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欧洲冶金路线图及其对中国冶金行业发展的启示

2016-11-04

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  金属和合金可广泛应用于包括高新技术产品在内的各个领域。欧洲冶金业不仅在基础研究领域表现出色,而且在合金工业生产、下游处理、终端应用和回收领域也表现突出。促进欧洲金属和冶金研发创新,一方面可以缓解能源短缺,实现碳排放减量,促进可再生能源发展,提供医疗保健和就业保障;另一方面也有助于进一步提高整个冶金及金属制品业的附加值。

  为此,2012年,欧洲科学基金会(ESF)发布了《冶金欧洲——2012—2022复兴计划》科技报告。在此基础上,2014年9月22日,ESF又启动了一项为期7年的“冶金欧洲”项目。2015年1月,为进一步落实“冶金欧洲”计划的后续行动,欧盟委员会发布了《欧洲冶金路线图:生产商与终端用户展望》[2]报告,对目前欧洲冶金工业领域中面临的诸多问题,以及未来中长期发展目标和发展主题做了明确的分析和界定。欧洲冶金路线图的发布可以进一步促进欧洲在金属新材料及其制造技术等领域的研发。同时,加大研发创新和推动下游应用行业发展也是我国冶金行业发展面临的关键问题。因此,本文将重点介绍欧洲冶金路线图的发布背景和具体内容,并在此基础上提出促进我国冶金行业在各个高新技术领域应用的措施建议。

  一、欧洲冶金路线图发布背景

  1.欧洲冶金行业发展现状和趋势

  地球上自然存在的元素共有90种,其中18种为非金属元素,如惰性气体和卤素等,7种为半金属元素,而剩余的65种均为金属元素,其中有60种已经作为商用。金属和合金对于诸多工业及工业制品业来说至关重要。在这些金属元素中,约有20多种被认为是欧洲工业发展的关键金属元素。

  通常来说,冶金行业主要包括金属矿物的勘探、开采、精选、冶炼、轧制成材等相关行业,以及涉及金属的材料科技发展。整个冶金行业创新涉及基础理论、金属冶炼、原料添加、规模化生产、新应用,以及新产品开发、材料回收,等等。

  从历史上看,欧洲一直在冶金领域独树一帜。目前,欧盟冶金行业的生产总值占整个制造行业总产值的46%,占国内生产总值的11%,是欧洲工业发展的重要部门。然而,随着美国和亚洲的技术发展,欧洲要想保持在金属制品领域的领先地位,则需要提高其在产品生产方面的创新能力。

  冶金行业的发展需要原燃料及其预处理技术等多方面的支持。处理技术的逐步升级,不仅提高了生产效率和熟练程度,降低了环境污染的风险,原料消耗也逐步下降。此外,纳米技术、原燃料和废弃物最小化技术以及节能技术的发展,也将长期成为冶金工业创新领域的研究重点。

  因此,考虑到材料学和冶金学对经济、能源、环境和社会发展等方面的影响,欧洲冶金工业的发展战略将主要侧重以下4个方面:一是推动产品创新,满足产品和应用的新需求,以及经济和社会发展的新需求;二是提升材料特性和性能;三是充分利用金属冶炼、制造、加工和再利用等技术,改进矿山勘探、开采、金属回收技术;四是改善基础设施,促进技术创新。

  2.欧洲冶金路线图制定的意义

  冶金行业的发展对解决整个欧洲面临的社会挑战具有重要意义。该报告为今后10~20年乃至更长时期内,欧洲在金属新材料以及材料性能改善方面的研发活动制定了一份详细的议程安排。该路线图综合考虑了全部金属材料的应用领域:包括交通、建筑、消费品、电子、能源和工具等行业。这些行业代表了终端应用领域对冶金科技的不同需求。同时,路线图还指出了各个领域为满足未来应用新需求所应达到的必要条件。该路线图的实施,将极大地增强未来欧洲关键冶金技术的研发需求和创新,并提升欧洲在先进冶金技术方面的实力。

  二、欧洲冶金业发展现状

  1.交通行业(陆面、海洋和航空)

  (1)陆面交通

  目前,欧洲冶金行业在陆面交通领域的应用主要包括:

  一是涂层。欧洲冶金涂料行业发展较为零碎,因此需更好地协调这一领域的研发活动。目前,冶金涂层领域的应用主要包括:锌和锌合金镀层用于防腐;物理气相沉积(PVD)技术、可替代热浸镀锌(HDG)技术,应用于汽车行业以减少涂层重量,提高耐久性;热障涂层陶瓷,用于降低发动机舱温度;纳米摩擦学,主要提高纳米级润滑性;化学气相沉积(CVD)和等离子辅助化学气相沉积(PACVD)技术,用于动力传动应用中的磨损保护,并减少摩擦;热喷涂层技术,用于减少燃烧发动机内的摩擦,并降低重量。

