镁合金——极具前景的轻质材料

镁合金——极具前景的轻质材料

  • 2018年01月15日 14:19
  • 来源:中国铁合金网

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  • 关键字:镁 镁合金 金属镁 镁锭
[导读]镁是银白色、轻质且有延展性的金属,其密度为1.74g/cm3,是铝的三分之二,钢的九分之二,是目前工业应用中最轻的一种金属。镁在地壳中的蕴藏较为丰富,白云石、菱镁矿、水镁矿和橄榄石等含镁矿物以及海水和天然盐湖水中都蕴藏着丰富的镁。镁合金是以镁为基础加入如铝、锌、锰等其...

关于镁及镁合金

(1)镁及镁合金简介

        镁是银白色、轻质且有延展性的金属,其密度为1.74g/cm3,是铝的三分之二,钢的九分之二,是目前工业应用中最轻的一种金属。镁在地壳中的蕴藏较为丰富,白云石、菱镁矿、水镁矿和橄榄石等含镁矿物以及海水和天然盐湖水中都蕴藏着丰富的镁。镁合金是以镁为基础加入如铝、锌、锰等其他元素组成的合金。镁合金比镁具有更高的强度、更好的散热性以及更强的耐腐蚀性。

(2)镁合金的生产流程

        镁合金主要由镁(镁锭)压铸而成。镁的冶炼方法主要有电解法和皮江法两种,由于目前我国炼镁企业主要以民营企业为主,因此我国炼镁企业多采用成本较低的皮江法炼镁。镁合金的基本生产流程为(以白云石为原料,采用皮江法炼镁为例):白云石在高温下煅烧得到煅白→将煅白与硅铁粉、萤石粉按一定比例混合,在高温和真空条件下还原成粗镁→粗镁在精炼坩埚中与精炼熔剂混合精炼后,浇铸成镁锭→将镁锭以及含有其他合金元素的金属材料放入熔炉中熔炼为合金液→将合金液浇入压室,在型腔中凝固后得到镁合金(图表4)。

2. 镁合金作为汽车制造材料的优点

(1)镁合金密度小且比强度高

        若将同等强度的镁合金与铝合金或与碳钢比较,镁合金较铝合金及碳钢更轻,这说明镁合金具有比强度较高的优势(图表5)。因此,在不降低强度的前提下,使用镁合金作为汽车制造材料能够显著降低汽车的整备质量。这样既达到了汽车轻量化的目标,又符合汽车安全性方面的要求。

        镁合金用于汽车不同部件时所产生的潜在减重效果不同。例如,在壳体和悬挂件上使用镁合金可减重58%;在刹车及框架上使用镁合金也可以达到50%以上的减重效果。总体而言,镁合金可以减轻原配件45%的重量,轻量化效果显著(图表6)。若按照镁合金总体取代重量188.6kg计算,镁合金的应用能直接减少汽车CO2排放15.84g/km,还能直接降低汽车油耗约0.6L/100km。

(2)镁合金耐凹陷性、减振性能好

        镁合金与其他金属相比抗变形力大,由冲撞而引起的凹陷小于其他金属。由于镁合金较铝合金、碳钢等金属材料具有更好的延伸率,镁合金在受到外力冲击时能更好地吸收冲击能量而不易发生断裂。镁合金在所有金属结构材料具有最高的阻尼系数,其阻尼系数是铝合金的15倍、钢的60倍。一般而言,阻尼系数越大,振幅衰减越快,减振性能越好。镁合金较高的阻尼容量和良好的减振性能使镁合金可承受较大的冲击振动负荷,使其适用于制造承受冲击载荷和振动的汽车零部件。例如,使用镁合金制造的轮毂能够减少汽车引擎、悬吊托架及变速箱的振动;使用镁合金制造的座椅能够降低汽车行驶过程中的路面所造成的振动。采用镁合金制造汽车部件不但提高了这些部件的使用寿命,增强了汽车的安全性,还降低了汽车行驶时的振动和噪声,提升了乘坐汽车时的舒适性。

(3)镁合金机械加工性能好,且易于回收

        镁合金具有优良的切削加工和抛光性能,且易于进行铸造和热加工,可生产各种复杂的汽车铸件和锻件。在保持良好的结构条件下,镁合金允许铸件壁厚度小至0.6mm,而铝合金的铸件壁厚度要达到1.2-1.5mm以上时才能达到相同的强度。若结合先进的加工工艺,采用镁合金进行汽车制造材料可大幅降低汽车制造成本。美国福特公司2007年所做的研究显示,实施“材料设计、结构设计、工艺设计并行工程”之后,采用镁铝合金等轻量化材料可将零部件种类减少为原来的8%,加工费用相对钢材降低60%,粘结费用相对焊接减少25%-40%,复材模具费用仅占钢制件模具的10%-20%。此外,镁合金还是非常易于回收的材料,镁合金的熔化潜热比铝合金低,熔炼消耗的能量低。研究显示,回收再造镁合金的耗能仅为重新生产同样重量镁合金所耗能量的5%,说明镁合金的回收再造能大大降低能源消耗所带来的成本。

