新型高性能耐热系列镁合金及制备成型技术研发可研报告文档格式.docx

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因此，要彻底改变目前我国镁工业面临的不利局面，就必须充分提高我国原镁的深加工水平，提高我国镁制品的科技含量，加强科技创新，鼓励原始创新和集成创新，开发出系列具有国际先进水平的新型高性能镁合金和先进的镁合金制备和成型新技术，为国民经济发展注入强劲的科技创新动力。

本项目正是在此背景下，针对“2007年XX省重大科技创新专项”中新材料领域的相关要求提出的。

本项目开发的系列中温范围应用高性能耐热镁合金具有较高的强度（与铸造铝合金相当）和在150~250℃环境下优良的热稳定性，可以取代现有铝合金如ZL105、ZL101A等合金作为航空汽车电子行业中重要结构件如电子部件机箱和平台框架的首选材料，具有结构重量轻、电磁屏蔽性能好、滞振性能优良等显著优点。

同时，本项目开发的高温范围（250~350℃）应用的高性能耐热镁合金可以取代现有铝合金材料如ZL201A、ZL205A、ZL114A等作为飞机发动机、汽车发动机的齿轮箱构件的首选材料，也可以作为航天导弹舱体和舱段材料，实现高性能耐热镁合金在上述领域的突破。

事实上，在铝合金和镁合金材料的竞争中，生产2mm左右的薄璧铸件的能力将是展现两种材料竞争力的一个重要指标和参数。

由于目前铝合金已经能够铸造出如此薄壁的铸件，所以今后轻合金技术开发的重点应该放在镁合金铸造技术上。

镁合金反重力精密铸造技术为实现此目标提供了一种解决方案，这正是本项目的重点所在。

该项目的工作成果，会将镁合金的优势应用前景完全展现出来。

变形镁合金型材制造技术的突破，会使我省镁合金制造水平在全国处于领先地位，与世界接轨。

其潜在的市场主要为汽车、电子、航空航天、军工装备等国家重点领域，其潜在的市场效益将会达到数亿乃至数十亿人民币，因此该项目的研制成功对于有效提升我省镁合金材料的变形深加工制造水平意义重大。

本项目的实施，同时会极大地激活镁合金在军工、汽车、电子、船舶等重要工业部门潜在的巨大应用市场，其效益和作用会在短短的2~3年内很快展现出来。

同时，通过该系列产品和关键成型技术的开发，为我国今后开发更高效能的镁合金材料提供了研发平台。

我国是镁资源大国和稀土资源大国，但不是强国，而镁的重稀土合金化将是提高我国这两种资源利用水平的重要途径，为提升我国镁及镁合金制造水平提供直接的技术支撑。

就眼下而言，以及其它需求用户，产品采用高性能耐热镁合金薄壁复杂构件或者高性能耐热镁合金型材，可以提升其产品竞争力，使其在国内同类市场占有技术领先地位，这无论是对承制方还是项目提出单位和项目协作单位，都会产生良好的以技术促进市场的效果，为地方经济的发展添砖加瓦。

本项目目前已进入工程化应用的前期。

课题组最新科研成果为依托、在大力扶持下组建的一个集产、学、研于一体的从事轻合金材料技术开发的高新技术企业。

公司设备一流、市场意识强、科研开发实力雄厚，生产工艺先进，员工素质高。

公司在成立之初就得到了航空、航天、军工等强力工业部门许多厂、所（）的广泛关注，并开始在许多科研项目和轻合金材料成型加工方面与公司开展密切合作。

因此，公司完全有能力、有条件实现本项目提出的目标和任务。

2计划目标

总体目标：

本项目计划在2008.01~2010.12的三年内完成。

本项目的总体目标是以现有的中稀土和重稀土元素对镁及其合金的强化机理研究成果作为高性能耐热镁合金设计的科学基础，开发出一个全新的镁合金系列，其中包括适于中温范围（150~250℃）应用的高性能耐热镁合金系列和适于高温范围（250~350℃）应用的高性能耐热镁合金系列产品，弥补我国在此领域的不足。

结合金反重力成型技术"

和"

复杂薄壁结构件快速成型精密铸造技术"

