ارائه راهکارهای مطلوب برای توسعه کاربردهای منیزیم در سطح ملی

با توجه به خواص و کاربردهای فلز منیزیم در دنیا و همچنین در دسترس بودن منابع و معادن سرشار آن در ایران نیاز به افزایش استفاده از این ماده در کشور احساس می‌شود. از طرفی عدم وجود نقشه راه منیزیم در ایران و نبود اهتمام کافی جهت تغییر و به روز آوری تکنولوژی‌های موجود ... نویسنده: محسن قسوری

 

بسمه تعالی

 

تاریخ: 22/12/95

ارائه راهکارهای مطلوب برای توسعه کاربردهای منیزیم در سطح ملی

نویسنده: محسن قسوری

تشریح موضوع:
با توجه به خواص و کاربردهای فلز منیزیم در دنیا و همچنین در دسترس بودن منابع و معادن سرشار آن در ایران نیاز به افزایش استفاده از این ماده در کشور احساس می‌شود. از طرفی عدم وجود نقشه راه منیزیم در ایران و نبود اهتمام کافی جهت تغییر و به روز آوری تکنولوژی‌های موجود در ایران کار را دشوار نموده است. لذا در این پروژه سعی در یافتن پاسخ این سؤال داریم که چرا با توجه به منابع در دسترس، خواص مهندسی بالا و صرفه‌ی اقتصادی آن؛ صنعت ایران از به‌کارگیری این فلز ارزشمند بی‌بهره مانده است؟

 

 

رئوس مطالب
معرفی منیزیم.. 4

مطالعه بازار جهانی.. 7

روند های بازار منیزیم.. 8

1- میزان عرضه و تقاضای منیزیم در جهان.. 8

2- روند قیمت‌های جهانی منیزیم.. 11

3- سرانه مصرف منیزیم.. 12

تقسیم‌بندی‌های بازار منیزیم.. 14

1- تقسیم بندی بازار بر اساس تولیدکنندگان.. 14

2- تقسیم بندی بازار بر اساس کاربردهای منیزیم.. 15

مزایای استفاده از منیزیم در خودروسازی.. 17

مزایای اقتصادی.. 17

منافع ملی.. 17

منافع تولید کنندگان.. 17

منافع مصرف کنندگان.. 18

مزایای عملکری و خواص.... 19

وزن کم.. 19

استحکام ویژه (نسبت استحکام به وزن) بالا.. 19

جذب ارتعاشات... 19

کاهش صدا و لرزش.... 19

جاذب امواج الکترومغناطیس.... 20

پایداری ابعادی در برابر حرارت... 20

سیالیت بالا و عدم تخریب قالب دایکست... 20

بهبود عملکرد خودرو. 20

بهبود سایر خواص.... 20

نقش منیزیم در حفاظت از محیط زیست... 21

کاهش مصرف سوخت و انتشار گازهای گلخانه‌ای.. 21

قابلیت بازیافت منیزیم.. 24

محدودیت‌های استفاده از قطعات منیزیم.. 24

قطعات قابل ساخت خودرو با منیزیم.. 25

اقدامات خودروسازان جهان.. 38

وضعیت کنونی صنعت منیزیم در ایران.. 44

تحلیل اقتصادی (مطالعه موردی). 52

سرمایه گذاری مورد نیاز برای تغییر فرآیند تولید.. 52

مقایسه و تحلیل اقتصادی قطعه کارتل منیزیمی و آلومینیومی.. 52

هزینه تجهیزات اصلی.. 52

هزینه های ثابت سرمایهگذاری.. 52

هزینه های مواد اولیه. 52

هزینه های محافظت از مذاب... 53

ماشینکاری.. 53

هزینه های نیروی انسانی.. 54

هزینه های عملیاتی و سرمایه در گردش.... 54

هزینه های حمل و نقل.. 54

تحلیل اقتصادی مقایسه‌ای.. 55

نتیجه گیری.. 57

منابع و مأخذ.. 58

معرفی منیزیم
منیزیم یکی از مواد مهندسی است که در چند دهه­ی اخیر مورد توجه صنایع مختلف قرار گرفته است. استحکام ویژه عالی که مقداری بیشتر از فولاد ها و آلومینیم و کمی پایین تر از تیتانیوم بوده و دانسیته بسیار کم در حدود 74/1 که منیزیم را سبک ترین آلیاژ صنعتی کرده است و قطر اتمی nm320/0 که انحلال تعداد زیادی از عناصر را در منیزیم میسر ساخته است.

از این رو در این فصل ابتدا به معرفی منیزیوم خواهیم پرداخت ، سپس گریزی به عناصر آلیاژی این فلز سبک خواهیم زد و بعد از آن سیستم های آلیاژی معروف این فلز را بررسی و طریقه نامگذاری آلیاژهای آن را شرح خواهیم داد. در ادامه طبقه بندی از این آلیاژها بر اساس نحوه تولید و استفاده و عناصر آلیاژی آن ارائه خواهیم کرد و در آخر گریزی بر میزان علاقه صنعت به این فلز و نوع تولیدات و میزان تولید در سالیان متمادی را بیان، و چشم اندازی از آینده درخشان استفاده از این فلز نسبتا گران را ارائه خواهیم کرد.

منیزیم هشتمین عنصر فراوان در پوسته زمین و سومین عنصر فراوان و قابل حل در آب دریاست. منیزیم فلزی به رنگ سفید نقره‌ای با نماد  Mgو عدد اتمی ۱۲ می باشد. این فلز در گروه فلزات قلیایی خاکی قرار دارد. این عنصر به صورت سه ایزوتوپ پایدار و دو ایزوتوپ ناپایدار وجود دارد. ایزوتوپ های پایدار این فلز در مقادیر زیاد یافت می‌شوند. حدود %۷۹ منیزیم ازایزوتوپ نوع  ۲۴ Mg-می باشد.

جدول 1 درصد ایزوتوپ­های منیزیم و نیمه عمر آنها

ایزوتوپ
Mg-28
Mg-27
Mg-26
Mg-25
Mg-24
درصد موجود
-
-
%01/11 
%10
%99/78 
نیمه عمر
21ساعت
45/9 دقیقه
پایدار
پایدار
پایدار
این فلز از نظر شیمیایی بسیار فعال بوده و در آب سرد بسیار آهسته واکنش می دهد. هوای خشک روی آن اثر نمی‌گزارد ولی در هوای مرطوب تیره می‌شود و تشکیل یک پوشش محافظ نازک نسبتا نفوذ ناپذیر و پایدار به نام کربنات منیزیمیMgCO2.Mg(OH)2  می دهد. هنگامی که پودر یا نوار آن گرم می شود مشتعل شده و با نور سفید شدید سوخته گرمای زیادی آزاد می کند. محصول این واکنش تشکیل اکسید منیزیم یا منیزیا (MgO) است. شعله منیزیم  با آب خاموش نمی شود زیرا آب با هالوژن ها و بیشتر اسیدها واکنش می دهد. منیزیم یک عامل کاهنده قوی است، بنابراین برای آزاد کردن سایر فلزات از هالیدهای بدون آب، مورد استفاده قرار می گیرد. 

