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镁合金正在成为全球关注的战略性材料

大学科普2018/06/11 15:03:58

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铝道网球镁矿资源丰富,在很多金属趋于枯竭的今天,加速镁材料相关的研发与应用具有十分重要的战略意义。金属镁在19世纪初被发现,之后在美、中、德、日、英、澳等国家的研究推动下,镁及镁合金产业发展迅速。

一、镁及镁合金的前期发展

1808年,英国化学家SirHumphrey Davy用熔融电解法首先制得了金属镁。1828年,法国科学家比西(A.A.Bussy)用还原法从熔融的无水氯化镁得到纯镁。1886年,以Bunsen的电解槽为基础,德国建立了首 个商业性电解镁厂,镁合金在德国开始工业化生产。1910年世界镁产量约10吨/年。1930年德国首次在汽车上运用镁合金73.8Kg,1935年,苏联首次将镁合金用于飞机生产,德国大众用压铸镁合金生产“甲壳虫”汽车发动机传动系统零部件,英国伯明翰首次将镁合金运用到摩托车变速箱壳,到1930年世界镁产量增长到1200吨/年以上。

二战期间是镁工业的第 一个飞速发展期,从1935年开始,德、法、苏、奥、意、美等国分别建立了镁厂,镁产能急剧增加,此期间镁主要用来制造燃烧弹、照明弹、曳光弹、信号弹以及军用装备的零部件。1943年世界镁产量达到23万吨。然而,二战结束后,镁需求降低,产量急剧降低,1946年世界镁产量降低到只有2.5万吨/年,镁合金发展进入了低潮期。此时,世界各国开始考虑镁合金在民用工业发展的可能性,镁合金的研发逐渐转向民用。

直到20世纪90年代,由于欧洲和美国对汽车废气排放量、能源消耗、噪音的限制的进一步升级,减重、提高燃油利用率的高要求迫使各汽车公司发展镁合金。自此,世界各国政府高度重视镁合金的研究与开发,美国、日本、德国、澳大利亚等国家相继出台了自己的镁合金研究划,把镁作为21世纪的重要战略物资,加强了镁合金在计算机、汽车、航空航天、通讯等领域的开发与应用。德国1997年由联邦政府出资了2500万马克的MADICA(Magnesium Die Casting)镁合金研究开发计划,主要研究快速原型化与工具制造技术、切削加工技术、压铸镁合金工艺、连接技术和半固态成型工艺,并且将镁合金应用在汽车、计算机、航空航天等领域,提高了镁合金的应用能力。日本文部科学省也在1999年开始资助“先进镁合金科学技术计划”项目,由长岗科技大学、东京大学、东北大学、国立材料研究所等十多家机构共同完成,目的在于解决未来镁合金的应用问题,研究方向主要有:镁合金结构控制、镁合金表面改性、镁合金生态技术与新型功能材料的开发。1992年开始,由于中国采用皮江法炼镁的快速发展,使原镁的价格降低到与铝相当的程度,促使镁合金进入了第二个飞速发展期。1995年在国际市场镁价格上涨的拉动下达到了建设高潮,随着皮江炼镁生产工艺不断的改进与完善,中国逐渐走上了符合中国国情的镁工业之路。虽然1996年镁价格下跌,但中国原镁产量一直保持快速的增长势头,我国的纯镁产量从1990年的0.53万吨增加至1999年底的15.7万吨。欧美各大汽车公司以及电子行业对镁合金汽车零部件和电子消费品外壳的研发投入了大量的人力物力和财力,带动了镁合金的研发和应用热潮。2000年世界镁实际产量达到43万吨,其中,中国镁产量达到19.5吨。此时研发和应用的镁合金多为压铸镁合金。

二、21世纪镁合金的发展

进入21世纪,随着汽车工业、轨道交通、航空航天和电子产品工业的飞速发展,以及人们对高品质生活的追求,对环保型、轻质、高性能材料的需求越来越来越高,各国政府和镁合金协会相继提出,发展新型高性能镁合金,开发镁合金生产加工新工艺新技术,生产出高质量、性能稳定的多元化、多规格镁合金产品,提高产品成品率和生产效率,推动镁合金材料的进一步工业化生产和应用进程。镁合金在世界范围的规模工业化正在逐步实现,镁合金发展进入了新一轮全新高速发展期。

近年来,制约镁产业发展的成本与环境因素已显著改善。2008年全球金融危机后,以中国镁产业为主体的世界镁产业是恢复快的材料产业之一。2012年全球镁产业的产量和消费量已基本恢复到金融危机前的水平,但成本和价格已大幅度下降,原镁价格已降低到2007年价格的50%以下,而且镁产业的能耗和污染也大幅度降低。与此同时,从2013年起,我国作为全球大的镁生产国取消了自2008年开始执行的镁及镁合金10%的出口关税,直接导致国际市场镁价格降低10%。

近几年,我国的镁产量和出口量已连续多年居世界第 一。2017年,我国原镁产量已达到近100万吨,占全球总产量约80%,我国原镁国内消费量首次超过出口量。我国近年来镁产业的重要进展之一就是青海盐湖镁业10万吨金属镁一体化项目全面建成,展现出良好的发展势头。该项目的成功投产,可在一定程度上缓解因硅铁价格波动导致的皮江法原镁价格波动。

近十多年来,镁合金应用量大幅度增加。初步统计,镁合金使用量已增加到40万吨左右。这表明,在镁合金产业技术快速发展的同时,镁合金产品开始获得越来越多应用领域的认可。与此同时,镁产业的政策环境也逐渐改善。特别是2016年我国国家领导人视察了青海盐湖金属镁一体化项目,将从国家政策层面有力保障和推动镁产业的健康发展。这些都为世界镁产业的可持续发展创造了良好的成本条件与环境基础。镁合金市场需求量的大幅度增加、镁产业技术的进一步发展和产业政策环境的进一步改善,有望在5-10年内促进镁产业从百万吨级上升到500万吨级以上。

三、结语

从19世纪金属镁的发现到如今镁合金已发展成为21世纪具有潜力的金属材料之一,镁合金正成为全球关注的战略性材料。随着镁合金新材料和新技术的不断涌现,镁合金在当今世界经济和社会发展中将扮演越来越重要的角色。

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