镁合金产业化工程项目.docx
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镁合金产业化工程项目
镁合金产业化工程项目
1．项目提出的必要性与重要性
由于镁价持续下滑，生产金属镁已无利可图，山西省广灵化工总公司依靠生产高电位镁牺牲阳极和八个品牌的镁合金的新技术优势，通过技术创新，进一步开发科技含量高、附加值大的镁合金压铸件产品，追求产品的最大值，取得最佳经济效益。
高电位镁牺牲阳极及镁合金和镁压铸件的生产，为我国金属镁深加工开辟了一条新路，为镁业走出困境带来新转机，提高了我国镁产品在国际市场上的竞争力，为国家创收外汇，也必将推动我国汽车工业的发展。
2．产品介绍
镁合金产业化工程项目主要生产高电位镁牺牲阳极、镁合金、镁合金压铸件。
高电位镁牺牲阳极是当今世界先进的防腐工程材料，主要用于埋地管线、管网、船舶等钢铁构筑物的防腐保护，此种产品世界上仅有少数几家能生产，广灵化工总公司研制生产的高电位镁牺牲阳极的化学成份及电化学性能均达到或超过了国际标准，并被认定为国家级重点新产品。
镁合金及镁压铸件产品主要用于汽车上的转向轮、仪表盘、座椅架等汽车上的部件，以减轻汽车的自重、降低油耗、减少污染，因此，倍受汽车制造业的青睐。
根据市场调研，本项目确定生产高电位镁牺牲阳极2000吨，镁合金3000吨，镁合金压铸件2000吨，镁渣硅酸盐水泥10万吨的生产能力。
3．产品的市场预测与分析
高电位镁牺牲阳极这种防腐材料已被越来越多地用于石油、天燃气输送管道的防腐保护，由于其生产技术难度大、科技含量高，世界上仅有几家能生产，所以，市场上该产品供不应求，据调查，仅北美年需求量就达二万吨，国内年需求量也在大幅度的增加。
据国际镁协会公布的资料，国际镁合金压铸件的需求将从1997年的9．5万吨预测到2000年增长到18.2万吨在我国每年仅在汽车上用镁合金压铸件的数量达2．6万吨，而且以16％的速度递增。
而在我国仅有上海乾通汽车附件公司、南京华宏（集团）有限公司等少数几家生产，其产量也不足2400吨。
所以此产品缺口较大，市场广阔。
6．企业概况与项目进展情况
山西省广灵化工总公司为中型一类企业，企业性质属集体所有制，有员工1800多名，其中技术人员136名，下辖11个分厂（公司），主要生产铵梯炸药、乳化炸药、高电位镁牺牲阳极、镁合金、镁渣水泥、木器、雕塑等十多种产品。
总公司总资产9242万元，其中固定资产净值4317万元，企业资产负债率为56.7％，企业银行信誉等级为AA级。
1998年实现利税1508万元，1999年已实现利税2000万元。
是县域经济的龙头企业，大同市15户重点优势企业之一，省级先进企业、科技型企业和模范纳税户。
镁合金市场趋势及工业应用前景
――访富来远东有限公司总经理黄奇德先生
以轻质和可回收使用为应用特点的镁合金，日益成为现代工业产品的理想材料。
二十世纪九十年代，其市场需求一直呈稳定增长的趋势。
现代科技和相关产业技术的发展，不仅消除了人们对使用镁合金的疑虑，而且使其各项独特优点更臻完美，应用范围迅速扩展，特别是汽车零部件的大量应用，电讯产品向轻、薄、短、小方向发展，以及相关行业的密切合作与技术整合，更使这种新兴材料的市场发展呈现极为乐观的前景。
<<金属工业>>杂志将一连四期访问富来远东有限公司总经理黄奇德先生，让读者全面了解镁合金产品市场对本港压铸工业的影响。
德国富来是镁合金压铸工业的楚，也是全球第一间生产全电动压铸机。
黄奇德先生于富来远东出任总经理职位多年，对镁合金市场的演进，认识尤深。
全球需求的增长趋势
镁在地壳和海水中含量丰富，其储量在所有元素中排行第八。
二十世纪六十年代，镁金属首先在汽车工业市场上逐渐为人们所注目。
