作为全球知名的钢铁企业, 韩国POSCO公司(浦项制铁)并不仅仅局限于钢铁主业, 长远目标是成为全球综合材料企业。为此, 公司正致力于超轻量金属材料和未来新材料的开发。超轻量金属材料主要包括镁和钛; 未来新材料主要包括锂、碳素纤维、镍、稀土类材料。基于前期的不懈努力, 已经具备了全球供货的实力, 2017年计划在锂、镍、镁、钛等新材料业务领域投入4 000亿韩元^[1]。

镁板材由于铸造性高, 主要通过压铸的方式生产, 用于电子产品的外壳、汽车方向盘、座椅框架。随着电子、汽车行业“更薄, 更轻”的发展趋势, 全球镁材的需求量还在稳步增长, 但受制于价格高的影响, 为了实现大批量生产, 迫切需要对现有的生产工艺进行改进。

2002年7月, POSCO新业务开发室开始研究镁板材业务的可行性, 由浦项产业科技研究院(RIST)高耐腐蚀镁研究团队进行技术验证, 2003年9月正式着手技术研发, 参照标杆企业的制造工艺, 掌握竞争对手的研究动向, 选取钢铁近终形连铸制造的薄带连铸技术, 以及连续温轧技术进行新工艺开发^[2]; 2004年12月在RIST试验楼内安装了宽600 mm的双辊薄带连铸机和镁材专用温轧机等中试设备, 成功开发了薄带连铸工艺。2005年12月确认了厚0.4 mm镁板卷商业化生产的技术可行性。2006年1月, 成功轧制0.4 mm的薄板卷, 同年4月, 镁板材厂的投资计划获批, 2007年8月, 正式成立镁业务部, 下设业务综合组, 负责POSCO镁业务的策划和战略制定。营销组负责市场开拓和产品销售, 镁板材厂进行镁板材产品的生产^[3]。

POSCO的镁业务主要围绕以下4个目标开展:(1)更薄, 突破传统压铸工艺的限制, 生产厚度0.4 mm的镁板材产品; (2)更轻, 生产密度更低, 比强度更高的镁材产品, 替代钢铁或其他有色金属; (3)更美观, 合作开发富有质感的产品, 为客户提供表面处理方案; (4)价格更低廉, 通过提高产量, 让镁比铝更具价格竞争力。

1 镁冶炼

作为轻量化的核心材料, 镁在韩国广泛用于汽车、IT移动设备和机械配件等, 韩国国内有20~30家镁配件制造企业, 但原料大部分从中国进口。POSCO发挥自身技术优势, 利用江原道地区约2亿t以上白云石资源^[4], 开展镁冶炼业务, 助力韩国材料和配件产业的发展。值得一提的是, 镁冶炼业务已经构建了“相辅相成”的商务模式, 即:白云石原料由当地的汉拿水泥公司无偿提供, 镁冶炼之后的副产物石灰石再次供给水泥公司利用^[5]; 另外, 还原剂硅铁主要由浦项材料科技公司(POSCO M-TECH)与哈萨克斯坦资源开发企业Zaman集团合作, 在埃基巴斯图兹地区利用硅铁铝原料生产。

POSCO镁冶炼厂投资总额约977亿韩元, 占地面积约462 000 m², 年产能1万t。2011年6月开工建设, 2012年8月竣工, 同年11月开始批量生产镁锭(块), 作为原料供给镁板材厂, 同时生产部分铝合金添加剂、炼铁脱硫剂、锆冶炼还原剂等, 由此建立“从冶炼到轧制”的综合生产体系。2012年6月起, 该厂由POSCO M-TECH公司委托运营。

1.1 镁锭生产工艺

其工艺流程如图 1所示, 采用了独创的第三代环保型热还原工艺, 利用垂直一体型还原炉, 通过自动化控制提高生产效率, 缩短操作时间。该厂已获ISO 9001及ISO 14001认证; 严格遵守有害物质使用限制指南, 获RoHS认证。

1.2 镁锭产品类别

利用发射光谱评判并测定非金属夹杂物, 镁锭内的氧的质量分数控制在0.010%以下, 目标值是0.006%以下。镁合金产品符合ASTM标准, 纯镁产品纯度达99.9%(质量分数)以上, 符合KS, JIS, GBT, ASTM, ISO等标准, 镁锭产品概况如表 1所示。

1.3 镁锭产品用途

由于具备轻量化、阻燃性和流动性等优点, 镁锭产品主要用于手机内支架、投影仪配件、笔记本底板等IT和移动设备; 方向盘芯、前照灯组合件, 后控制台支架等汽车配件。另外, 通过压铸、挤压、轧制、触变注射成形等各种加工, 还可以用于军事、宇航配件, 以及体育休闲用品。

2 镁板材制造

2006年8月, 镁板材厂开工建设, 2007年7月竣工, 年产能3 000 t, 同年10月, 为了开拓镁市场, 开展“整体解决方案提供者”活动。为了生产汽车配件产品, 2012年7月新增了设计产能1万t的宽幅镁板铸造机, 镁板最大宽度可达2 000 mm。