فلز Mg با درجات خلوص بیش از %8/99 به سهولت در دسترس می باشد. در کاربردهای مهندسی به ندرت به شکل خالص مورد استفاده قرار می گیرد. قطر اتمی این فلزnm 320/0 سبب می شود که عناصر زیادی در آن حل شود.

منیزیم انعطاف پذیر است اما در حالت سرد شکننده تر از  Alو Cu  می باشد.البته هنگامی که گرم شود قابلیت چکش­خواری پیدا می­کند. دلیل این مسأله، ساختار کریستالی شش وجهی آن است. در دمای کمتر از 225 درجه سانتیگراد تنها سیستم لغزش {0001} <1120> و سیستم دوقلویی هرمی{1012} <1011>  فعال است. منیزیم خالص و آلیاژهای متداول ریخته‌گری از مناطق دوقلویی شده یا صفحات {0001} با دانه­های درشت دچار شکست درون دانه­ای می­شوند. در دمای بالای 225 درجه سانتیگراد ناگهان سیستم لغزش جدیدی با صفحه لغزش {1011} فعال می‌شود که تغییر شکل آن را میسر می‌سازد[1].

 

شکل 1 صفحات و جهات اصلی در واحد شبکه منیزیم [2]

خواص فیزیکی، مکانیکی، شیمیایی و الکتریکی منیزیم در جدول زیر نشان داده شده است:

جدول 2 خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی منیزیم

12
عدد اتمی
 305/24g.mol -1
وزن اتمی یا عدد جرمی
160 pm
شعاع اتمی
30
تعداد نوترون ها
3g.cm-­­ 74/1
چگالی در °C20
جدول 3) ادامه از صفحه قبل

3g.cm- 584/1
چگالی مایع در نقطه ذوب
650 °C
نقطه ذوب
1107 °C
نقطه جوش
5
تعداد ایزوتوپ
[Ne] 3s2
پوسته الکترونی
پارامغناطیس
حالت مغناطیسی
737 kJ.mol -1
انرژی اولین یونیزاسیون
31/1
الکترونگاتیویته
34/2- V
پتانسیل استاندارد
17 GPa
مدول برشی
45 GPa
مدول یانگ
45 GPa
مدول بالک
290/0
نسبت پواسون
5/2
سختی موس
260 MPa
سختی برینل
 869/24J·mol−1·K−1
ظرفیت گرمایی مولی
48/8 kJ/mol
گرمای ذوب
128 kJ/mol
گرمای تبخیر
156 W·m−1·K−1
هدایت حرارتی
8/24 µm·m−1·K−1
انبساط حرارتی در  °C25
9/43 nΩ·m
مقاومت الکتریکی در  °C20
در میان فلزات قلیایی روی زمین منیزیم دارای حداقل واکنش پذیری می­باشد. در صورتی که گرم شود با آب واکنش داده و هیدروکسید منیزیم و هیدروژن تولید می­کند ولی این واکنش به آهستگی صورت می­گیرد. نوارهای منیزیم در هوا با نور سفیدی می­سوزند تا اکسید منیزیم تشکیل شود. این فلز همچنین با هر یک از هالوژن­ها برای تشکیل هالید منیزیم مربوطه واکنش می­کند و نیز با نیتروژن برای تشکیل نیترید منیزیم در دماهای بالا واکنش می کند. هنگامی که با گوگرد حرارت داده می شود، سولفید منیزیم تشکیل می شود. منیزیم به سرعت با اسیدها واکنش می دهد و جایگزین هیدروژن اسید می شود. منیزیم محدوده وسیعی از ترکیبات یونی را تشکیل می دهد. این ترکیبات بطور عمومی بیشتر از عناصر سنگین گروه تمایل به انحلال دارند. منیزیم همچنین با کربن پیوند کوالانسی تشکیل می دهد. 

محصولات بر پایه منیزیم در محدوده وسیعی از خواص مکانیکی قابل دسترسی هستند. استحکام کششی و سایر خواص مواد منیزیمی وابسته به ترکیب، شرایط (ریختگی یا کار شده)، جزئیات ساخت، عملیات حرارتی و سایر فاکتورها می­باشد. برای یک ترکیب مشابه، برخی از خواص مکانیکی بطور قابل توجهی با نوع محصول تغییر می­کند. بر این اساس، تعریف نوع ماده، به علاوه ترکیب آلیاژ مهم است. همچنین جهت ساخت و ضخامت محصول، فاکتورهایی هستند که استحکام و سایر خواص را تحت تاثیر قرار می­دهند.  

مطالعه بازار جهانی
تحقیقات بازار یا Market Research اصطلاحی است که به روند جمع‌آوری اطلاعات در مورد مخاطبان هدف و بازار هدف اشاره دارد. نقش اصلی تحقیقات بازار این است که به یک شرکت یا یک سازمان کسب‌وکار با نمایش عمیق از مشتریان یا مصرف‌کنندگان به‌منظور برآوردن نیازهای خود بهتر کمک کند. این فرآیند از تحقیقات بازار قادر به رقابت با بازیکنان دیگر در همان صنعت است و به تجزیه و تحلیل چیزهایی مانند اندازه بازار، رقابت و نیازهای بازار کمک می‌کند. در واقع تحقیقات بازار، جمع آوری و تجزیه و تحلیل سیستماتیک و هدفمند از داده‌هایی در مورد بازار هدف، رقابت و محیط است. [1]مطالعه بازار جهانی منیزیم با اهداف زیر انجام می‌شود.

·         بهره‌برداری از فرصت

·         تشخیص نوع ارتباطات

·         حداقل کردن ریسک

·         شناسایی روند و سهم بازار آینده

·         کشف مشکلات احتمالی

 
روند های بازار منیزیم
روندها مجموعه اطلاعاتی هستند که در یک بازه زمانی به دست می‌آیند. ملاحظه این روندها ما را در تخمین آینده‌ی محتمل بازار یاری می‌کند.

1- میزان عرضه و تقاضای منیزیم در جهان
منیزیم در مصارف گوناگونی مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عنوان مثال از برخی ترکیبات منیزیم در صنایع پزشکی و دارویی استفاده می‌شود. برخی از ترکیبات منیزیم در کودهای شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد و ...

