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合金元素添加剂行业研究

来源:国泰君安 2015-11-27 09:50:00打印

作者:袁建波

1、合金元素添加剂、晶粒细化剂、硅粉体材料简介

(1)合金元素添加剂

随着科学技术以及工业经济的飞速发展,合金化产品以其优秀的性能被行业接受并迅速运用于各行各业,为工业经济发展做出巨大贡献。它主要以一种金属作为基体,添加其他元素形成合金产品,其中铝基合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料,在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。公司产品以铝基合金、镁基合金、钛基合金、高级黑色金属合金等产品的合金元素添加剂为主。

以铝基合金为例。根据360百科对铝合金的介绍,纯铝的密度小(ρ=2.7g/cm3),大约是铁的1/3,熔点低(660℃),铝是面心立方结构,故具有很高的塑性(δ:32~40%,ψ:70~90%),易于加工,可制成各种型材、板材。抗腐蚀性能好;但是纯铝的强度很低,退火状态强度值(σb)约8kgf/mm2,故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验,人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝,这就得到了一系列的铝合金。添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度,强度值(σb)分别可达24~60kgf/mm2。这样使得其“比强度”(强度与比重的比值)胜过很多合金钢,成为理想的结构材料,广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面,飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造,以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接,结构重量可减轻50%以上。

传统的制造合金的方法有两种,一种是通过加入中间合金的方法,另一种是通过加入合金元素添加剂的方式。中间合金是指由一种金属做基体,与其他金属(包括过渡族元素和稀土)或非金属通过热熔和/或化学反应生成的具有特定功能的合金新材料。合金元素添加剂是一种基于高熔点金属通过物理或化学方法将金属制成微米级金属粉末,来实现高熔点金属在低温下熔化,从而达到节能环保、节约资源的目的,主要是在炼金属的时候为达到某几种性能需要的有目的地加入的一定量一种或多种金属或非金属元素的添加型功能材料。

(1)关于中间合金加入技术以铝基合金为例

中间合金加入技术在20世纪40年代中后期我国开始运用。合金成分中的难熔组分,如铜(Cu)、锰(Mn)、钛(Ti)、铬(Cr)、镍(Ni)、铁(Fe)、硅(Si)等,预先将其与铝熔炼铸成中间合金锭;在熔制铝合金配料时,将中间合金锭配料到炉料中,在补料或冲淡时也用这种中间合金加入铝合金熔体中来调整成分。从社会效益方面看,中间合金属于重复生产环节,带来较高的能耗和原料消耗,效率相对较低;从环境方面看,对空气污染较为严重。

2)   关于合金元素添加剂加入技术以铝基合金为例

20世纪80年代中后期,合金元素添加剂加入技术在我国开始试验和应用。铝合金成分中的难熔组分,如铜(Cu)、锰(Mn)、钛(Ti)、铬(Cr)、镍(Ni)、铁(Fe)、硅(Si)等,预先将其制成粉末再与助熔剂、发热剂、引爆剂和防潮剂按配比均匀混合后压制成饼块,在熔炼铝合金时将其加入铝熔体中熔化来完成合金化。这种加入形式称为合金元素添加剂加入法,其饼块称为合金元素添加剂,如铜剂、锰剂、钛剂、铬剂、镍剂、铁剂、硅剂等。

金属添加加入技术与中间合金加入技术相比具有以下优点:

①合金化元素含量高,减少了配料和熔体成分调整时的加料数量;

②重量轻,使用方便;

③为小块状,并且是粉末压制品,加入炉中易熔化,使合金不需太高的熔炼温度;可缩短补料的熔化时间,具有提高生产效率和节能作用;

④添加剂的块重稳定、成分准确,在合理的加人工艺条件下其实收率高而稳定,可提高熔体成分调整的准确度。

(2)硅粉体材料

金属硅亦称结晶硅或工业硅,广泛应用于冶金、化工、电子等行业。硅粉体材料,又称为金属硅粉,工业硅粉,即粉末状的单质硅,就是将硅块研磨成粉末。硅粉体材料,可作为高温耐火材料、合金添加剂、单金硅、有机硅等主要原料,并广泛运用于光伏太阳能、半导体等各行各业。

硅粉体材料的主要用途:

1)金属硅粉广泛的应用于耐火材料、粉末冶金行业中,以提高产品的耐高温,耐磨损和抗氧化性。其产品被广泛的应用于炼钢炉、窑炉、窑具中。

2)在有机硅化工行业,金属硅粉是有机硅高分子合成的基础原料,如用于生产硅单体、硅油、硅橡胶防腐剂,从而提高产品的耐高温性、电绝缘性、耐腐蚀性、防腐蚀性、防水等特性。

3)金属硅粉经化工反应制成多晶硅,广泛运用于太阳能光伏发电行业;多晶硅参杂后拉制成单晶硅,并加工成为硅片被广泛应用于高科技领域,是集成电路,电子元件必不可少的原材料。

4)冶金铸造行业中,金属硅粉作为非铁基合金添加剂、硅钢合金剂,从而提高钢淬透性。金属硅粉也可应用于某些金属的还原剂,用于新型陶瓷合金等。

(3)晶粒细化剂

随着材料科学的发展,为了满足其日益扩大的应用领域及凝固锭料的后续深加工要求,对材料的强度和塑性性能的要求越来越高,以保证铸锭在冷(热)工艺过程中成形为满足各种工业化应用的型材,这就要求对相关材料进行晶料细化。晶粒细化可以有效增强材料的屈服强度,提高材料的塑性和韧性,使金属或合金表面质量得到有效改善。

