鎂合金加工工業(yè)及技術(shù)的發(fā)展特點與趨勢

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　　1.輕合金加工材料的特點

　　通常把密度（詞條“密度”由行業(yè)大百科提供）r?4.5g/mm3的金屬叫輕金屬，用輕金屬制造的合金稱之為輕合金。將輕金屬及其合金經(jīng)鑄造(包括壓鑄（詞條“壓鑄”由行業(yè)大百科提供）)、塑性成形或其它方法(如泡沫法、復(fù)合法、半固態(tài)成型法等)制成的材料稱為輕合金材料。輕合金材料具有一系列的優(yōu)越特點，使之成為國防軍工、國民經(jīng)濟(jì)各部門及人民生活各方面的重要基礎(chǔ)材料，特別是現(xiàn)代交通運輸?shù)睦硐氩牧希�其主要特性指�?biāo)見表1，其優(yōu)越特性如下：

　　表1　輕合金材料與鋼材的主要特性對比

　　(1)密度小，比重輕，便于交通工具輕量化。鎂的密度為1.70g/cm3，鋁的密度為2.70g/cm3，鈦的密度為4.50g/cm3，和鋼與銅的密度相比小得多(銅的密度為8.9g/cm3)。

　　(2)力學(xué)性能（詞條“力學(xué)性能”由行業(yè)大百科提供）高，比強(qiáng)度、比彈性模量高。表2列出了典型的鋁、鎂、鈦合金（詞條“鈦合金”由行業(yè)大百科提供）與鋼鐵材料的力學(xué)性能與比強(qiáng)度，由表可知，輕合金材料的比強(qiáng)度大大高于鋼鐵。這不僅有利于輕量化，而且便于運輸和安裝。

　　(3)抗腐蝕，易表面處理，美觀耐用。由于鋁材（詞條“鋁材”由行業(yè)大百科提供）的表面可自然產(chǎn)生一層很薄的氧化鋁（詞條“氧化鋁”由行業(yè)大百科提供）保護(hù)膜（詞條“保護(hù)膜”由行業(yè)大百科提供），且硬度高不易破損，在大氣中有很好的防腐能力，因此，鋁質(zhì)車體(船體)比容易生銹的鋼質(zhì)車體(船體)的耐腐蝕性（詞條“耐腐蝕性”由行業(yè)大百科提供）能優(yōu)越的多，特別是那些不易觸及(涂漆噴粉)到的部位，如覆蓋面、箱型結(jié)構(gòu)件以及某些內(nèi)部梁柱等處的防腐，鋁結(jié)構(gòu)件顯示出了更加明顯的優(yōu)越性，甚至比不銹鋼構(gòu)件也更優(yōu)越的多。

　　鋁合金具有優(yōu)良的的表面處理能力，可采用陽極氧化處理，也可采用化學(xué)上色、噴漆、上漆等處理方法，這不僅大大提高了耐腐蝕性，而且使表面色彩調(diào)和、美觀耐用，因此是建筑門窗等的主要裝飾材料。鈦合金的抗腐蝕性能不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼鐵，也高于鋁合金，即使在潮濕高溫的大氣環(huán)境中和海水腐蝕條件下也是有非常優(yōu)秀的耐腐蝕性能。鎂合金的耐腐蝕性能雖然較差，但最近開發(fā)出了多種耐腐蝕鎂合金，特別是鎂合金的鑄件和壓鑄件具有良好的耐腐蝕性，而且易表面處理，既防腐又美觀。

　　(4)耐火與耐電弧特性比鋼好。盡管鋁(660°C)、鎂(650°C)的熔點遠(yuǎn)遠(yuǎn)比鋼(1500°C)的熔點低，但鋁和鎂有良好的導(dǎo)熱性，故其散熱能力反而比鋼好。

　　(5)輕合金的加工性能好，便于制造和維修。輕合金具有非常良好的鑄造、塑性成形、機(jī)械加工、焊合與表面涂敷性能，因此很方便鑄造(壓鑄)成各種薄壁復(fù)雜的鑄件和壓鑄件，塑性加工成各種規(guī)格的復(fù)雜實心與空心型材。

　　(6)易于回收和重復(fù)使用。特別是鋁的回收率比鋼鐵大得多。

　　(7)資源豐富。鋁、鎂、鈦在自然界中分布極廣，分別占地殼重量的7.45%，2.34%和0.61%，在金屬元素中分別占據(jù)第一、第六和第七位。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，冶金方法的創(chuàng)新，輕金屬的產(chǎn)量會不斷增加，成本會不斷下降。

