动工具、3C产品等方面的应用,极大地推进了我国镁产业的发展。通过技术服务与项目合作,中心的研发成果已辐射到全国40余家镁及镁合金生产与应用企业。

潘复生院士专长镁合金、铝合金、工具钢、冶金铸轧技术、冶金熔体纯净化技术等方面的研究和应用,特别是在镁合金方面成就显著。他建立了国家镁合金材料工程技术研究中心,组建了一支在国际上有重要影响的科研团队。三十多年来,潘复生教授和他的团队重点致力于解决镁合金材料塑性差、加工成形难、纯净度低等关键难题,承担完成了一批重要的国家级项目和多个重要的国际合作项目,在高塑性镁合金、先进成形加工技术和深度纯净化等领域取得重要创新成果,为我国镁科学技术与产业的发展壮大和走向世界做出了重要贡献。已在国际著名刊物发表SCI收录论文350多篇,出版著作12部(本)。获国家技术发明奖和科技进步奖4项,省部级重要科技奖励10余项;获国家授权发明专利130多项,制订并获批国家标准多项。

上海交通大学 拥有轻合金精密成型国家工程研究中心,轻合金精密成型国家工程研究中心(Light Alloy Net Forming National Engineering Research Center-LAF-NERC)成立于2000年3月,是由国家发改委批准组建、上海交通大学承建的国家级工程研究中心,现任中心主任为丁文江教授。中心以国家战略需求和产业发展为导向,致力于新型高品质轻合金及其制品的研制、工程化、产业化和技术转移等工作,开展了先进铸造铝合金、镁合金与液态成型、塑性成型与控制、材料能量场制备、腐蚀与防护技术、镁基生物材料、镁基能源材料等方面的研究。

现有科研人员50多名。近年来,轻合金精密成型国家工程研究中心先后承担了国家“八五”、“九五”和“十五”重点科技攻关、“863”计划、国防预研究项目、民口军工配套项目、国家自然科学基金、上海市科技发展基金等国家和省部级科研项目40 多项,发表论文250 余篇,申请和取得国家发明专利权39 项,获得国家及省部级科技奖励15 项,已产业化成功的成果4 项。工程中心拥有镁合金压铸机5 台、挤压铸造机1 台、低压铸造机2 台、800 吨型材挤压机1 台、150 吨冲压机1 台。工程中心拥有的核心技术包括高品质镁合金熔剂、高品质镁合金锭生产技术、镁合金精密压铸成型技术、镁合金轮毂生产技术、镁合金塑性变形加工技术(挤压、轧制、冲压等)和镁合金表面处理技术等。

上海镁材料及应用工程技术研究中心(SMA) 成立于2009年9月,是上海市科学技术委员会批准正式组建的镁基新能源材料研究和开发基地,主要从事先进镁材料设计、制备及产业化的研究开发工作。

中心现有研究开发人员18名,包括教授4名和副教授7名,拥有博士学位的研究人员10名,从海外引进高水平研究人员4名。中心设有先进镁材料与成型、能源镁合金设计与制备、生物医用镁合金等研究方向,有等离子体金属纳米粉体制备仪、同步热分析仪、气相-固相反应仪、电化学工作站等先进材料制备、测试和表征仪器设备,主要通过第一性原理计算、X射线衍射、同步辐射、中子衍射、高分辨透射电镜等先进研究和分析方法,对镁合金及其制备技术开展研发。中心十分关注国际国内合作与交流,与国内上汽、比亚迪、华为等大型企业开展了产学研合作,同时与美国通用汽车研发中心、密歇根大学、挪威科技大学、日本东北大学、加拿大英属哥伦比亚大学建立了良好的国际合作关系,通过访问研究、学生交换和合作发表论文促进了中心研发实力的提升。

中南大学 是国家“211”工程和“985”工程重点建设的全国重点大学。学校在变形镁合金研究方面有良好的工作基础,其中金属材料研究所是国家“轻质高强材料”国防重点实验室、教育部快速凝固材料重点实验室,开展了大量变形镁合金、喷射沉积、电磁场铸轧的研究。承担了“稀土镁合金制造涡喷-10 型航空发动机机匣”、“鱼雷动力源Mg/CuCl 阳极镁合金薄板材料”和国家“十五”攻关—“镁合金应用及产业化”研究项目。研究所拥有完整的镁合金挤压和轧制生产线,目前已成为海装和航天某部特种镁合金板材的定点生产单位,自行研制的快速凝固喷射沉积装备,可实现自动化全密封喷射沉积制备非平衡凝固材料;自行研制的ф400×500mm 电磁场铸轧机组,可进行常规电磁场铸轧和超薄快速电磁场铸轧的系列实验,能为镁合金薄带凝固-变形一体化的研究提供较好的实验平台。

