1.       鎂的資源

    鎂資源蘊(yùn)藏量豐富，在地殼中的含量達(dá)到2.1%～2.7%（地殼的質(zhì)量為59.76×10²²t ），是僅次于鋁、鐵、鈣、鈉、鉀居第6位的金屬元素。海水和鹽湖水中均含有煉鎂的原料氯化鎂（MgCl₂）。海水中含量最多的是氯化鈉（NaCl），其次就是氯化鎂，1m³海水含鎂1.3kg。世界上著名的大鹽湖有位于美國猶他州的大鹽湖、以色列和約旦間的死海以及中國青海省的察爾汗鹽湖。中國青海察爾汗鹽湖面積為5.86×10⁹m² ，已探明鎂鹽儲(chǔ)量40億t。

鎂資源在地殼中分布的也比較廣，地殼含有1500多種礦物，其中含有鎂化合物的即占200多種。目前世界上生產(chǎn)鎂質(zhì)非金屬和金屬材料的主要礦物為菱鎂礦和白云石。截至2004年底，世界已探明的菱鎂礦儲(chǔ)量約為124億t，主要賦存在中國、朝鮮、俄羅斯等13個(gè)國家和地區(qū)，其中29%的菱鎂礦分布在中國（圖1）。白云石礦主要分布在中國、前蘇聯(lián)、美國、法國、日本、加拿大、意大利、澳大利、英國等國家和地區(qū)。由于白云石礦儲(chǔ)量巨大、分布廣泛，因而一般地質(zhì)資料中均未提及其儲(chǔ)量。

國際上原鎂生產(chǎn)以中國、加拿大、澳大利亞、前蘇聯(lián)為主。目前，北美和歐洲國家的鎂產(chǎn)量已降至世界鎂產(chǎn)量的20%左右。2009年中國原鎂產(chǎn)量50.2萬t，占世界產(chǎn)量的79.2%；2010年1-10月份，中國原鎂產(chǎn)量達(dá)54.3萬t。憑借資源、能源和成本優(yōu)勢，中國幾乎控制和壟斷了全球原鎂的供應(yīng)。

作為國際上的原鎂生產(chǎn)大國，我國每年要向國外提供大量的原鎂及鎂的初級產(chǎn)品。我國在國際鎂產(chǎn)業(yè)鏈的布局中，長期處于產(chǎn)業(yè)鏈的前端位置。中國鎂產(chǎn)品出口的情況比較見表1。

                   表1  中國鎂產(chǎn)品出口情況                    萬t

1.       我國鎂合金材料發(fā)展現(xiàn)狀

我國鎂材料起步于20世紀(jì)50年代末期，以軍事用途為主，經(jīng)過50多年的發(fā)展，特別是近10年的聯(lián)合科技攻關(guān)，無論原鎂冶煉產(chǎn)量、出口量，還是國內(nèi)消費(fèi)量以及經(jīng)濟(jì)效益等方面都取得了舉世矚目的成就，已經(jīng)初步形成了包括鎂及鎂合金生產(chǎn)、鎂合金深加工、產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用及裝備制造等相對完整的鎂合金產(chǎn)業(yè)鏈，并在全國形成了多個(gè)各具特色的鎂產(chǎn)業(yè)基地和產(chǎn)業(yè)集群。

為了推動(dòng)我國鎂產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級和可持續(xù)發(fā)展，以師昌緒院士和李恒德院士為首的科學(xué)家，在2000年聯(lián)名倡議從國家層面大力支持鎂的研究。此后，我國各級政府和科技部門對鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給予了高度重視，科技部等有關(guān)政府部門以及地方政府自“十五”以來相繼出臺(tái)了一系列推動(dòng)鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策。自“十五”國家科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目正式啟動(dòng)以來，一批與鎂合金開發(fā)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化相關(guān)的項(xiàng)目先后在國家“973”、“863”、“國際合作”等計(jì)劃中獲得立項(xiàng)支持。國家專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)投入近2億元，吸引各方面資金近15億元。按照鎂產(chǎn)業(yè)鏈的總體布局，以企業(yè)為主體，以市場應(yīng)用為牽引，全國共21個(gè)省市自治區(qū)的30多家企業(yè)、20多所高校和院所直接參與了項(xiàng)目研究工作，圍繞鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵工藝技術(shù)和重大裝備等進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，推動(dòng)鎂合金高端產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的形成。目前，已初步形成了從原材料到深加工再到應(yīng)用的完整鎂產(chǎn)業(yè)鏈，初步建立了從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究再到產(chǎn)品開發(fā)的完整科研開發(fā)體系，突破了一批前沿核心技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵共性技術(shù)，在全國建立了一批產(chǎn)業(yè)化示范基地。我國不僅是原鎂第一生產(chǎn)國和出口國，而且成為科研大國。