2.1 镁板材生产工艺

采用独创的薄带连铸技术, 经过换向式轧制工艺实现在线加热, 通过连续轧制生产板卷产品。首先将镁锭加热, 熔化后通过薄带连铸工艺生产铸态卷(相当于热轧卷), 然后采用温轧机进行可逆式连续轧制, 生产轧态材(相当于冷轧卷)。通过薄带铸造, 缩短了工艺流程, 降低了生产成本, 急速加热使得晶粒细化, 提高了产品质量。最后按照客户的要求进行表面处理等后处理工序, 生产出不同规格的板卷产品^[6-7]。工艺流程如图 2所示。

2.2 镁板材产品类别

镁板材产品的类别、成分及性能如表 2所示。其中, AZ31B是通用合金, AZX311是阻燃性合金, AZ61A是高强合金, M1A是高散热性合金。目前还在开发表面偏析改善合金AZX310, 高强合金AM50A, AZ91D等新产品。2013年7月完成宽幅板材技术的开发, 厚度5.0~6.5 mm, 最大宽度2 000 mm, 最大外径2 500 mm, 每年可批量生产670 t的宽幅轧制板材(宽度600 mm), 6 400 t的宽幅铸造材(宽度2 000 mm), 在铸造宽度和连续铸造时间上都有领先的优势。

从热扩散率对比来看, AZ31B, AZ61等镁板材的散热性比304不锈钢高10倍以上, 散热性与AI5052铝材相当, 但质量可减轻约30%。镁板材专用包装纸可以确保镁材的防锈性, 在不开封的情况下, 最长可保存6个月。

2.3 镁板材产品用途

POSCO从汽车、电子产品策划阶段开始参与, 根据不同零配件的需求, 进行先行技术开发, 并为客户提供材料方案, 成形及设计技术等支持, 进行性能评价, 直至产品量产, 由此开展EVI活动。

2.3.1 IT移动产品

由于具备优秀的比强度、抗凹性、轻量化、电磁波屏蔽等诸多特性, 镁板材非常适于电脑、相机、智能手机等3C产品的零配件。另外, 镁板材外观简洁, 能让消费者获得感官上的满足。智能电话、笔记本电脑、电视机等高端IT移动产品逐步轻量化和超薄化的发展趋势, 促成了对镁板材需求的增长。为了在移动电子设备领域推广轻量化镁板材产品, POSCO将“POSCO Mg In Every Mobile”作为业务使命, 积极开展产品开发和市场开拓。

2.3.2 扬声器

镁材振动板密度小, 可以体现细微的声音, 比刚度大, 音速快, 可以展示从低音到高音的全音域; 减少不必要的内部振动, 消除共振杂音, 体现原音。目前镁材振动板已用于音响、电视机、汽车的扬声器。

2.3.3 汽车配件

为了抑制全球变暖, 各国对碳排放限制日趋严格, 汽车行业正在开发轻量化配件以提高汽车的燃效。POSCO通过与汽车制造企业和配件商合作, 已经开发出座椅框架、发动机罩组件、前围挡板等镁材汽车配件产品。

2.3.4 建材

镁材暖炕板是高效、高性能建筑材料。镁板材优秀的导热性可以提高暖炕板的能效, 节省取暖费用。另外, 良好的冲击吸收性能可以减少楼层间噪音, 提供更为舒适的居住生活环境。

2.3.5 其他

镁是一种人体有益的矿物质元素, 而镁材平底锅和烧烤架从陶瓷涂层释放出的远红外线可让食物均匀受热, 热扩散速度更快, 可以缩短烹饪时间。随着老龄化和肥胖人口的增加, 康复医疗市场的规模正在不断壮大, POSCO正在扩大高性能镁合金在膝盖辅助器具上的应用。通过严格的性能测试后, 镁材还可作为海水电池的电极材料使用。

3 业务进展及典型应用成果

2017年10月, POSCO与韩国全罗南道政府签订了投资协议, 计划在2021年之前投入230亿韩元增设宽幅轧机及坯料连铸机, 用于生产加工宽幅1 700 mm以上的镁板材^[8]。

3.1 电子配件

POSCO通过与三星、LG等电子公司开展技术合作, 构建了“材料+加工解决方案”的供货模式, 开发适于不同移动设备的专属镁材产品, 积极开展营销活动, 抢占市场。

POSCO运用高速骤冷凝固法实现精密控制, 开发了Air-Mg板材产品, 经过后处理后, 厚板厚度约为0.5 mm, 不仅加工性能高, 而且表面硬度提高了20%以上, 屈服强度提高了50%以上, 于2015年开始量产和供货。三星电子公司对成形后的镁板材采用MAO(Micro Arc Oxidation)工艺进行等离子表面处理, 进一步提高了其耐冲击和耐腐蚀性, 已相继用于“Notebook 9 Metal”和“Notebook 9 Always”等品牌的后盖^[9]。