等科研成果，开发反重力条件下高质量稀土镁合金铸件的精密铸造技术。

并以新型高性能耐热变形镁合金设计和挤压塑性成型工艺为突破口，立足自主创新，在国内首批实现高性能耐热镁合金型材的小批量生产和供应。

实现高性能耐热镁合金构件和变形镁合金型材的工程化生产，替代目前上述领域协作单位所用的铝合金构件，完成产品的功能替代，实现镁合金产品的工程化应用。

项目完成时会形成年产系列高性能耐热镁合金预制锭50吨、年产镁合金铸件和镁合金型材30吨的生产能力。

届时资产规模为650万元，公司人员可增至25人左右，其中新增就业岗位10余人。

工程化后每年产值达1261.5万元。

预计每年铸件定制的增量会稳定在10%以上。

可以完成年上交税274万元，净利润606万元。

项目投资回收期为3年另8个月。

经济目标：

财务指标

截止2010年06月累计可完成额

销售量

160吨

100吨镁合金预制锭

60吨镁合金结构件

销售收入

2523万元

实现工业增加值

缴税总额

274万元

净利润

606万元

技术、质量指标：

本项目中系列高性能耐热铸造镁合金的技术指标要求如下：

（1）高温范围应用的高性能耐热镁合金性能指标：

室温力学指标：

σb≥280MPa,σ0.2≥220MPa，δ≥3%。

高温性能指标：

。

疲劳性能：

抗蚀性能：

材料经氧化处理，中性盐雾试验超过300小时，复合涂层处理耐盐雾达到1000小时，耐蚀性能优于ZM5、ZM6。

具有优异的尺寸稳定性和切削加工性能。

（2）中温范围应用的高性能耐热镁合金性能指标：

σb≥300MPa,σ0.2≥180MPa，δ≥4%。

（3）本项目镁合金构件的关键技术要求：

零件质量和验收要求标准：

HB963。

零件铸造尺寸精度等级：

CT7级。

零件重要受力部位X光检查，并作渗透检查。

零件最小壁厚为2mm,除局部配合面和重要面加工外，其余部分表面一般为不加工面，表面粗糙度Ra3.2~Ra6.4。

（4）镁合金挤压型材性能指标：

σb≥400MPa,σ0.2≥350MPa，δ≥6%。

阶段目标：

项目进度计划表

时间

项目执行期内任务

资金落实情况

2007年12月前

项目启动，设备购置和调试，厂方准备。

完成500m2镁合金生产厂房布局和启动，镁合金反重力实验设备的安装、调试，完成快速成型设备的安装，以及相应的熔化炉、精密铸造和热处理设备的安装、调试，为执行本项目的计划打下基础。

