镁合金加工工业及技术的发展特点与趋势

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　　1.轻合金加工材料的特点

　　通常把密度（词条“密度”由行业大百科提供）r?4.5g/mm3的金属叫轻金属，用轻金属制造的合金称之为轻合金。将轻金属及其合金经铸造(包括压铸（词条“压铸”由行业大百科提供）)、塑性成形或其它方法(如泡沫法、复合法、半固态成型法等)制成的材料称为轻合金材料。轻合金材料具有一系列的优越特点，使之成为国防军工、国民经济各部门及人民生活各方面的重要基础材料，特别是现代交通运输的理想材料，其主要特性指标见表1，其优越特性如下：

　　表1　轻合金材料与钢材的主要特性对比

　　(1)密度小，比重轻，便于交通工具轻量化。镁的密度为1.70g/cm3，铝的密度为2.70g/cm3，钛的密度为4.50g/cm3，和钢与铜的密度相比小得多(铜的密度为8.9g/cm3)。

　　(2)力学性能（词条“力学性能”由行业大百科提供）高，比强度、比弹性模量高。表2列出了典型的铝、镁、钛合金（词条“钛合金”由行业大百科提供）与钢铁材料的力学性能与比强度，由表可知，轻合金材料的比强度大大高于钢铁。这不仅有利于轻量化，而且便于运输和安装。

　　(3)抗腐蚀，易表面处理，美观耐用。由于铝材（词条“铝材”由行业大百科提供）的表面可自然产生一层很薄的氧化铝（词条“氧化铝”由行业大百科提供）保护膜（词条“保护膜”由行业大百科提供），且硬度高不易破损，在大气中有很好的防腐能力，因此，铝质车体(船体)比容易生锈的钢质车体(船体)的耐腐蚀性（词条“耐腐蚀性”由行业大百科提供）能优越的多，特别是那些不易触及(涂漆喷粉)到的部位，如覆盖面、箱型结构件以及某些内部梁柱等处的防腐，铝结构件显示出了更加明显的优越性，甚至比不锈钢构件也更优越的多。

　　铝合金具有优良的的表面处理能力，可采用阳极氧化处理，也可采用化学上色、喷漆、上漆等处理方法，这不仅大大提高了耐腐蚀性，而且使表面色彩调和、美观耐用，因此是建筑门窗等的主要装饰材料。钛合金的抗腐蚀性能不仅远远高于钢铁，也高于铝合金，即使在潮湿高温的大气环境中和海水腐蚀条件下也是有非常优秀的耐腐蚀性能。镁合金的耐腐蚀性能虽然较差，但最近开发出了多种耐腐蚀镁合金，特别是镁合金的铸件和压铸件具有良好的耐腐蚀性，而且易表面处理，既防腐又美观。

　　(4)耐火与耐电弧特性比钢好。尽管铝(660°C)、镁(650°C)的熔点远远比钢(1500°C)的熔点低，但铝和镁有良好的导热性，故其散热能力反而比钢好。

　　(5)轻合金的加工性能好，便于制造和维修。轻合金具有非常良好的铸造、塑性成形、机械加工、焊合与表面涂敷性能，因此很方便铸造(压铸)成各种薄壁复杂的铸件和压铸件，塑性加工成各种规格的复杂实心与空心型材。

　　(6)易于回收和重复使用。特别是铝的回收率比钢铁大得多。

　　(7)资源丰富。铝、镁、钛在自然界中分布极广，分别占地壳重量的7.45%，2.34%和0.61%，在金属元素中分别占据第一、第六和第七位。随着科学技术的进步，冶金方法的创新，轻金属的产量会不断增加，成本会不断下降。

　　表2　不同材料的力学性能比较

　　2.镁及镁合金加工工业与技术的发展概况

　　2.1　概述

　　镁于1774年首次被人们发现，并以希腊古城Magnesia命名，元素符号为Mg，属于周期表中ⅡA族碱土金属元素。相对原子质量为24.305。纯镁的密度为1.738g.cm-3,是轻金属的一种。

　　镁是具有银白色金属光泽的金属，化学性质活泼，在空气中由于氧化而迅速变暗。镁与铍、钛一样，呈密排六方晶体结构，晶格常数为a=0.3202nm;c=0.5199nm。在室温下滑移系少，故加工性能比面心立方晶格的铝要差得多。

　　镁的资源十分丰富，是自然界中分布最广的元素之一，在地壳中含量高达2.7%，仅次于O、Si、AI、Fe、Ca ,居第六位。在工业金属中仅次于AI和Fe而居第三位。同时，占地球表面积70%的海洋也是一个天然的镁资源宝库。目前主要用电解法和热还原法来生产金属镁。