　　表2　不同材料的力學(xué)性能比較

　　2.鎂及鎂合金加工工業(yè)與技術(shù)的發(fā)展概況

　　2.1　概述

　　鎂于1774年首次被人們發(fā)現(xiàn)，并以希臘古城Magnesia命名，元素符號為Mg，屬于周期表中ⅡA族堿土金屬元素。相對原子質(zhì)量為24.305。純鎂的密度為1.738g.cm-3,是輕金屬的一種。

　　鎂是具有銀白色金屬光澤的金屬，化學(xué)性質(zhì)活潑，在空氣中由于氧化而迅速變暗。鎂與鈹、鈦一樣，呈密排六方晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為a=0.3202nm;c=0.5199nm。在室溫下滑移系少，故加工性能比面心立方晶格的鋁要差得多。

　　鎂的資源十分豐富，是自然界中分布最廣的元素之一，在地殼中含量高達(dá)2.7%，僅次于O、Si、AI、Fe、Ca ,居第六位。在工業(yè)金屬中僅次于AI和Fe而居第三位。同時，占地球表面積70%的海洋也是一個天然的鎂資源寶庫。目前主要用電解法和熱還原法來生產(chǎn)金屬鎂。

　　在鎂中添加不同合金的元素，可以形成具有不同性能和用途的鎂合金。鎂合金是目前世界上最輕質(zhì)的商用金屬工程結(jié)構(gòu)材料。

　　鎂及鎂合金可以鑄造成形的方式制備出各種鑄件或壓鑄件，也可以通過各種塑性成形和熱處理加工出不同品種、規(guī)格、性能和用途的管、棒、型、線、板、帶、條、箔、鍛件等半成品等，然后進(jìn)行切屑加工、冷沖壓（詞條“沖壓”由行業(yè)大百科提供）成型和表面處理及接合等深加工成各種零件或結(jié)構(gòu)部件。與其它結(jié)構(gòu)材料相比，鎂及鎂合金具有一系列優(yōu)點：如密度低，比強(qiáng)度和比剛度（詞條“剛度”由行業(yè)大百科提供）高，阻尼減震降噪（詞條“降噪”由行業(yè)大百科提供）能力強(qiáng)，電磁屏蔽性能優(yōu)異，抗輻射，摩擦?xí)r不起火花，熱中子捕獲截面小，液態(tài)成形性能優(yōu)越，切削加工和熱成形性好，可焊接和膠合，對堿、煤油、汽油和礦物油具有化學(xué)穩(wěn)定性，易于回收利用等，符合“21世紀(jì)綠色結(jié)構(gòu)材料”的特征，越來越受到人們的青眛。近年來鎂材在汽車、摩托車等交通工具、計算機(jī)、通訊、儀器儀表、家電等電子電器工業(yè)、輕工、化工、冶金、航空航天、國防軍工等部門獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著鎂的提煉及加工技術(shù)的發(fā)展，以及成本的下降，鎂材已成為鋼鐵和鋁之后的第三類金屬材料（詞條“金屬材料”由行業(yè)大百科提供），在全球范圍內(nèi)將得到快速發(fā)展。

　　2.2　鎂工業(yè)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

　　1808年Humphrey首先從汞合金分餾出汞和鎂。1852年Buhsen第一次用電解法在氯化鎂中電解鎂。1886年在德國Bremen附近創(chuàng)建了世界第一個電解鎂廠。1910年世界年產(chǎn)鎂僅約10t，到1930年增長到1200t以上。

　　在第二次世界大戰(zhàn)的刺激下，鎂工業(yè)獲得了飛速發(fā)展。從1935年開始，德、法、奧、意、前蘇聯(lián)等國分別新建了鎂廠。第二次世界大戰(zhàn)期間，美國的鎂產(chǎn)能擴(kuò)大了10倍。1939年世界鎂產(chǎn)量上升到32000t/a，1943年世界鎂年產(chǎn)量達(dá)23.5萬t/a，在此期間，鎂制品主要用來制造燃燒彈、照明彈、電光彈以及軍工和飛機(jī)等軍用裝備的零部件。