但它作为可用性的工程材料，则在八十年代之后。
这主要是由于高纯铸造镁合金的发展和在铸造车间免除了使用氯化物盐类试剂，以及成功开发镁合金的热室与冷室压铸设备。
到九十年代，在汽车工业出于经济考虑和政府法律要求致力于改善车辆燃油效率的驱使下，镁合金市场需求更呈现稳步上升的趋势。
及至九八年，全球镁市场交易额已达到360,000吨。
以镁合金压铸件为例，根据国际镁协会（InternationalMagnesiumAssociation）和HydroMagnesium的估计，九一年，在全球镁合金压铸件中，镁的应用已达到24,000吨。
此后每年以15-20﹪的速率稳步增长，及至九七年，已达64,000吨。
预计2000年将突破100,000吨大关。
到2008年，可能增加到240,000吨规模（见图1），其中80﹪是汽车工业的应用。
从市场地域分布情况看，以1997年为例，当年全球镁市场成交总数333,700吨中，居第一位的北美洲占59.5﹪，西欧占24.0﹪，亚洲/大洋洲占12.9﹪。
而在应用领域的分配中，铝合金用镁占43.2﹪，其次就是镁压铸件，约占28.7﹪。
九九年欧洲的用镁量，主要反映了该地区在汽车工业上的增长，这是由于著名的Ford，Mercedes，Opel和Volkswagen/Audi等牌子汽车全都增加了镁合金的应用量，而这一趋势至少将会延续到2010年。
制造厂商和材料供货商的合作，也是镁市场增长的推动作用。
例如，九五年，HydroMagnesium与GeneralMotors签署了直接供应协议。
同年，Volkswagen购置了在以色列的DeadSeaMagnesium的35﹪股份。
九六年，FordMotor公司也承诺对澳洲发展一个新的镁生产厂提供财政支持。
镁合金的性能优势
多年来，镁合金的应用曾受到三种疑虑的影响，它们是：
高成本（物料贵及回收再用费贵）；高腐蚀性；以及高易燃性。
事实上，熔化镁所消耗的能量虽大于熔化锌，但小于熔化铝。
而当今的无助剂熔镁技术和添加硫氟化物（SF6）技术，已控制熔化镁时的耗损程度减至最低。
同时，镁合金的良好切削性能和可控制的极小铸造误差，以及很高的压铸生产率，都使得镁的应用成本大为下降。
至于镁合金制件的腐蚀问题，亦已藉助添加垫片等简易技术措施得以避免。
而镁铸件并不像镁粉那样存在易燃问题，对于熔融状态的镁合金件或在高速切削时的高燃烧性也早已有了相应防护措施。
因此，上述疑虑在当今技术条件下无需担心。
镁材料一系列的独特优点：
重量轻――下表列出了有关金属的比重：
金属比重（g/cm3）
铅
铜
黄铜
钢
锌
钛
铝
镁
11.3
8.9
8.5
7.9
7.1
4.5
2.8
1.8
在同等刚性条件下，一磅镁的坚固程度等同于1.8磅的铝和2.1磅的钢。
同时，镁能制出与铝同样复杂的零件而重量则较后者轻三分之一。
上述特性对于现代一些手提类产品是至关重要的。
而对于车辆，这一特性将显著地减少其激活惯性，并节省燃料消耗。
吸震性能高――镁有极好的滞弹吸震性能，可吸收振动和噪音，这对于用作设备机壳减小噪音传递，和提供防冲击与防凹陷损坏是重要的。
尺寸稳定性----这是镁的特点之一。
当它从模具中取出时，产品只有很小的残余铸造应力，因此，它无需退火和去应力处理的必要。
某些金属长期暴露在较高温度环境下，即是不加载荷也会产生尺寸结构的变化。
而使用AM类镁铸造合金则不会出现这类现象。
而在加载情况下，这种金属也能呈现很好的抗蠕变特性。
例如，压铸件在超过120℃条件下承受100小时，只有0.1﹪至0.5﹪的总伸长。
其它一些新发展的镁合金还可提供更大的抗蠕变强度。
