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加大汽车镁合金高压压铸件产量扩大镁应用
2021-04-14 08:50:43   来源:中国有色金属报    点击:

 
责编·作者:王祝堂
表1 2016年~2020年中国镁市场供需态势(kt)
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表2 2020年各种镁产品出口统计(海关数据)
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表3  2019年国内外原镁消费量及占比
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图1 国外2019年镁的消费量比例
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图2 中国2019年镁的消费量比例
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表4 含Mg的铝合金数及其最大Mg含量
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表5 汽车与卡车使用的部分镁合金压铸件
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  镁是世界上最轻的结构材料,但直接作为结构材料使用的仅占总消费量的1/3,镁的四大消费领域是配制铝合金、铸造压铸件、钢脱硫与熔炼球墨铸铁,总量占88%,高压压铸件等结构材约占35%,加工材的占比很小,仅约占1%。中国是原镁生产大国,也是出口大国,出口量约占50%,提取原镁的90%以上是用皮江法生产的,国外原镁的95%以上都是用电解法生产的。虽然,铝工业是用镁的最大产业,但都用于配制合金。扩大镁应用的唯一大领域是汽车产业和其它交通运输装备制造业,新能源产业与汽车产业合作建立高压压铸镁合金厂是推广镁应用的最优选择。
 
  2016年~2020年
  中国镁市场供需态势
 
  2016年~2020年中国原镁产量900kt/a~960kt/a,出口量与国内消费量大致各占50%。据海关统计,中国镁产品2020年的出口情况见表2,由表中数据可见,原镁锭、镁合金锭及镁粉是三大出口产品,镁加工产品(不含镁粉)的出口量微不足道,只有7.6kt,仅占总出口量的1.93%,也可以间接看出,国外镁加工材的用量较少。
 
  世界镁的应用
 
  镁合金具有密度低(1.74g/cm3,相当于铝密度的64%)、比强度和比弹性模量高、减震性强、热疲劳性能好、不易老化,有良好的散热与导热性能、电磁屏蔽能力较强、压铸工艺性能优良、易于回收等一系列优点,具有资源极为丰富的优势,但是也有一些不足之处,它的加工成形性能远不铝的,半成品的压力加工性能与成材率比铝材的低得多,抗腐蚀性能与表面处理性能也远不如铝的,着火点也比铝的低,铝在2000多摄氏度以下的任何温度都不会燃烧,而镁一旦熔化遇到明火就会燃烧,镁的熔点低,只有650℃,笔者在生产中经历过两次镁合金锭着火,即使“阻燃”镁合金也是“阻”不住的,镁锭特别是镁材比相应铝的贵。这些不足之处,成了推广应用的很难克服的障碍,所以,镁材在国民经济中应用的比例很小。
 
  国内外镁的生产
 
  2019年,全世界生产原镁的国家有中国、俄罗斯、以色列、美国、哈萨克斯坦和巴西等,总产量约1100kt,其中,中国的产量约900kt,占全球产量的82%。中国有约90家镁厂,提取原镁的主要工艺以白云右为原料,采用的是皮江法,单炉产量较低,占地面积大,自动化程度低,温室气体排放多,不符合时代发展潮流,会逐步关停一些,当前约有94%的原镁是用此法提取的。中国青海盐湖镁业公司采用提取KCI后卤水,以溶剂络合、锆石结晶脱水法制取无水MgCl2,再电解制镁,是全球最先进的提镁工艺,是从以色列死海镁业公司引进的,是生产原镁、高纯MgO、NH4Cl与卤水提取KCl的联合工艺,经济效益好,较为环保,是一种绿色的工艺。一个产能450kt/a的钾肥厂,可与产50kt/a原镁、129.5kt/a高纯MgO及343.7kt/a优质NH4Cl的生产线匹配。另外,中国民和镁业公司采用菱镁矿氯化与光卤石脱水电解联合工艺提镁。
 
  国外生产原镁95%以上都采用电解法,仅巴西利马工业公司(RIMA)的一个小镁厂采用改良的硅热法提取镁,生产能力仅9kt/a。美国仅有一家原镁厂,位于盐湖城(salt Lake Cily),也是北美唯一的原镁厂,生产能力52kt/a。
 