  二是粉末冶金。粉末冶金是欧洲发展最突出的领域。根据2011年报告,欧洲粉末冶金产品每年成交额超过60亿欧元。

  三是合金。欧盟是全球第二大钢铁生产国,钢铁行业从业人员超过36万人,钢材年产量达到1.77多亿吨,占全球总产量的11%。同时,欧盟还是世界领先的高附加值钢材产品的设计国和生产国。但是,近年来,日本、韩国、中国、美国等国家的先进高强度钢材(AHSS)发展较为迅速。

  在合金研发领域,欧洲与日本、美国合作开展了关于耐高温钢材的研发。这项研究主要为解决高温车间以及发动机的应用需求;此外,研究还包含了对材料长期断裂全度的预测和中短期的蠕变疲劳作用测试。

  欧洲还开展了钢材在轨道应用方面的研究。随着铁路车辆有效载荷的增加,要求轨道钢的强度要达到1000~1 100MPa,硬度达到300~320HBW,争取达到400HBW。但由于认证方面的问题,铁路多使用碳锰钢,很难引进新等级钢材,这是目前亟需解决的难题。

  高品质钢材的应用越来越广泛,特别是多相超高强度钢发展迅猛。由于解决了焊接性问题,这些钢材也正被引入市场。同时,焊接热循环对微观开发和动态加载的力学性能的影响研究也正在进行。此外,为改善耐蚀性能,推动大范围应用,需进一步研究新的涂层技术。

  欧洲针对轻金属合金的研发工作持续进行,如汽车应用领域的铝合金和镁合金。研究领域包括高强度合金开发、涂层技术、焊接技术和轻质泡沫金属等。目前,欧洲新型合金发展的最大障碍是缺乏经济可行的生产工艺、金属连接技术以及对切割边缘敏感性所带来的危险性的充分认识。

  四是金属复合材料。欧洲金属复合材料研究主要集中于交通运输应用中的高强度轻量化关键部件中。目前,研发工作主要针对发动机零部件,而只有嵌入金属复合材料的阀座尚未应用到汽车行业,这主要是由于生产成本过高,加工操作较为困难。

  (2)海洋交通

  海洋交通领域主要涉及船舶,但是海洋部门还可以包括很多其他与冶金相关的领域,如:海上建筑、石油和天然气管道、深海采矿、焊接、轻量化合金等。这些领域涉及的冶金技术基本类似。

  海洋交通领域的创新通常不会带来巨大的突破,主要是技术的逐步改进。在这一领域,新技术的应用首先要考虑可靠性和经济收益,这也就意味着需要稳定发展现有的成熟技术。然而,需要注意的是,在国际海洋产业领域,即使是应用的微小进展通常也被视为较大的进步。正是由于海洋产业具有如此特性,其不能仅仅局限于单个国家,任何进展都有可能影响全球的航运业。而海洋交通领域所用材料的变化也正反映了这些趋势的变化。正是由于海上建筑物使用了大量的新材料,因而,更要考虑其成本收益率。而从冶金学的角度来看,这就需要解决包括提高能源使用效率、加强环境保护,以及提高项目收益率等诸多挑战。

  (3)航天

  欧洲航天领域发展较为规范,如“洁净天空”联合技术行动制定了一系列详细具体的研究议程。该行动计划拥有较高的技术水平,而后续计划将于2016年开始实施。

  目前,欧洲航空行业发展的优势之一就是基本不存在空白的关键技术领域。但是金属在航空领域的应用仍存在弱点,如耐腐蚀性、损伤容量、重量/强度比、热性能以及制造成本等。

  此外,目前欧洲正在对航空部件的近净成型或净成型制造开展研究,但这将是一个漫长的过程。

  根据欧洲航空研究与创新咨询委员会预计,到2050年,力争实现每乘客公里二氧化碳排放下降75%、氮氧化物下降90%、噪音下降65%的目标。该目标将从长期改变这一领域的产品技术发展。