从新型超轻笔记本电脑Gram的先行开发阶段开始, POSCO与LG电子合作。2015年常温成形的“E-Form”镁合金用于Gram 14与15系列的底板, 2016年高加工性“E-Form Plus”镁合金量产, 用于Gram 13, 14, 15的全部系列产品, 以及2017年最新的“All Day Gram”的产品。

3.2 汽车配件

2014年9月, POSCO镁板材在全球首次用于雷诺三星汽车推出的SM7 Nova车型上, 主要作为内装材用于VIP后座板及后备箱的框架部位, 质量可减轻约61%。2015年3月, 镁板材作为外装材首次用于保时捷新车型“911 GT3 RS”的车顶, 与铝材相比, 车顶质量减轻了30%以上, 减轻了车身中部的质量, 还可以确保车体的安全性^[10-11]。

2015年4月, 镁板材又用于法国雷诺汽车公司概念车Eolab的车顶, 车身质量可减轻130 kg。另外, 2015年1月, 韩国双龙汽车的新车型Korando C在韩国首次采用了POSCO镁板材制造的扬声器。与现有2000cc级SUV车型上的6.5英寸(1英寸=2.54 cm)纸喇叭相比, 音质大有提升。

4 “运输车辆用超轻量镁材”项目

在能源趋于枯竭, 环境及安全法规更为严格的今天, 迫切需要在减轻车身质量的同时, 提高汽车燃效。在常用金属中, 镁是比强度最大的超轻量材料, 但在汽车领域, 镁的应用尚处于初级阶段, 而且与铝相比, 镁的价格处于劣势。另外, 镁板材在低温轧制和低温成形方面, 镁块材在强度和韧性方面都有提升的空间, 镁材的量产技术较为薄弱。

为了确保未来汽车产业和环保零配件材料业务的主导权, 韩国政府将“运输车辆用超轻量镁材”项目选入WPM(World Premier Material)十大核心材料业务中。力争2018年在全球市场创效10亿美元, 实现市场占有率30%以上^[12]。

4.1 项目参与方

该项目的主管部门是韩国产业通商资源部和韩国产业技术评价管理院, 分管机构是POSCO, 参与方还包括大型企业、中小企业、研究院所、大学等^[13], 如表 3所示。开发周期从2010年9月1日到2019年3月31日, 历时103个月。

4.2 项目目标

通过推进WPM项目, 构建良好的开发基础设施, 从开发初期就进行必要的投入, 精准控制显微组织, 改善镁材的临界性能。优化工艺流程, 提高生产效率, 降低制造成本, 最终开发出性能优良、价格低廉的镁合金材料。拥有镁冶炼和镁材制造的独创技术, 并实现产品的稳定供应^[14]。项目的预期目标如表 4所示。

4.3 项目推行计划

项目按照镁板材和镁块材两大课题同时进行。推进战略包括:(1)采用薄带连铸实现高质量镁板材的大批量生产, 确保产品的价格优势; (2)制造经济原材料, 实现镁材稳定生产; (3)开发镁材配件商用化技术, 提升配件性能^[15]。

第一分课题《开发高性能镁板材》分为4部分:(1)首尔大学和浦项工科大学负责新合金设计, 预测并控制其性能, 新合金的目标值分别是:抗拉强度≥300 MPa, 屈服强度≥230 MPa; (2) RIST江原研究所制造高效环保原材料, 镁纯度≥99.95%, 镁回收率≥87%;(3) Solution Lab与POSCO镁业务部合作开发无表面缺陷的宽幅镁板材, 宽度≥1 900 mm, 表面质量达到汽车外板标准; (4)开发经济型板材应用技术, 设计超轻量车身。成形温度≤25 ℃, 成形速度6 mm/min, 耐腐蚀性33 cycle。课题具体的分工情况如表 5所示。

第一分课题分为三阶段完成, 课题详细内容如表 6所示。

第二分课题《开发高强镁块材》也分为四部分:(1)韩国材料研究所和延世大学负责新合金设计, 新合金的目标值分别为挤压材屈服强度≥450 MPa, 锻造材屈服强度≥380 MPa, 铸造材屈服强度≥280 MPa; (2)开发镁坯料, 晶粒粒径≤50 μ m; (3)可锻合金的挤压、锻造加工, 挤压速度≥15 m/min, 出口温度≥250 ℃; (4)铸造材料的低压铸造、铸锻造、高真空压铸加工, 铸造伸长率≥15%。课题的详细分工情况如表 7所示。

第二分课题同样分为三阶段完成, 课题详细内容如表 8所示。

在镁材配件开发方面, 从2010年—2018年分为三阶段进行。镁材配件开发路线, 如图 3所示。

5 结语

由于具备轻量化和比强度高的特性, 镁在电子设备和汽车配件上的应用备受关注, POSCO公司已经将镁作为非钢业务的重点之一。为了成为综合材料生产企业, POSCO将钢铁生产积累的技术应用于镁锭和镁板材的生产。该公司主导的《超轻量汽车镁材研发项目》作为韩国国家项目的重要组成部分, 目标是为汽车轻量化开发全新的镁材产品, 在降低碳排放, 提高能效的同时, 确保镁材的价格竞争力。