韩国的镁工业与镁合金的研发创新进展

KwangSeon Shin 博士,镁技术创新中心，韩国首尔国立大学

MinCheol Kang博士, 韩国镁技术研究会

摘要: 在过去的十年中，汽车和电子行业对轻量化镁元件的强劲需求，推动了全球镁合金市场的稳步增长。为了满足对新型高性能合金的需求，并克服技术挑战，韩国的大学、国家研究机构和工业部门,积极研究开发新型镁合金和包括双辊铸造工艺与添加剂制造在内的加工技术。最近，由于电子工业的变化，韩国的镁工业有些停滞不前。然而，镁的研发活动可以创造新的市场。这种向新领域的拓展，将扩大未来镁的市场规模。

前言

镁合金是最轻的结构金属，具有良好的物理和机械性能，这使得它们对需要轻材料的应用领域极具吸引力。在过去10年中，汽车和电子工业对轻质镁元件的强劲需求，推动全球镁合金市场的稳步增长。为了满足对新型高性能合金的需求，并克服技术挑战，韩国的大学、国家研究机构和工业部门，积极研究开发新型镁合金和包括双辊铸造工艺与添加剂制造在内的加工技术。。本文将介绍韩国镁的主要研发活动和最新研究热点。

1. 韩国的镁工业

1.1 韩国镁工业的历史

韩国的镁工业涉及镁技术的所有领域，包括熔炼、精炼、铸造、挤压/轧制、机械加工、表面处理、涂层和回收利用。

通过大量的研究，浦项制铁开发了冶炼技术，并建成了一个大规模的生产工厂。然而，内部和外部因素导致浦项制铁镁锭停产，目前镁锭主要从中国进口。

镁在电子工业中的应用始于1996年。每月生产的多达60万件镁部件，用于诺基亚手机防护罩。

从那时起，诸多行业对镁部件的使用表现出了极大的兴趣。镁部件于1998年应用于三星笔记本(modelswallow)机箱。另外，还包括多种镁合金的应用产品，如mp3和CD/DVD播放机。自2000年以来，汽车工业大大增加了镁部件的应用。

开发镁薄板材料的兴趣始于2002年。浦项制铁在2007年建立了一座3000吨产能的镁板厂，并开始商业化生产。

与此同时，在浦项制铁镁工厂周边，全南先进材料产业化中心(Jeonnam Advancedmaterials industrial Center)开发镁产业集群，并专注于镁部件的加工。浦项制铁还在江陵建立了一个炼镁厂，并于2012年投产。然而，现在已经停止生产。

智能手机市场的需求，明显增加了镁在智能手机外壳部件中的应用。2014年，许多智能手机机架(框架)开始使用铝合金，由此，镁产品在智能手机行业的需求减少。

目前，镁合金部件主要应用于汽车零部件，包括安全气囊壳体、方向盘芯、座椅架、转向柱支架、前照灯壳体、车轮架等。

此外，已开发了各种各样的镁产品，如滑轮、油盘、发动机罩、变速箱和发动机安装支架，并开始商业应用。

此外，在国防工业中，坦克和直升机机尾齿轮箱的内部部件也得到了开发。同时，也开发了许多其它镁制品，并得到了广泛的应用，其中包括高速韩国列车(KTX)的座椅框架和厚板、大型工业机器人手臂框架、自行车框架和LED散热器。

1.2 韩国的镁供需

图1为2010 – 2018年韩国原镁需求的变化情况。2005年以后，韩国对镁的需求稳步增长，近年来镁的进口量已达2.5万吨左右。

韩国镁需求变化

2013年的进口量达到峰值，约为27221吨。然而，在智能手机支架中，改用铝合金，导致镁合金的应用有所减少。镁合金进口从2013年的13188吨下降到2018年的6411吨。

2. 镁应用趋势的变化

2015年，镁部件镁使用量为20590吨。2017年为18229吨。

2013年，电子行业约占镁消费总量的65%，主要用于智能手机支架。2014年，电子工业中镁的使用量下降到50%，预计还会进一步下降[1]。

2017年，汽车零部件镁的使用量持续增长，达到82.5%。增长的原因，包括需要先进的加工技术的领域[2]，如方向盘核心和前照灯外壳的应用，以及新开发的产品，如散热器和车轮滑轮[2]。

韩国镁应用趋势的变化

镁合金零部件在韩国应用历史

3. 研发活动

3.1 世界优质材料(WPM)项目

韩国政府已经为世界顶级材料(WPM)研究项目挑选了10种核心材料。

WPM项目的设立，是为了长期不懈地提高创意产业的技能。“汽车用超轻镁材料”为入选的核心材料之一，约30家公司、大学、科研机构正在共同开发各种先进的高成型性、高强度镁板材料和铸造材料的汽车零部件。

由此，开发了高强度、高成形性的新型镁合金，如宽薄板(2000mm)双辊连铸技术、铸造、锻造和先进的表面处理技术。

开发了新的先进技术和制造工艺，并正在应用于各种产品。

浦项制铁双辊铸轧2000mm镁薄板

WPM项目成果

3.2韩国材料科学研究所 (KIMS)