در نمودار شکل 2 میزان تولید جهانی ترکیبات منیزیم بر حسب کیلوتن بر سال نشان داده شده است. این اطلاعات مربوط به سال‌های 2001 تا 2016[2] میلادی است.

28/6CAGR = 
شکل 2 میزان تولیدات جهانی ترکیبات منیزیم بر حسب کیلوتن در سال[3]

 

علاوه بر ترکیبات منیزیم آمار میزان تولیدات منیزیم فلزی در جهان مورد مطالعه قرار گرفته است. شکل 3 میزان تولیدات جهانی منیزیم فلزی بر حسب کیلوتن در سال را نشان می‌دهد. این اطلاعات مربوط به سال‌های 2001 تا [4]2016 میلادی است. میزان تولید منیزیم در سال 2016 برابر 1 میلیون تن بوده است که نسبت به سال گذشته رشدی معادل %5/4 داشته است. 

36/5CAGR = 
شکل 3 میزان تولیدات جهانی منیزیم فلزی بر حسب کیلوتن در سال[5]

با توجه به روندهای مذکور تولیدات ترکیبات منیزیم در 15 سال گذشته سالانه رشدی در حدود %9/9 داشته است. همچنین تولیدات جهانی منیزیم فلزی در 15 سال گذشته، سالانه رشدی در حدود %9/7 را تجربه کرده است.

برای پیش‌بینی میزان رشد در دراز مدت معمولاً از نرخ رشد مرکب سالانه[6] (CAGR) استفاده می‌شود. این فاکتور در مقایسه میانگین رشد سالانه، میزان رشد واقعی‌تری را در دوره‌های چند ساله نشان می‌دهد. CAGR در دوره‌ی 15 ساله مورد بررسی برای کل ترکیبات منیزیمی %28/6 است. همچنین نرخ رشد مرکب سالانه CAGR در دوره‌ی 15 ساله مورد بررسی برای تولیدات منیزیم فلزی %36/5 است. 

با استفاده از فاکتور CAGR می‌توان میزان مصرف منیزیم در آینده را پیش‌بینی نمود. با فرض اینکه میزان مصرف منیزیم به شکل یکنواخت در آینده ادامه پیدا کند و اتفاق غیر منتظره‌ای نیفتد یک دوره 15 ساله منیزیم را پیش‌بینی می‌کنیم. این میزان مصرف منیزیم فلزی تا سال 2031 میلادی (1410 شمسی) است. شکل 4 نشان دهنده پیش‌بینی میزان مصرف منیزیم با فرض ثابت بودن نرخ رشد است. بر اساس این پیش‌بینی میزان مصرف منیزیم فلزی در سال 2031 برابر 2374 کیلوتن است. 

36/5CAGR = 
شکل 4 پیش‌بینی میزان تولیدات جهانی منیزیم فلزی بر حسب کیلوتن در سال تا سال 2031 میلادی

تحلیل بر پایه فاکتور CAGR میزان رشد را در دراز مدت مشخص کرده و از نوسانات سالانه چشم‌پوشی می‌کند. در این تحلیل علیرغم نوسانات احتمالی سال به سال یا حتی منفی بودن رشد در یک یا چند سال، میزان رشد نهایی تا سال 2031 مثبت تخمین زده می‌شود. 

با توجه به اطلاعات موجود بر پایه‌ی پنج سال اخیر CAGR برابر %13/5 است. بر اساس گزارشی که آلن کلارک[7] (رئیس هیأت مدیره گروه مشاوره‌ای CM استرالیا[8]) در کنفرانس سالانه جهانی انجمن بین‌المللی منیزیم (IMA)[9] در سال 2014 در مونیخ آلمان ارائه داد؛ میزان نرخ رشد مرکب سالانه تقاضای جهانی منیزیم بر پایه‌ی پنج سال اخیر %7/7 پیش‌بینی می‌شود. 

با توجه به اینکه میزان رشد کنونی تقاضای منیزیم بیش از میزان تولید آن است، ورود به این بازار با حاشیه سود مناسبی همراه خواهد بود.  

2- روند قیمت‌های جهانی منیزیم
مطالعه روند قیمت‌های جهانی منیزیم در سال‌های گذشته می‌تواند اطلاعات مناسبی راجع به بازار این محصول ارائه دهد. روند قیمت‌های جهانی منیزیم در 15 سال گذشته مورد مطالعه قرار گرفته است. شکل 5 روند قیمت‌ جهانی منیزیم فلزی را برحسب دلار بر تن نشان می‌دهد. این اطلاعات بر اساس قیمت‌های بازار آزاد اروپا[10] و بازار آزاد چین[11] جمع‌آوری شده است. 

 

شکل 5  قیمت جهانی منیزیم فلزی بر حسب دلار ایالت متحده بر تن[12]

قیمت جهانی منیزیم فلزی از ثبات نسبی برخوردار است. ثبات قیمت به لحاظ قابلیت برنامه‌ریزی و مدیریت تولید مزیت محسوب می‌شود چراکه رفتار بازار را قابل پیش‌بینی می‌کند. ضریب تغییرات قیمت جهانی منیزیم فلزی طی 15 سال گذشته برابر %22 می‌باشد. ضریب تغییرات این شاخص بر پایه‌ی پنج سال اخیر برابر %7/17 است. 

در تحلیل روند قیمت منیزیم جهانی در سال‌های 2006 و 2007 یک افزایش قیمت ناگهانی اتفاق افتاده است که ناشی از افزایش میزان تقاضای منیزیم جهانی است. با افزایش تولید در سال 2007 یک کاهش نسبی کم در سال 2008 ملاحظه می‌شود چراکه افزایش میزان تولید کمی از تقاضای جدید را پوشش داده است. در سال‌های 2008 تا 2012 این افزایش قسمت به دلیل میزان بالای تقاضا باقی مانده است. پس از آن در سال‌های 2013 تا 2015 کاهش قیمت ملاحظه می‌شود. این کاهش قیمت به دلیل افزایش میزان عرضه با به وجود آمدن کارخانه‌های جدید تولید منیزیم در چین است. پس از آن تا سال 2016 و اکنون قیمت منیزیم یک افزایش نسبی داشته که ناشی از رویکرد جدید شرکت‌های بزرگ خودروسازی به استفاده از قطعات دایکست منیزیم است. این موضوع در قسمت تقسیم‌بندی بازار به طور دقیق بررسی خواهد شد.  

3- سرانه مصرف منیزیم
یکی از شاخص‌های مهم در بررسی‌های اقتصادی میزان سرانه مصرف می‌باشد. بر اساس اطلاعات به دست آمده میانگین میزان سرانه مصرف منیزیم در جهان درسال 2016 برابر 147 گرم است. در حالی که این میزان در همین سال برای ایران 125 گرم است. 

