鎂合金加工工業及技術的發展特點與趨勢

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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鑄造(包括壓鑄（詞條“壓鑄”由行業大百科提供）)、塑性成形或其它方法(如泡沫法、復合法、半固態成型法等)制成的材料稱為輕合金材料。輕合金材料具有一系列的優越特點，使之成為國防軍工、國民經濟各部門及人民生活各方面的重要基礎材料，特別是現代交通運輸的理想材料，其主要特性指標見表1，其優越特性如下：

　　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)力學性能（詞條“力學性能”由行業大百科提供）高，比強度、比彈性模量高。表2列出了典型的鋁、鎂、鈦合金（詞條“鈦合金”由行業大百科提供）與鋼鐵材料的力學性能與比強度，由表可知，輕合金材料的比強度大大高于鋼鐵。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”由行業大百科提供）的表面可自然產生一層很薄的氧化鋁（詞條“氧化鋁”由行業大百科提供）保護膜（詞條“保護膜”由行業大百科提供），且硬度高不易破損，在大氣中有很好的防腐能力，因此，鋁質車體(船體)比容易生銹的鋼質車體(船體)的耐腐蝕性（詞條“耐腐蝕性”由行業大百科提供）能優越的多，特別是那些不易觸及(涂漆噴粉)到的部位，如覆蓋面、箱型結構件以及某些內部梁柱等處的防腐，鋁結構件顯示出了更加明顯的優越性，甚至比不銹鋼構件也更優越的多。

　　鋁合金具有優良的的表面處理能力，可采用陽極氧化處理，也可采用化學上色、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遠高于鋼鐵，也高于鋁合金，即使在潮濕高溫的大氣環境中和海水腐蝕條件下也是有非常優秀的耐腐蝕性能。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)的熔點遠遠比鋼(1500°C)的熔點低，但鋁和鎂有良好的導熱性，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)成各種薄壁復雜的鑄件和壓鑄件，塑性加工成各種規格的復雜實心與空心型材。

　　(6)易于回收和重復使用。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第一、第六和第七位。隨著科學技術的進步，冶金方法的創新，輕金屬的產量會不斷增加，成本會不斷下降。

　　表2　不同材料的力學性能比較

　　2.鎂及鎂合金加工工業與技術的發展概況

　　2.1　概述

　　鎂于1774年首次被人們發現，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，化學性質活潑，在空氣中由于氧化而迅速變暗。鎂與鈹、鈦一樣，呈密排六方晶體結構，晶格常數為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2.7%，僅次于O、Si、AI、Fe、Ca ,居第六位。在工業金屬中僅次于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的商用金屬工程結構材料。

　　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，然后進行切屑加工、冷沖壓（詞條“沖壓”由行業大百科提供）成型和表面處理及接合等深加工成各種零件或結構部件。與其它結構材料相比，鎂及鎂合金具有一系列優點：如密度低，比強度和比剛度（詞條“剛度”由行業大百科提供）高，阻尼減震降噪（詞條“降噪”由行業大百科提供）能力強，電磁屏蔽性能優異，抗輻射，摩擦時不起火花，熱中子捕獲截面小，液態成形性能優越，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穩定性，易于回收利用等，符合“21世紀綠色結構材料”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、通訊、儀器儀表、家電等電子電器工業、輕工、化工、冶金、航空航天、國防軍工等部門獲得了廣泛的應用。隨著鎂的提煉及加工技術的發展，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”由行業大百科提供），在全球范圍內將得到快速發展。

　　2.2　鎂工業的發展歷史與現狀

　　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附近創建了世界第一個電解鎂廠。1910年世界年產鎂僅約10t，到1930年增長到1200t以上。

　　在第二次世界大戰的刺激下，鎂工業獲得了飛速發展。從1935年開始，德、法、奧、意、前蘇聯等國分別新建了鎂廠。第二次世界大戰期間，美國的鎂產能擴大了10倍。1939年世界鎂產量上升到32000t/a，1943年世界鎂年產量達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等軍用裝備的零部件。