　　在镁中添加不同合金的元素，可以形成具有不同性能和用途的镁合金。镁合金是目前世界上最轻质的商用金属工程结构材料。

　　镁及镁合金可以铸造成形的方式制备出各种铸件或压铸件，也可以通过各种塑性成形和热处理加工出不同品种、规格、性能和用途的管、棒、型、线、板、带、条、箔、锻件等半成品等，然后进行切屑加工、冷冲压（词条“冲压”由行业大百科提供）成型和表面处理及接合等深加工成各种零件或结构部件。与其它结构材料相比，镁及镁合金具有一系列优点：如密度低，比强度和比刚度（词条“刚度”由行业大百科提供）高，阻尼减震降噪（词条“降噪”由行业大百科提供）能力强，电磁屏蔽性能优异，抗辐射，摩擦时不起火花，热中子捕获截面小，液态成形性能优越，切削加工和热成形性好，可焊接和胶合，对碱、煤油、汽油和矿物油具有化学稳定性，易于回收利用等，符合“21世纪绿色结构材料”的特征，越来越受到人们的青眛。近年来镁材在汽车、摩托车等交通工具、计算机、通讯、仪器仪表、家电等电子电器工业、轻工、化工、冶金、航空航天、国防军工等部门获得了广泛的应用。随着镁的提炼及加工技术的发展，以及成本的下降，镁材已成为钢铁和铝之后的第三类金属材料（词条“金属材料”由行业大百科提供），在全球范围内将得到快速发展。

　　2.2　镁工业的发展历史与现状

　　1808年Humphrey首先从汞合金分馏出汞和镁。1852年Buhsen第一次用电解法在氯化镁中电解镁。1886年在德国Bremen附近创建了世界第一个电解镁厂。1910年世界年产镁仅约10t，到1930年增长到1200t以上。

　　在第二次世界大战的刺激下，镁工业获得了飞速发展。从1935年开始，德、法、奥、意、前苏联等国分别新建了镁厂。第二次世界大战期间，美国的镁产能扩大了10倍。1939年世界镁产量上升到32000t/a，1943年世界镁年产量达23.5万t/a，在此期间，镁制品主要用来制造燃烧弹、照明弹、电光弹以及军工和飞机等军用装备的零部件。

　　第二次世界大战结束后，世界镁年产量又大幅回落，1946年世界镁年产量下降到2.5万t/a，美国原镁产量下降到4834t/a。为促进镁工业的发展，各国开始考虑镁在民用工业上的开发与应用，在此之后的20年中，DOW化学公司在开发镁合金工业及其生产技术方面取得了突破性的进展，为镁及镁合金在冶金、电子、航空航天、电器、轻工、汽车、交通运输、化学化工、印刷、文体等部门的应用开辟了道路，使镁工业出现了连续发展的势头。第二次世界大战以后，世界镁产量年均增长率一直保持在7%左右，1998年年产消量达36万吨/年，此后以每年以9%左右的速度递增。2007年世界原镁产能已达120.0万吨/年以上，2007年产量达79万吨/a，后因世界经济危机影响，2008年降为72万吨/a,2009年为70万吨/a左右。

　　我国是世界上的“镁大国”，镁资源约占全球的70%.我国的镁工业起步较晚，20世纪60年代才形成工业规模，但1990年以来，获得了飞速发展，产量成倍增加，2000年，我国镁产量已逾19.5万吨/年，成为名副其实的产镁大国。由于国内镁的消费还处于较低水平，镁合金在汽车产品上的应用刚刚起步，在电子产品上的应用仍然还是比较少，2000年镁的消费量仅有2.55万吨，产量的绝大部分用于出口。2009年我国原镁产能达110万吨/a，年产量达到58.56万吨/年，占世界镁产量的75%以上，已成为世界上主要的镁出口国。表3列出了我国近18年来的镁产量。充分利用我国丰富的镁资源，加强镁及镁合金的应用研究、深加工制品的开发，尽快将初级原材料转化成为具有高附加值的产品，是我国发展镁工业的首要任务。

　　表3　我国1995-2009年镁产量一览表

　　2.3　镁及镁合金材料工业的发展概况与趋势

　　(1) 世界镁工业的发展现状与趋势

　　1)原镁产量

　　自20世纪80年代以来世界的镁产量呈增长趋势，年增长率为2%以上，全球前5名镁镁大国是中国、挪威、美国、俄罗斯和以色列，见表4。自20世纪90年代以来，我国镁工业高速发展，原镁产量由1990年的0.53万吨猛增到2009年的58.56万吨，表5列出了2000-2006年全球及中国原镁产量。中国已经成为镁的生产大国和出口大国。