晶粒细化剂是通过化学晶粒细化法使凝固组织起到细化的效果,即通过向金属或合金熔体中加入少量的某一种元素或化合物,基本不改变金属或合金的化学成分,能够保证金属或合金液在凝固前熔体中已经存在大量的形核质点,它们均匀地分散在熔体中使凝固形核率大大提高,从而达到细化晶粒的目的。这些对凝固组织起到细化的元素或化合物就是该金属或合金的有效细化剂称之为晶粒细化剂。

晶粒细化剂既可以直接加入到金属或合金熔体中,在凝固过程中作为非均质形核质点达到细化晶粒的目的,也可以通过加入的物质与熔体发生反应生成能够促进金属或合金晶粒细化的细化剂,从而在随后的凝固过程中提高形核率,达到细化晶粒的目的。

2、合金元素添加剂制造行业基本情况

合金元素添加剂、晶粒细化剂等产品,通过相关工艺添加到基础金属中形成的金属合金,被广泛运用于军工航天、交通运输、船舶制造、金属包装材料等行业,硅粉体材料主要运用于太阳能光伏、半导体、有机硅、金属3D打印等行业,市场空间巨大。同时,该种产品作为新材料中的高性能金属结构新材料,得到政府政策的有力支持。该行业的基本情况如下:

(1)产品运用广泛,市场空间巨大

合金元素添加剂和晶粒细化剂是金属合金化的关键添加材料,其中合金元素添加剂通过将高熔点金属元素在低温下快速熔化,达到在低温熔化基础金属合金元素添加的目的,使低温熔化的基础金属合金化,从而使低温熔化合金化金属具有高强度、超好的延伸率、耐腐蚀、耐高温、耐磨性能,并提高产品塑性;而晶粒细化剂的加入可以有效增强材料的屈服强度,提高材料的塑性和韧性,改善金属或合金表面质量,使生产的金属合金质量和性能得到有效提升,因此被广泛运用于军工航天、交通运输、船舶制造、金属包装材料等各行各业,市场空间巨大。

此外,硅粉体材料,是生产光伏、半导体、有机硅产品的主要材料。硅具有导电、耐高温和耐火等功效,因此,硅粉体材料常用于耐火材料、粉末冶金行业中,以提高产品的耐高温,耐磨损和抗氧化性。硅粉体材料在有机硅化工行业也得到广泛运用,该种材料生产出来的硅单体、硅油、硅橡胶等,具有耐高温性、电绝缘性、耐腐蚀性、防腐蚀性、防水等特性。利用硅的导电性,生产出来的单晶硅,被广泛应用于高科技领域,是集成电路,电子元件必不可少的原材料。

(2)国家大力扶持新材料行业发展,并给予政策支持

新材料作为国家七大战略性新兴产业之一,主要服务于战略性新兴产业,同时也是新兴产业发展的基础与先导,新材料的应用领域基本集中在新兴产业。随着国家的发展和技术进步,为了鼓励新材料的大力发展,国家制订了相应的政策:

2016年3月17日,国务院出台《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》,在“推动战略前沿领域创新突破”中指出:“坚持战略和前沿导向,集中支持事关发展全局的基础研究和共性关键技术研究,更加重视原始创新和颠覆性技术创新。聚焦目标、突出重点,加快实施已有国家重大科技专项,部署启动一批新的重大科技项目。加快突破新一代信息通信、新能源、新材料、航空航天、生物医药、智能制造等领域核心技术。”

2012年1月4日,工业和信息化部出台了《新材料产业“十二五”发展规划》,指出要重点发展特种金属功能材料、高端金属结构材料、先进高分子材料、新型无机非金属材料、高性能纤维及复合材料和前沿新材料共六大领域,其中新型轻合金材料,大力发展高性能铝合金、镁合金和钛合金,重点满足大飞机、高速铁路等交通运输装备需求。

2012年7月9日,国务院出台《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》,文中提到要“大力发展新型功能材料、先进结构材料和复合材料,以轻质、高强、大规格为重点,大力发展高强轻型合金,积极开发高性能铝合金,加快镁合金制备及深加工,发展高性能钛合金、大型钛板、带材和焊管等。”

2011年6月23日,国家发展和改革委员会、科技部、工业和信息化部、知识产权局、商务部联合发布《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》(2011年度),在新材料一节中提到要重点发展“高性能铝合金、镁合金、钛合金、钨合金及其复合材料,大断面、中空大型钛合金及铝合金板材,镁及镁合金的液态铸轧技术,镁、铝、钛、钨合金的线、板、带、薄板、铸件、锻件、异型材等系列化产品的加工与焊接技术,后加工成形技术和着色、防腐技术以及相关的配套设备”。

(3)市场竞争日趋激烈

受国家政策对新材料行业的扶持影响,越来越多的企业进入到新材料领域,加剧了市场竞争。与此同时,国外世界级从事合金元素添加剂企业为抢占中国市场也开始大举进入,国内企业不仅要面临内部竞争,还要面临外部竞争。

3、行业规模及增长情况

合金元素添加剂、硅粉体材料、晶粒细化剂等产品,通过相关工艺添加到基础金属中形成的金属合金,被广泛运用于军工航天、交通运输、船舶制造、金属包装材料等行业,硅粉体材料主要运用于太阳能光伏、半导体、有机硅、金属3D打印等行业,市场空间巨大。

其行业规模及增长同时也依赖于下游行业的未来增长及市场需求情况。



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