“半固态”,让镁合金制造像塑料一般简易快捷安全!

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——我国镁合金半固态注射成型工艺取得重大突破

前言


“轻量化—镁合金—半固态—注射成型”——全新的“镁合金半固态注射成型”极简工艺‍,不仅让复杂零件几十秒内一次成型,而且重量比铝合金轻1/3、比钢轻3/4,是不是很酷呢?



“真轻!!!”费力地搬起一个4.6kg的钢制座椅靠背骨架之后,再去拿一个同样大小的镁合金座椅靠背骨架,1.1kg的质量,一根手指就足矣。在位于紫砂壶之都——宜兴的江苏宜镁泰科技有限公司(以下简称为“宜镁泰”),记者通过亲身体验,深刻感受到了汽车轻量化的急迫需求下,镁合金备受期待的原因。该公司董事长杭中先生对AI《汽车制造业》记者说:“镁合金是一种非常有前景的汽车轻量化材料,镁是目前最轻的金属结构件材料,除了广泛应用于电子产品外壳、结构件之外,其在新能源汽车、5G、无人机、机器人、外骨骼户外休闲、军工和航空航天等很多行业的轻量化应用中也一定会大有天地!”


记者一指轻举


宜镁泰营销总监陈勇先生则将镁合金的特点全面而精炼地总结为“富、轻、强、廉、绿、酷”六个字:


——中国拥有着全球最多的镁储量和镁产量,地球中镁元素的丰度是第八,可谓取之不竭,用之不尽;

——密度为铝合金的2/3、钢的1/4;

——力学性能好,比强度高、刚性高;

——市场售价1.5万元/吨,可与钢、铝正面竞争;

绿——熔点较低,熔化能耗低,容易回收再利用,特别是在中国,有完整快捷的镁合金废料回收再利用体系,大部分形态的镁基物质对环境、人体有利无害;

——高抗电磁干扰,抗冲击吸振,散热性能好,减振降噪性好,可被人体吸收,具备优良的储氢能力,可作为能源使用。


如此来看,汽车轻量化的首选材料,应该是非镁合金莫属了?


镁合金颗粒




行业瓶颈问题颇多




然而事实却并非如此。


目前在国内,主要集中在方向盘骨架,仪表盘骨架,国内车型镁合金平均用量仅2kg/车,而在欧美不少畅销车型中,用镁量已达到30kg/辆车。


问题何在?瓶颈何在?


“镁合金制品本身的安全可靠性和质量成本已经不是问题,目前应用的障碍在先进的镁深加工体系长期掌握在北美、日资、德资和我国台湾企业手中,即使企业落地在中国大陆,也没有为国内市场服务,先进的半固态注射成型设备几乎都在台湾企业中使用。”宜镁泰生产副总吕小东先生直指问题核心。


据了解,目前80%的镁合金深加工企业主要采用传统压铸工艺,不仅高能耗、高污染,而且由于生产环节中高温金属液体的暴露,整个生产环境都非常危险,特别是一些中小企业,车间内经常是小火苗此起彼伏的场景,业内的燃烧和爆炸事故时有发生。因为镁是一种非常活泼的元素,燃点低于熔点,极易燃烧。高温镁合金压铸的过程中,需要用对环境极为有害的六氟化硫作为保护气体,车间内烟气弥漫,污染非常严重。因此,国家对镁合金压铸工艺的应用和产能严格管制。但这显然与汽车轻量化对镁合金的强烈需求完全矛盾,毫无疑问,解决问题的核心在于镁合金制造工艺的创新和提升!




改变现状打破垄断




安全环保的半固态注射成型工艺恰是可以改变现状的一种非常优异的解决方案。实际上,镁合金半固态注射成型技术问世仅30年,成熟的装备仅发展了20年,装备技术被日本某企业长期独家垄断,中国台湾企业熟练使用。


回想十几年前,吕小东先生仍记忆犹新:“我是国内最早一批接触到镁合金半固态注射成型工艺的20多个人之一,当时日本工程师对我们进行应用培训,手把手教我们操作使用和维护。我被镁合金半固态工艺和设备的先进、安全、好用所吸引,自此再也没离开镁合金半固态工艺。但受技术垄断影响,当时进口设备的配件和维修都非常昂贵,采购一套螺杆和料筒需要100多万元,一个小小的高温高强度螺栓都要5000多元,甚至现在看来极容易取得的镁合金颗粒都要从日本高价进口。受制于人,国内的大部分企业只能选择相对落后的压铸工艺!”

