我国镁合金在资源、规模、出口虽居世界第一,但总体技术水平处于中、低端,产品性能一般。尤其是产业规模过小,在国家可持续发展的标志性工程中的作用几乎默默无闻。如果在5~10年内,镁产业规模达到1000万吨级,高端制品比例提高到百万吨级,中国镁产业的影响将会不同凡响。
发达国家对镁合金高端研发和应用都视为战略新材料,在镁合金高端领域的研究和应用研究占领了制高点,相比之下,我们的成绩亮点不突出,与我们的镁合金大国不匹配。随着中国镁合金高端制造业的快速进步,高性能镁合金需求日益迫切,急待中国镁产业在更大范围和较大规模的突破。
银光镁业深加工和高端制造应用和研发
近年来,银光镁业的镁合金成形制品的年产量在大幅度增加,今年预计可达1万吨。随着近几年坚持不懈的技术研发和新产品开发,镁深加工呈现出蓬勃发展的形势,企业基本是满负荷生产,某些产品供不应求。例如,公司新研制开发的电脑板材产品,月需求量达到400吨,生产能力处于饱和。
镁深加工方面的良好局面,得益于银光一直研发并批量生产军工产品,并承担了国家在航空航天、军工等国防建设领域的一些重大专项。新开发的产品已被应用到航天飞船、探月工程、卫星、巡航导弹、及军用飞机、军舰、鱼雷等装备配件。航空航天领域的产品,如卫星的镁合金井子形承力结构,大型战略战术导弹的镁合金舱段,轻型或便携导弹弹体锻件、红箭系列导弹舱体、前罩套筒、尾翼、发射架电器箱等,都已批量生产。公司2010年取得了国军标质量认证、2013年取得保密资格证、军工生产许可证现正在办理之中。国家发改委将银光镁业确定为国内镁行业唯一一家国家级“镁材料国防动员中心”。
镁合金在高端制造领域的应用必须满足高端产品标准,这种标准大大超出国标技术指标。中国急需大型导弹锻件,包括战术导弹舱段锻件,但目前既没有符合超高性能的镁合金,也没有成熟的变形成形技术。
高端装备镁合金整体铸锻件采用镁合金材料轻量化越来越普及。大型化装备的整体大型复杂薄壁镁合金铸件、镁合金宽厚板铣削加工的大型超大型整体锻件、大截面空心挤压型材,成形技术、性能突破,达到替代铝合金的水平,用量会大幅度增加。例如车载雷达天线镁合金骨架、装备减震台座支架、炮车车轮和结构件、运输车大直径镁合金旋压轮毂等。
目前存在大型复杂锻件需要的镁合金材料性能、专用锻造设备、锻造工艺差距大。当大直径铸锭超过1平方米面积时,需要特大型锻压机和大型热模锻模具,此时需要省力的变形技术。大直径铸锭的生产存在铸造缺陷多的技术难题,小于800毫米的铸造坯料,采用半连续铸造棒坯,更大直径的铸造坯料,半连续铸造技术难度增大,而且坯料越大,其组织越粗大、铸造缺陷越多,需要更大的变形比来消除铸造缺陷,使模锻技术遇到困难多。近年来,银光集团充分发挥两个国家级技术研发平台的作用,持之以恒进行镁深加工产品和技术的研发,相继建成压铸、挤压、板材、棒材、阳极、锻压等生产线,并全部实现产业化,形成门类齐全、技术完整的镁深加工体系。
为了满足广大制造业对镁合金材料及制成品的要求,必须在高强度镁合金、锻件尺寸大型化、结构复杂薄腹板窄高筋化、板材具有高性能、高品质、性能一致、精度高、成本低、生产过程容易实现自动化规模化产业化生产等关键技术上有显著提升。板制材轧能生产超宽超厚板、宽幅薄板、特种材料板;高性能镁合金、高纯净化熔炼、低铸造缺陷大厚度板的铸造、铸坯微米准晶弥散强化、动态再结晶热轧、控制轧制、蠕变矫直、镁合金宽幅薄板铸轧、快速凝固镁合金等。为此,银光镁业拟开展多个企业项目和国家项目,在突破高强镁合金材料制备关键技术,形成工程化、产业化能力,满足我国高端制造(航空航天、轨道交通、电子领域)对高性能镁合金材料及加工品的需求。
板材应用及研发
银光镁业基于国内外市场需求,正在实施以典型产品带动的镁合金板材研发和宽厚板和宽幅薄版生产线建设工程,包括建设宽厚板热轧开坯生产线、汽车车身1.7米轧制生产线以及宽厚板、中板、薄板及终端产品的应用和研发等。
宽厚板