  俄罗斯有3家较大的镁厂:索里卡姆斯克镁厂和阿维斯马镁厂(AVISMA),它们2008年的原镁产量分别为18kt、12kt,第3家是OJSC集团的乌拉拉斯贝斯特(Uralasbest)镁厂,该厂是一个新厂,利用蛇纹石生产镁,蛇纹石含20%~25%Mg,它的储量>40亿t,是世界上最大的这类矿,有3条原Mg生产线,首条2011年投产,第3条2018年投产,镁及镁合金的总生产能力70kt/a。俄罗斯3个镁厂的原镁生产能力120kt/a。
 
  以色列有一个镁企业——以色列死海镁业公司,它是以色列ICL公司与德国大众汽车公司的合资企业,分别占65%及35%股份,创建于1995年,1996年12月16日投产,生产能力35kt/a,位于死海工业园区南岸,与ICl公司相邻,有一个巨大的蒸发池,与lCl公司共同利用蒸发浓缩的海水提取镁与化工产品。
 
  国内外镁的应用
 
  2019年,国外共消费约465kt镁,其中,原镁锭约440kt,废镁约25kt,各产业的用量及占比见图1、图2及表3。
 
  由以上介绍的数据可见,不论是中国还是国外(主要指工业发达国家如美国、日本、德国、法国、英国、意大利、西班牙、瑞典、加拿大等)镁的应用范等大体一样,主要差别在铝合金配制与高压铸件两大领域。中国是建筑-结构铝材生产大国,几乎占世界总产量的75%,它们都是含镁的铝合金挤压的,所以,中国铝合金产业用镁的占比大于国外的,而中国高压镁合金铸件的占比只有18%,而国外的占比却高达30%,比国外的低12个百分点,这充分说明,中国在此领域还有大的扩大镁合金应用的空间。产生这种差距的主要原因是:中国汽车用镁量远少于国外汽车的用量,汽车镁合金零配件的95%以上是用高压压铸法生产的,而用重力铸造工艺制备的还不到5%。
 
  中国是一个钢铁生产大国,同时生产技术在某些方面与发达国家的尚有一些差距,所以,炼钢脱硫与冶炼球墨铸铁用镁量的占比比国外的大一些。镁是生产球墨铸铁中石墨的有效球化剂,从而大大提高铸铁的韧性;在钢铁冶炼中,硫是钢的有害杂质,镁是钢的最有效的脱硫剂,用镁代替碳化钙来除硫,可使硫含量降得更低,从而全面提高钢的各项性能,特别是塑性、韧性与抗疲劳性能。
 
  没有镁就没有今天这样兴旺发达的铝工业
 
  镁的最大用途是作为变形铝合金的合金化元素,可以毫不夸大地说,没有镁就没有今天这样兴旺发达的铝工业,航空工业也很难想象了,没有铝工业消耗几近一半的镁,镁工业也会相应地衰落。
 
  2019年,全球铝产业在美国铝业协会公司(AA)注册的常用变形铝合金(1系-8系)共有524个,其中,含Mg的有440个(见表4)。向铝中添加Mg可形成一些新相,从而赋与合金一系列新的性能,使合金的面貌一新,成为很有实用价值的新材料。例如,2系合金是一类Al-Cu-Mg系合金,又称硬铝,是一类用量最多的航空航天铝合金,2019年在AA注册的常用合金共有108个,其中含Mg的有105个,Mg与Al形成β相(Mg2Al3)、θ相(Al2Cu)、S相(Al2CuMg)和T相(Al6CuMg4)。在这些相中,S相的强化效应最大,θ相的次之,β相和T相的强化效应较弱。硬铝组织因Cu、Mg比不同,相组成物也不同。Cu含量愈高,S相愈少,θ相愈多;反之,Mg含量增加,θ相愈少,S相愈多,当Cu/Mg=2.61(4%~5%Cu,1.5%~2.0%Mg)时,合金的强化相几乎全是S相。再增加Mg含量,会出现T相和β相,对时效硬化不利,故硬铝的Mg合量一般不超过2.5%。
 