普通压铸工艺与半固态注射成型的显微结构比较


这种背景之下,宜镁泰的一帮热血沸腾的汉子,雄心勃勃誓要打破垄断!


“2009年开始,国内也有个别企业尝试自主开发,我们团队参与了第一、二代设备试制,但实际运行不尽如人意,一直无法在市场上推广应用,并不能算是开发成功。后来我们开发的第三、第四代设备已基本成熟,但发现汽车零件里需要局部加厚、较大尺寸的件很多,不管是日本设备还是第四代设备,都不太适用。2020年7月,我们决定正式启动第五代设备的研制。”宜镁泰总工程师杨大勇先生和研发总监许兵先生在攀谈中告诉记者。


在2020年这个不平凡的夏天,宜镁泰团队夜以继日地钻研每一个机电细节,精挑细选地确定每一个设备配件。经过4个月的艰苦奋斗,2020年10月26日凌晨2点,第一批800t规格的设备首次试机和某新能源车零件试模同时进行,首战告捷,一次成功!整个团队激动不已,度过了一个不眠之夜!



这款国产设备的型号被宜镁泰团队定为“MG800”,中国人自主研发的800t镁合金半固态注射成型设备终于诞生了!

MG800镁合金半固态注射成型设备


MG800能生产约净重2kg的镁合金产品,相当于8kg的钢制产品。目前第一批设备已有客户预定,连续生产、高负荷生产的可靠性得以验证之后,2021年准备至少再生产30台。今年年底,宜镁泰还准备试制出1500t规格的设备,明年推向市场,这种大型设备能生产6kg的镁合金产品,相当于24kg的钢制产品,主要面向汽车、休闲户外和航空。之后,他们还将启动能生产10kg、15kg的全球首创的超大型半固态设备的项目,以满足更多行业需求。


“我们的设备完全自主研发,打破了国外的技术垄断,价格只有进口设备的2/3,今后,用户的设备采购成本和维修成本都将大幅降低,这必将改变行业格局!”杭中先生兴奋地说。


“全球90%的镁合金成型设备市场在中国,镁合金是目前唯一可以‘半固态注射成型’的一种神奇的金属。我相信我们一定能够在半固态注射成型技术领域闯出一片新天地,为我们国家自主知识产权的技术发展和市场发展,为更好的挖掘我国优质的镁资源价值作出我们的贡献。”杭中先生及其团队都充满自豪感。

宜镁泰核心团队

(从左到右依次是:宜镁泰生产副总吕小东、总工程师杨大勇、董事长杭中、研发总监许兵、营销总监陈勇、财务总监杭文娇)




极简工艺安环高效




以半固态注射成型为核心的镁合金产品加工工艺与传统压铸工艺有着极大的区别,如塑料注塑般简易快捷安全!


镁合金颗粒原料依靠负压、重力进入半固态浆料制备管,在600℃左右的温度下快速热熔,并在螺杆搅拌剪切作用下行成固液两相混合物(半固态浆料),然后经100MPa高压注射进入模具成型,最后冷却定型就可以卸件了——真可谓“极简工艺”。由于在搅拌剪切作用下使固相变成球状,因此,半固态浆料流动性良好,成型性非常好。整个工艺过程,小件只需十几秒,大件也只需三四十秒,非常之高效!