板材具有高性能、高品质、性能一致、精度高、成本低、生产过程容易实现自动化规模化产业化生产的特点。板材轧能生产超宽超厚板、宽幅薄板、特种材料板,以镁合金板进一步成形加工是最佳的高端制造需要的变形零件。镁合金切削性能优异,极易切削,切削精度很高。成熟的铝合金宽厚板铣削成形的航空整体结构件,一般都是由多个框组成,如某型号飞机的AMT平台40框,其为双面结构,带有多大192个隔框 和1150个加强筋。镁合金的切削性能比铝合金好,因此相比于模锻,镁合金板材铣削成具有性能、成本、规模化的优势。镁合金宽厚板的应用领域很宽,包括制造工具、印刷机械、机器人与自动化装置、真空吸盘等、塑料热成形模、泡沫塑料成形模,原型模,真空模铸、鞋模、压铸模及模板。镁合金宽厚板的技术难度很大,包括低缺陷大尺寸宽厚板铸坯、轧制技术、热处理技术、产品矫直技术等,基本都是空白。航空航天、军工对镁合金宽厚板需求殷切,现在还没有生产此类高品质宽厚板的能力和条件,例如,尤其是厚板的屈服强度非常低(仅有60~70MPa),需要大力研发。
中板
厚度在3~10mm的镁合金板材在建筑工具、电子等应用逐渐被认识,但市场容量取决于价格。目前银光在中板的产量很大。例如目前银光生产了产品壳体、铣削加工板实际产量是400吨/月,年产超5000吨。
薄板
拉深冲压是以镁合金板材板坯、利用拉深模具冲压制各种开口零件。拉深件从几毫米到几米、精度可达IT10级、性能与镁合金板材的性能相近,拉伸、冲压在汽车、飞机、军工、电子信息以日用品等工业部门应用十分广泛。镁合金薄板也可以采用旋压成形、喷丸成形、激光成形、气胀成形、省力增量成形-局部微小变形累积等工艺成形加工更多样化的薄钣金件。
银光重点发展的几个主要薄板和制成品:汽车车身板、冷冲压板、电池阳极板、太阳能电池。其中,汽车车身宽幅薄板——用于拉伸冲压大型高精度钣金件,例如航空汽车座椅板材构件、新能源车汽车和轿车的车身钣金件、气胀成形件。镁合金汽车车身板是银光镁业特别关注的重大项目。镁合金车身的刚度、模态和碰撞的安全性满足使用的要求。目前,变形镁合金在车身上的应用也具有很大的潜力,主要用于车身组件车门、行李箱、发动机罩盖等的外板、车门窗框架、座椅框架、底盘框架、车身框架等。银光镁业采用两种技术路线研发适用于汽车车身钣金件板材的生产技术路线并正在进行攻关。银光镁业汽车车身生产线已经初具规模。
特薄板
银光0.8mm薄板应用是多方面的。研发重点是冷冲压薄板,用于冲压3C壳体;高附加值,用量少的特种薄板等。
镁板太阳能电池
银光镁业研究多种镁电池,包括镁干电池、镁可充电电池、镁-海水电池、镁-溶解氧电池、镁-空气电池、镁-水电池、镁板太阳能电池等。银光的镁板太阳能电池的研发基于过去企业的多种成熟技术的融合成创新型的。
银光镁业的镁合金板太阳能电池的核心技术是以物理、化学、半导体材料、微纳米膜或自组装技术等,在镁合金板材表面形成光电功能和防护功能的新型镁合金涂装层。镁板太阳能电池对传统硅光伏电池的贡献表现在以下方面。包括:制造无框架轻质太阳能电池;镁是低功函材料,对太阳能单电池的电压低有明显改善;突破传统太阳能电池需要严格环境和装备,而采用镁合金熔炼-铸轧-涂层-焊接-单元产品的低成本制造工艺并无毒无环境问题。
镁合金板太阳能电池的新思路,还能与产品设计-制造-能源统一。即将镁合金制品、建筑装修、零件壳体等实现传统的功能和电源一体化;同时镁板太阳能电池的生产成本低、生产工艺从物理微观加工改变成传统工业的制造工艺路线,推广容易。
综上所述,我们认为镁产业发展需要两条腿,一是在现有的基础上开拓传统市场,扩大产业规模;二是积极参与高端制造对镁合金提出的新要求,积极研发新一代镁合金及制造技术,镁合金应用推广到航空航天、军工、轨道车、汽车车身、太阳能等新兴领域;镁合金的技术需要大幅度提升,研发高性能和超高性能的镁合金和高端产品的成形技术等是镁产业面临重大课题;功能镁合金材料和功能制成品的开拓,能利用镁的功能唯一性,避开力学性能难提高以及成形困难的难题,开发空间更大。