当前,镁合金板带材已经成为国内外科研机构和生产企业研制、开发和工业化生产的热点。但对比同为轻质结构材料且力学性能相近的铝板带材,镁合金板带材目前的生产应用同其还存在着非常大的差距。洛阳有色金属加工设计研究院韩晨教授通过对目前铝板带应用领域、应用特点、应用量、应用趋势的论述和总结,分析了镁合金板带材的特有应用和在航空航天、交通运输领域对铝板带材进行金属替代应用的前景。
镁、铝、钛及其合金同为力学性能优良的轻金属或轻合金结构材料,这其中,镁和铝的金属特性和应用特点更为接近。
2015年,我国原铝产量超过了3000万吨,铝生产和加工企业的利润为540亿元,利润同比增长了22%。其中,铝板带材的产量达到了千万吨的级别,而现代化、专业化的铝板带材生产企业多达400家。近年来,铝板带材的产量占原铝产量的比例一直维持在20%~30%。
在同期,国内原镁产量约80万吨,镁生产和加工企业的利润约12亿元,利润同2014年相比下降约30%。镁合金板材的产量仅为千吨的级别,而现代化、专业化的镁合金板材生产企业的数量非常少,多为钛、铝板带加工企业辅助性进行生产或带料加工,有的镁合金板带企业还停留在产业化开发或工业化试生产阶段,国内还没有国有大型的专业化镁合金板带生产企业。镁合金板带材的产量占原镁产量的比例不到1%,前些年甚至低至0.1%左右,远远低于铝板带占原铝20%~30%的比例。
由以上数据可知,国内原镁、镁合金板带(下文简称“镁板”)的产量同原铝、铝及铝合金板带箔(下文简称“铝板”)的产量存在着非常大的差距,这些差距同时也体现在合金品种、产品规格和质量、生产企业的状况、生产集中度、专业化生产程度和加工设备的装机水平、利润水平、利润增长率等方面。
以上差距的存在,除金属自身性质和加工性能原因外,还与产品的推广应用程度、用户使用习惯、国家相关政策等息息相关。例如:在国家安监总局2015版的《危险化学品目录》中,将含镁>50%的镁合金(片状、带状或条状)包含在内,并将其归为“易燃固体、遇水放出易燃气体的物质和混合物。由于归类为危险化学品和易燃固体,这就给镁薄板或带材的生产线设计、厂房设计、加工设备设计、产品及中间制品的生产、存放和运输等带来了一定的困难,提高了镁薄板或带材的生产成本,加大了其市场推广应用难度。
但是,可以预见的是,随着生产工艺技术的进步、产品质量和性价比的不断提高、以航空航天和交通运输等高端领域为代表的材料轻量化的实际需求,尤其是“中国制造2025”规划的实施,镁合金板材以及大规格的镁合金宽幅中厚板一定会发挥出其优势,在即将到来的“十三五”期间,实现其特有应用和规模化材料替代。
铝板的生产和应用情况
目前,在世界范围内,航空航天领域的总用铝量仅占铝板总消费量的5%左右,但由于铝板的消费量大,而且航空航天领域所使用的铝板技术含量高、利润附加值高,因而成为世界范围内各铝板企业开发和生产的热点产品。
中铝西南铝和中铝东轻公司是国内较早进行航空航天领域用铝板开发和生产的企业。目前,山东南山铝业、广西南南铝业等公司也开始进入航空航天用铝板的开发和生产。国产C919大飞机项目批量使用了中铝西南铝的铝中厚板材(提供铝材达到千吨级别),产品种类主要为7系铝合金(7系铝合金添加的合金元素以锌为主,同时含有少量的镁、铜等金属)。
航空航天领域对铝板的要求不仅体现在高冶金质量、高性能的技术指标以及规格多、尺寸复杂等特点,其组织、性能、表面精度尤其是对外在体现的强度、塑性、耐腐蚀性和抗疲劳度的要求也极其严格。7005和7075是航空航天领域用7系铝合金中档次最高的产品,可进行热处理强化。例如,7075铝板,其强度高(高温强度和低温强度优于其他铝合金),固溶处理后其塑性较好,因而具有优良的综合力学性能。7075铝板主要用于制造强度高、抗腐蚀性能强的高应力飞机结构件,如飞机的上、下翼面壁板,桁条等。
截至2015年,全球航空铝板生产企业达30多家,总生产能力为197万吨。美国铝业公司的航空航天铝材供应量占全球总供应量的35%以上,Davenport轧制厂是北美唯一的能为民用及军用飞机提供铝合金厚板的厂家,也是世界上最大的航空航天、舰船等用铝板材的生产企业。
目前全球航空航天铝合金板用量估计在78万吨,预测到2020年全球航空用铝板将达到100万吨。2015年,中国国内航空航天领域用铝中厚板约5万吨,如果按15%增长率计算,到2020年国内航空航天铝板需求量约10万吨。
航空航天镁板生产应用和替代
2015年,国内镁板生产线总产能超过了1.5万吨,实际产量约3000~5000吨,而以热轧开坯轧制方式生产的镁板约600吨。在600吨轧制产品板材中,应用在航空航天的中厚镁板(厚度大于4~6mm)产品占到了70%以上。