  三、建筑行业

  建筑行业用金属通常都被用于基桩、结构材料、强化材料、包层、屋顶、窗框、石膏板钉、门、阳台、栅栏、复合地板、屋顶紧固件、隔墙和天花板、管道、水槽、下水管道和设备、加热设备、烟囱、箔绝缘材料、太阳能电池板、浴室、厨房等。目前,主要使用的金属材料有钢铁、铝、铜、锌和不锈钢。此外,市场上也涌现了一些使用钛和其他贵金属材料以及复合材料的新应用,但使用其中一些金属主要是为了加固和表面抛光。

  显然,金属的独有特性使其成为建筑行业必不可少的基础材料。而金属的耐用性也确保了其较长的使用寿命。经过适当的表面处理,即可实现防水、防震、防腐蚀、防紫外线等功能。

  在建筑行业中,标准化和合格认证对确保行业安全性和可靠性非常重要。因此,对于建筑行业来说,能否同时实现标准化管理和创新已经成为一个悖论。

  四、消费品行业

  目前,消费品行业面临的主要挑战是如何改善产品性能,包括满足易于清洁、耐用、耐腐蚀、耐磨损、耐生物污染、避免褪色以及增加产品美观性等需求。材料性能增强的研究将主要集中于开发量身定制的表面处理技术,包括耐腐蚀、耐磨损、耐生物污损、红外反射性能、触觉、外观、耐温性、清洁性和自愈性。材料制造和加工技术的改进将主要通过传统生产技术来实现近净成型、减少处理步骤、实现材料设计集成化、避免材料和能源的浪费。而其他处理工艺的改进则需要加强对多种不同材料的使用技术,以及开发测试协议,以预测和控制材料的磨损、腐蚀和耐用性。

  涉及高强度材料的成形性问题,则需要考虑材料成本。建模和仿真过程可以借助数学模型更好地了解物理学变化对材料性能的影响。尽管目前由于计算能力的增强、云计算的出现和算法的改进,仿真技术获得了极大的改进,但是由于缺乏准确的材料数据,可预测性仍然有限,因此在产业上的应用还有很大局限性。

  五、电子行业

  电子行业用金属主要面临的挑战是如何实现装置和部件的小型化,这就引发了对在恶劣环境下可正常工作的耐高温材料的需求量大增。电子和电子应用的传统材料都不适用于此类环境。而现有的金属和合金也都不能满足高性能要求(如高温、腐蚀性环境等)。因此,需要创新技术,开发合适的新材料。

  长期以来,电子行业一直是贵金属的主要消费领域。尽管贵金属在单个应用中的使用量较小,但是电子产品生产量的大幅扩张也驱使生产商开始考虑开发成本较低的同性能替代产品。而稀土在电子行业中的使用量也较为广泛,因此欧洲还需要建立健全战略材料的管理机制,增加替代金属合金的研发投入,以应对稀土限制供应的问题。此外,去除有毒材料也是电子材料行业长期发展的主要任务。

  电子材料发展面临的挑战就是生产微米和纳米级电机系统零部件所用的材料。也就是说,当机械装置的规格越来越小时,系统中的表面动力,如粘性和摩擦力,就会起主要作用,从而可能导致设备发生故障。而运用建模和仿真的方法进行模拟测试材料结构和性能也是这一领域所面临的挑战。

  六、能源行业

  欧洲能源行业拥有一批企业和技术,并制定了相应的发展战略。实现能源的低成本安全供给仍是行业发展的主要驱动力。此外,能源结构、可持续发展、能源分布和储备也同等重要。目前,除了增加可再生能源使用量之外,对先进化石燃料和核能源的需求也一直存在。而实现该目标最关键的因素之一就是开发所需的材料。

  化石燃料电厂发展的主要驱动力是研究如何提高工作温度,以提高热能效率,特别是将发电厂与碳捕获和封存技术结合起来,更是催生了新的能源需求。超临界和超超临界的蒸汽产生需要承受高压力和650℃~700℃甚至更高的温度。而为适应此工作环境的材料需要改善其强度。因此,未来发电厂需要面临更高的温度、更苛刻的环境和更长设计周期的挑战。

  对于像地热发电厂、太阳能热电厂或生物燃料发电厂等可再生能源领域,也需要面对这些新要求。像风车或太阳能发电机所需要的材料通常是功能材料,如磁铁、接触器和连接器等。这些部件通常包含稀土或是贵金属,而这些材料由于供给有限、成本过高、易造成环境污染,是需要减量化或剔除的。此外,用于支撑太阳能塔或大型风车等的结构性元件,以及能源载体的运输、管道或储存器等也同样重要。