　　第二次世界大戰結束后，世界鎂年產量又大幅回落，1946年世界鎂年產量下降到2.5萬t/a，美國原鎂產量下降到4834t/a。為促進鎂工業的發展，各國開始考慮鎂在民用工業上的開發與應用，在此之后的20年中，DOW化學公司在開發鎂合金工業及其生產技術方面取得了突破性的進展，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、化學化工、印刷、文體等部門的應用開辟了道路，使鎂工業出現了連續發展的勢頭。第二次世界大戰以后，世界鎂產量年均增長率一直保持在7%左右，1998年年產消量達36萬噸/年，此后以每年以9%左右的速度遞增。2007年世界原鎂產能已達120.0萬噸/年以上，2007年產量達79萬噸/a，后因世界經濟危機影響，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%.我國的鎂工業起步較晚，20世紀60年代才形成工業規模，但1990年以來，獲得了飛速發展，產量成倍增加，2000年，我國鎂產量已逾19.5萬噸/年，成為名副其實的產鎂大國。由于國內鎂的消費還處于較低水平，鎂合金在汽車產品上的應用剛剛起步，在電子產品上的應用仍然還是比較少，2000年鎂的消費量僅有2.55萬噸，產量的絕大部分用于出口。2009年我國原鎂產能達110萬噸/a，年產量達到58.56萬噸/年，占世界鎂產量的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年來的鎂產量。充分利用我國豐富的鎂資源，加強鎂及鎂合金的應用研究、深加工制品的開發，盡快將初級原材料轉化成為具有高附加值的產品，是我國發展鎂工業的首要任務。

　　表3　我國1995-2009年鎂產量一覽表

　　2.3　鎂及鎂合金材料工業的發展概況與趨勢

　　(1) 世界鎂工業的發展現狀與趨勢

　　1)原鎂產量

　　自20世紀80年代以來世界的鎂產量呈增長趨勢，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90年代以來，我國鎂工業高速發展，原鎂產量由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量。中國已經成為鎂的生產大國和出口大國。

　表4　世界前5名產名國的原鎂產量，萬t

　　表5　2000～2006年全球及中國原鎂產量，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應用方面做了大量的工作，并取得了不少的成果。但自20世紀末以來，隨著中國鎂工業的崛起，世界鎂工業生產格局被打破，一些國家鎂工業的發展受到一定的影響。如面對中國金屬鎂的競爭優勢，道屋公司于1998年退出鎂業，加拿大諾蘭達采用先進技術新建的金屬鎂廠難以正常投產，澳大利亞擬建的新廠由于大股東撤資而無法建設，法國普基公司的金屬鎂廠也被迫關閉。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閉。

　　2)消費量及消費結構

　　目前，世界上鎂的消費主要集中在三大領域，用于鋁合金生產、鎂壓鑄生產及煉鋼脫硫，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一步增長。

　　日本近幾年也開始重視鎂合金壓鑄件的應用開發，其主要消費領域是3C產業。亞洲的鎂合金產品占全球的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。

　　由于鎂合金結構件的廣泛應用，全世界對鎂及鎂合金加工材料的需求與日俱增，市場不斷擴大。因此，近年來鎂及鎂合金加工產業也獲得了飛速發展，但新產品比重仍然較低。

　　(2)中國鎂工業的發展現狀與趨勢

　　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量優勢和可規模開采經營優勢。我國有巨大的市場需求，鋼鐵和鋁的產量雄居世界第一，汽車年產量2011年突破2000萬輛，居世界第一，為鎂材的應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與民營企業的積極參與等優越條件，因此，很快成為了世界的鎂生產大國和出口大國。但還不是鎂業強國，特別是在鎂合金材料的研制開發與應用方面與世界先進水平還有一定的距離。

　　1)原鎂產量

　　2012年，我國的原鎂產能超過130萬t/a，產量達62萬t/a左右，占全世界總產量的75%以上，是世界上第一大鎂生產國。發達國家的成本居高不下，原鎂產能和產量不會有大的增長，而中國的產能和產量還會進一步增加。所以，中國居世界第一原鎂生產大國的地位在相當一段時間內不會改變。

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

　　2)鎂出口量

　　中國雖然是鎂生產大國，但國內消費量并不大，大部分以初級原料出口，如2006年我國原鎂產量為52.56萬t/a以上，而國內消費量僅為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年來的原鎂產量和出口量。

　　表6　中國1995-2006年的原鎂產量和出口量

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

　　表7　2005年中國鎂出口品種及數量

　　3)消費量及消費結構

　　中國鎂產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。隨著我國國民經濟的高速發展，鎂的消費量在逐年增加，2002年消費量為4.01萬t，占總產量的14.96%，2003年為5.12萬t，占總產量的14.46%;2004年消費量達7.05萬t/a，占總產量的15.66%;2005年消費量達10.55萬t/a，占總產量的22.56%;2006年消費量達15.65萬t/a，占總產量的29.78%，2007年消費量達40萬t/a(2008年略降為38萬t/a)，占總產量的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構型消費，而在壓鑄件、鑄件以及加工產品等方面比例較小，大大落后于工業發達國家。這種現象將會很快改變。表8為中國2000-2006年鎂的消費量及消費結構。

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