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我国铝镁合金铸造业 制高点在哪里?

铸造生态圈2019-01-10 09:47:28




   该文是本刊几年前特约唐教授撰写的文章,现在微信上发表,您可参考一下,看铝镁合金铸造行业的技术发展有多大的变化!

 

  一、我国镁合金铸造的现状及问题

  镁合金在汽车材料方面的应用符合节能、降低污染气体排放、资源再生利用以及清洁生产等环保要求,因此在全球范围的应用呈迅猛发展之势。随着加工技术的不断发展以及生产成本逐渐降低,可循环再利用的镁合金材料也逐渐受到以3C产品为代表的其他行业的青睐。

  迄今为止,压铸(高压铸造,下同)占据着镁合金结构件制造得主导地位。进入21世纪,镁合金压铸结构件呈现出持续、快速的增长趋势(见图1)。随着全球范围内解决环境问题的步伐加快,众多行业对高性能镁合金结构件的需求更为强烈,由于塑性加工可进一步改善镁合金的组织并提高其性能,因此在国际上日益受到人们的重视。

  图1 镁合金压铸的发展

  

  与铝相似,生产镁原料的能源消耗远大于回收利用的能源消耗,因此镁合金完全可以再循环利用。以镁合金压铸为例,镁合金锭除了用于铸件之外还会产生其他消耗(见图2),正规的镁合金压铸工厂应建立起完善的物料流动管控体系(见图3),以最大限度地减少资源耗费。

  
  图2镁合金铸锭消耗 

                 


  
图3镁合金压铸厂物料流程


  我国是镁的资源大国,生产大国和出口大国,但我国的镁工业目前尚属于以牺牲资源和环境为代价的原料出口型工业,对镁材料进行更深层次的利用是摆在我们面前的一个十分紧迫的任务。

  我国生产的铸造镁合金及压铸件在3C产品方面有广泛的应用,除少数企业的之外,无论是镁合金材料还是压铸都没有达到可大批量生产高性能汽车零部件的水平,我国镁产业正面临着十分严峻的形势和挑战。

  目前,我国镁合金铸造产业仍存在着许多着亟待解决的问题,主要归纳如下:

  (1)产业链需要完善和整合。原辅材料、合金材料、成形加工以及最终整机产品各个产业部门之间技术经济关联松散,镁产业的产业聚集还没有形成集群优势,产业结构需要不断调整和优化升级。以镁合金压铸为例(见图4),完善的产业链才会使镁加工的循环再利用良性发展,而政府引导、行业推动、技术开发以及标准化建设则是实现产业链协同的根本。



  图4镁合金压铸产业链及循环再利用


  (2)合金材料综合质量差,铸件档次低。我国国防系统的大型镁合金件一般采用砂型铸造,而3C产品和汽车零部件主要采用压铸,还有少数台资企业采用thixomolding工艺。汽车压铸件以代工为主,产品主要包括方向盘、仪表盘等。整体而言,镁原材料质量差、生产设备和工艺落后、技术开发能力低、核心技术缺失是制约高附加值镁合金铸件生产的根本因素。

  (3)铸造工艺装备基础条件差。工艺装备不配套,模具设计与制造主要移植铝合金铸造,专业水平有待提高。原辅材料的生产设备简陋、技术落后、测试手段短缺,原辅材料品种不一,质量不稳定。此外,我国的许多标准制定后多年不加修订,给产品的生产、销售等都带来诸多不便。

  (4)环保、能耗问题严重。许多镁合金厂及压铸厂由于经营理念、生产工艺及装备落后,生产过程产生大量的有害气体和粉尘,不仅严重污染环境,还有害人的健康。由于整体专业化程度、技术水平和管理水平低,产品能耗大、废品率高,品质较差。

  (5)技术落后,人才缺乏,新工艺新产品开发能力不足,产品附加值低、市场单一。高品质的产品有赖于技术长期积累及核心能力形成,这也是开拓多元化市场的基础。

  (5)目前还没有建立起完善的镁回收和再生体系。再生镁无论是每吨消耗能量还是生产时产生的CO2量均比生产新镁材料大幅度减少。所以从节能,省资源和环保诸方面看,镁的回收再生是时代的要求。从技术层次上看,镁的回收难度大于铝,铸造镁合金行业应从发展战略的高度对此予以十足的重视。


  二、我国铝合金铸造的现状及发展

  发达国家目前70%~90%的铝铸件用于汽车业,铝合金铸件对促进汽车轻量化具有重要的作用。自改革开放以来,随着汽车业的蓬勃发展,我国铝合金铸造业也取得了令人瞩目的成绩,正在迈向成熟发展。