隨著我國鎂加工產(chǎn)業(yè)鏈的形成和發(fā)展，近年來，我國金屬鎂的消費(fèi)量保持持續(xù)迅速增長態(tài)勢。從2007年起，我國成為世界第一大鎂消費(fèi)國，占全球鎂消費(fèi)量的1/3，成為全球最具潛力的鎂消費(fèi)市場。在中國鎂合金快速發(fā)展和原材料優(yōu)勢的帶動(dòng)下，國外很多擁有鎂合金技術(shù)優(yōu)勢的公司紛紛到中國投資建立鎂合金壓鑄廠，生產(chǎn)汽車、摩托車和3C產(chǎn)品等鎂合金零部件。隨著越來越多的來自我國臺(tái)灣地區(qū)和北美、歐洲及日本等的鎂加工企業(yè)將產(chǎn)業(yè)基地轉(zhuǎn)移到中國內(nèi)陸并擴(kuò)大其生產(chǎn)規(guī)模，中國正在成為世界鎂合金產(chǎn)業(yè)加工制造基地。

二、鎂合金開發(fā)主要技術(shù)進(jìn)展

我國鎂材料科技發(fā)展在國家政府的關(guān)注和支持下起步。2000年7月，年近80高齡的師昌緒院士高瞻遠(yuǎn)矚，敏銳地捕捉到國際材料學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)的前沿，及時(shí)倡導(dǎo)中國要發(fā)揮資源大國優(yōu)勢，研究鎂材料應(yīng)用，同時(shí)聯(lián)名其他院士向科技部提出加快發(fā)展我國金屬鎂工業(yè)發(fā)展的建議?？萍疾款I(lǐng)導(dǎo)及時(shí)采納了科學(xué)家的建議，于2001年8月啟動(dòng)了“十五”國家科技攻關(guān)計(jì)劃“鎂合金開發(fā)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目，之后，又陸續(xù)啟動(dòng)了“973”、“863”、“國際合作”及“十一五”科技支撐計(jì)劃等有關(guān)鎂合金研發(fā)項(xiàng)目。國家發(fā)改委、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、教育部、中國科學(xué)院、各省市地方政府隨后均陸續(xù)對鎂的研究給予積極支持。經(jīng)過廣大科技人員的共同努力，我國鎂合金開發(fā)取得了可喜成果。

1.原鎂冶煉技術(shù)取得新進(jìn)展

我國原鎂生產(chǎn)企業(yè)基本上采用橫罐還原爐，直接燃煤方式使得生產(chǎn)能耗高。“十一五”期間，南京云海特種金屬有限公司開發(fā)了“大直徑豎式還原罐煉鎂技術(shù)”，采用豎罐（圖2），底部出渣還原爐技術(shù)，能夠使球料快速受熱升溫，且工藝操作更簡便，縮短了鎂料進(jìn)出爐時(shí)間，也進(jìn)一步增加了熱能利用。同時(shí)，在鎂冶煉過程采用雙蓄熱器式鎂還原爐（圖3）和余熱利用系統(tǒng)，加上廣泛采用爐料預(yù)熱，使熱能得到充分利用，噸鎂生產(chǎn)能耗由原來的10t標(biāo)煤降到5t標(biāo)煤以下，環(huán)境污染也得到了有效治理，煙氣含塵量≤100mg/m³。

我國還開發(fā)了鎂廢料回收利用成套技術(shù)，每噸再生鎂合金總?cè)剂掀骄闹挥?/span>0.328t標(biāo)煤，金屬回收率達(dá)到98.2%，熔劑渣殘金屬回收率由50%提高到95.7%。

原鎂生產(chǎn)企業(yè)研制出利用鎂渣制造水泥的技術(shù)：鎂渣添加比率為30%～32％，噸水泥鎂渣利用量≥300kg，現(xiàn)已達(dá)到日產(chǎn)鎂渣水泥熟料2500t，年可消化煉鎂還原廢渣30萬t，廢渣達(dá)到零排放。

總之，通過近10年的努力，我國皮江法原鎂冶煉技術(shù)向前推進(jìn)了一大步，初步改變了原鎂生產(chǎn)能耗高、污染嚴(yán)重的景象。

2.鎂合金型材、板材成形加工技術(shù)有突破

鎂合金由于其流動(dòng)性、充型性能好，適于采用壓鑄成形，且成本低。目前，鎂合金部件約90%以上采用壓鑄方式生產(chǎn)，但由于鑄態(tài)缺陷又限制了鎂合金材料的應(yīng)用。因此，亟待開發(fā)鎂合金變形加工技術(shù)。近幾年，主要進(jìn)行了型材和板材成形技術(shù)的開發(fā)工作。