镁合金半固态注射成型设备的工作原理


“我们的镁合金半固态注射成型设备呈现‘安、环、精、节、高、密、稳、简、智’的特点,成品有特殊的美感、触拿感和未来感,被认为是21世纪最具发展前途的制造工艺之一。”杨大勇先生这样概括镁合金半固态注射成型设备的优点。


:相比压铸工艺,成形过程只取用少量金属完全在密闭通道中变化,没有高温金属液暴露、转移环节,杜绝了燃烧和烫伤事故;

:不使用有害的SF6等熔炼保护气体,没有烟气蒸腾,无火焰、无熔炼废渣、几乎无废水、废气、固废,劳动环境洁净;

:无论形状多么复杂的工件都可一次成型(如半空腔零件和最薄处只有0.3mm的零件,一件制品上最厚最薄可相差100倍),精度高(0.01mm,后加工量极小;

:不必加热到金属完全液化状态,不需一次性熔化几百公斤镁合金原料,不需让原料长时间保持在液态,只需每次热熔几个零件所需的极少量的镁合金原料,相比压铸工艺温度低70℃且无需保温,能耗降低60%,对模具的热冲击减小,延长模具寿命1-4倍,加工余料可全部回收再利用。相比压铸节约生产占地30%;

:单机产能大,高效(每分钟1~4件,可24h连续生产);由于加热的原材料极少,设备启动及关闭时间比较压铸减少70%,更换原料迅速;

:金相组织致密(媲美锻件),产品缺陷少,力学指标比压铸工艺可提升20%;

:耗材寿命长,机械运行可靠,可24h连续运行,小检周期近20万次;

:复杂金属件中最为简捷的成形工艺,原料镁合金锭—镁合金粒—半固态注射成型—少量机加工—表面处理—着色喷涂结束制程;

:自动化程度高,用工少,可实现无人化生产,远程维护和预维护。


这些特性使镁合金的制造路线发生了革命性的改变,整个生产成本、生产效率、产品质量、管理难度都远远优于以往的传统压铸工艺。


镁合金半固态注射成型设备极为紧凑



奔向未来“镁”好前景



近几年来,来自各国政府巨大的节能降耗的压力,在汽车行业,特别是新能源汽车,汽车轻量化的需求非常迫切,汽车用镁合金正以年均20%的增长速度迅速发展,很多企业都在镁合金仪表板骨架、座椅骨架的应用基础上,继续开发镁合金的车门内板、尾门内板、电池壳体和转向管柱等更多零部件产品,前景一片大好。

万丰镁瑞丁长期制造的镁合金汽车零件汇总展架


显而易见,有了半固态注射成型工艺的助力,结构越复杂的零部件,镁合金越有应用优势,特别是一些对安全和断裂韧性要求较高的应用场合,以往需要数十个零件组装而成的复杂零件现在可以采用镁合金材料和半固态工艺在几十秒内一次成型!


“我们与全球汽车镁合金零件领域领跑者广泛合作,客户包括特斯拉、保时捷、宝马、奔驰和福特等;我们团队有长达40年成熟镁合金零件设计制造验证经验;且被浙江万丰全资收购的镁瑞丁公司深度合作,由万丰牵头,我们积极串接汽车零件设计、镁合金冶炼、装备、模具、后机加工、防腐及喷涂等镁合金全产业链具有顶尖技术的国内企业和镁业协会,以及北京有色总院、中国有色金属标准研究所、上海交大、清华大学、西安理工大学和南航等国内镁合金研究的一流科研院校,组成了完全国产化的‘产学研’全循环全产业链先进产能镁合金供给侧联盟,与T3组织(一汽、东方、长安)及蔚来、小鹏展开深度积极合作,服务国内车企、服务内循环的镁合金汽车零件先进制造中国体系已完全形成。”杭中先生对AI《汽车制造业》记者说。


宜镁泰签署汽车用镁合金产业链备忘录


“宜镁泰的国产化设备上市之后,镁合金制造装备的购置成本和使用成本、安全管理难度进一步大幅下降,符合‘绿色制造’的国家要求和行业发展大势,我相信,未来几年内,大部分新增镁合金产品将由半固态注射成型工艺生产。”陈勇先生对未来市场充满期待。

记者也不禁感叹:有了完整建制的镁合金汽车零件中国集团军,有了宜镁泰这样的自主创新型中国制造业,当前汽车轻量化的急迫需求中的首选材料非镁莫属,装配大量镁合金零件的新款靓车将引领国人节能出行!


前景“镁”好,一定将如你所期!

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本文作者2020-11-21 14:37
镁途
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