材料篇之三：镁与铝的替代性分析
编者的话：
在中国压铸行业中，镁及镁合金，以其独有的特性和作用，已经并继续影响和改变着人们的生活。为使人们对镁和镁合金及压铸有一个较为全面、系统的了解，本刊收集、整理相关资料，从绪论、材料篇、工艺篇、应用篇四个方面简编成《中国镁合金压铸行业分析报告》，以期能为业界各位同仁工作学习带来些许便利。由于自身认识水平、工作能力有限，加之资料收集的局限性、不完整性等客观条件的限制，难免有这样那样的不足，敬请海涵并指证，以利于改进完善。
一、镁、铝之间的共性与异性分析
从镁、铝两种金属的应用历史来看，两种金属有很多共性的地方：
一是性能相近。镁、铝都具有轻便性、导电性、导热性、可塑性、耐腐蚀性等优良特性。
二是用户群相同。铝因其具有轻便性、导电性、导热性、可塑性、耐腐蚀性等优良特性，被广泛应用于交通运输、食品包装、建筑、耐用消费品和机械制造等各个领域，是重要的基础工业原材料；镁也是因其轻便性、导电性、导热性等特性，而被应用于交通运输、3C 等产品。
三是发展的时间都不长。铝在1990 年每月产量只有区区十几万吨，而到了2008 年每月产量已经接近200 万吨。镁也是从1990 年以后才加速发展起来的，1990 年是每月产量仅2 万吨，而2008 年每月产量已经突破5 万吨。
四是成本影响因素相近。生产镁需要大量的煤炭，生产铝也需要大量的电能，归根结底还是对煤炭的大量需求。
虽然两者的发展历史比较接近，但两者也有根本的不同：
一是资源储量不同。中国的铝土矿储量只占世界的7%，而且品位不高，难以开采。而我国是镁大国，镁资源储量占世界的27%，菱美矿储量占世界储量的70%。从这个角度上来说，镁比铝更有发展潜力。因此，铝在原矿方面的风险较大，受到的影响因素较为复杂，而镁在原矿方面的成本可控性较强，受到的影响因素较为单纯。
二是成本可控性。正由于以上原因，镁行业在考虑成本变动因素时，如果已经在国内控制了原矿，则仅需考虑镁煤炭、硅铁等原料成本的变动。
二、镁、铝的优缺点对比
优点：
1）溶化成本只有铝的2/3；2）压铸生产效率比铝高25％，金属模铸造比铝高300-500K，消失模铸造比铝高200％；3）镁铸件的表面质量和外观明显比铝好（因为模具的热载荷减小，可降低检查频率）；4）模具寿命是铝的2倍（或更多，根据模腔形状）；5）镁脱棋斜角可很小（可取消随后的机加工），而且表面成形好（因为镁的粘度低）。
缺点：
1）和铝金属模铸造相比，镁压铸生产有较高的残余废料率（和铝压铸废料产出率相比）；2）镁压铸的生产设备投资很高。和铝重力/低压/硝模等工艺比，镁压铸机很贵（因为需要较高的锁模力和充型射料速度），当然它的生产率也是前者的4倍；3）镁压铸需要较高的试模成本和较长的试制时间，而钢制部件（制造采用简单的焊接技术按图加工）或塑料部件（可采用低成本原型工装）则简单得多；4）和铝低压或金属模铸造比，镁压铸需要较高的模具成本。因为压铸模大并复杂，还要承受高锁模力（当然高生产率也可降低单件产品的成本）；5）镁压铸和铝压铸相比，其烧损率要高50K，也就是4％比2％（因为镁的较高的表面活性）；6）镁压铸屑片的回收成本比铝高，干燥的镁屑片不容易回收，潮湿的就更不容易了，必须非常小心，防止着火。
三、镁、铝价格之间的关系
镁的重量比铝轻1/3，凡是用铝的地方，基本上可以用镁来代替。近年来由于轻量化趋势，镁合金已经在摩托车、汽车上广泛应用，用于替代钢铁、铝合金及塑料等材料。因此，镁与铝的价格本应具有较大的关联性。但由于国内产业结构不合理，铝、镁行业的投资热情非常高涨，导致铝、镁行业的产能大于实际需求。各企业之间的竞争，往往依赖于简单的价格战，因此常常导致成本与售价的倒挂，镁、铝之间经常出现背离。
镁金属与铝金属在实际用途中，具有较强的相互替代性。镁价格过高，会使下游厂家转而寻求铝的消费。事实上，在镁价居高不下的情况下，许多厂商已开始转而寻求镁的替代金属，如在台湾，厂商近年来渐渐淡出镁合金自行车、零组件的制造；另外许多3C产品商变更设计，减少采用镁合金壳件转而采用塑料壳或铝合金壳，如美国苹果公司的iPhone手机等。