已投入设备资金150万元，设备投资和厂房布局已完成

2008.01~

2008.12

实现新型铸造镁合金材料的设计和制备，实现预期性能指标；

完成反重力快速成型精铸主要生产和检测设备的购置、安装和调试；

开发薄璧复杂镁合金构件的反重力快速成型精铸生产技术；

典型样件的技术要求符合图纸要求；

实现销售收入300万元。

合计250万元。

其中：

自筹130万元，创新项目专项资金120万元。

2009.01~

2010.10

实现新型变形镁合金材料的设计和制备，实现预期性能指标；

形成完整的生产技术文件和ISO9000质量管理体系认证；

完成反重力快速成型精铸小批量生产条件的建设，实现小批量生产，销售收入600万元；

建成稳定的原材料供应体系；

拓展承接制品的渠道；

实现企业的人员扩编目标。

合计230万元。

自筹130万元；

创新项目专项资金100万元。

2010.11~

2010.12

完成新型变形镁合金挤压生产线的安装调试，生产出合格镁合金型材产品；

各条生产线正常投入运营，到2010年底，实现销售收入1623万元。

完成项目的总结验收。

合计20万元。

自筹20万元，

二、申请单位情况

1.基本情况

项目主管单位：

项目承担单位：

2.人员及开发能力

2.1 

企业法人：

中层以上管理人员结构表

管理人员

占公司人员的比例

博士

硕士

本科

大专

平均年龄

1

8.3%

38

公司现有员工12人，66.7%具有大专以上学历。

2.4技术创新能力：

公司现有相关技术储备包括3项省部级科技成果奖的研究成果，包含反重力铸造技术、薄璧复杂铸件生产技术、复杂航空铸件精确成型等技术成果。

同时包含5项已授权专利。

公司主要技术依托单位、国家自然科学基金重点项目、航空支撑技术预言项目等20余项以及10余项企业合作横向课题的研究生产任务。

实验室开展了镁合金设计和有色合金凝固组织控制研究，大型复杂薄壁铝合金构件精铸技术研究，并在铝合金和镁合金反重力技术及设备研发方面做出了创造性的工作。

目前除申请者外，参加本项目研究的还有教授2名、博士生3名、工程技术以及试验人员和硕士研究生若干，项目完成年限内，上述人员可同时参加研发工作，研发力量十分集中。

3.上年度单位财务状况

2007年年末：

总资产：

250万元

固定资产：

150万元

流动资金：

100万元

公司于2007年11月开始运营，目前已基本完成场地建设和厂房布局，生产设备安装和调试正在逐步进行，拟于2008年2月开始投入生产。

4.管理情况

鉴于本项目的技术特点，项目主要经营管理人员由技术骨干构成，另聘请一位具有经营管理经验的管理专家作为总经理。

在董事会的领导下从事项目的企业化改造。

公司近期的组织结构如下图。

董事会

总经理

技术支持：

副总经理

生产/技术部

挤

压

成

型

市场开发与销售部

办公室

财务室

铸件成型

材料制备

4.1生产管理

本项目在生产工艺的所有环节均已建立了标准工艺规程，并由专门技术人员负责监督执行。

同时，建立了相关的技术文档，可根据用户的特殊需求，进行工艺修订。

生产计划主要根据用户的定货合同安排。

制定了生产任务安排、生产任务变更、生产计划审核和计划变更的审批程序。

既能保证生产标准的严格执行，又可保证缩短生产周期，满足用户需求。

针对生产质量的控制和监督，制定了产品质量的核查、经验、品级控制、不合格品处理程序。

针对仓储管理，制定了产品验收入库、产品保管、物料收发、报废和积压品处理程序。

制定了生产环境卫生管理、场所和设备清理清洁，以及生产环境的温度、湿度、通风、噪音、环保的标准和控制程序。

4.2材料采购和供应管理

生产过程所用原材料均已建立了相对固定的供货渠道，并对原材料的生产过程进行监督。

建立了原材料供应的入库验收标准和管理档案，从原材料开始，进行质量控制。

原材料的存储、使用过程，从防止材料损失和质量降低两个方面建立了相应的管理制度。

4.3设备管理

生产过程所用全部设备均建立了技术文档和操作规程。

除每台设备安排专人负责操作、维修和保养外，还根据ISO9000质量认证体系的要求，制定了设备管理系统文件。

制定了设备事故管理，仪器、仪表、量具定期核验制度，计量衡具使用保养制度，设备验证管理规程。

4.4财务管理

严格按照财政部颁布的会计制度执行，并据此制度要求，建立了相应的会计核算体系和财务流程。

如收货、入库、付款、收款程序，财务分析、财务审核、物品盘点、查帐、预算估算程序及其需要财务管理介入的报废（损）物品处理、出厂价格制定的报批、合同签署审查等程序。

财务管理部门根据会计核算体系和财务流程，定期进行财务分析，做好现金管理、票据管理、应收帐款管理和存货管理，缩短资金的流转周期，管理好企业的固定和流动资产，提高资金利用率和资产收益率。

4.5质量管理

产品质量是本企业生存和发展的关键。

提高产品质量始终是企业工作重点。

除此之外，制定了一系列质量管理文件，包括，质量管理业务流程、产品质量档案管理、质量信息管理、质量统计报告、产品质量分析、产品包装质量检验等。

同时，为了保证产品质量，建立了企业员工上岗培训制度。

培训后经过考核，合格后方可上岗。

对于残次品，建立了严格的报废制度，保证所有出厂产品可满足用户需求。

4.6市场营销管理

针对本行业的特点，主要采用合同订购销售方式。

由于用户可能提出特殊的性能指标要求，同时材料产品和构件等的发展具有互动关系。

由主要技术人员和销售人员共同负责和用户联系。

充分利用互联网，建立网页，以便潜在的用户直接获取本企业的产品信息，达到广告效果。

4.7人力资源管理

核心技术人员采用特殊的管理方式，并在个人利益上给予保障，稳定一批优秀技术人员。

其他员工按照现代企业管理制度，采用招聘方式。

建立了招聘申请、考核、录用、签约、岗前培训等工作程序。

建立了工作业绩考评制度。

除基本工资外，对于业绩优秀，为企业发展做出主要贡献的员工给予特殊的奖励。

4.8行业认证情况

企业拟于2008年启动ISO9000质量认证申请工作和高新技术企业认证以及军工许可认证申请工作。

三、技术可行性和成熟性分析

1、技术可行性分析

1.1本项目的技术特点及创新之处

（1）以中稀土和重稀土元素为着眼点，从镁-中稀土/重稀土合金系和新成分点着手，重点研究中稀土和重稀土元素对镁及其合金的强化机理，以此作为高性能耐热镁合金设计的科学基础，开发出一个全新的镁合金系列，重点解决我国重要工业领域迫切需求的250~350℃环境下使用的高性能耐热镁合金，填补我国在此领域的不足。