韩国材料科学研究所(KIMS)的研究人员，正在开发高性能和高附加值镁合金的关键技术。他们特别致力于开发新的合金体系，如无锈、环保和不燃合金;铸造和挤压用高强度合金;高成形型薄板，以及工艺加工过程的开发。在研究的基础上，他们正在加强与国内外各机构和公司的合作，以实现产品的实际应用，并全面推动镁材料和零部件行业的发展。

镁废料的环保回收，减少了废料和废零件回收过程中的温室气体。与传统工艺相比，该方法可减少92%的全球气候影响。

镁废料的环保回收工艺

另一个研发领域是工业用含铝镁合金高效晶粒细化技术。晶粒细化剂适用于AZ系列、AM系列镁合金产品的大规模生产。研究人员发现，与传统的含钙镁合金相比，钙和钇的复合添加可显著提高镁合金的阻燃性和拉伸性能[3]。研究发现，在同时含有钙和钇的合金中，可以降低钙的添加量，以达到不燃性。含钙和含钇合金的腐蚀性能表明，它们比任何其它工业合金或含钙合金具有更好的耐蚀性能。

在图6中，商用的AZ系列合金的点火温度为500℃左右，而传统的钙含量高于1%的不燃合金的点火温度则高于700℃。从以上结果可以看出，添加钙和钇的新型镁合金，比传统的钙/钙镁合金具有更好的耐燃性能。

非易燃镁合金与常规镁合金的可燃性比较

3.3 首尔国立大学镁技术创新中心

镁技术创新中心的研究项目，开发了先进的镁合金，并确定了其微观结构、组织和机械性能。重点开发高强度、高成形性的双辊铸造镁合金。

所有合金均表现出良好的双辊铸造微观结构，未发生逆偏析。退火后的Z4和ZSX400合金，具有较强的基体结构，而其它镁合金由于其静态再结晶类型的不同，基体结构较弱，横向开裂。

Mg-4Zn-X-Ca合金中，ZAX400合金屈服强度值为189.3 MPa，成形性7.5 mm，屈服各向同性增强，可与铝合金相媲美。

Mg-4Zn-X-Ca合金较高的可成形性，与结构演化导致的变形行为的改变密切相关。ZX40、ZAX400、ZWX400和ZCX400合金的成形性较好，压缩变形时基底滑移的相对活性较高，从而提高了屈服各向同性。

研究的Z4和ZSX400合金，在压缩模式下基底滑移活性相对较低，这是由于它们的CRSS比值(张力孪晶/基底滑移)不同造成的。

图7 镁合金和新型Mg- 4Zn – X – Ca合金的Erichsen指标与屈服强度的关系[4]

3.4 镁合金3D打印

大庆科技（Daegun Tech）和韩国镁技术研究协会(KMTRA)的研究人员，正在开发镁合金3D打印制造技术。

所面临的挑战，是通过3D打印工艺，制备可生物降解、生物相容的金属器件。

用于骨合成或支架的植入物，在愈合过程后不能通过额外的手术移除。

然而，一些含有铝或重金属元素的镁合金对人体有潜在的毒性作用[5] 。

基于上述考虑，研究开发新的合金合金元素，并成功地提高了镁的耐蚀性和机械性能。

大庆科技开发了一款3D打印机[Mg80]，专门用于镁3D打印的制造，旨在提高生产速度和后续工艺安全，同时提供防爆设计。

为优化工艺，对工艺参数、激光功率、扫描速度、孵化距离、层厚等进行了调整。这些参数影响可用于加热和熔化粉末的体积能量密度、机械性能和所生产零件的表面粗糙度[6]。

镁合金(AZ91)3D工艺

制造的镁支架是无毒的，并有一个调整的腐蚀速率。体外和体内研究将继续提高设备的可靠性。

用3D打印的医疗器械(支架和牙种植体)

结论:

虽然韩国的镁工业在不断发展，但由于电子工业的变化，镁工业最近有些停滞不前。然而，据预测，由于积极研究开发新的合金、先进的加工技术和镁产品的应用，镁市场在未来将继续增长。

此外，镁的研发活动可以创造新的市场。这种向新领域的拓展，将导致未来市场规模的扩大。

参考文献:

1. Min Cheol Kang and Kwang SeonShin, The 10th International Conference on Magnesium Alloys andTheir Applications, Oct. 11, 2015, Jeju, Korea

2. KMTRA, Korean MagnesiumIndustry Review, 2014, Seoul, Kora

3. Bong Sun You, Young MinKim, Chang Dong Yim, Ha Sik Kim, Magnesium Technology, TMS, 2014, San Diego,California, U.S.A.

4. Sang Jun Park, Hwa Chul Jung, Kwang Seon Shin, Materials Science &Engineering A 679 (2017) 329–339

5. Gérrard Eddy, Jai Poinern, AmericanJournal of Biomedical Engineering 2012, 2(6): 218-24

6. Flaviana Calignano, DiegoManfredi, Proceedings of the IEEE | Vol. 105, No. 4, April (2017) 593- 61

（此文为KwangSeon Shin先生在国际镁协第76届镁业大会上的报告，尚镁网编译。）