  最后,金属冶炼厂本身就需要大量能源,并产生大量碳排放。未来,这些因素也都需要加以考虑并进一步研究应对办法。

  七、工具行业

  对于冶金行业来说,设备和工具的发展也是一个关键组成部分。目前,欧洲的研发活动已开始有针对性地改进冶金设备和工具,包括缩短产品上市时间、改善质量、改进产品质量监测诊断方法等,以提高现有设备的生产速度和生产能力,从而大幅提高产量,同时避免额外的资本支出。而产品小型化的趋势也要求制造工具小型化,但此类工具目前生产成本较高,产品使用寿命短,且生产时间较长。

  在工具的工业制造过程中,关键点就是要保证生产流程顺畅。从设计到维修包括不同的步骤、工具的设计、使用的材料、热处理、工具生产以及表面处理、工件材料、生产条件和维护等流程。为了确保高生产率和加工经济性,需要正确选择工具,并按规定执行所有步骤。

  工具的磨损和损坏一直是冶金行业要解决的问题。欧洲在这一领域的优势在于其拥有雄厚的知识储备和技术力量,冶金处理工艺在全球领先。欧洲是全球高端工具的顶级生产商之一,而且在表面工程(包括涂层和处理技术)方面也占有一席之地。欧洲工具行业发展的短板在于创新难。主要原因是缺乏能够预测工具使用周期及磨损和损坏机制的相关知识。而其他的问题,诸如关键原材料的获取、知识的系统转移,以及即将到来的全球人才短缺也是行业发展需要面对的挑战。

  八、欧洲冶金业面临的机遇和挑战

  1.发展机遇

  (1)交通行业(陆面、海洋和航空)

  一是有效回收再利用。2015年起,95%的汽车零部件将会实现回收再利用。经验表明,汽车用钢材可以较好地实现材料的环保生产、加工和再利用。

  二是轻量化发展。为了提高能源使用效率,延长产品设计使用周期,目前车用材料、建筑材料以及造船材料等都向轻量化方向发展。到2020年,新车碳排放量要低于平均95g/km。这就要求在车用材料方面要加强对轻质高强度金属和合金的使用,如高强度钢、铝以及夹层结构材料等。

  三是提高产品质量,增强产品耐久性。需要加快改进涂层及材料表面处理工艺。金属表面处理工艺会对海洋交通应用的最终表面保护层产生重要影响。因此,需研发耐腐蚀性更强的新型合金和推进器。

  (2)建筑行业

  一是符合欧洲相关法规。建筑行业用材料需满足欧洲标准(hEN)以及欧洲评估文件(EAD)等的要求。对建筑产品监管的基本要求包括:具有良好的机械性和稳定性、抗火灾的安全性、环境友好、卫生健康、使用安全性、防噪声、节能保温以及可持续性,尤其是自然材料的重复利用性。

  二是材料经济性。建筑材料需要能够规模化生产。另外,在降低成本的前提下,改进建筑材料的耐用性,也有较大的发展空间。

  (3)消费品行业

  消费品行业发展面临的主要机遇包括:定制化表面处理工艺的改进;包括记忆合金材料、自修复材料等在内的智能材料的使用;通过过程建模技术优化材料设计,完善产业链、提高材料性能、降低成本、增强材料的可靠性和质量。

  (4)电子行业

  一是设备小型化发展。设备小型化发展将促使欧洲进一步加强基于金属的微型和纳米级制造能力。而在便携式电子设备领域,欧洲也可进一步对使用的关键金属实施更有效的产品生命周期控制。

  二是金属和铜合金的表面改性处理。改进金属和铜合金的表面改性处理工艺,可以降低贵金属的使用量,并增强材料的耐腐蚀性。此外,还需要加强对新合金性能的高精度测量和建模技术。

  (5)能源行业

  一是更高的操作温度。能源生产操作温度的提高有助于改善热力产生过程,提高能源利用效率。因此,在冶金和材料学领域的创新需要适应更高的操作温度。

  二是粉末冶金的应用。为适应恶劣的工作环境,需要加强粉末冶金技术。另外,该技术也可用于制造形状复杂的零部件。

  (6)模具行业

  一是成型工具。通过表面处理工艺、涂层技术、润滑技术等改善工具表面性能,提高其使用寿命(包括改善耐磨性、硬度、韧性、抗疲劳性、热稳定性和化学稳定性等);通过研发新的工具材料或提升表面处理等级来提高工具寿命,特别是提高工具在高温环境下的寿命;通过增材制造技术缩短工具从设计到生产的周期;通过对微结构和性能的控制来开发新材料及利用加工处理工艺来生产新的工具;而产品小型化也有助于利用微型和纳米结构表面处理技术生产微型工具。

