钢铁行业研制镁合金的前景展望

王立辉 唐 荻 江海涛 陈 宇

(1.北京科技大学高效轧制国家工程研究中心 北京:100083; 2.武汉钢铁(集团)公司研究院 湖北 武汉:430080)

镁合金是目前汽车工业应用的最轻的金属工程材料,具有密度小,比强度及比刚度高,减震性、机械加工性好,高比弹性模量、高阻尼减震性、高导热性、高静电屏蔽性、高机械加工性、尺寸稳定、易于回收等优点[1-2]。为了减轻汽车重量、降低燃油消耗、提高结构强度,近年来,世界各国都在通过新材料的研究来达到轻量化的目标,镁合金材料在汽车领域得到了普遍应用。2010年,我国汽车产量达到1700万辆,如果钢铁企业能够生产镁合金并被汽车企业大量使用,其创造的经济价值会远高于生产钢板的效益,国内某知名钢铁企业已经成立了镁合金研究所。我国是镁资源大国,随着我国经济的发展,必将有越来越多的钢铁企业从事镁合金的研制与生产。

1 镁及镁合金

镁的密度为1.74g/cm3,镁的熔点为650℃,沸点为 1107℃,熔化热为 8.71kJ/mol,汽化热为134kJ/mol,线膨胀系数为25.3×10-6/K,热导率为155.5W/m·K,电阻率为44.5nΩ·m[3]。常用镁合金的力学性能:屈服强度在100MPa～300MPa范围内,抗拉强度在200MPa～400MPa范围内,延伸率在20%以下[4]。当然有一些特殊镁合金强度会更高,如目前世界上已报道的抗拉强度最高的Mg97ZnlY2合金,其抗拉强度达610MPa[1]。

镁合金按化学成分可分为二元、三元或多元合金系。国际上大多采用美国ASTM标准,如AZ系列的AZ31镁合金的化学成分(wt%)为Al:2.5～3.5,Zn:0.7～1.3,余量为Mg和微量Mn、Ca等添加元素[5]。AM系列的 AM60镁合金化学成分(wt%)为Al:5.0～7.0,Mn:0.20～0.60,余量为Mg和少量的Si、Zn等元素[6]。其余如AS系列主要成分为Mg、Al、Si,AE系列的主要成分为Mg、Al、RE,ZE系列主要成分为Mg、Zn、RE等合金[4]。

2 钢铁企业研制镁合金可行性

2.1 资源优势

相对于铁矿石资源,我国的镁矿资源丰富,储量产量均占世界第一,主要分布在辽宁、山西、山东、河南、宁夏、内蒙等各省区[7]。同时,我国青海湖含有丰富的镁资源。我国菱镁矿(MgCO3)资源总量31. 45亿t,还有储量在40亿以上的白云石(MgCO3. CaCO3)矿,这是正在开发的主要镁矿物资源[7-8]。钢铁企业生产镁合金不需要像铁矿石那样被国外寡头垄断所控制,价格随意上调。另外,钢铁企业有很丰富的矿石开采经验,有雄厚的资金和开采技术支持。

2.2 研发优势

镁矿资源虽然丰富,但在我国对镁合金的研究起步较晚,目前,真正从事镁合金生产的也多是集中在山西、河南一带的一些民营企业,其生产集中度、科技水平和与汽车工业的结合程度远不如钢铁工业。我国的镁工业还存在原镁生产技术比较落后,质量不够稳定,镁锭中的夹杂物和有害元素含量大大超标,难以满足压铸、板材轧制和冲压等高端产品生产需求。尽管开发变形镁合金的力度在加大,但镁铸件仍旧占镁合金应用的大多数。从研发角度来说,通过合金化改善组织,通过适当的塑性变形细化组织,稀土元素、Ca和Si仍然是主要研究的合金元素。

相对于目前从事镁合金生产的民营企业,大型钢铁企业技术力量雄厚,整体素质高,经验丰富。钢铁企业的研发人员对一些镁合金常用的合金元素的性能也掌握的透彻,如铝、锌、锰、稀土、硅、钙、铁等的作用在钢铁冶炼中也涉及到。铝是固溶强化元素,钙有明显细化晶粒作用,可稍微抑制熔体金属的氧化,可改善抗蠕变性能;锰增大蠕变抗力,改善耐蚀性能;稀土改善铸造性能,在室温和高温下有固溶强化和沉淀强化作用,改善高温抗拉和蠕变性能,改善耐蚀性能;硅:是弱的晶粒细化剂,可改善蠕变性能;锌增加熔体流动性,弱晶粒细化剂。钢铁企业的研发对于微观机理和力学性能已经非常熟练,有着现成的研究手段,如金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、X-射线衍射仪、电子探针、能谱仪、成分分析手段、力学性能测试设备等等。