جدول 4 سرانه مصرف منیزیم بر اساس آمار سال 2016 میلادی[13]

کشور یا منطقه
سرانه مصرف منیزیم (گرم)
میانگین جهانی
147
رژیم صهیونیستی اسرائیل
3004
چین
723
قزاقستان
554
روسیه
460
ایالات متحده امریکا
370
ژاپن
344
اکراین
180
ایران
125
این آمار درحالی است که میانگین میزان سرانه مصرف منیزیم در جهان در سال 2015، 2010 و 2005 به ترتیب برابر 141، 118 و 104 گرم بوده است. میزان سرانه مصرف منیزیم در سال برای تعدادی از کشورهای پیشرو در صنعت منیزیم در جدول 4 آمده است.

بنابراین با توجه میانگین سرانه مصرف منیزیم جهانی، کشور ایران در کل می‌بایست حدود 1800 تن افزایش مصرف منیزیم داشته باشد. ایران از نظر برخورداری از مزایای طبیعی مانند ذخایر فراوان مواد اولیه منیزیم آبی و خاکی قابل مقایسه با کشورهایی مانند قزاقستان، روسیه، چین، ایالات متحده امریکا و رژیم صهیونیستی اسرائیل است.     

 
تقسیم‌بندی‌های بازار منیزیم
1- تقسیم بندی بازار بر اساس تولیدکنندگان
تقسیم‌بندی بازار بر اساس تولیدکنندگان می‌تواند به تحلیل آینده‌ی بازار و عوامل مؤثر در پیشرفت یک صنعت در کشورهای مختلف کمک کند. با بررسی کشورهای پیشرو در تولید محصولات منیزیمی عوامل پیشرفت این صنعت از جمله، وجود منابع و معادن طبیعی، هزینه‌های ساخت و قیمت انرژی بیش از پیش مشخص می‌شود.

تولیدکنندگان عمده‌ی منیزیم شامل کشورهای چین، ایالات متحده امریکا، برزیل، رژیم صهیونیستی، قزاقستان، کره جنوبی، روسیه، ترکیه و اکراین هستند. 

جدول 5 میزان تولید منیزیم فلزی بر اساس آمار سال 2016 میلادی[14]

کشور یا منطقه
میزان تولید منیزیم فلزی سالانه (هزار تن)
چین
880
ایالات متحده امریکا
75
روسیه
60
رژیم صهیونیستی اسرائیل
25
برزیل
15
قزاقستان
10
کره جنوبی
10
اکراین
8
ترکیه
6
دیگر کشورها
10
 

در این میان چین با تولید 880 هزارتن منیزیم، سهمی بیش از 80 درصد تولیدات منیزیم را به خود اختصاص داده است. بنابراین سیاست‌های صنعتی این کشور اهمیت به سزایی در این صنعت خواهد داشت. سیاست‌های توسعه، افزایش ظرفیت‌ کارخانه‌ها، احداث خط تولیدهای جدید و یا کنترل بازار از مسائلی است که باید مورد توجه کشورهای دیگر قرار گیرد.

 

شکل 6  سهم کشورهای تولیدکننده منیزیم در میزان تولید منیزیم فلزی در سال 2016

منابع و معادن منیزیمی به وفور در طبیعت یافت می‌شوند. منابع دولومیت و دیگر کانی‌های حاوی منیزیم فراوان هستند. میزان منیزیم موجود در منابع میلیاردها تن تخمین زده می‌شود. علاوه بر معادن سطح زمین، منیزیم می‌تواند از آب دریا استخراج شود.

2- تقسیم بندی بازار بر اساس کاربردهای منیزیم
منیزیم دارای کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف دارد. کاربردهای منیزیم را می‌توان به پنج دسته اصلی تقسیم بندی کرد. بیشترین میزان استفاده از منیزیم تولید قطعات به روش دایکست بوده، بعد از آن استفاده از منیزیم به عنوان عنصر آلیاژی در آلیاژهای آلومینیم است. گوگردزدایی از دیگر مصارف منیزیم است که در فولاد سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از منیزیم در احیا فلزات دیگر به عنوان احیاکننده از دیگر کاربردهای این فلز است. استفاده از منیزیم در صنایع پزشکی، لوازم خانگی، لوازم ورزشی، قطعات الکترونیکی و مصارف آتش بازی نیز در یک دسته تقسیم بندی می‌شود.

 

شکل 7 درصد کاربردهای منیزیم در جهان

 در این میان استفاده از منیزیم در تولید قطعات دایکست از بیشترین رشد در آینده برخوردار است. CAGR قطعات دایکست خودرو منیزیم برای سال‌های 2015 تا 2020 حدود %10 پیش‌بینی شده است. مهمترین عوامل رشد این قسمت از بازار عبارتند از: افزایش الزامات قانونی، افزایش تقاضا برای قطعات سبک‌تر و خودروهای با بهره‌ی بالاتر با درنظر گرفتن این واقعیت که منیزیم %75 سبک‌تر از فولاد، %50 سبک‌تر از تیتانیم، %33 سبک‌تر از آلومینیم است. 

منیزیم در این بازار در قطعات داخلی، انتقال قدرت، شاسی و خارجی خودرو بیشترین کاربرد را دارد. قطعات داخلی موتور بیشترین سهم را داشته و انتظار می‌رود در آینده نیز بیشترین سهم را داشته باشد. پس از آن ساخت ورق‌های آلیاژی از منیزیم برای استفاده در بدنه‌ی خودرو، آینده‌ی مناسبی خواهد داشت.

خودروهای سواری سبک بیشترین میزان تولید را در میان خودروهای جهان دارد. بنابراین بیشترین حجم مصرف منیزیم در خودروهای سواری سبک است. با توجه به ورود قطعات منیزیم به خودورهای آمریکای شمالی و اروپا انتظار می‌رود این مناطق همچنان بزرگ‌ترین بازار قطعات خودرو منیزیم را داشته باشد.

با توجه به اینکه استفاده از منیزیم در صنایع خودروسازی در جهان نسبت به سایر بخش‌ها رشد بیشتری داشته و همچنین منافع چندگانه‌ای که منیزیم برای تولیدکننده و مصرف‌کننده فراهم می‌کند، تمرکز در بخش خودروسازی می‌تواند حائز اهمیت باشد. راجع به منافع استفاده از منیزیم در خودرو در بخش‌های بعدی توضیحات مفصلی ارائه شده است. 

مزایای استفاده از منیزیم در خودروسازی
بی شک استفاده از منیزیم در خودروسازی دارای مزایای فراوانی است. تعدادی از خودروسازان پیشرفته دنیا در ساخت خودروهای جدیدشان به استفاده از این ماده روی آورده اند که حاکی از این مزایاست. مزایای منیزیم با توجه به زیرساخت‌ها، شرایط محیطی، اقلیمی، اقتصادی و تکنولوژیکی کشور قابل بررسی و مطالعه است. در ادامه به برخی از این مزایا اشاره می‌شود.