　表4　世界前5名产名国的原镁产量，万t

　　表5　2000～2006年全球及中国原镁产量，万t

　　除以上几国外，乌克兰、意大利、瑞士、澳大利亚、瑞典等也在镁及镁合金的开发应用方面做了大量的工作，并取得了不少的成果。但自20世纪末以来，随着中国镁工业的崛起，世界镁工业生产格局被打破，一些国家镁工业的发展受到一定的影响。如面对中国金属镁的竞争优势，道屋公司于1998年退出镁业，加拿大诺兰达采用先进技术新建的金属镁厂难以正常投产，澳大利亚拟建的新厂由于大股东撤资而无法建设，法国普基公司的金属镁厂也被迫关闭。迫于成本压力海德鲁公司于2006年7月宣布其属下的三个镁厂将全部关闭。

　　2)消费量及消费结构

　　目前，世界上镁的消费主要集中在三大领域，用于铝合金生产、镁压铸生产及炼钢脱硫，三者占总消费量的91%左右，其中，镁合金压铸件的发展速度最快。镁压铸件的消费市场中，北美、拉美及西欧用量最多，在过去的10年里，镁合金压铸件在汽车上的使用量上升了15%左右，这种趋势今后几年还会进一步增长。

　　日本近几年也开始重视镁合金压铸件的应用开发，其主要消费领域是3C产业。亚洲的镁合金产品占全球的14.8%，其中的90%是由日本和中国台湾的厂商提供的。以笔记本电脑用镁合金零配件为例，2002年日本和中国台湾的厂商占有全球85%的市场。

　　由于镁合金结构件的广泛应用，全世界对镁及镁合金加工材料的需求与日俱增，市场不断扩大。因此，近年来镁及镁合金加工产业也获得了飞速发展，但新产品比重仍然较低。

　　(2)中国镁工业的发展现状与趋势

　　中国是镁资源大国，镁菱矿储量世界第一，占世界已查明储量的1/4，而且具有世界各国难以比拟的质量优势和可规模开采经营优势。我国有巨大的市场需求，钢铁和铝的产量雄居世界第一，汽车年产量2011年突破2000万辆，居世界第一，为镁材的应用提供了广阔的市场;我国有丰富的能源和廉价的劳动力资源以及政府的高度重视和引导与民营企业的积极参与等优越条件，因此，很快成为了世界的镁生产大国和出口大国。但还不是镁业强国，特别是在镁合金材料的研制开发与应用方面与世界先进水平还有一定的距离。

　　1)原镁产量

　　2012年，我国的原镁产能超过130万t/a，产量达62万t/a左右，占全世界总产量的75%以上，是世界上第一大镁生产国。发达国家的成本居高不下，原镁产能和产量不会有大的增长，而中国的产能和产量还会进一步增加。所以，中国居世界第一原镁生产大国的地位在相当一段时间内不会改变。

　　目前，我国共有原镁生产企业100余家，多分布在山西、河南、宁夏、陕西、河北等地。最大产能达5万t/a，有的企业甚至拟建产能达10万t/a的原镁基地。目前，平均生产规模约4000t/a左右。年产量超过万吨的企业不超过15家。

　　2)镁出口量

　　中国虽然是镁生产大国，但国内消费量并不大，大部分以初级原料出口，如2006年我国原镁产量为52.56万t/a以上，而国内消费量仅为15.65万t/a左右，出口量约为34.98万吨，成为世界最大的原镁出口国。表6是中国近12年来的原镁产量和出口量。

　　表6　中国1995-2006年的原镁产量和出口量

　　欧盟、日本和美国是中国镁的三大出口市场。2005年中国镁出口产品的种类及数量见表7。

　　表7　2005年中国镁出口品种及数量

　　3)消费量及消费结构

　　中国镁产品的消费主要分布在铝合金、铸件、金属还原、稀土合金、炼钢脱硫等方面。随着我国国民经济的高速发展，镁的消费量在逐年增加，2002年消费量为4.01万t，占总产量的14.96%，2003年为5.12万t，占总产量的14.46%;2004年消费量达7.05万t/a，占总产量的15.66%;2005年消费量达10.55万t/a，占总产量的22.56%;2006年消费量达15.65万t/a，占总产量的29.78%，2007年消费量达40万t/a(2008年略降为38万t/a)，占总产量的50%左右，估计今后还会大幅度增长。我国的镁主要用于制造铝合金等非结构型消费，而在压铸件、铸件以及加工产品等方面比例较小，大大落后于工业发达国家。这种现象将会很快改变。表8为中国2000-2006年镁的消费量及消费结构。

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