　　第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，世界鎂年產(chǎn)量又大幅回落，1946年世界鎂年產(chǎn)量下降到2.5萬t/a，美國原鎂產(chǎn)量下降到4834t/a。為促進(jìn)鎂工業(yè)的發(fā)展，各國開始考慮鎂在民用工業(yè)上的開發(fā)與應(yīng)用，在此之后的20年中，DOW化學(xué)公司在開發(fā)鎂合金工業(yè)及其生產(chǎn)技術(shù)方面取得了突破性的進(jìn)展，為鎂及鎂合金在冶金、電子、航空航天、電器、輕工、汽車、交通運輸、化學(xué)化工、印刷、文體等部門的應(yīng)用開辟了道路，使鎂工業(yè)出現(xiàn)了連續(xù)發(fā)展的勢頭。第二次世界大戰(zhàn)以后，世界鎂產(chǎn)量年均增長率一直保持在7%左右，1998年年產(chǎn)消量達(dá)36萬噸/年，此后以每年以9%左右的速度遞增。2007年世界原鎂產(chǎn)能已達(dá)120.0萬噸/年以上，2007年產(chǎn)量達(dá)79萬噸/a，后因世界經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響，2008年降為72萬噸/a,2009年為70萬噸/a左右。

　　我國是世界上的“鎂大國”，鎂資源約占全球的70%.我國的鎂工業(yè)起步較晚，20世紀(jì)60年代才形成工業(yè)規(guī)模，但1990年以來，獲得了飛速發(fā)展，產(chǎn)量成倍增加，2000年，我國鎂產(chǎn)量已逾19.5萬噸/年，成為名副其實的產(chǎn)鎂大國。由于國內(nèi)鎂的消費還處于較低水平，鎂合金在汽車產(chǎn)品上的應(yīng)用剛剛起步，在電子產(chǎn)品上的應(yīng)用仍然還是比較少，2000年鎂的消費量僅有2.55萬噸，產(chǎn)量的絕大部分用于出口。2009年我國原鎂產(chǎn)能達(dá)110萬噸/a，年產(chǎn)量達(dá)到58.56萬噸/年，占世界鎂產(chǎn)量的75%以上，已成為世界上主要的鎂出口國。表3列出了我國近18年來的鎂產(chǎn)量。充分利用我國豐富的鎂資源，加強(qiáng)鎂及鎂合金的應(yīng)用研究、深加工制品的開發(fā)，盡快將初級原材料轉(zhuǎn)化成為具有高附加值的產(chǎn)品，是我國發(fā)展鎂工業(yè)的首要任務(wù)。

　　表3　我國1995-2009年鎂產(chǎn)量一覽表

　　2.3　鎂及鎂合金材料工業(yè)的發(fā)展概況與趨勢

　　(1) 世界鎂工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　1)原鎂產(chǎn)量

　　自20世紀(jì)80年代以來世界的鎂產(chǎn)量呈增長趨勢，年增長率為2%以上，全球前5名鎂鎂大國是中國、挪威、美國、俄羅斯和以色列，見表4。自20世紀(jì)90年代以來，我國鎂工業(yè)高速發(fā)展，原鎂產(chǎn)量由1990年的0.53萬噸猛增到2009年的58.56萬噸，表5列出了2000-2006年全球及中國原鎂產(chǎn)量。中國已經(jīng)成為鎂的生產(chǎn)大國和出口大國。

　表4　世界前5名產(chǎn)名國的原鎂產(chǎn)量，萬t

　　表5　2000～2006年全球及中國原鎂產(chǎn)量，萬t

　　除以上幾國外，烏克蘭、意大利、瑞士、澳大利亞、瑞典等也在鎂及鎂合金的開發(fā)應(yīng)用方面做了大量的工作，并取得了不少的成果。但自20世紀(jì)末以來，隨著中國鎂工業(yè)的崛起，世界鎂工業(yè)生產(chǎn)格局被打破，一些國家鎂工業(yè)的發(fā)展受到一定的影響。如面對中國金屬鎂的競爭優(yōu)勢，道屋公司于1998年退出鎂業(yè)，加拿大諾蘭達(dá)采用先進(jìn)技術(shù)新建的金屬鎂廠難以正常投產(chǎn)，澳大利亞擬建的新廠由于大股東撤資而無法建設(shè)，法國普基公司的金屬鎂廠也被迫關(guān)閉。迫于成本壓力海德魯公司于2006年7月宣布其屬下的三個鎂廠將全部關(guān)閉。

　　2)消費量及消費結(jié)構(gòu)

　　目前，世界上鎂的消費主要集中在三大領(lǐng)域，用于鋁合金生產(chǎn)、鎂壓鑄生產(chǎn)及煉鋼脫硫，三者占總消費量的91%左右，其中，鎂合金壓鑄件的發(fā)展速度最快。鎂壓鑄件的消費市場中，北美、拉美及西歐用量最多，在過去的10年里，鎂合金壓鑄件在汽車上的使用量上升了15%左右，這種趨勢今后幾年還會進(jìn)一步增長。