مزایای اقتصادی
استفاده از منیزیم و به طور خاص استفاده از منیزیم در خودروسازی دارای منافع و مزایای اقتصادی زیادی است. برخی از این مزایا کلی بوده و برای تمام کشورها وجود دارد و برخی از این مزایا منحصر در ایران است. برخی از این مزایا، ملی، برخی مربوط به تولید کنندگان و برخی مربوط به مصرف کنندگان محصولات منیزیمی است. به همین منظور منافع استفاده از منیزیم در خودروسازی در سه قسمت توضیح داده شده است.

منافع ملی
منافع ملی استفاده از منیزیم عبارتند از:

·         منابع اولیه موجود در کشور (دولومیت و آب دریا)

·         موجود بودن تکنولوژی استخراج و ریخته گری

·         کاهش مصرف سوخت

·         کاهش آلودگی هوا و هزینه‌های کنترل آلودگی

·         قابلیت بازیافت

منافع تولید کنندگان
·         مواد اولیه ارزان نسبت به فلزات

·         فرایند ساخت ارزان نسبت فلزات

·         حمل و نقل ارزان‌تر

·         قابلیت بازیافت نسبت به کامپوزیت‌های پلیمری

·         نقطه سربه سر کمتر از یک سال در اکثر فرایندها

·         عدم یا کم بودن رقبای داخلی و خارجی

منافع مصرف کنندگان
·         کاهش هزینه‌های سوخت

·         استفاده از امکانات بیشتر در خودرو

 
مزایای عملکری و خواص
وزن کم
اولین مزیت مصرف آلیاژهای منیزیم در صنعت خودروسازی، کاهش وزن است که به تبع آن فواید زیادی حاصل می­شود که در ادامه بخشی از آن­ها اشاره می­شود. منیزیم با چگالی 7/1 گرم بر سانتی‌متر مکعب حدود %37 سبک‌تر از آلومینیم، %62 سبک‌تر از تیتانیم و %78 سبک‌تر از آهن است. این ویژگی سبب شده تا منیزیم سبک‌ترین فلز سازه‌ای شناخته شود. 

استحکام ویژه (نسبت استحکام به وزن) بالا
همراه با چگالی پایین، آلیاژهای منیزیم استحکام قابل توجهی از خود نشان می‌دهند. این ویژگی سبب افزایش نسبت استحکام به وزن این فلز شده است. به عنوان مثال جهت تغییر جنس تیری ۱۰ کیلویی از فولاد، می‌توان بدون تغییر چقرمگی از تیری منیزیمی با وزن 8/3 کیلوگرم استفاده کرد. نسبت بالای استحکام به وزن سبب شده در بسیاری از قطعات مختلف صنایع هوایی و خودرو سازی از منیزیم استفاده شود. نمونه چنین قطعاتی پوسته جعبه دنده هلیکوپتر می‌باشد.

جذب ارتعاشات
از ویژگی‌های دیگر آلیاژهای منیزیم می‌توان به قابلیت جذب ارتعاشات توسط این فلز اشاره کرد. این ویژگی سبب شده استفاده از آلیاژهای منیزیم برای مدیریت ارتعاشات مخصوصاً در صنعت خودرو بسیار مورد توجه قرار گیرد. در مقایسه با آلیاژ آلومینیوم A356 با ضریب میرایی %1 در تنش ۱ مگا پاسکال، برای آلیاژ AZ91 منیزیم این ضریب %۲۵ می‌باشد. در تنش ۱۰۰ مگا پاسکال این ضریب برای آلومینیومA356 ، %4 و برای منیزیمAZ91 ، %54 می‌باشد.

کاهش صدا و لرزش
جذب ارتعاشات منجر به کاهش صدا و لرزش قطعات می‌شود. از آنجایی که خاصیت جذب ارتعاشات در منیزیم نسبت به آلومینیوم و فولاد بالاتر است، قطعات منیزیمی می­تواند در قسمت­هایی از خودرو که لرزش و صدای خشن و بلند تولید می­شود، مورد استفاده قرار گیرد.

جاذب امواج الکترومغناطیس
علاوه بر قابلیت میرایی ارتعاشات، منیزیم سپری قوی در برابر امواج الکترو مغناطیس نیز می‌باشد. دیواره‌ای ۱ میلی‌متری از منیزیم به راحتی می‌تواند امواجی با شدت های بالاتر از ۸۵ دسی بل را سد کند. از این ویژگی منیزیم برای تولید بدنه تلفن‌های همراه، تجهیزات الکترونیکی، نظامی و تولید سیم‌های انتقال اطلاعات پرتوان استفاده می‌شود.

پایداری ابعادی در برابر حرارت
یکی دیگر از خصوصیات آلیاژهای منیزیم در مقایسه با آلومینیوم پایداری ابعادی در برابر تغییرات حرارتی می‌باشد. در منیزیم، پارامترهای مختلف خواص حرارتی مانند رسانایی پایین‌تر و گرمای ویژه بالاتر از آلومینیوم می‌باشد. از جمله فرایندهای تحت تأثیر خواص حرارتی ماشین کاری دقیق می‌باشد. آلیاژهای منیزیم حین گرم و سرد شدن سریع در فرایند ماشین کاری، تغییرات ابعادی کمی دارند. این ویژگی ماشین کاری دقیق این آلیاژها را ساده‌تر می‌سازد.

سیالیت بالا و عدم تخریب قالب دایکست
منیزیم در مقایسه با آلومینیوم، سیالیت بالا در ریخته‌گری، نیاز به فشار کمتر در دایکست و عدم واکنش با فولاد در بوته و قالب می‌باشد. با در نظر گرفتن این مزایا می توان برای دایکست قطعه‌ای منیزیمی از دستگاه‌های دایکست با ظرفیت کمتر استفاده نموده و تعداد به مراتب بیشتری قطعه در قالب‌های مشابه فولادی تولید کرد.

بهبود عملکرد خودرو
کاهش وزن، سبب افزایش شتاب خودرو می­شود، خصوصاً کاهش وزن قطعات تشکیل دهنده قسمت جلوی خودرو، سبب انتقال مرکز ثقل به طرف عقب خودرو می­شود، که در نتیجه آن سیستم عملکرد فرمان بهبود می­یابد.

بهبود سایر خواص
منیزیم، نسبت به پلاستیک استحکام، چقرمگی، پایداری و هدایت حرارتی بیشتر و در مقایسه با آلومینیوم استحکام مخصوص، ازدیاد طول نسبی و انرژی ضربه بالاتر و همچنین در مقایسه با فولاد، مقاومت در برابر رطوبت و متخلخل شدن وسیع­تری دارد. همچنین با بکار گیری از آلیاژهای منیزیم و جوانه­زایی می­توان این خواص را تقویت کرد.