東北大學(xué)等采用電磁鑄造方法，突破了大型鎂合金鑄造錠坯的制備技術(shù)，獲得了表面光潔、內(nèi)部晶核細(xì)化的F500mm大型鎂合金鑄錠（圖4），表面車削量為1.5mm時(shí)已經(jīng)能夠滿足后續(xù)加工要求。

為開發(fā)低成本板材，山西聞喜銀光鎂業(yè)（集團(tuán)）有限公司等開發(fā)出鎂合金連續(xù)鑄軋及成卷技術(shù)，建成了寬幅600mm、厚度0.5～9mm的板材生產(chǎn)線，并形成年產(chǎn)板帶3000t的商品化生產(chǎn)能力（圖5）。

在鎂合金型材的開發(fā)中，重慶大學(xué)等研制出外接圓直徑為368mm的鎂合金薄壁中空大型材（圖6）。同時(shí)開發(fā)了鎂合金快速擠壓技術(shù)，鎂合金管材的擠壓速度可達(dá)到4～8m/min，棒材達(dá)到20m/min以上。

鎂合金板材連鑄軋新技術(shù)和型材擠壓技術(shù)的突破，為鎂合金材料作為結(jié)構(gòu)材料的推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

3.表面處理與連接技術(shù)取得突破

西安理工大學(xué)首次提出微弧氧化(MAO)過程臨界電流密度的概念，以放電瞬間的能量梯增速度替代擊穿電壓理論作為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，處理過程的電流密度從15A/dm²減小到0.48A/dm²，開發(fā)出一次性處理面積達(dá)6m²的低能耗鎂合金微弧氧化成套裝備（圖7）。蘭州大成科技股份有限公司根據(jù)多年研究真空鍍膜的成果，開發(fā)出鎂合金制品真空鍍膜成套技術(shù)及裝備（圖8），將真空電弧離子鍍膜和磁控濺射鍍膜等多項(xiàng)先進(jìn)鍍膜技術(shù)集成應(yīng)用于鎂合金零件表面處理。

大連理工大學(xué)率先研究低功率激光-電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)、鎂合金活性電弧焊接技術(shù)以及膠焊新技術(shù)，開發(fā)出優(yōu)質(zhì)、高效的鎂合金連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鎂合金與異種材料的連接，接頭動(dòng)、靜載荷達(dá)到鎂合金母材的90%以上，鎂合金補(bǔ)焊熔深達(dá)5mm；并且開發(fā)出鎂合金連接的成套設(shè)備并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

4.大型復(fù)雜件的開發(fā)與應(yīng)用

東風(fēng)汽車、一汽、重慶長安、奇瑞汽車等已開發(fā)和生產(chǎn)變速箱殼體、真空助力器中間隔板、制動(dòng)閥體、方向盤骨架、氣閥室罩蓋等50多種鎂合金零件（圖9），累計(jì)生產(chǎn)各類零部件超過800萬件。一汽、重慶長安、東風(fēng)汽車等汽車公司還開展了大型復(fù)雜壓鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析、壓鑄工藝優(yōu)化、壓鑄模具開發(fā)的并行研究，實(shí)現(xiàn)了鎂合金座椅骨架、油底殼、鏈輪室罩蓋等壓鑄件在自主品牌B級車——奔騰轎車等新車型上的同步開發(fā)，見圖10。

成發(fā)集團(tuán)鑄造公司采用砂型鑄造技術(shù)，開發(fā)出平臺(tái)、音圈等大型鎂合金砂型鑄件，突破了熔體壓頭輕、易于氧化燃燒等一系列難題。其中，鎂合金振動(dòng)平臺(tái)的最大尺寸達(dá)到1800mm×2200mm，最大質(zhì)量達(dá)到1200kg。

三、國際合作與技術(shù)交流

    為了促進(jìn)我國鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，近10年，國內(nèi)鎂研發(fā)有關(guān)的企業(yè)、高校和科研院所與德國、美國、日本、加拿大、俄羅斯、澳大利亞、新西蘭、韓國等進(jìn)行了廣泛接觸，建立了經(jīng)常性的學(xué)術(shù)聯(lián)系。成功組織的2004年北京國際鎂會(huì)議，首次全面向世界展示了中國在鎂的研發(fā)和應(yīng)用方面的工作，提升了中國鎂的國際影響力和競爭力。與德國弗勞恩霍夫工業(yè)經(jīng)濟(jì)與組織研究所(IAO)合作開展的歐盟第六框架下“鎂加工生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃項(xiàng)目（PROSYS）”，培訓(xùn)企業(yè)在設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)如何考慮環(huán)境、健康和安全等因素，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