3. 车用镁合金的市场前景

(1)我国镁资源丰富,具备原材料优势

        镁金属是我国的优势金属,在我国的蕴藏量较大。我国已探明的菱镁矿约有34亿吨,居世界首位;白云石、蛇纹石、盐湖卤水以及沿海盐场卤水中的储量也十分可观(图表7)。近年来,我国原镁产量总体呈上升趋势,2016年我国原镁产量达91.03万吨,较2015年增长6.83%(图表8)。我国的原镁主要产自陕西、宁夏、山西等地,这三省2016年原镁产量占全国当年原镁总产量的四分之三以上。

(2)未来我国车用镁合金市场有较大增长空间

        从1927年高强度镁合金AZ91的诞生算起,镁合金的开发至今已有90年。但由于镁材料仍存在如耐蚀性差、易燃烧以及成本较高等诸多方面的问题,镁合金在汽车上的使用并不如钢铁、铝合金那样广泛。现阶段,车用镁合金在发达国家主要应用于汽车内饰(座椅、方向盘、仪表盘支架)、车身(顶棚框架、外后视镜骨架、散热器支架)、底盘(轮毂、刹车支架、安全气囊支架、离合器踏板支架)、动力总成(发动机罩盖、变速箱、油底壳)等部分(图表9)。

        数据显示,目前北美产汽车的单车用镁量大约在5.8kg-26.3kg之间,使用和研发中的镁合金零部件达100多种;欧洲产汽车的单车用镁量范围在9.3kg-20.3kg之间,大众PASSAT和奥迪A4上的单车用镁量达到14kg,奔驰、宝马等豪华品牌的部分车型的镁合金用量已经突破了每辆20kg(图表10);在亚洲,日本产汽车的平均单车用镁量也达到了9.3kg。

        我国国产汽车的单车用镁量仅在3kg左右,远低于发达国家所产汽车的平均用镁量,其原因主要在于我国车用镁合金的制造工艺还不成熟,在提高镁合金零部件抗腐蚀性方面的技术水平较低,因此我国目前车用镁合金的主要应用仍限于对抗腐蚀性要求不高的车内部件。但随着我国镁合金铸造企业进行技术升级和购买的投入力度不断加大,我国镁合金铸造企业的技术水平将不断提高,我国车用镁合金的应用范围将不断扩大,这使得我国镁合金市场在未来的增长方面有了技术保障。

        此外,我国汽车制造业的快速发展为车用镁合金的应用提供了良好的市场基础。我国自2009年起成为世界第一大汽车制造国,2017年前11月我国汽车产量达2,603万辆,是2005年的近五倍(图表11)。2016年中国汽车工程学年会发布的《节能与新能源汽车技术路线图》(“《路线图》”)提出的目标是,到2025年我国的汽车的年产销规模达到3,500万辆,单车用镁量达到25kg。如果《路线图》所提出的目标如期实现,那么到2025年,我国汽车用镁量将达到87.5万吨左右。有关机构的测算显示,2016年全年国内汽车的用镁量仅为3.6万吨左右,若2025年汽车用镁量达到87.5万吨,那么汽车用镁的复合年化增长率将达43%左右。

(3)近期镁价相对优势较大,有利于车用镁合金的推广应用

        镁作为车用镁合金的上游产品,其价格对车用镁合金的生产制造成本有着直接影响。车用镁合金前期推广的阻碍之一是较高的镁价,这直接导致了采用车用镁合金作为钢材、铝合金的替代品的成本过高。近期,尽管镁的绝对价格仍较钢、铝高,但镁、钢价格之比以及镁、铝价格之比处于较低水平,反映出镁作为钢、铝的替代材料的相对成本较之前低,镁价具有更大的相对优势(图表12、图表13)。有研究表明,镁铝价格之比在1.3以下时是推广镁合金材料的较好时机,当前的镁铝价格比仅为1.1左右,有利于车用镁合金的推广应用。

三、车用镁合金相关企业介绍

南京云海特种金属股份有限公司(股票代码:002182)