  二是切割工具。开发切割工具所需的新材料;开发针对难加工材料的新涂层技术;进一步利用新型加工工艺制造高品质工具;利用微型制造技术生产切割工具。

  2.面临的挑战

  (1)如何继续保持有色金属行业的前沿领先地位。力争为有色金属下游终端应用提供功能强大的材料解决方案。

  (2)如何继续保持冶金技术领域的高附加值竞争力。这就需要着重加强对冶金行业教育培训的力度,提高冶金业的就业吸引力,并做好长期持续教育的准备;更好地协调科研成果与产业实际需求之间的差距;鼓励建立研究机构与产业间的动态创新合作机制。

  (3)如何应对原材料供给短缺的问题。为解决欧盟原材料供给问题,需要重点关注原材料价值链,包括金属冶炼以及金属可持续生产。这就需要对从低等级的初级材料和二次材料中生产原材料的冶金工艺进行创新;寻求原材料替代品以及替代应用等;提高从废弃物中回收再利用的技术。

  (4)如何实现产学研用相结合。在欧洲,从冶金基础研究到产业应用的整个知识链尚不健全,产学研用结合不紧密,只有一部分欧洲冶金领域的科研成果转化为工业产品。因此,需要加大欧洲对整个冶金领域研发项目的支持力度;实现在欧洲工业领域内有效的知识转移;缩短新材料从研发到产品商业化生产的时间;力图开展新材料研发和通过改善现有材料加工工艺改进现有材料这两种创新模式;研究开发多功能材料或多级材料等研发流程。

  (5)如何提升欧洲冶金行业竞争力。为了提升冶金行业竞争力,需要降低研发成本、缩短研发周期。主要包括:加强对金属生产和材料研发等相关的建模工作,提高其在材料研发中应用建模和仿真工具的能力,建立国家先进的检测设施。

  九、2020年欧洲冶金业研发关键领域

  1.交通行业

  (1)提高能源使用效率和材料性能

  第一,改进钢材等金属合金的强度。优化高强度热处理钢材和高强度调质钢,从而减少焊接时间和人员数量、缩短焊接流程、消除切削步骤、稳定制作部件质量、降低成本;研发高强度钢材(HSS),研发如高强度低合金(HSLA)、改进耐腐蚀性的超低碳贝氏体钢材(ULCB),等等,并以合理的价格供给;通过冷成型技术处理车身用第三代先进超高强度钢,从而实现在保持材料同等性能的同时降低材料的厚度及用量;大规模生产含铝低密度钢,如车身用锰铝碳钢;利用热压成型技术改善钢材强度,实现钢材强度达到1 500MPa、具有良好的成型性、延伸率大于10%。同时,关注先进高强度钢的低成本生产;提高轨道应用所需的贝氏体钢材的焊接性(包括高强度、高耐磨性、有效载荷等);研发用于轨道交通主体制造的冷成型钢材;研究在降低成本的前提下生产高强度、高耐磨性和耐腐蚀性的合金钢(类似于不锈钢);研发包含合金元素的低成本不锈结构钢,以增强机械性,提高能源使用效率和有效载荷力,增强耐海水腐蚀性;研发广泛用于汽车生产的镀锌钢板。

  第二,以不含铁合金作为大型结构的替代材料。

  ——铝:扩展5xxx到6xxx等级合金的应用,提高合金质量;改进合金的制造和热处理工艺,以缩短产品硬化时间;提高机械性能,如缩小产品尺寸不小于100nm;研发高强度可焊接合金,如7xxx系列;改进焊接接头的机械性能;延长疲劳寿命,提高抗腐蚀性;利用特定挤压技术扩展设计理念;研发5xxx系列镁铝合金,改进强度、成型性和耐腐蚀性;改进铝表面隔绝防护技术;利用类似或不同材料改进焊接性;研究铝在超过250℃(300℃)条件下的耐高温性;铝锂合金的供给;铝镁钪合金的焊接性。

  ——钛:利用近净成型制造技术或利用原材料的电解还原技术降低钛的生产和精炼成本;研究替代品生产工艺,从而降低钛合金的生产成本;研究新工艺下钛的焊接和表面处理技术。

  ——铜:研究利用铜满足所有电器需求;研究汽车用电导体的轻量化;研究更有效的电动车用新型导电合金。

  第三,基于缺陷的冶金学。缺陷冶金已经存在于现有产品、材料和技术的前沿研究中。主要是在产品设计的基础上,利用特定的缺陷,实现预定的机械属性,从而预测其性能。

  第四,金属间化合物。金属间化合物生产技术打破了单一元素合金的传统束缚。目前,欧洲研究机构已经开始此类研究。钛铝合金已应用到高温、高密度的推进系统中。由于对这种耐高温的金属间化合物需求量较大,而这些材料难于铸造、焊接以及加工,因此,金属间化合物的生产技术将成为未来研究的重点,并将对汽轮机高温应用以及公共事业发电等行业产生重大影响。