对于钢铁企业研制镁合金,可以从其微观结构出发,改善镁合金的性能。如镁的延伸率低的问题,镁的延伸率低是其微观结构决定的,纯镁的晶体为密排六方(HCP)结构,a=0.3209nm,c=0.5211 nm,c/a=1.623[1]。由于晶体发生塑性变形时的滑移面总是原子排列的密排面,而滑移方向总是原子排列最密的方向,镁的滑移系少是造成其塑性变形能力差的主要原因,为此,可以从添加合金元素来改变镁的轴比来增加延伸性能。分析认为[9],当镁合金成形温度低于200℃时,其塑性变形仅通过基面{0001}<1l20>滑移和锥面{1012}<1011>孪生来实现,因此从常温到200℃之间,板料进行拉深时很容易发生破裂,而当镁合金板料在200℃以上进行塑性成形时,第一类角锥面{1011}产生滑移,塑性成形能力开始提高,而当温度高于225℃时,第二类锥面{1012}也可能产生滑移,塑性得到进一步提高。镁的晶体结构如图1所示。

2.3 生产优势

国内大型钢铁企业有着几十年的冶炼轧制钢铁的生产经验,掌握着先进技术,拥有先进的冶炼和轧制设备。对冶炼温度、时间、气体保护、浇注等各环节熟悉。钢铁企业生产镁合金,由于其规模效应,可以消除目前国内镁合金生产的不利因素,如成品率低、生产效率低、品种比较单一;避免现有客观条件的限制,满足更高的强度设计要求;解决目前高合金元素含量的镁合金如AZ61、AZ80、AZ91、AM60、ZK60都不适于轧制加工的难题。

图1 镁的结构图

镁合金按成型方法不同,分为铸造镁合金、变形镁合金。铸造镁合金远比变形镁合金的种类多,且适合于各种铸造方法。镁合金具有优良的压铸工艺性能,适于压铸生产,主要表现在[10]:镁合金的熔点很低,凝固潜热小,凝固速度快,且镁合金液粘度低,流动性好,易于充满复杂型腔,所以它特别适合于压铸生产,它既可冷室又可热室压铸,而且可以很容易生产壁厚1.0mm～2.0mm的压铸件,现在最小壁厚可达0.6mm,其产品的主要优点是质量好、效率高、加工成本低。但从综合性能来看,变形镁合金更优良,是镁合金的发展方向。变形镁合金的加工刚开始起步,经过挤压、锻造、轧制等工艺生产出的变形产品具有更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性能,可以满足更多样化结构件的需求。这些对于钢铁企业来说,容易掌握并生产。

3 钢铁企业研制镁合金前景和方向

从20世纪90年代起,应用于汽车的镁技术越来越引起重视,由此产生了为数众多的研发活动。而大型钢铁企业有专门的汽车用材生产线,常年和汽车企业打交道,对汽车行业熟悉。可以从扩展汽车用镁合金部件的潜在应用而进行基础研究和应用研究。在汽车上用镁合金制造的主要零部件如表1所示[3-4,11-13]。

镁的应用领域很多,从国外统计看,汽车用镁是最多的[14]。使用镁合金有利于汽车轻量化、有利于节能和减排。据资料介绍[11],轿车质量每减轻100kg,油耗可降低5%。如果每辆汽车使用70kg镁合金,CO2年排放量能减少30%以上。汽车减重可以提高其加速性能;顶部和车门减重,可以降低汽车重心,增强稳定性;前部减重,可以使汽车重心后移,改善操纵性能。当前,发达国家的赛车及部分民用高档车正在使用镁合金轮毂,奔驰、宝马、丰田、本田、三菱等汽车公司不久将大幅度提高镁合金锻造轮毂的用量。越来越多地采用镁合金零部件,是世界汽车产业发展的必然趋势。国内大型钢铁企业对于汽车用钢的研发已经比较成熟,有必要拓展研发领域,把触角伸向镁合金这一汽车用轻金属材料。

表1 镁合金在汽车零部件上的应用

目前世界用镁的70%以上来自中国,但存在的问题是,低价值、高能耗、高污染的原镁产品的生产与供应在国内,高附加值、低能耗、低污染的镁工业产品的生产与供应在国外[14]。我国钢铁企业发展镁产业应将镁合金熔炼工艺与合金元素的阻燃研究相结合,开发新的熔炼方法。依托丰富的自然资源和雄厚的技术力量,在涉及原镁冶炼、镁合金及其制品及技术服务等方面大力进行自主创新。以优化提升镁及镁合金加工技术为切人点,开展关键技术和共性技术的创新项目研发,深入进行反应机理研究,改进生产工艺,提高生产效率,进一步完善燃烧技术,热能回收综合利用,降低能源消耗,实现规模化和密闭式的原镁生产过程,研制生产出高强度高质量的镁合金产品。

4 结束语

(1)我国是镁资源大国,储量居世界首位,相对于铁矿石,大型钢铁企业研制镁合金具有得天独厚的资源优势。

(2)我国是汽车生产大国,随着汽车轻量化的发展,对镁合金的需求量会越来越大,钢铁企业生产镁合金具有显著的经济效益。

(3)国内大型钢铁企业对汽车用钢的研制已经非常成熟,利用自身技术、资金、生产、销售优势,满足自身的发展和下游企业的需求,有必要开展镁合金的研究和生产。

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