自动化生产能力和高的模具寿命――由于熔融的镁不会与钢起反应，这使得它更易于实现在热室压铸机中进行自动生产操作，同时也延长了钢制模具的寿命。
与铝的压铸相比，镁铸造时模具寿命可比前者高出2-3倍，通常可维持20万次以上的压铸操作。
良好的铸造性能――在保持良好的结构条件下，镁允许铸件壁厚小至0.6mm。
这是塑料制品在相同强度下，无法达到的壁厚。
至于铝合金也要在1.2-1.5mm范围下，才可以和镁相比。
高的模铸生产率――与铝相比，镁有更低的单位体积热含量，这意味着它在模具内能更快凝固。
一般说来，其生产率比铝压铸高出40-50﹪，最高时可达到压铸铝的两倍。
良好的切削性能――镁比铝和锌有更好的加工及切削特性，这促使镁成为最易切削加工的金属材料。
下表列出了有关金属的切削能量消耗指数比较：
有关金属切削能量消耗指数：
镍合金
中碳钢
铸铁
黄铜
铝
镁
10.0
6.3
3.5
2.3
1.3
1.0
镁的良好切削性能表现在：
允许较高的切削速度；减少切削加工时间；比其它金属有高出几倍的刀具寿命（极少停机换刀并节省了操作时间与刀具成本）；有优良的表面光洁度，并一次切削获得；极少出现积屑瘤；有良好的断屑特性及温度传导性，可免除使用冷却液或润滑液。
可回收再用――废旧镁合金铸件可再熔化，并作为AZ91D，AM50或AM60的二次材料进行铸造。
由于压铸件的需求不断增长，可回收再用的能力是非常重要的。
这符合环保的要求，使得镁合金比许多塑料材料更加吸引。
高散热性――镁合金有高散热性能，适合现今设计密集的电子产品。
高电磁干扰屏帐――镁合金有良好的阻隔电磁波功能，适合现今发出电磁干扰的电子产品。
其它特性――除上述主要特性外，镁合金还具有长期使用条件下的良好抗疲劳，以及低的裂纹倾向，和无毒、无磁性等一些特点。
富来远东有限公司总经理黄奇德先生指出，制造镁合金产品需要多方面技术配合。
目前，镁合金主要用于高档电子产品及汽车零件，精度要求较高，电子产品多要求薄壁件，而汽车零件则要求精密性高。
因此除需要高刚性、高射速的压铸机外，更需要尺寸精密，流道设计合理的先进模具配合。
而本港压铸产品主要是精度要求较低的铸件，一般均再经人手打磨拋光，而且在国内管理模式亦较为落后。
反观，台湾压铸有较多为电子零件及汽车零件，这些产品对生产管理、模具、压铸技术要求较高，因此，在发展镁合金压铸方面，明显有一定的优势。
台湾的另一个有利条件是工业发达，工业股份公司在市场集资容易。
而整个镁合金压铸配套所需投资亦较大，工业集团可作规模性投资。
近年手提电脑风行全球，镁合金较高强度特点恰好正是理想的超薄型笔记计算机的外壳材料。
由于台湾已掌握一定基础的压铸技术，而且本身亦是全球笔记型计算机的生产基地，自然便成为日本以外，制造超薄笔记型计算机外壳的王国。
选择合适的冷室或热室压铸机
近年流行的镁合金外壳产品是本港压铸厂商梦寐以求的新兴市场。
很可惜本港压铸厂商对这门技术认识不深，而且投资不菲，导致他们裹足不前。
其实这门技术不难，只是存在小部份「技巧」而已。
今期「产品开发篇」继上期剖析亚洲镁合金市场后，富来远东总经理黄奇德先生对选择合适的镁合金压铸机作出一点建议。
镁合金铸造方法
镁合金铸造方法大致可分为：
（1）重力浇注（GravityDiecasting）、
（2）低压铸造（Lowpressurediecasting）、（3）半固态压铸（Thixcasting）、（4）半熔注塑法（Thixomolding）及（5﹞压铸（Highpressurediecasting）。
半熔注塑法和半固态压铸为较新之生产技术。
半熔注塑原理接近注塑机，首先把镁锭加工切削成细料状，原料由进料筒定量进入螺杆，在加热区通过螺杆转动挤压推进，使其变成半熔状态并高速高压射入模腔，由于无需完全熔化，此法较节省能源，亦较为安全，无需保护气体或覆盖盐，内在气泡较少，表面质量亦较高。