  3系变形铝合金属Al-Mn系合金,2019年注册的常用合金有44个,含Mg的有17个,这是一类热处理不可强化的合金。Mg在此类合金中的作用有两面性,一方面降低退火板材的表面光泽性,另一方面还有固溶强化作用,可使Al-Mg系合金的强度提高约10%。3系合金有高于纯铝的强度,又有高的塑性、抗蚀性和可焊性,多在退火状态0、半硬H34和硬状态H38使用。Mg的max含量为1.5%。
 
  4系为Al-Si系合金,共有36个常用合金,Si的max含量可达21%,一般都含有一定量的Mg,其max量为2.0%,含Mg的合金有22个,占总数的61%,合金有很好的铸造性能,特别是Si含量高的合金。
 
  5系为变形铝-镁合金,Mg在铝中的溶解度仅次于锌的居第二位,在450℃的极限溶解度为17.4%,室温只有1%。在理论上Al-Mg合金应有强烈的时效硬化效应,但因β相的沿晶沉淀倾向和弥散度的限制,一般也认为它们是热处理不可强化的,而在退火及冷作硬化状态下应用。5系合金2019年在AA注册的共有106个,是注册最多的常用合金(active alloy)之一。5系合金的max Mg含量一般不超过7%。因为,Mg含量>3.5%以后,特别是经过冷作硬化的,随Mg含量的升高对应力腐蚀开裂敏感性(SCC)也强烈升高,甚至于在室温长时间存放(20a~30a),即能沿晶界形成连续的β相网膜。因为,高Mg合金(>7%)即使在315℃~330℃充分退火,α固溶体也不能完全分解,仍处于过饱和状态,故组织很不稳定。
 
  6系变形铝合金为Al-Mg-Si合金,在热处理变形铝合金中是唯一没有应力腐蚀开裂的,有中等强度、优秀的可焊性、高的抗蚀性,是应用量最大的建筑-结构铝合金,在航空航天器中的应用仅次于2系及7系合金的。Mg2Si(β)在Al中有明显得溶解度变化,共晶温度595℃的极限溶解度为1.85%,500℃时为1.05%,200℃时为0.27%。因此,Al-Mg-Si系合金有明显的時效硬化效应。2019年在AA注册的6系合金106个,是常用合金中注册最多的之一。此系合金都含有Mg,含Mg量最多的为1.6%,是6069合金,在匡算Mg用量时可按0.8%计算,此系合金用量最大的是6063型合金,含0.45%~0.9%Mg。
 
  7系合金为含Zn的合金,可分为两类:AI-Zn-Mg合金,有优秀的可焊性;Al-Zn-Mg-Cu合金,其强度性能比2系合金的高,故称超硬铝,是铝合金中强度最高者,广泛用于制造航空航天器结构件。Zn和Mg是在铝中溶解度最高的。2019年在AA注册的7系合金共有86个,只有2个合金即7031、7072合金不含Mg,而含Mg最多的为7022型合金,为2.6%~3.7%,在匡算Mg用量时可按2.2%计算。该系合金除β(Al3Mg2)、T(Al2Mg3Zn3)、η(MgZn2)、γ(MgZn2)相外,T相和η相是主要强化相。AI-Zn-Mg合金的抗拉强度
 
  为340MPa~450MPa,虽比硬及超硬铝合金的低,但比5系、6系合金的高,并有优秀的可焊性,故有中强可焊铝合金之称。Mg在铝中的max溶解度为17.4%(450℃),室温溶解度为1.0%,锌的溶解度更高,在高温(275℃)时为31.6%,在200℃为12.6%,在室温2%。因此,Zn、Mg与Al能形成高浓度三元固溶体。7039合金含4.0%Cu,2.8%Mg、0.3%Mn、0.2%Cr有优秀的低温性能,其板材、型材适于焊接在超低温下(≤-195℃)工作的液氧、液氮、液氢、液氨容器、装甲板和一般结构件。Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝是在Al-Zn-Mg系合金基础上发展起来的,是当前航空航天工业应用较多与强度大的一类铝合金,用得最多的是7075型合金。超硬铝的主要缺点是不耐热,工作温度应≤120℃,抗蚀性也低。
 