目前,镁板尤其是宽幅中厚板在航空航天的具体应用为:6~100mm厚度的镁板主要用于制造卫星和登月飞船底座、导弹和火箭的仪表舱壁板、导弹和飞机的尾翼、战斗机副油箱及衬板以及其它结构零部件;3~6mm厚度的中板可用于生产航空发动机、减速器、箱体等部件的外壳或箱盖,以及支架、门壳体、助推系统等飞机机身零部件。
值得一提的是,航空航天用镁板尤其是宽幅中厚镁板不仅其技术含量高、经济附加值高,而且由于其只能用热轧开坯方式进行生产(来保证其良好的组织和力学性能),而热轧开坯方式生产镁板为传统的、技术成熟可靠的生产工艺。这也从工艺设备上规避了目前如铸轧、带式法等不成熟工艺技术生产镁板带的难题。
中铝洛铜铝镁板带分厂在超过1万吨的镁板总产量中,也是以航空航天用中厚镁板为主。而闻喜银光、华陵镁业、西部钛业、宝鸡钛业等公司也利用宽厚板热轧机生产了一定量的航空航天用宽幅中厚镁板。
某企业航空航天用镁中厚板的成熟工艺技术流程如下:加热→热轧(少量产品需二次热轧)→矫直→成品退火(部分产品选用)→成品锯切→成品检验→涂油包装。以上镁中厚板流程相对镁薄板生产来说,工艺流程简单、技术参数易固化、流程短、设备可靠。
中色科技股份有限公司(原洛阳有色金属加工设计研究院)设计的某项目航空航天用镁宽幅中厚板的工序流程及参数见表。
目前,国内热温轧镁板应用在航空航天领域每年不足500吨,如果按照国内经济增长速度约7%考虑,至2020年仅为1000吨的级别,该预测增长率下的需求量明显不足。因而,在提高预测增长率的同时,也必须考虑对应用在航空航天领域铝板(及少量钛板)的金属代替。
2015年,国内航空航天用铝中厚板约5万吨/年,按10%的金属替代率,该领域对镁板的需求量可达5000吨/年,航空航天一个领域对镁板的需求量已经超过2015年所有工艺技术(含热轧、温轧、冷轧、挤压、直接铸造、压铸、铸轧、金属复合等)所生产的镁板量。再过5年,即至2020年,航空航天用镁的预测需求量将达到1万吨/年。另外,如果按金属常规预测替代率即30%考虑,2020年航空航天这一个领域的镁板需求量即达到3万吨/年,这对于金属镁行业的发展、国内镁合金板材的生产和应用都将产生巨大的推动和促进作用。
同时,应针对材料自身和加工使用特性,在航空航天领域开发和规模化使用镁-铝轧制复合板(包括内部镁合金、外部为铝的复合铸造形成铸锭直接进行热轧的板材)、镁-钛轧制复合板,以及推动航空航天领域专用镁锂合金板的试验化开发和应用。
交通工具镁板生产应用和替代
目前,镁板在汽车、轨道交通等行业的应用相对铝板还处于起步阶段,但其市场前景非常广阔。据了解,闻喜银光和中国中车、山东华盛荣和北汽集团、中铝洛铜和郑州宇通、中国铝业和吉利汽车、中国铝业和东风汽车、国家镁合金工程中心和长安汽车、南京宝奇(德国驶多飞)和上海通用等中外合资车企正在进行合作(或特殊供货商和客户的关系),大力推进镁板工业化、规模化应用在汽车和轨道交通领域,部分合作或联合研发成果也达到了阶段化的目标。
在国外,宝马3系座椅靠背、奥迪A8和大众POLO车门内板、梅赛德斯-奔驰轿车顶板、法国高铁的座椅靠背等均已使用了由德国蒂森克虏伯MgF公司提供的厚度在1.5~2mm之间的镁板。德国蒂森克虏伯、韩国浦项、英国伊利科创这3家国外最具代表性的镁板研发和生产企业目前正在进行合作,联合进行汽车工业用镁合金板材的生产和销售。德国驶多飞公司挤压镁板目前已经工业化供应给欧宝等汽车公司。
在使用规格上,厚度1.2~3mm的镁板,用于制造仪表面板、车门板、发动机盖板、行李箱盖板、车顶板、变速器盖、座椅骨架和靠背等;0.6~3.5mm厚度的产品用于制造蜂窝地板的上下面板;列车内衬板,物品架使用的镁板厚度为3~5mm;列车裙板、座椅、卧铺板使用的镁板厚度为5~7mm;列车内部的受力件使用的镁板厚度多在4~12mm。
在汽车、轨道交通、船舶、集装箱等领域,除了可直接使用镁板的部件外,可考虑采用镁-铝,镁-钢、镁-高分子材料等复合板材,复合板的界面除了采用轧制、爆炸、挤压等高等级分子结合外,很多部件采用螺栓、销轴、铆接、粘结剂、外包装的方式即可满足使用要求(这种方式无疑更有利于推动镁板的应用)。
2015年,国内应用在汽车、轨道交通、集装箱等领域的铝板在5万吨左右,考虑到我国目前的发展趋势和行业发展比重,预计到2020年,交通运输领域对铝板的需求量将达到20万~30万吨(交通铝材的需求量将超过目前排名第一的建筑用铝需求量)。按10%的金属替代率进行考虑,目前国内交通领域对镁板的需求量合理应在5000吨/年,到2020年,预测该领域对镁板的替代需求量高达2万~3万吨/年。如果按金属常规预测替代率即30%考虑,到2020年,交通运输领域对镁板的替代需求量将高达近10万吨/年。