但同时亦存在很多问题有待解决，例如：
原料较贵 设备昂贵生产速度慢技术尚未稳定，其中参数如定量控制，各温度区的准确控制均有难度，因此成品率不高。
所以此法目前用家不多
半固态压铸
半固态压铸使用实时控制之超高压冷室压铸机。
首先生产晶粒结构细致均匀之棒料（多由电磁感应搅拌生产）切成适当长度，通过特别控制之电感加热器将棒料加热至半固态，再用机械人放入冷室机射料腔内，进行实时多速高压挤入模腔，此法主要用于高强度要求厚壁安全件，压铸后可进行热处理。
此工艺成本更高，目前仍处于研发阶段。
冷室及热室压铸工艺较为流行
较为普通的是压铸工艺，镁合金可用热室或冷室压铸。
过去由于热室机型所限，一公斤以上镁件要使用冷室机之说。
现时德国富来已有930吨之热室镁合金机，最高铸重量可达6.4公斤，有多台在使用中。
正确来说，应以铸件的壁厚来决定所使用的工艺。
薄壁件采用热室法，厚壁件使用冷室法，主要原因是镁合金流动性高，同时会快速凝固，能于合金进入模腔并固化前维持其内热，它的液态高流动性有助其及早填满模腔。
在这方面热室比冷室法优越。
同时，镁合金铸件所需比压较铝合金低，热室机比压可满足要求，因而镁合金热室机最适合生产薄壁件。
冷室压铸一适合厚壁件
设备包括冷室压铸机、镁合金定量炉、镁锭预热及自动进料器、模温机、保护气体混合装置、取件机器人等。
选择冷室机时有以下特别考虑的因素：
由于镁合金的比压要求（约300-400bar）较铝合金低（约600-700bar）需要较小的射料力才可达至较佳较果，因此选择机型时要留意射料部份，最好可配上不同射料力。
由于镁合金极易凝固，因此要求大流量短填充时间，实际射速每秒6-7米或以上并不罕见。
空速度要求则更高。
计算器器能量时需参考其PQ2图。
由于液态的镁合金为易燃物及高流动性，为安全计，电线及油喉应尽量内藏。
机器夹缝应尽量遮盖以避免镁合金流入。
外露之电线及油喉必须特别保护。
由于射速极高，为减少飞边，冲头最好有急剎功能。
由于镁合金压铸工艺较难控制，机器的稳定性及参数可控性要求较高，最好有监控图表，生产数据显示，生产统计表等。
如机器有压射参数自动计算，有助选择适合数据。
有些机器生产商更改标准机设计，如于射料腔加热，或更改射料部份设计，以缩短合金进入模型的时间，会增加成本或影响机器刚性或耐用性，易损件寿命等，效果亦有待考验。
熔炉方面亦有所不同：
因为镁合金溶液与空气接触的易燃性，故需要保护气体覆盖表面，保护气体一般为0.2%SO2或SF6和干燥空气／氮气／二氧化碳熔炉是封闭式设计，过去使用的含硫覆盖盐虽然亦可防止燃烧，但令合金杂质增加，不利质量控制，亦增加环境污染性。
保护气体混合装置提供准确的混合成分（上述）给镁液表面。
气体分布要均匀，炉盖密封性要好，避免漏气，过量的保护气体不仅令用量增加，亦令坩埚加速腐蚀。
不足够则令液面氧化。
保护气体比例及用量必须定时监察。
应选用电热炉，因为温度控制较易，坩埚加热比较均匀；没有明火亦提高操作安全性。
坩埚为特殊低镍防锈钢材。
专用镁合金熔化保温定量炉，一般为双重设计（熔化及保温室）镁料由保温室之定量泵通过管道直接抽入射料腔。
现有的加料方法有螺旋量泵和气压控制定量泵两种，均称可准确控制误差，传统的人手或机械匀料会容易冷却亦不利安全操作。
低硅含量隔热材料，无出口炉身，防止坩埚破裂时熔料流出，产生危险。
镁锭预热及自动进料器
镁熔液绝不可与湿气接触，因此镁锭在放入熔炉前必须预热起码150oC，此举不但驱除湿气，亦有利于熔化室温度变化不致太大，自动镁锭进料可保持液面高度的稳定，减少炉壁过度腐蚀。
模具恒温机