 
نقش منیزیم در حفاظت از محیط زیست
کاهش مصرف سوخت و انتشار گازهای گلخانه‌ای
حفاظت از محیط زیست تا حد زیادی به صنایع حمل و نقل و خصوصا به انتشار دی اکسید کربن حاصل از وسایل نقلیه جاده یا و ریلی بستگی دارد. گازهای آلاینده ناشی از صنایع حمل و نقل شامل هیدروکربن­های نسوخته، اکسیدهای ازت، منواکسید کربن و اکسید گوگرد می­باشد. بین وزن وسیله نقلیه، کاهش مصرف سوخت و نهایتاً میزان انتشار CO2 یک رابطه مستقیم برقرار است که در شکل نشان داده شده است.

اروپا و آمریکای شمالی، متعهد شده­اند که %25 از مصرف سوخت خود بکاهند و در نتیجه تا سال 2010 میلادی انتشار دی اکسید کربن را تا 30 درصد کاهش دهند. به چند طریق می توان این مشکل را برطرف کرد. روش­هایی مانند استفاده از دیگر منابع سوختی، توسعه قطار­های برقی، بهبود آیرودینامیکی و غیره. با این حال به نظر می­رسد که کاهش وزن، کارآمد­ترین و اقتصادی­ترین روش برای کاهش مصرف سوخت و میزان انتشار گاز دی­اکسید­کرین است.

نیاز به امنیت بیشتر در خودرو­ها و هم­چنین افزایش قابلیت­های الکترونیکی خودرو­ها باعث افزایش وزن آن­ها می­شود. به طور مثال بین سال­های 1990 و 2002، وزن خودرو سدان از 5/1 تن به 2/2 تن افزایش یافت که این افزایش وزن، افزایش مصرف سوخت و آلودگی هوا را به دنبال داشت. به همین ترتیب کاهش میزان مصرف سوخت می‌تواند سبب کاهش آلودگی هوا و کاهش میزان مرگ و میر ناشی از آلودگی هوا شود. منیزیم به دلیل خصیصه سبکی، می تواند به حفظ محیط زیست کمک کند.

 

شکل 8 ارتباط بین وزن خودرو و میزان مصرف سوخت

 

جدول 6 ارتباط بین وزن خودرو و کاهش مصرف سوخت را نشان می‌دهد. 

جدول 6 ارتباط بین کاهش وزن خودرو، میزان مصرف سوخت و کاهش انتشار گاز CO2 برای یک خودروی 1200 کیلوگرمی

میزان کاهش انتشار CO2 (تن)
کاهش مصرف سوخت سالانه

کشور (لیتر)
درصد کاهش وزن خودرو
میزان کاهش وزن خودرو (kg)
000/43
000/150/186
%1
12
600/747
000/300/372
%2
24
000/537/3
000/045/545/1
%6/8
100
میزان مرگ و میر افراد بر اثر بیماری‌های مستقیم ناشی از آلودگی هوا بر اساس آمار سال 1392 در سه شهر تهران، مشهد و اصفهان در جدول 7 گزارش شده است.[15]

جدول 7 میزان مرگ میر سالانه ناشی از بیماری‌های مرتبط با آلودگی هوا

میزان مرگ میر سالانه (سال 92)
شهر
 4400 نفر
تهران
3200 نفر
مشهد
2700 نفر
اصفهان
10300نفر
کل
 

با توجه به میزان بالای مرگ و میر در اثر آلودگی هوا ضرورت کاهش میزان مصرف سوخت و آلاینده‌ها بیشتر می‌شود. با کاهش وزن خودرو و کاهش مصرف سوخت تعداد زیادی از مرگ و میر ناشی از آلودگی هوا کم خواهد شد. بنابراین کاهش وزن خودرو به عنوان مؤثرترین کاهش میزان مصرف سوخت در نهایت منجر به حفظ جان تعدادی از افراد جامعه خواهد شد. این ارتباط در جدول زیر نشان داده شده است. 

جدول 8 ارتباط بین کاهش وزن خودرو، کاهش انتشار گاز CO2 و کاهش تعداد مرگ و میر افراد در سال

کاهش تعداد مرگ میر در سال
درصد کاهش انتشار CO2
درصد کاهش وزن خودرو
62 نفر
%6/0
%1
124 نفر
%2/1
%2
531 نفر
%16/5
%6/8

 

قابلیت بازیافت منیزیم
منیزیم از جهت قابلیت بازیافت نسبت به برخی مواد مانند پلاستیک‌ها و برخی پلیمرها مزیت دارد. بازیافت مواد از 30 تا %90 قابل انجام است. به این طریق منیزیم مصرفی دوباره وارد چرخه‌ی تولید شده و طبیعت را آلوده نمی‌کند.

از طرفی به دلیل واکنش‌پذیری بالای منیزیم با اکسیژن زودتر از سایر فلزات در جذب خاک شده و تجزیه می‌شود.

محدودیت‌های استفاده از قطعات منیزیم
1) مذاب آلیاژ منیزیم در کلیه مراحل ذوب و ریخته­گری می­بایست از اکسیداسیون محافظت شود. این امر نیاز به ابزار محافظت از اکسیداسیون دارد.

2) خوردگی قطعه منیزیمی و کاربرد محدودتر آن­ها در دمای بالا یکی از معایب آنها محسوب می­شود که با توجه به گستره وسیع آلیاژهایی که امروزه قابل تولید هستند و با بهینه­سازی این آلیاژها با روش­های مختلف به راحتی می­توان از خوردگی منیزیم جلوگیری کرد و کاربرد آن را در دمای بالا تضمین کرد. آلیاژهای قدیمی منیزیمی که حاوی مقادیر بیشتری از مس، آهن و نیکل در مقایسه با آلیاژهای منیزیم استاندارد 1980، خوردگی بیشتری را نشان می­دهند. در آلیاژهای مدرن بسیاری از مسائل مربوط به خوردگی مرتفع شده است.

3) اصولاً تولید قطعه از آلیاژهای آلومینیوم و منیزیم به روش HPDC با هزینه بالایی همراه است و نیز خواص مکانیکی قطعات تولیدی به لحاظ ورود فیلم­های اکسیدی متغیر است. البته این مورد در آلیاژهای آلومینیوم نیز وجود دارد و مختص آلیاژهای منیزیم نیست. با استفاده از قواعد و نرم افزارهای جدید می­توان سرعت ورود مذاب به درون قالب را کنترل کرده و در نتیجه خواص مکانیکی یکسانی را در قطعات بوجود آورد.