在此期間，尤其側(cè)重加強(qiáng)與國外企業(yè)的密切聯(lián)系，開展實(shí)質(zhì)性合作。特別是2007年以來，正式啟動(dòng)了中國、美國、加拿大3國政府間國際合作開展的“鎂質(zhì)車體前端結(jié)構(gòu)研究與開發(fā)”（MFEFD）項(xiàng)目，研究內(nèi)容包括：防撞性研究，噪聲、振動(dòng)和平順性（NVH）研究，疲勞和耐久性研究，腐蝕與表面處理，低成本擠壓成形，低成本板材成形，高致密度鑄件的開發(fā)，焊接和連接，綜合計(jì)算材料工程和全壽命周期分析10個(gè)任務(wù)。參加項(xiàng)目的外方合作單位主要有美國、加拿大的政府研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)以及有關(guān)汽車零配件生產(chǎn)廠。目前，在3個(gè)國家技術(shù)人員的共同努力下，取得了以下成果：

①建立了汽車用鎂合金關(guān)鍵材料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫：針對4種汽車用鎂合金關(guān)鍵材料AZ31、AM30、AM50、AM60，測試了這些材料的抗撞擊性能、NVH、疲勞性能和集成計(jì)算材料工程等相關(guān)內(nèi)容，建立了鎂質(zhì)汽車前端材料設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

②研發(fā)出了適合汽車前端設(shè)計(jì)需求的關(guān)鍵制備技術(shù)：研制出擠壓速度達(dá)到6m/min以上，抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到300MPa以上的鎂合金高速擠壓技術(shù)；開發(fā)出韌性可提高50%～60%，且具有可熱處理和可焊接性能的超真空壓鑄工藝技術(shù)(SVDC)；開發(fā)了幅寬600mm、厚度0.5～9mm的鎂合金板材制造技術(shù)。

③研發(fā)出了適合汽車零部件的表面處理與連接技術(shù)：開發(fā)出微弧氧化和微弧氧化及電泳(MAOE)相結(jié)合的表面防腐處理新工藝；開發(fā)出低能耗激光氬弧復(fù)合焊接技術(shù)和攪拌摩擦焊技術(shù)，與傳統(tǒng)焊接方法相比，焊接接頭的動(dòng)載荷強(qiáng)度從72%提高到98%以上。

④完成了鎂全生命周期中的二氧化碳排放調(diào)查與分析：對鎂的冶煉、合金化、成形、應(yīng)用、回收與再利用進(jìn)行全生命周期分析，結(jié)果表明，與鋼相比，鎂在其全生命周期中的二氧化碳排放比鋼要少得多。

⑤建立了中美加MFERD國際合作項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)：依托密西西比州立大學(xué)建立了中美加MFERD合作項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)（http://carload.hpc..），建立了3方共享的成果和數(shù)據(jù)庫，為3個(gè)國家科學(xué)家和管理人員通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息技術(shù)交流及研發(fā)數(shù)據(jù)共享提供了有力支撐。

四、我國鎂合金產(chǎn)業(yè)面臨的主要問題

1.實(shí)用新材料品種少，難以滿足多樣性需求

我國鎂材料研究歷史短，基礎(chǔ)相對薄弱。這也反映出我國鎂合金材料基礎(chǔ)研究與發(fā)達(dá)國家有差距，自主合金牌號少，與有400多個(gè)牌號的鋁合金材料相比，差距更大，供應(yīng)用選擇的范圍小，影響了鎂產(chǎn)品的擴(kuò)大應(yīng)用。同時(shí)，鎂合金的力學(xué)性能具有相對獨(dú)特性，需要針對鎂的特性開展研發(fā)工作。目前研究和開發(fā)的鎂合金材料，不能同時(shí)滿足性能與價(jià)格應(yīng)用要求，獲得實(shí)際應(yīng)用的品牌品種少，數(shù)量受到限制，難以滿足多樣性的市場需求。