上段已经提过，在镁合金压铸流动过程中保持其内热量，是质量控制的关键因素，高温热油机为镁合金压铸模具之必需外围设备，它亦控制模具表面温度的重要手段，选用的热油机最高要在300oC以上。
此外，必须计算适当的热油管道位置、直径度及热量等。
铸造温度场仿真有助于这方面的设计。
清洁工具及及盛器
镁合金炉的清洁工具要用不锈铬钢，在使用前更要充分预热，避免有湿气，机旁要准备好有盖金属容器，以盛载炉渣。
扒出之炉渣放入熔器后，要迅速洒上覆盖盐或放入保护气体并盖上，以防止氧化燃烧。
镁合金冷室压铸有下列优点：
─比压较大，适合厚件生产
─最大的冷室机超过三、四千吨锁模力，远超过热室机最大的930吨，可生产大型镁合金件
─更换易损件较为容易
─只需更换定量炉，机器可用于压铸铝或其它合金。
热室压铸一适合薄壁件
外围设备方面与冷室机相同，但无需定量炉。
选择压铸机时有以下考虑因素：
镁合金热室机与一般热室机不同之处在于热炉和射料部份。
熔炉方面与冷室机同熔炉要求一样，需要密封，保护气体，电热，特别坩埚，双室炉设计等。
除选用标准石油气加热射咀及鹅颈外，使用中频电感加热（无需水冷，减少发生危险）可准确控制射咀分段温度，减少射咀过热或变形，保证熔料流回鹅颈，减少废气污染，不会像石油气加热令机器其它部份升温，由于镁压铸容易塞咀，机身设计应易于维修射咀部份。
由于镁合金熔之点比镁合金高，受热情况较一般热室机严重，亦导至机器设计及用料上的差异。
虽然热室机的射料速度不需要如冷室机高，一般实际射速亦要每秒或两米以上。
最好可达3-4米。
其它考虑包括外露油喉及电线保护，内藏油路及电线，喷雾器保护，机器稳定性及监控性等。
相对于冷室机热室机有以下优点：
─可使用较小吨位压铸机
─气泡卷入较小
─可用较小比压
─余料比例较小减少回收比率
─投资额较小
─没有冲头润滑剂，铸件较清洁。
─生产周期较短
─冲击行程较短，有利缩短填充时间
─定量较准，目前冷室机定量炉仍在不断改善中
─机器使用率较冷室机高
─外界对料温影响较小，温度较稳定
─综合生产成本较低
─炉温较低，减低氧化及坩埚腐蚀
投资镁合金压铸应留意的事项∶
要有充足的技术人员，包括模具设计，压铸生产及车间管理等技术人员。
必须有充裕资金。
举例来说，压铸镁合金计算机外壳，需要用350吨以上的压铸机，此机种的每台金额是三百万以上。
加上接口设备，全新厂房布局和后加工设备，厂商必须备有充裕资金，才可投资此技术。
后工序应在独立镁合金加工车间进行。
原因是镁合金需要高速切削，所以厂房和机房应备有良好通风系统和抽风设备，防止镁粉积聚；并需保持机床、厂房整洁，避免积存金属屑。
用冷却液加工会较安全。
金属屑的处理需要有系统的安全管理。
至于除模锋打磨，则可用振磨、喷砂或人手打磨。
事实上，二次加工车间的厂房安全管理的要求比压铸车间更高。
镁合金对模具设计要求极高。
除了产品要求高外，高速射料亦令模腔内较易困气，不合理的流道设计会令冷纹恶化。
因此，现时很多镁合金模具开发，均利用CAE流道软件。
镁合金是活跃金属，容易产生腐蚀，导致表面处理比较困难，尤其是处理外观件时，更要面对不少技术问题。
镁合金比塑肢优胜的一个因素，是镁合金可回收再用。
目前日本和台湾的大部份厂商均没有使用回炉材料，而余料就可作一级料退回材料供货商，因此，厂商需作储存废料的安排。
现时，市场上虽有一级料重熔设备，但熔量最少为每小时500Kg，不适合一般用户使用。
余料回收是控制成本的重要手段。
目前台湾正加强研究回收技术，或于区内设立集中回收，以减低成本。
镁合金压铸对亚洲厂商来说仍是新技术，因此，厂商需克服不少技术难题，另一方面，亦可从国外引进技术，以尽快达致顺利生产效果。
附图为在德国生产之镁合金压铸实例