4) اتصال و پیچ کردن قطعات منیزیمی به قطعات آهنی عمل مناسبی نیست. لذا از پیچ‌ها و اتصالات مخصوص به خود منیزیم باید استفاده شود.  

 5) ناهمسانگردی خواص مکانیکی از دیگر محدودیت‌های نسبی منیزیم است. منیزیم به علت داشتن ساختمان کریستالی هگزاگونال هنگامی که تحت تغییر شکل قرار گیرد دانه‌های هم‌محور تشکیل می‌دهد. لذا بیش از %90 محصولات منیزیمی به شکل ریخته‌گری تولید می‌شوند.

قطعات قابل ساخت خودرو با منیزیم
تا کنون قطعات زیادی توسط شرکت‌های بزرگ خودروسازی از جنس منیزیم و آلیاژهای آن ساخته شده اند. در تصاویر زیر به تعدادی از آنها اشاره شده است.

   

شکل 9 راست: مانیفولد 12 سیلندری Audi از جنس AZ91 (43/8 کیلوگرم)؛ چپ: پشت قطعه

 

شکل 10 مانیفولد ورودی Audi V8 از جنس AZ91 (وزن 490/5 کیلوگرم) 

 

شکل 11 پوسته موتور؛ از جنس AS41 (وزن 7/9 کیلوگرم)

 

 

شکل 12 نمونه اولیه پوسته موتور از جنس AZ91 (وزن 6/10 کیلوگرم) 

 

شکل 13 پوسته سرسیلند خودرو Audi از جنس AZ91

 

شکل 14پوسته سرسیلند خودرو BMW از جنس AZ91 (وزن 929 گرم)

 

شکل 15 راست: غربیلک فرمان خودرو فولکس واگن گلف از جنس AM50 (515 گرم) ؛ غربیلک فرمان خودرو فولکس واگن 3L Lupo از جنس AM50

 

شکل 16 کنسول میله فرمان خودرو Audi A6 از جنس AZ91 (وزن 920 گرم)

 

شکل 17 قفل فرمان خودرو فولکس واگن از جنس AZ91 (295 گرم)

 

شکل 18 فریم صندلی خودرو آلفارومئو

 

شکل 19 قاب رادیو خودرو از جنس AZ91 (74 گرم)

 

شکل 20 اهرم ترمز دستی خودرو پورشه (وزن با روکش 920 گرم)

 

شکل 21 قاب کیسه هوا

 

شکل 22 قسمت داخلی درب عقب خودروی VW 3L Lupo

 

شکل 23 محفظه باک خودروی دایملر کرایسلر SLK از جنس AM60 (2/3 کیلوگرم)

 

 

شکل 24 پنل داشبرد خودرو فیات ستیلو

 

 

شکل 25پنل داشبورد خودروی BMW-mini

 

 

شکل 26سقف اتاقک خودروی پورشه بوکستر

 

شکل 27 قسمت داخلی کاپوت خودروی VW – 3L-Lupo  از ورق منیزیم 

 

شکل 28کاپوت سرهم شده با قطعه شکل قبل

 

شکل 29 فریم پنجره خودرو فولکس واگن اکسترود شده (نمونه تحقیقاتی)

 

 

شکل 30 خودرو فولکس واگن 1 لیتر مصرف. ویژگی‌های کلیدی: وزن کل: 290 کیلوگرم؛ حداکثر سرعت: km/h120 موتور یک سیلندر؛ مصرف: 99/0 لیتر در km100

 

شکل 31 طرح و مواد مصرفی در خودرو 1 لیتر مصرف شکل قبل

              

شکل 32 محفظه قفل فرمان 

 

 

 

 

شکل 33 براکت ستون فرمان، داخلی و بیرونی

           

شکل 34 براکت پدال ترمز (منیزیم و آلومینیم)

  

شکل 35 فریم صندلی خودروی فورد

 
اقدامات خودروسازان جهان
کشورهای توسعه یافته در زمینه‌ی استفاده از منیزیم در صنعت خودرو سازی اقداماتی انجام داده اند. محوری‌ترین هدف در این پروژه‌ها کاهش میزان سوخت خودرو بوده است. خودروهایی که در سال­های اخیر تولید شده­اند، میزان مصرف سوخت با معیار مسافت طی شده به مایل به ازای هر گالن سوخت مصرفی (MPG) برابر 27 ( 5/8 لیتر در 100 کیلومتر) بوده و در خودروهای تولید سال 2002 این عدد به حدود 40 MPG  ( 6 لیتر در 100 کیلومتر ) ارتقاء یافته است.

در سال 1993 میلادی کمیته­ای با مشارکت دولت فدرال آمریکا و سه کمپانی بزرگ خودروسازی کرایسلر، فورد و جنرال موتور، تحت عنوان PNGV ( همکاری برای نسل جدید وسایل نقلیه ) تشکیل گردید تا برنامه­ای برای سال 2000 به بعد جهت تولید خودرو­هایی، با 80 MPG ( 3 لیتر در 100 کیلومتر ) ارائه نمایند. در اروپا و ژاپن نیز تشکل‌هایی جهت بهبود راندمان مصرف سوخت خودروها و دستیابی به اهدافی که توسط کمیته PNGV تعیین شده است، در حال کار می­باشند.

در PNGV برنامه­های مختلفی مورد بررسی قرار گرفته و پروژه­های متنوعی در حال اجراست. محورهای تعیین شده در پروژه­های در دست اجرا عبارتند از : تغییر نوع سوخت، بهبود راندمان حرارتی، تولید خودروهای هیبریدی (دوگانه ­سوز)، بازیابی انرژی ناشی از ترمز و سبک سازی.

یکی از برنامه­های اصلی و کلیدی در PNGV، دسترسی به میزان مصرف سوخت هدف­گذاری شده ( 3 لیتر در 100 کیلومتر )، استفاده و توسعه کاربرد مواد سبک وزن و بحث سبک سازی خودروهاست. برای تولید خودروهایی با 80 MPG، علاوه بر فعالیت­هایی که در بهینه­سازی موتور و طراحی و همچنین کاهش اتلاف انرژی اعلام می­شود، وزن کل خودرو نیز بایستی حدوداً 40 درصد کاهش یابد تا دسترسی به هدف تعیین شده امکان­پذیر گردد. جهت دسترسی به هدف فوق،  ارائه شد.