北京有色金属研究总院 创建于1952 年11 月,是我国有色金属行业规模最大的综合性研究开发机构。拥有有色金属行业开发基地、有色金属材料制备加工国家重点实验室、有色金属复合材料工程中心、有色金属及电子材料分析测试中心等国家级研发部门8 个。开展镁合金材料及其深加工技术研究已有近四十年的历史,尤其是九五、十五期间,承担了包括“973”、“863”、国家科技攻关重大专项、国防科工委民口重点项目等在内的镁合金相关课题十余项。自主研究开发建成了铸造镁牺牲阳极生产线、挤压阳极生产线、高纯变形镁合金材料制备中试线。2005 年经国家科技部批准组建了面向我国有色金属行业技术创新的有色金属材料制备加工国家重点实验室。针对镁合金领域,与东北轻合金集团、宁夏东方有色金属集团建立了联合技术中心。

中铝洛阳铜业有限公司 拥有我国完整的一条镁板带材生产线,具有四十多年的镁合金板带材研究开发和实际生产的经验,具有很强的开发、研制、生产镁合金材料新品种的能力,目前该生产线已累计生产近万吨镁及镁合金板带材,开发生产的镁合金板带材在化工、交通、纺织、航天航空等行业得到广泛应用,并为我国的国防军工和重点武器型号的发展做出了重大的贡献。洛铜集团自60年代建成镁及镁合金板带材生产线以来,先后承担并完成了多项国家重点军工科研试制任务,研制开发了多种变形镁合金材料和镁屑重熔技术,SF6 保护技术、压力导流铸造等技术。近年来加大力度在变形镁板传统的加工方式的工艺改进优化、变形镁合金材料应用性能的研制开发、变形镁材在交通、3C产品的推广应用等民用方面进行大量的技术工作。对镁合金连续铸轧成型技术进行了有益的前期探索。在2005 年5 月份进行了变形镁连续铸轧实际工艺试验,成功铸轧出6×600mm 的AZ31 带坯;于2005年8 月份成功铸轧出6×600mm 并卷取成功,连续铸轧出6×1000mm 的带坯,可以说在连续铸轧成型技术上取得了实质性的突破。

镁合金基地

随着中国汽车、IT、通讯等产业近年来的快速发展,对镁合金产品的需求不断增长,从而带动了国内镁合金压铸产业的发展,在中国产、官、学、研的努力下,一些地区形成了不同产品种类和规模的镁合金压铸产业群体,中国的六大镁合金基地建设已经初具规模:

1、重庆:重庆镁业主要制造镁合金轻型汽车、摩托车零配件和手动工具压铸件。

2、青岛:金谷镁业、海尔集团合作生产3C 用镁合金零配件(手机与笔记型电脑外壳),并为海信、摩托罗拉等公司提供家电、通讯类产品。

3、长三角地区:上海交大轻金属精密成型国家工程研究中心研发新型镁合金及其精密成形技术,而近几年长三角也涌现出一批镁合金压铸企业,以台资居多,主要投资地点是上海、苏州、昆山等地。主要生产汽车和摩托车用镁合金压铸件,移动电话和笔记本电脑镁合金壳体。

4、深圳:深圳力劲集团公司由香港力劲公司和北京清华大学联合对镁合金铸造设备及其技术进行研发;同时,在广东省,主要由一批台资和港资企业组成镁合金压铸件生产群体,集中在珠江三角洲一带,以生产计算机、通讯和消费类电子产品部件为主。

5、东北:在辽宁,主要从事氧化镁及镁矿开发;吉林长春一汽铸造有限公司以汽车用镁合金压铸件为产品定位方向,批量生产轿车方向盘和大马力柴油机汽缸罩盖。

6、宁夏:将建成中国高品质镁合金生产基地及示范区。

但是,同其他国家相比,我国的镁技术和应用水平还是较低的。要提升我国镁产业整体水平,实现我国高性能镁合金及其型材自给自足,拓宽我国镁合金的应用领域,必须重视镁资源的低耗提取与镁合金高效制备、加工及应用的关键科学问题,需在原镁冶金动力学及合金熔体纯净化、镁合金强韧化与塑性变形机理以及镁合金与环境交互作用机制等方面取得突破。从而为我国镁产业中的各个关键环节的发展提供理论与技术支撑。

▶点击下列标题,查看相关阅读:

1、镁合金行业报告(一)

2、镁合金行业报告(二)

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