选择合适的冷室或热室压铸机
近年流行的镁合金外壳产品是本港压铸厂商梦寐以求的新兴市场。
很可惜本港压铸厂商对这门技术认识不深，而且投资不菲，导致他们裹足不前。
其实这门技术不难，只是存在小部份「技巧」而已。
今期「产品开发篇」继上期剖析亚洲镁合金市场后，富来远东总经理黄奇德先生对选择合适的镁合金压铸机作出一点建议。
镁合金铸造方法
镁合金铸造方法大致可分为：
（1）重力浇注（GravityDiecasting）、
（2）低压铸造（Lowpressurediecasting）、（3）半固态压铸（Thixcasting）、（4）半熔注塑法（Thixomolding）及（5﹞压铸（Highpressurediecasting）。
半熔注塑法和半固态压铸为较新之生产技术。
半熔注塑原理接近注塑机，首先把镁锭加工切削成细料状，原料由进料筒定量进入螺杆，在加热区通过螺杆转动挤压推进，使其变成半熔状态并高速高压射入模腔，由于无需完全熔化，此法较节省能源，亦较为安全，无需保护气体或覆盖盐，内在气泡较少，表面质量亦较高。
但同时亦存在很多问题有待解决，例如：
原料较贵
设备昂贵
生产速度慢
技术尚未稳定，其中参数如定量控制，各温度区的准确控制均有难度，因此成品率不高。
所以此法目前用家不多
半固态压铸
半固态压铸使用实时控制之超高压冷室压铸机。
首先生产晶粒结构细致均匀之棒料（多由电磁感应搅拌生产）切成适当长度，通过特别控制之电感加热器将棒料加热至半固态，再用机械人放入冷室机射料腔内，进行实时多速高压挤入模腔，此法主要用于高强度要求厚壁安全件，压铸后可进行热处理。
此工艺成本更高，目前仍处于研发阶段。
冷室及热室压铸工艺较为流行
较为普通的是压铸工艺，镁合金可用热室或冷室压铸。
过去由于热室机型所限，一公斤以上镁件要使用冷室机之说。
现时德国富来已有930吨之热室镁合金机，最高铸重量可达6.4公斤，有多台在使用中。
正确来说，应以铸件的壁厚来决定所使用的工艺。
薄壁件采用热室法，厚壁件使用冷室法，主要原因是镁合金流动性高，同时会快速凝固，能于合金进入模腔并固化前维持其内热，它的液态高流动性有助其及早填满模腔。
在这方面热室比冷室法优越。
同时，镁合金铸件所需比压较铝合金低，热室机比压可满足要求，因而镁合金热室机最适合生产薄壁件。
冷室压铸一适合厚壁件
设备包括冷室压铸机、镁合金定量炉、镁锭预热及自动进料器、模温机、保护气体混合装置、取件机器人等。
选择冷室机时有以下特别考虑的因素：
由于镁合金的比压要求（约300-400bar）较铝合金低（约600-700bar）需要较小的射料力才可达至较佳较果，因此选择机型时要留意射料部份，最好可配上不同射料力。
由于镁合金极易凝固，因此要求大流量短填充时间，实际射速每秒6-7米或以上并不
罕见。
空速度要求则更高。
计算器器能量时需参考其PQ2图。
由于液态的镁合金为易燃物及高流动性，为安全计，电线及油喉应尽量内藏。
机器夹缝应尽量遮盖以避免镁合金流入。
外露之电线及油喉必须特别保护。
由于射速极高，为减少飞边，冲头最好有急剎功能。
由于镁合金压铸工艺较难控制，机器的稳定性及参数可控性要求较高，最好有监控图表，生产数据显示，生产统计表等。
如机器有压射参数自动计算，有助选择适合数据。
有些机器生产商更改标准机设计，如于射料腔加热，或更改射料部份设计，以缩短合金进入模型的时间，会增加成本或影响机器刚性或耐用性，易损件寿命等，效果亦有待考验。
熔炉方面亦有所不同：
因为镁合金溶液与空气接触的易燃性，故需要保护气体覆盖表面，保护气体一般为0.2%SO2或
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