　　日本近幾年也開始重視鎂合金壓鑄件的應(yīng)用開發(fā)，其主要消費領(lǐng)域是3C產(chǎn)業(yè)。亞洲的鎂合金產(chǎn)品占全球的14.8%，其中的90%是由日本和中國臺灣的廠商提供的。以筆記本電腦用鎂合金零配件為例，2002年日本和中國臺灣的廠商占有全球85%的市場。

　　由于鎂合金結(jié)構(gòu)件的廣泛應(yīng)用，全世界對鎂及鎂合金加工材料的需求與日俱增，市場不斷擴(kuò)大。因此，近年來鎂及鎂合金加工產(chǎn)業(yè)也獲得了飛速發(fā)展，但新產(chǎn)品比重仍然較低。

　　(2)中國鎂工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　中國是鎂資源大國，鎂菱礦儲量世界第一，占世界已查明儲量的1/4，而且具有世界各國難以比擬的質(zhì)量優(yōu)勢和可規(guī)模開采經(jīng)營優(yōu)勢。我國有巨大的市場需求，鋼鐵和鋁的產(chǎn)量雄居世界第一，汽車年產(chǎn)量2011年突破2000萬輛，居世界第一，為鎂材的應(yīng)用提供了廣闊的市場;我國有豐富的能源和廉價的勞動力資源以及政府的高度重視和引導(dǎo)與民營企業(yè)的積極參與等優(yōu)越條件，因此，很快成為了世界的鎂生產(chǎn)大國和出口大國。但還不是鎂業(yè)強(qiáng)國，特別是在鎂合金材料的研制開發(fā)與應(yīng)用方面與世界先進(jìn)水平還有一定的距離。

　　1)原鎂產(chǎn)量

　　2012年，我國的原鎂產(chǎn)能超過130萬t/a，產(chǎn)量達(dá)62萬t/a左右，占全世界總產(chǎn)量的75%以上，是世界上第一大鎂生產(chǎn)國。發(fā)達(dá)國家的成本居高不下，原鎂產(chǎn)能和產(chǎn)量不會有大的增長，而中國的產(chǎn)能和產(chǎn)量還會進(jìn)一步增加。所以，中國居世界第一原鎂生產(chǎn)大國的地位在相當(dāng)一段時間內(nèi)不會改變。

　　目前，我國共有原鎂生產(chǎn)企業(yè)100余家，多分布在山西、河南、寧夏、陜西、河北等地。最大產(chǎn)能達(dá)5萬t/a，有的企業(yè)甚至擬建產(chǎn)能達(dá)10萬t/a的原鎂基地。目前，平均生產(chǎn)規(guī)模約4000t/a左右。年產(chǎn)量超過萬噸的企業(yè)不超過15家。

　　2)鎂出口量

　　中國雖然是鎂生產(chǎn)大國，但國內(nèi)消費量并不大，大部分以初級原料出口，如2006年我國原鎂產(chǎn)量為52.56萬t/a以上，而國內(nèi)消費量僅為15.65萬t/a左右，出口量約為34.98萬噸，成為世界最大的原鎂出口國。表6是中國近12年來的原鎂產(chǎn)量和出口量。

　　表6　中國1995-2006年的原鎂產(chǎn)量和出口量

　　歐盟、日本和美國是中國鎂的三大出口市場。2005年中國鎂出口產(chǎn)品的種類及數(shù)量見表7。

　　表7　2005年中國鎂出口品種及數(shù)量

　　3)消費量及消費結(jié)構(gòu)

　　中國鎂產(chǎn)品的消費主要分布在鋁合金、鑄件、金屬還原、稀土合金、煉鋼脫硫等方面。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，鎂的消費量在逐年增加，2002年消費量為4.01萬t，占總產(chǎn)量的14.96%，2003年為5.12萬t，占總產(chǎn)量的14.46%;2004年消費量達(dá)7.05萬t/a，占總產(chǎn)量的15.66%;2005年消費量達(dá)10.55萬t/a，占總產(chǎn)量的22.56%;2006年消費量達(dá)15.65萬t/a，占總產(chǎn)量的29.78%，2007年消費量達(dá)40萬t/a(2008年略降為38萬t/a)，占總產(chǎn)量的50%左右，估計今后還會大幅度增長。我國的鎂主要用于制造鋁合金等非結(jié)構(gòu)型消費，而在壓鑄件、鑄件以及加工產(chǎn)品等方面比例較小，大大落后于工業(yè)發(fā)達(dá)國家。這種現(xiàn)象將會很快改變。表8為中國2000-2006年鎂的消費量及消費結(jié)構(gòu)。

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