（2）采用粗镁和中稀土/重稀土冶炼初级产品进行稀土镁合金熔配这一新思路，为中稀土/重稀土镁合金的合金成本控制寻求新的解决方案。

（3）结合目前先进的反重力铸造技术研究成果，针对中稀土/重稀土镁合金易氧化和易夹渣的特点，通过研究在反重力条件下实现高质量稀土镁合金铸件的生产途径，无疑具有集成创新的特色。

（4）以高性能耐热变形镁合金的合金设计和挤压塑性成型工艺为突破口，立足自主创新，在国内首批实现高性能耐热镁合金型材的小批量生产和供应。

1.2、拟解决的关键问题和技术难点

（1）镁及其合金中中稀土和重稀土元素的强化机理

镁合金材料的开发当前处于一种以现有平衡理论和经验为指导，应用为目标，实验手段为主，注重理论探索和实验分析相结合的现实状态。

例如，决定控制细的晶界沉淀相的法则和机理一直不太明朗。

如何选择可能形成细的沉淀相或者细化现有相的元素，可以引进其它金属的已有经验。

在镁的微观组织设计中，对于此类合金元素的合金化作用机理研究具有重要的意义。

因此，本课题通过认真搜集整理镁的合金化强化方面的已有资料，比对和借鉴国内外镁合金设计的思路和经验，从探讨Y、Gd、Sm等中稀土和重稀土元素及传统合金化元素Nd、Zr、Zn、Mn的组合对镁的合金化作用本质入手，进行合金设计，避免合金设计的盲目性。

（2）优质合金凝固组织控制

合金凝固组织优化控制的重点和难点在于：

（a）选择合适的低合金化元素和微合金化元素在不改变合金相组成的前提下，实现有效的晶粒细化；

（b）控制凝固次序和凝固进程，实现对铸件中热裂、成份偏析、夹杂等缺陷的控制；

（c）开发先进的铸造工艺方法，采用反重力铸造等技术实现对合金凝固组织、致密度的优化控制。

（3）中稀土/重稀土镁合金熔炼技术

在中稀土金属和重稀土金属制取的方法中，中间合金法是基于Ca热还原稀土氟化物，化学反应可表述为：

（1）

该方法可以直接制得纯度不高的Mg-Y、Mg-Gd、Mg-Sm等Mg-RE中间合金。

如果在中稀土/重稀土镁合金的制备工艺中，通过直接采用这种冶炼初级产品Mg-RE中间合金作为中稀土和重稀土元素添加手段，再结合使用粗镁进行中稀土/重稀土试验镁合金的熔制，无疑对于降低合金成本具有实质效果。