  第五,粉末处理和粉末冶金。需建立粉末冶金材料的供应链,主要生产难以生产的产品。例如,美国GE公司利用加入硼的钛合金进行生产,而常规手段难以实现其固化。

  第六,改善金属合金生产和耐气蚀金属涂层,提高金属涂层的防污性能。

  第七,研发大型金属泡沫夹芯材料。生产这种夹芯材料需要改进焊接技术,特别是铝芯钢材料。按照设想,最经济的方式是以这种金属夹芯材料制成金属板,从而实现金属车身面板厚度达到0.1~0.3mm的目标。因此,需进一步加强对新材料的研发和改进加工制造技术,主要涉及激光焊接技术、搅拌摩擦焊接技术、冷金属过渡技术以及金属材料连接技术等。

  第八,多功能材料。研究形状记忆合金材料、智能材料等。

  第九,复合材料。包含金属和非金属的混合结构是最常见的设计方案,但需解决复合材料存在的脆性和损伤容限等诸多问题。研究铁路行业的高架线路,研发成本更低、导电性能更好、更耐磨的金属和合金高架线。

  (2)提高产品使用寿命

  提高耐腐蚀性和耐疲劳性的同时,要考虑材料的成本。从冶金的角度来说,改进冶金设计就意味着现有金属和非金属合金关键材料中高成本的合金元素会被低成本的取代。而这些元素替代将进一步促进疲劳特性的改进。而耐腐蚀性的改进可以直接应用到现有产品中,但需要满足REACH法规的限制。

  研究功能化技术和预处理技术,以增强外部保护涂层的附着力,延长操作寿命。研究用于金属/非金属涂层的物理气相沉积技术,以便更好地解决环境污染提出的新要求。研究新材料(新合金)的振动阻尼,减振降噪是汽车和铁路行业关注的两大领域,由此引发了对新材料振动阻尼研发的需求。目前,振动阻尼金属材料包括形状记忆金属、铁合金和其他合金。因此,需要在降低生产成本的前提下,改善这些材料的性能。研究复合材料和混合型结构,例如由两种或两种以上不同材料组成的结构材料。同时,这也引发了对异种材料连接技术进行改进的问题。研究先进的铸造技术,铸造技术是水陆交通部门,尤其是发动机部件制造部门的关键环节。新型铸造技术需进一步提高产品质量,降低生产成本。此外,可进一步研究新的铸铁结构,以实现对所需力学性能和导热系数之间的有效衔接;研究复杂机械故障中,热机械疲劳载荷条件和环境条件与微结构变量之间的关系;研究铜及铜合金的压铸发展;研究用于海洋应用的新型环保防污技术。

  (3)增强产品安全性

  一是生产。材料和使用方式的任何改进都必须符合现有工作场所的安全规定,并且不能给工人增加健康风险。

  二是操作。任何新材料的使用都必须遵守严格的防火规定。这意味着新金属基复合材料的开发和使用都必须具备阻燃能力,如配有夹芯板材或金属箔片。

  三是回收。未来研发的不需要化学涂层和处理的金属结构可能更易回收。这一成果将会促进基于金属涂层的表面处理技术的发展。

  2.建筑行业

  加大建筑行业现有技术的技术转移,开展示范工程,加大相关培训和教育力度。

  3.消费品行业

  消费品行业正努力改善产品性能,保持欧洲产品竞争力。而传统冶金技术,如铸造、制模、成型、连接、加工、热处理和表面处理等,只有不断提高资源使用效率和加工效率,提高产品质量,才有可能继续保持领先地位。此外,还需进一步研究先进集成技术和材料建模技术,包括改善数据质量、通过过程模拟建模。同时,应用成本更低的新制造材料来进行表面处理,将成为未来的长期研究领域。