  按国家标准GB1173,铸铝合金分四类:Al-Si系(ZL1XX)、AI-Cu系(ZL2XX)、AI-Mg系(ZL3XX)、Al-Zn系(ZL4XX),ZL1XX系合金的应用最广。ZL1XX系合金共有11个,只有2个不含Mg,其它的都含Mg,含Mg最多的是ZL109,为0.8%~1.5%,匡算Mg用量可按0.5%计算,ZL2XX系合金只有3个,都不含Mg;ZL3XX系合金只有2个,含Mg最多的是ZL301,为9.5%~11.5%,匡算Mg用量可按8%计算;ZL4XX合金有2个,都含少量Mg,匡算Mg用量可按0.6%计算。总之,Mg在铸造铝合金中的用量并不多,一是因为铸造铝合金的产量不大,仅占铝净消费量的12%,二是因为中国铸造铝合金本身的含镁量少。
 
  扩大镁合金在汽车与新能源产业中的应用是工作首选领域
 
  汽车制造工业是用镁最多的第二大产业,用高压压铸工艺生产零件,也有少量零件是重力铸造的,国外压铸件的产量比中国的高得多,2019年,美国汽车的用镁量约18kg/辆,据估算,中国汽丰的用镁量仅约7kg/辆。在历史上,德国大众汽车公司的甲壳虫牌汽车创造过镁合金用量的最高记录,主要用于铸造曲轴箱和传动装置壳体,铸件总重17kg,据称与原来的铸铁件相比,减重达50kg,这种减重对于保持后驱动车辆的平衡,起了十分重要的关键作用。汽车与卡车用的部分镁合金压铸件见表5。
 
  据国外专家的计算与估算,汽车自身净质量每降低10%,相当于节约5.5%燃油,也同时相应地减少了温室气体排放,这与当前全世界向2050年~2060年碳中和目标砥砺前行完全一致。在推广镁合金在汽车中应用时,有三个部件在此顺便提一下:一是奔驰汽车公司的高压压铸双门蓬车座椅支架,由5个AM20和AM50镁合金零件组成,只有8.4kg,而钢制支架的质量却高达35kg,由二三十个冲压件和焊接件组成;二是福特汽车公司的转向盘总成,由3个AZ91镁合金高压压铸件组成,质量仅1.2kg;三是沃尔沃汽车公司LCP2000概念车上所使用的各种镁合金压铸件总质量50kg。
 
  新能源产业是扩大镁应用的潜在领域,绿色新能源产业是今后三四十年最热的经济发展领域之一,包括太阳能、风能、氢能、氨能、水能、核能、天然气能等,镁最值得的应用是太阳能特别是空间太阳能与风能领域,其它领域镁合金应用的空间不大。目前太阳能板边框与支架为铝死死把守着,需费些力才能“抢”过来,空间太阳能站尚在议论,处于开创初期。
 
  结束语
 
  对当前全球镁工业特别是对镁的应用作了较多的介绍,希望对扩大镁的应用有所裨益,铝工业是消纳镁的最大领域,钢铁工业也是用铝较多的产业,但它们都是以镁作为功能材料,并不直接用作结构材,因此,这些部门不会出现新的用镁项目,只会随其产量上升而相应地增加镁的用量,不用去推销,例如铝工业的6XXX系合金生产系统每生产100万t需用8000t镁,去推销用这么多镁,不去推销也用这么多镁,炼钢与球墨铸铁单位产品的用镁量是固定的,所以,对推销镁来说有戏可唱的是铸件消费领域,而用铸件最多的是汽车产业,因此,今后镁消费量的上升全靠汽车、其它交通运输装备、新能源产业,汽车用镁量的增加潜力很大,特别是随着碳中和社会的到来,镁消费量的上升会大大增加,2030年前的年增长率可达6%,与汽车公司合作建设零配件厂这可能是扩大镁应用的最佳途经。
 
 
 
 

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