2009 年4 月，由于铝价持续维持低位，镁价较铝价高出50%，镁合金生产自行车轮毂的成本已远高于铝合金轮毂，这种价格趋势将阻碍镁合金应用于生产自行车轮毂等产品。从成本角度考虑，公司变更首次公开发行股票募集资金投资项目--100 万套镁合金自行车轮毂生产线改造项目为年产30000 吨高性能铝合金棒材项目。公司已经完成了生产线建设并生产出合格产品，2009 年铝合金棒产量将超过1 万吨。2003年以来，镁铝比价经过了几轮大的波动，2003年镁铝比价约为1.0左右，至2004年镁铝比价开始启动，至2004年5月达到1.3；2004年5月之后，镁铝比价又一路下行，至2006年2月跌到最低点的0.663；2006年2月之后，镁铝比价缓缓爬升，至2007年11月份，镁铝比价突然由1.1提高到1.4，之后爬行到2008年6月份的最高点2.078；之后开始一路下行，直至目前1.17左右。镁、铝之间虽然在单个产品上是一种互相竞争的关系，但从另一种层面上来说，镁、铝产业都是应轻量化的需求而兴起的，镁、铝的应用范围非常广泛。在目前的产能情况下，镁、铝之间还不构成非常直接的竞争关系。
在3C 产品、航空航天方面，轻量化的要求是比较高的，对镁的需求具有较大的钢性；
而在汽车、电力等行业，对轻量化的需求则敏感性较低，对镁的需求也有一定的弹性，这也是为什么汽车行业虽然是镁合金第一大消費領域，但总量一直较低的原因之一。
四、镁、铝合金应用分析
镁合金和铝合金都属于轻工程金属材料，相比其它金属，它们都有“一轻一高三好”的特点———比重轻、比强度高，阻尼性及切削加工性好、导热性好以及减振性好，而且易于回收。
（一）铝合金
铝合金相对于钢铁而言，质量轻许多，密度大约是钢铁的1/3，吸收冲击的能力大约是钢铁的2倍，导热性能大约是钢铁的3倍，所以铝合金是汽车轻量化的首选材料，在汽车上使用比较早。20世纪80年代，美国在轿车上平均使用铝合金为55kg，90年代达到130kg。铝合金在汽车上的应用主要有铸造铝合金、形变铝合金和锻造铝合金。
铸造铝合金主要用于汽车发动机部件、离合器壳体、变速器壳体、后轿壳、转向器壳体、正时齿轮壳体等壳体类零件，也可用于制造保险杠、车轮、发动机框架、转向节液压泵总成、制动钳等零部件。
形变铝合金与铸造铝合金相比，强度、韧性都较高。形变铝合金在汽车上主要用于制造保险杠、发动机罩、制动器总成的保护罩、消声罩、防抱死制动系统、热交换器、车身构架、座位、车箱底板等零部件。
锻造铝合金的价格昂贵，以前只是在欧美高级轿车上有少量应用。由于锻造铝合金热锻时不氧化、表面光洁、机加工余量小、无加工缺陷，所以其在汽车上的应用正在逐渐增加，主要用于汽车的托架和载货汽车的车轮等。
（二）镁合金
全世界已知含镁矿物60余种，镁是目前工业应用材料中最轻的一种金属，也是地壳中含水量丰富的元素之一，镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、尺寸稳定性好、导热导电性能好、吸振性和易于加工成型等特点，所以镁合金是具有竞争力的汽车轻量化材料之一。
在汽车上使用镁合金至少已有60年的历史。早在1930年，lourisChevrolet就在一辆赛车上首次使用镁合金制作活塞。1990年日本等国家在汽车压铸件上也都使用了镁合金。从汽车上使用镁合金零部件的数量看，平均用量不高，远不如铝合金。但是，近年来镁合金在汽车上的应用一直以较快的速度增长。
在汽车上使用镁合金制造的零部件目前绝大部分是压铸件，镁合金压铸件在所有压铸合金中是最轻的，而且使用期限要比铝合金长。镁合金压铸件主要制作汽车仪表板、座椅骨架、变速器壳体、转向盘操纵系统部件、发动机零部件、车门框架、轮毂、支架、离合器壳体、车身支架等。
五、结论
从性能角度看，镁、铝都具有轻便性、导电性、导热性、可塑性、耐腐蚀性等优良特性，因此可以使用铝合金的地方基本都可以使用镁合金，这是镁对铝替代的前提。
从成本角度看，由于镁的质量是铝质量的2/3，在同等重量下，镁的体积比铝增加50%。因此，除了航空航天等对轻量化要求较高的行业，当镁铝价格比小于1.5 时，从经济角度出发，镁合金更有价格优势；大于1.5，则更多的倾向于使用铝合金。
每生产1吨电解铝大约需要2吨氧化铝粉，而每生产1吨氧化铝粉大约还需用2吨左右生矾土，每生产一吨电解铝需耗电14500度/吨左右、碳素500公斤左右，还需要大量消耗其它的原料。其中电费、氧化铝生产成本各占40%，按照每度电消耗0.4元计算，每吨电解铝消耗电费约5800元。而氧化铝的生产成本有较强的钢性，每吨氧化铝的生产成本约2800-3000元，每吨电解铝需消耗氧化铝5600-6000元。按以上电费、氧化铝占生产成本的80%计算，则每吨电解铝的直接生产成本约为14250-14750元/吨之间。镁的生产成本大约为16000元/吨。而铝、镁由于比重不同，单位体积的镁与铝比较具有较大的成本优势。因此，镁对铝的替代基础还是存在的。镁对铝的成本优势是镁对铝替代的关键。