       该公司为国内镁合金生产的龙头企业,近三年镁合金产销量均居全国首位。该公司具备“白云石开采—原镁冶炼—镁合金铸造—镁合金加工—镁合金回收”的完整镁产业链。公司拥有原镁产能10万吨,镁合金产能17万吨(五台云海5万吨、巢湖云海5万吨、苏州云海4万吨、惠州云海3万吨),镁合金压铸件产能8000吨。此外,巢湖云海以及荆州云海等产能扩建项目的投产,为公司镁合金产能进一步提高奠定良好基础。该公司近年来在汽车轻量化方面顺势而为,与北汽等汽车生产厂家合作开发镁合金零部件,并向包括特斯拉在内的汽车生产厂家供应镁合金零部件。

万丰镁瑞丁控股有限公司

        该公司原为加拿大镁瑞丁公司,系国际轻量化镁合金压铸行业龙头企业,拥有行业尖端核心技术。2015年3月,专注汽车铝合金车轮生产的浙江万丰奥威汽轮股份有限公司(股票代码:002085)以13.5亿人民币从其控股股东万丰奥特控股集团收购镁瑞丁公司100%股权,并成立全资子公司万丰镁瑞丁控股有限公司。该公司继承了镁瑞丁公司原有渠道及技术,其镁合金汽车零部件在北美市场的占有率达65%以上。公司拥有丰富的客户资源,囊括了保时捷、特斯拉、奥迪、奔驰、宝马、沃尔沃、路虎等国际知名汽车厂家。公司的主要产品为镁合金压铸件产品,包括汽车仪表盘骨架、前段支架、门内板、动力总成件等部件。

四、近期镁合金业相关新闻

万丰镁瑞丁公司为蔚来ES8汽车提供镁合金零配件

       12月16日晚,国产高性能智能电动7座SUV-蔚来ES8正式登陆市场。ES8大量使用了轻量化技术与材料,其中ES8的仪表盘支架及前端模块框架皆由万丰镁瑞丁公司开发设计并在上海工厂批量生产的镁合金所制成,两款镁合金铸件分别在1600吨和3200吨压铸机上生产,相比于传统的钢结构减重50%以上。ES8的单车镁合金用量突破7公斤,这个数值已经接近镁合金在欧美汽车行业内的单车用量。

巢湖宜安云海科技有限公司轻质合金紧密压铸件项目竣工投产

       11月16日上午10点18分,巢湖宜安云海科技有限公司轻质合金精密压铸件项目竣工投产典礼,在居巢经开区北区(夏阁园区)隆重举行。据悉,巢湖宜安云海科技有限公司轻质合金精密压铸件项目是由东莞宜安科技股份有限公司与南京云海特种金属股份有限公司,两个上市公司共同出资建设的项目,该项目一期主要产品有新能源汽车部件、5G产品部件及笔记本电脑外壳等。项目总投资约5亿元,固定资产投资5亿元,占地88亩,该项目建成后预计可年产镁、铝合金压铸件18000余吨,实现年产值约10亿元,税收约0.5亿元,解决就业约1000人。

 银隆新能源全球首辆12米镁合金公交车下线

        9月15日,由中科合创(北京)科技成果评价中心组织,银隆新能源与福建坤孚有限公司共同研发的12米镁合金公交车身骨架设计研发项目科技成果评价会在珠海召开,经北京航空航天大学教授刘献栋、中国化工学会新材料专业委员会研究员金石、中国有色金属工业协会镁业分会教授常毅传等11位业内专家一致认定,该项目成果具有创新性,对车辆轻量化技术的进步具有引领作用。此次镁合金材料深加工及应用自主技术研发,标志银隆新能源解决了镁合金应用制约难题,打造国际领先的12米镁合金公交车车身技术,代表了世界绿色汽车工业新型材料的进步与跨越式发展。

德威股份建成中国首条镁合金汽车轮毂生产线

        我国第一条镁合金汽车轮毂生产线,也是世界上第一条真正实现工业化生产的镁合金汽车轮毂生产线,8月14日在位于河南省长葛市的德威科技股份有限公司正式投产,并与美国TH Magnesium公司签订20亿元供货合同。德威股份作为国际镁合金汽车轮毂标准制定者,拥有目前我国镁合金汽车轮毂一次正反锻压工艺专利,领先同行业3至5年。计划今年内上马3条镁合金汽车轮毂生产线,年产100万只。14日投产的首条生产线,年产35万只。在投产仪式上,德威股份与美国TH Magnesium公司签署了20亿元订单。

 

  • [责任编辑:tianyawei]

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