其中需要克服的技术难点是：

（a）如何去除上述冶炼初级产品带入的杂质元素如Ca、Ti、Fe等。

（b）镁合金的熔化防护措施，这直接影响到合金液的质量，所以熔体的保护成为关键。

（4）镁合金的反重力精密铸造技术

目前关于镁合金精密铸造技术在国内外报道较少，而陆星公司镁合金复杂薄壁构件的铸造成型对此提出了直接要求。

因此对于镁合金精密铸造工艺方法的深层次实验和后续工程化将是本项目面临的关键难点。

石膏型和熔壳模型将是本项目需要探索的主要方法，其中降低模性材料和镁合金熔液的反应活度，避免镁合金液的充型氧化问题直接决定该环节的成败。

反重力铸造技术主要应用在铝合金优质铸件成形。

镁合金易燃，比热容小，密度小。

镁合金液流流动压头小，加之镁合金的结晶温度间隔较大，所以其流动性差，补缩性能差；

同时镁合金自身易氧化而容易造成二次氧化夹杂等缺陷。

因此，镁合金在采用重力铸造方法成型时，夹杂、缩松等问题严重。

目前镁合金广泛采用压铸方法，但是压铸件的综合性能不高。

随着反重力铸造装备在优质铝合金构件生产中的成功应用，人们开始尝试利用反重力铸造方法生产重要镁合金构件，以解决重力铸造条件下存在的问题。

通过反重力铸造技术自身的优势对镁合金铸造成形缺陷加以克服，在制造环节切实控制镁合金凝固组织，达到提高镁合金铸件综合性能指标的目的。

镁合金反重力低压铸造装备在国外已有文献报导，并已用于生产。

力铸造方面的研究取得进展，目前已经基本解决反重力铸造条件下，熔化、保温、充型及凝固过程的防氧化、防燃烧问题，开发出适合于镁合金的反重力铸造技术和设备。

新型控制系统不但从电控硬件方面做出了很大改进，而且引入了视频在线监控系统，提高了装备使用可靠性和安全性。

（5）塑性加工优化与微观组织控制

铸造坯锭存在着晶粒粗大、组织偏析、力学性能不高、易产生各种内部缺陷等问题。

塑性加工可以有效改善镁合金的微观组织，提高材料的力学性能。

大多数镁合金具有h.c.p.结构，使其在冷态下塑性加工能力较差。

但在200℃以上由于非基面滑移被激活，而使镁合金的塑性加工能力大为提高。

在变形时处于三向不等值压缩应力状态时，对镁合金的塑性变形最有利，镁合金可以发挥其最大的塑性，这对于塑性变形能力较差的镁合金来说尤为重要。

挤压方法能够使坯料处于比锻造或轧制更为强烈的三向压应力状态。

通过挤压，可有效细化镁合金的晶粒，获得大变形量，提高合金的塑性和强度。

因此本项目棒材的成形，将采用挤压方法进行。

此外，挤压法在一台设备上仅通过更换模具即可实现棒材的生产，尤其适于多品类、小批量、周期短的生产方式。

挤压法产品的尺寸精度高，表面质量好。

而挤压产品的高质量成型，不仅取决于性能良好的挤压成型设备，而且也取决于挤压工艺的制定。

1.3、项目实施的技术、工艺路线

研究方案和技术路线

本项目以Mg-x（Gd、Y、Nd、Sm）-y（Zr、Zn、Mn）系镁合金为对象展开合金设计、熔炼与铸造工艺的相关原理研究，其技术路线见图1，实验方案如下：

（1）根据合金化原理，结合实验和理论分析，探索低量Y、Gd、Sm等中稀土和重稀土元素及传统合金化元素Nd、Zr、Zn、Mn的组合对镁及合金的合金化作用机理，探索Y、Gd、Sm等中稀土和重稀土元素及传统合金化元素Nd、Zr、Zn、Mn的组合对镁合金基体内位错移动和晶界滑移，及对合金晶界的强化行为和析出相结构与成分的影响，探索不同服役环境下合金化元素的交互作用特点。

在此基础上，在Mg-Gd-Nd-x（Zr,Zn）系、Mg-Gd–Y-y（Zr、Zn）系、Mg-Sm-z系镁合金内，通过“试错法”和相关优化理论如成分和性能的正交试验，优选出合适的具有良好高温或/和良好室温性能的，具有理想的两相组织结构的，适于固溶强化或/和弥散强化的系列实验合金作为基础实验母合金。

图1.技术路线框图

（2）研究Y、Gd、Sm等中稀土和重稀土元素及传统合金化元素Nd、Zr、Zn、Mn的组合对实验合金熔点、流动性、热裂特性、收缩特性、合金化元素对合金凝固过程与固液界面的影响，控制合金凝固组织，优化合金铸造工艺性能。

研究重力和反重力铸造条件下实验合金的凝固组织特性和铸造缺陷产生机理，寻求合理铸造工艺和缺陷防治措施。

根据固态相变原理，研究热处理条件对实验合金相形成、相析出、相转变规律及相应条件下组织和力学行为尤其是250℃以上高温力学行为和蠕变行为的影响规律，分析变化产生的组织机理，揭示变化规律，完成目标合金的组织优化设计，制定其热处理工艺。

（3）根据化学置换原理，寻找去除中稀土/重稀土实验镁合金熔体中冶炼初级产品带入的杂质元素如Ca、Ti、Fe等的适合去杂质熔剂材料和杂质去除方法；

研究不同保护性气体混合条件下中稀土/重稀土实验镁合金的氧化和燃烧行为特性，包括氧化膜的结构、氧化膜再生速度，以及研究不同保护性气氛与镁液共存时合金液面的化学反应机制及反应产物的结构和阻燃效应，再通过对比和分析，发展中稀土/重稀土实验合金的低成本保护技术和低成本高质量熔配技术。

（4）确定试验合金坯锭的晶粒细化方法，包括合金化细化方法和铸锭强制冷却细化方法；

确定反重力浇注条件下“无污染”高质量坯锭的铸造成形工艺。

探索控制和减轻铸造合金凝