  消费品特有的产品表面性能要求所使用的金属和表面材料具有较好的耐用性、抗腐蚀性(可以预防或控制有毒物质的溶解和泄露)以及易清洁性。

  减少了传统近净成型制造技术的加工步骤,对材料设计进行了集成,从而避免了材料和能源的浪费。

  研发和部署抗菌铜,以减少医疗和食品制备环境中病原体的接触传播。

  4.电子行业

  开发耐高温先进合金;提高先进电子产品中钽的应用;开发柔性电子器件中的柔性材料;开发先进电子器件中的微型和纳米级部件;研究薄膜太阳能电池中吸收层材料的工业化替代;研究有机电子的低温兼容过程;开发具有成本优势的新工艺,如先进电子产品使用的纳米结构材料所需的极度塑性变形工艺(SPD);加强微型和纳米级电子器件应用中所需的铍合金和化合物的功能性。

  5.能源行业

  开发用于超临界复合循环设备的先进奥氏体钢,屈服强度+100MPa、670℃条件下500 000h蠕变;研究可用于能源相关应用在极端环境下的表面优化及处理工具;研究用于超高温燃气轮机以及中间热交换器的金属刀片组件生产的材料和工具,包括DS/SC钢材、ODS、增强纤维金属、金属间化合物以及热障涂层等;减少马达和驱动器磁体中稀土的使用量,寻求稀土的替代品;研发接触器和大型金属表面功能层所用的廉价高纯度金属表面处理技术,推动欧洲制造业向国际领先地位发展;改进能源和能源载体传输组件以及电能和热能的储能材料。

  6.工具行业

  改进工具表面属性,如耐磨性、韧性、强度、疲劳性、热稳定性、化学稳定性等,延长工具使用寿命;研发利用增材制造技术设计生产复杂工具,缩短产品交货时间;改进模具修复工艺;通过改善对微观结构和性能的控制,研发用于生产成型工具的材料和工艺;研发具有复杂几何形状、对尺寸精度要求较高的应用制造工具;研发用于切割工具的新材料;研究难加工但机械性能和强度优良的材料应用,开辟其在热处理领域的发展机遇;了解工具的性能和微观结构;监测性能,包括研究监测工具的性能和使用条件。

  十、2050年欧洲冶金业研发关键领域

  1.交通行业

  加大复合材料在汽车制造领域的应用。力争提高复合材料的强度、韧性、耐腐蚀性和耐磨损性。目前,日本已经研究将复合材料用于齿轮生产,欧洲Ultrawire计划也正在研究超导铜的应用。

  欧盟正在研发功能性梯度材料在制动系统、传输系统等方面的应用。功能梯度材料可以通过新的冶金技术、金属基复合材料以及多层表面技术等进行生产,同时还应考虑对晶粒尺寸的控制要求、接口/界面特性等。

  提高铝合金的回收利用率。如果可以成功研发应用新合金,那么就需要考虑合适的回收利用方法。

  作为未来设计的一部分,研究金属的回收可能包括不同类型和等级的材料,多金属合金的回收和分解,以及分离、提纯和回收等解决方案。

  3D打印、增材制造和粉末开发。这是一个前景广阔的应用领域,涵盖了从医药到航空航天各个领域。因此,该领域的研究主要应集中于研发适合金属部件制造的粉末。此外,3D打印还可以替代铸造,从而使发动机设计更有效。

  研发高强高导合金,主要用于电动汽车发动机和汽车其他应用(包括高效汽车吹风机、门窗升降机、挡风玻璃刮水器、燃油泵、发电机等)的高效无稀土发动机。

  研发镁合金板材的热成型处理技术。

  研发物理表面金属处理/涂层,提高金属耐腐蚀性和防污性。

  研发高温运行状态的金属间化合物。现有单一金属元素的合金体系已经基本最大限度地实现其性能。而未来将主要研发金属间化合物的应用。

  研发一种新的设计理念,如基于缺陷的设计。

  研发混合金属/非金属材料解决方案,包括界面技术等。

  研发变形材料、功能材料、智能材料、自适应金属材料及复合材料。

  泡沫金属前景广阔,但成本相对较高且技术不成熟。其长期的应用研发主要集中于表面运输行业。

  2.建筑行业

  (1)机械性和稳定性

  研发高韧性高强度材料,使其在材料失效前能够给予足够的警报;研发高硬度材料,以防止细长元件的弯曲,如泡沫材料需要更高的硬度;研发轻质材料,但应注意的是,超轻结构可能会产生其他问题,如振动性、热惯量和相似性等。

  (2)消防安全性

  研究金属材料的火灾反应,主要研究夹杂碳化合物的消防安全用钢的创新。对于钢结构建筑来说,消防安全是一个关键问题。因此,研发具有更好性能的材料具有现实意义,而且还应注意主动式和被动式的消防保护。