2.塑性成形成本高，限制了鎂合金的廣泛應(yīng)用

鎂合金成形以傳統(tǒng)壓鑄工藝為主，但鑄態(tài)缺陷限制了鎂合金性能的提高，制約了鎂合金的廣泛應(yīng)用。鎂合金使用塑性成形，可消除鑄態(tài)缺陷的影響，借助形變強(qiáng)化和熱處理強(qiáng)化可顯著提高合金性能，但由于鎂是密排六方結(jié)構(gòu)，變形比鋁、鋼、銅等常用金屬困難。若直接采用鋁合金的塑性成形方法，則鎂合金成品率很低，因而使塑性成形成本過高，限制了鎂合金在更為廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.性能評價(jià)體系不完善，設(shè)計(jì)應(yīng)用亟待提高

我國鎂合金性能評價(jià)體系不完善：鎂合金零部件應(yīng)用時(shí)，需要鎂合金腐蝕防護(hù)、疲勞、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及耐久和可靠性的實(shí)用性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，鎂合金生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)體系也待充實(shí)。但目前還沒有完整的鎂合金材料數(shù)據(jù)庫，這方面的工作之前未引起重視，近年來，通過中美加3國項(xiàng)目的合作，科研人員已認(rèn)識(shí)到此內(nèi)容的重要性。

受上述因素影響，鎂合金在國內(nèi)的應(yīng)用基本上仍處于樣品復(fù)制基礎(chǔ)上的簡單替代階段，同步設(shè)計(jì)開發(fā)尚未真正起步，應(yīng)用水平也只處于常溫下的低載荷壓鑄件。

五、“十二五”鎂合金科技攻關(guān)設(shè)想

1.總體目標(biāo)

“十二五”期間，要充分利用我國鎂資源優(yōu)勢，順應(yīng)節(jié)能和低碳經(jīng)濟(jì)的總趨勢，以技術(shù)突破為牽引，提高鎂材料技術(shù)水平，促進(jìn)我國鎂應(yīng)用的發(fā)展，將資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，推動(dòng)鎂合金應(yīng)用快速發(fā)展；要依托產(chǎn)學(xué)研緊密合作，基于“十五”、“十一五”我國在鎂研究領(lǐng)域形成的人才、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，以應(yīng)用需求為導(dǎo)向，重點(diǎn)開展實(shí)用鎂合金、成形加工技術(shù)研究，建立鎂合金應(yīng)用評價(jià)體系，進(jìn)行鎂應(yīng)用的同步設(shè)計(jì)開發(fā)。

2.重點(diǎn)內(nèi)容

根據(jù)我國鎂產(chǎn)業(yè)面臨的主要問題，“十二五”已經(jīng)優(yōu)先啟動(dòng)的國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目研究內(nèi)容擬以汽車的同步設(shè)計(jì)和集成應(yīng)用為主線開展產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合開發(fā)工作，由汽車企業(yè)從設(shè)計(jì)角度提出零部件要求；依據(jù)應(yīng)用工況，提出材料要求，開發(fā)適用的鎂合金、壓鑄件、型材、板材及其工藝技術(shù)。材料要提供給制造企業(yè)試制零部件，并將這些部件裝車應(yīng)用；同時(shí)，對有關(guān)的材料部件進(jìn)行可靠性、耐久性等評估測試，積累材料數(shù)據(jù)，形成我國鎂合金應(yīng)用的性能評價(jià)體系。鎂合金材料、技術(shù)與工藝研究框架見圖11。

項(xiàng)目涉及的主要內(nèi)容為：面向應(yīng)用的新型鎂合金研究開發(fā)，鎂合金高致密度鑄造技術(shù)開發(fā)，鎂合金板帶高效低成本軋制技術(shù)開發(fā)，鎂合金特種型材擠壓成形技術(shù)開發(fā)，鎂合金腐蝕連接、耐久性與可靠性研究及評價(jià)，鎂合金零部件同步開發(fā)與集成應(yīng)用等。

3.    展望

我國是世界上汽車消費(fèi)增長最快的國家，汽車保有量增長速度前所未有。鎂合金作為結(jié)構(gòu)金屬材料，80%以上都應(yīng)用于汽車。因此，以汽車和其它運(yùn)輸工具為載體，開展鎂合金產(chǎn)品制造技術(shù)創(chuàng)新工作，將鎂合金產(chǎn)品的開發(fā)與自主品牌車型的推出同步運(yùn)行，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上發(fā)揮鎂合金材料的輕量化優(yōu)勢，將在提高我國鎂合金應(yīng)用水平的同時(shí)對我國汽車制造業(yè)起到重要作用。

    汽車零部件對鎂合金性能的復(fù)雜性和多樣性需求，使得鎂合金相關(guān)技術(shù)具有較為寬闊的研究范圍。因此，以汽車為載體獲得的若干技術(shù)，還可以推廣到軌道交通、航空航天、武器裝備等寬廣的領(lǐng)域。