  但是,铝合金的加工难度比钢材高,成形性还有待继续改善。除此以外,成本控制也是未来进一步扩大铸造铝合金应用的重要研究课题。

  (1)进一步提高自主创新能力和产品品质。未来铝合金铸件将向着薄壁、形状复杂、高性能、高品质等方向发展。因此,传统生产技术的改进和创新将成为铝合金铸造的重要任务(见图5)。另外,铸造技术的选择和应用要权衡生产成本、性能以及铸件品质,对于各个环节要统筹分析(见图6)。

  图5 铝合金铸造技术的发展



  
6铸造工艺对比


  为了满足高品质铸件的要求,与铸造工艺匹配的合金改良及熔铸技术开发必须要引起人们足够的重视,而提高铝液质量仍然是铝合金铸造业关注的焦点问题。

  (2)缩短产品开发周期,有效控制铸件成本,扩大应用范围。缩短开发周期可以更好满足用户的需求和削减开发成本,以达到提高产品竞争力的目的。随着计算机模拟技术应用的日益广泛,产品开发时间也大幅度减少,当前以经验为主的开发模式未来也会随之逐渐上升到理性主导。

  (3)铝回收再生的发展。近年来,随着汽车铝合金铸造业的发展以及市场竞争的加剧,我国已相继建立起现代化的二次铝锭的生产基地,并引进了一批先进的设备。今后的研究课题是:开发从复合材料和混有异种材料的废料中有效分离铝的技术;建立起广域的废弃铝料的经济回收社会体系;通过精炼技术的开发和应用,提高再生料在高性能铝合金铸件和压铸件中的应用比例。


  三、注重基础研究占领国际竞争的制高点

  今后,我国铝镁合金铸造业的发展仍要以基础研究为重点,为技术创新提供支撑,缩短与西方发达国家的差距,占领国际竞争的制高点。

  (1)材料及制备技术的开发。原料问题是波及整个铸造界的问题,对应的基础研究成果和技术能反映出行业的研究开发水平。铸造铝合金应侧重于传统铝合金的改性以及熔体处理新技术的开发。例如,在传统技术基础上,开发新的组织微细化技术,一方面可以扩大含有较高浓度杂质元素的旧料的用途,另一方可以为高强度材料提供经济的制备工艺。铸造镁合金的种类很少,难以满足未来越来越高的多元化要求,因此新合金材料的开发仍将会是铸造镁合金领域的主要课题(见图7)。


  图7 镁合金材料的研究开发方向


  (2)净形化成形技术开发。传统的加工技术对于铝镁合金件的精密化、轻量化和高集成化有很大的局限性,净形化成形可以扩大铸造零件的成本竞争力,进而获得国际优势。除了半固态铸造这类全新的加工方法与工艺的开发之外,要以节能、环保为目标重视传统加工方法的改进与工序综合(见图8)。镁合金的成形方法目前主要以压铸为主,随着镁合金在汽车上的应用的增加,成形加工方法也逐渐趋于多样化(见图9)。

  
  图8 压铸技术的开发课题



  图9 镁合金在汽车上的应用与发展


  (3)无热处理铸造铝镁合金的开发。热处理一般用于提高铝镁合金铸件的强度和性能,但热处理会增加消耗能量和生产周期,而且存在着尺寸变形和残留应力等问题,开发和热处理产品具有同等力学性能的铝镁合金材料和工艺,对于减少设备投资、降低制造成本、降低能耗和排放具有十分重要的意义。

  (4)再生料的利用。在铝镁合金铸件要求高性能的条件下,一般采用新合金而不使用旧料以确保满足性能要求。为了构建循环型社会,对铝镁合金再生料的利用是一项十分紧迫的人物。长期来看,为了维持需求和供给平衡,铝镁合金再生料最终要承担部分新料的用途。因此,有效去除再生料中杂质元素的精炼技术的开发具有长远的意义。

  (5)大型、复杂、高精度铸件生产技术。解决大型、关键设备零部件的铸造技术,进一步拓展铝、镁合金铸件在轨道车辆、电力、医疗、国防及航空航天等领域的应用,积累强大的技术,提升技术实力。

  (6)改变传统制造模式。通过科学技术进步和技术创新改变传统单纯追求规模的制造模式,满足用户对产品多样化、个性化的要求,实现柔性生产、精益生产、绿色生产及全球制造。


  结束语

未来铝镁合金产品和制造工艺的竞争力主要取决于其对整个环境产生的冲击程度,贯穿于原料生产、制造、产品应用及产品生命周期终结后的循环再利用等各个环节。因此,在积极推进绿色铸造战略实施的同时,我国铝镁合金铸造必须增强自身核心竞争实力、完善产业链条、提高自主创新能力,以使中国从中低端产品的“加工工厂”逐渐转变为世界铝镁合金铸造业的中心。

 


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