  (3)卫生、健康与环境

  表面处理和抗菌处理可以有效解决病态建筑综合症。表面抗微生物铜合金就是一个很有效的例子。二氧化钛涂层也可有效实现表面的自我清洁。通风管的空气质量监测可以协助确定是否需要人工干预。另一个需要考虑的影响因素是电磁辐射,而金属表面处理和生物病原体或微生物等材料技术可以解决这一问题。此外,需考虑回收过程中可能带来的健康危害,尤其是放射性污染的潜在影响。

  (4)使用安全性和无障碍性

  墙壁网络监测传感器,可用来跟踪用户、预防入侵、为智能房屋提供无线充电的嵌入式系统;利用室内导航、建筑信息管理,以及交互式环境指导用户运动;等等。

  (5)防噪音

  高阻尼材料可以降低机器和建筑结构的振动和噪音。因此,需研究铁铬合金和铁铝硅合金。这些具有高阻尼的钢材机械性能较高、耐腐蚀性能好。同时,建筑物中低成本铜合金在极端条件下的使用可以降低振动强度以及地震能量。

  (6)能源经济和节能保温

  通过冶金技术有效解决建筑的高效节能问题,包括空调、通风、隔离和能量的产生、捕获和储存,以及功能的集成,如利用嵌入铜导线的高导碳纳米管解决电能传输的效率问题等。研发加入金属氧化锡涂层和薄膜的热反射玻璃;进一步加强相变材料和动态幕墙的使用。通过冶金技术为海洋和海上应用领域提供新的腐蚀保护系统。

  3.消费品行业

  改善材料在触觉、自我修复和成型加工等方面的表面性能;在材料设计时,掌握可通过过程建模来优化产品性能的材料设计方法,从而研发新材料和材料处理工艺,提高材料成型性能;通过过程建模制造净成型金属部件。

  4.电子行业

  研发燃料电池用无腐蚀合金或金属基复合材料,需要克服现有材料高温稳定性差和高成本等缺陷;降低热电材料的热导率;开发高性能散装热电材料;研发出比日本目前开发的铜碳纳米复合材料电迁移耐力更好的材料;研究金属材料在生物电子学的创新发展。

  5.能源行业

  研发可在超超临界混合气内操作的先进奥氏体钢,屈服强度+100MPa、8 000℃条件下500 000h蠕变;制造用于能源领域中极端环境下的表面处理工具,将金属材料的耐高温性提高到8 000℃;研发用于USC、UHT汽轮机以及中间热交换器等组件的先进金属叶片材料,包括DS/SC钢材、ODS、纤维增强金属、包括TBCs在内的金属间化合物;改善能源及能源载体运输和储能设备的组件性能。

  6.工具行业

  掌握成型模具设计与制造的相关知识,用于控制工具加工过程的特定温度、机械度和磨损条件;提高工具耐高温性,以减少使用磨损;打造机械性和耐热性良好的塑料部件模具,提高散热性,减少部件制造过程中的机械运动;制造具有低摩擦性和光滑表面的成型工具,以及用于纳米和微成型的复杂三维成型工具;研发高度耐用自润滑的陶瓷工具,这种材料的工具价格低廉,可丢弃或通过额外的修复过程回收再利用;缩短高硬度可热处理钢材的开发时间;研发不含钨或其他贵金属的切割工具,同时要解决其关键原材料的供给问题。

  十一、对中国冶金行业发展的启示

  总体来看,中国冶金行业一直保持高速发展状态,黑色冶金和有色冶金行业共同发展,在全国形成了多个钢铁和有色金属产业基地。同时,冶金企业的生产规模急剧扩张、企业兼并重组成为业界常态、行业集中度不断提升。但是,中国冶金行业发展整体仍面临着诸多问题:钢铁行业低端产能严重过剩、供需矛盾不断扩大、产品同质化竞争激烈、钢材价格较低、整体盈利水平较低、下游应用行业发展受阻;而有色金属行业也同样面临着冶炼行业产能过剩、高端产品开发能力弱、生产经营成本过高、企业经营困难、抗风险能力较差等问题。

  因此,欧洲冶金路线图的公布,给我国冶金行业的发展带来了一定启示:要促进下游应用行业发展,带动冶金产品消费;加强技术创新,强化行业绿色健康发展;进一步加强有效的产学研合作机制,提高科研成果转化率;提高资源供给能力,加大对关键原材料的储备;加强科学监管,建立公平合理的市场环境;加强职业培训制度建设,提升对复合型人才的培训力度;等等。




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