جدول 9 برنامه کاهش وزن خودروهای آینده شرکت فورد در پروژه PNGV

سیستم
وزن در خودروهای تولیدی (Kg)
وزن در خودروهای آینده (Kg)
 درصد کاهش وزن
بدنه
4/514
7/256
50
شاسی
4/499
5/249
50
موتور
7/393
3/254
10
سوخت
1/62
6/28
55
وزن کل
6/1469
1/889
40
 

تاریخچه مصرف منیزیم در صنایع خودرو بدین شرح است که در سال 1920 در ماشین­های مسابقه، قطعات منیزیمی به کار گرفته شد، اما استفاده گسترده و تجاری از قطعات ریخته­گری منیزیمی در وسایل نقلیه از سال 1936 آغاز شد، یعنی هنگامی که فولکس واگن بیتل ( یک نوع خودروی آلمانی و نام چهارمین تولید کننده بزرگ خودرو جهان بعد از تویوتا، جنرال موتور و فورد ) ساخته شد. این خودرو حاوی Kg 20 منیزیم بود که در سیستم قوای محرکه­ی آن به کار گرفته شده بود و تا سال 1971 که ماکزیمم تولید آن بود، مصرف آن به 42000 تن در سال رسید. پس از آن، مصرف کاهش یافت اما در طول 10 سال دوباره مصرف منیزیم در بخش ریخته­گری با قالب فلزی تحت فشار، رشد چشمگیری پیدا کرد که تقریبا معادل با %20 مصرف سالانه جهان بود و علت این رشد، کاربرد منیزیم به عنوان یک ماده سبک وزن استراتژیک در صنایع خودرو بود. همراه با پیشرفت تکنولوژیکی در زمینه­ی کارآیی آلیاژها که در اواسط دهه 1980 انجام شد و نیز تمایل شدید به کم کردن وزن و مصرف سوخت، امروزه هماهنگی جالبی بین تقاضای صنایع خودرو و عرضه­ی صنایع منیزیم بوجود آمده است.

منیزیم خواص جالب توجهی دارد که موجب شده کاربردهای ساختمانی بسیاری برای آن در نظر گرفته شود. بیشترین کاربردهای منیزیم در مواردی است که نمی توان آلومینیوم یا پلاستیک را جایگزین مواد سنگین تر مانند فولاد کرد و این جایگزینی غیرممکن باشد. وزن سبک آن به تنهایی مزیت بسیار مهمی است که در تمام قطعاتی که به هنگام ساخت یا استفاده حرکت کرده یا حمل می­شوند، می تواند به کار گرفته شود. اینرسی کم که از چگالی پایین منیزیم ناشی می شود، در قطعاتی که با سرعت حرکت می کنند، مفید است. بعلاوه بعلت چگالی کم منیزیم، می توان مقاطع قطعات را ضخیم­تر کرد که این امر نیاز به تقویت کننده­ها را از بین برده و فرآیند ساخت را نیز راحت­تر می­کند. همچنین علاوه بر کم کردن وزن، خواص ضد ضربه خودرو نیز بهبود می­یابد، چرا که این آلیاژها استحکام بیشتری نسبت به دیگر فلزات دارند.

 

شکل 36 فولکس واگن بیتل ساخت 1960 میلادی با حدود 20 کیلوگرم منیزیم

به جز وزن کم که احتمالا مهم ترین خاصیت منیزیم جهت انتخاب آن برای کاربردهای ساختمانی است، خواص دیگری هم مطرح است که بستگی به نوع کاربرد دارد. از جمله این خواص مهم می توان به این موارد اشاره نمود: استحکام تسلیم در چرخ ها، میرایی در بدنه های الکترونیکی هواپیماها و موشک­ها، پایداری ابعادی در بدنه های الکترونیکی و جیگ و فیکسچرها، قابلیت ماشینکاری در شکل­دهی، مقاومت به فرورفتگی در چمدان ها، مقاومت به مواد قلیلیی در صنعت بتن و مقاومت کم به عبور اشعه ایکس و نوترون­های حرارتی رد کاست های اشعه ایکس و قوطی سوخت های هسته ای.

برای منیزیم در 10 سال آینده، رشد بیشتری پیش بینی می شود. در اروپا، مصرف منیزیم به عنوان یک ماده سبک وزن همچنان افزایش می یابد که در راس این مصرف کنندگان، شرکت گروه Volkswagen همراه با دیگر شرکت ها از جمله Jaguar، Ford، BMW، Diamler Chrysler (Merecedes Benz) قرار دارند. در حال حاضر حدود kg 14 منیزیم در خودروهای VWPassat A6، Audi A4 استفاده می شود. در تمام این خودروها، بدنه ی منیزیمی ریختگی از جنس AZ91D  به کار می رودکه موجب 20 تا 25 درصد کاهش وزن نسبت به آلومینیوم می شود. از دیگر کاربردها می توان به داشبورد، منیفلد ورودی، محافظ سرسیلندر، تجهیزات فرمان و ... اشاره نمود که در این موارد از آلیاژهای با ازدیاد طول نسبی بیشتر AM50A و AM60B استفاده می شود.

 

شکل 37  VWPassat مدل 2017 ساخت فولکس واگن

 

شکل 38 خودرو Audi A4 مدل 2017

کاربرد منیزیم در مصارف خودرو، در آمریکای شمالی پیشرفت بیشتری داشته است. در ون‌های Savana Express تا 26 کیلوگرم منیزیم مصرف می شود. اکنون معمول ترین آلیاژهای مورد استفاده در خودرو AZ91D و AM60B می باشند. علاوه بر اینها آلیاژ AS41B هم در صنایع خودرو در آمریکای شمالی به کار می رود. 

مدت زیادی است که صنایع موتورهای مسابقه در سراسر جهان، مزیت استفاده از آلیاژهایی با کارایی بالا ریخته شده در ماسه که در اصل در صنایع دفاعی کاربرد دارند را درک کرده اند. وزن کم و نسبت استحکام به وزن بالای این مواد مزیت بسیار بزرگی در این صنایع است.

 

 

شکل 39  ون Savana Express ساخت شرکت GMC دارای حدود 26 کیلوگرم منیزیم

آلیاژ Elektron21 بطور گسترده­ای در موتورهای مسابقه به کار می­رود. بعنوان مثال این آلیاژ جایگزین آلیاژ Elektron RZ5 (ZE41) که در جعبه دنده مورد استفاده قرار می­گیرد، شده است. آلیاژهای Elektron WE54 و Elektron WE43 به طور ریختگی و کار شده در موتورهای مسابقه استفاده می­شوند. علت کاربرد این آلیاژ، تنش­ها و دماهای اعمالی بالاست. از جمله قطعاتی که در موتورسیکلت­ها به کار می روند می­توان تشتک روغن، دینام کلاچ، چرخ دنده­ی رابط و پوشش سرسیلندر را نام برد. شکل 40 موتور سوزوکی 65X-R750 با تکنولوژی آلیاژهای منیزیم را نشان می‌دهد.

آلیاژ RZ5 معمولا در بدنه­ی جعبه دنده به کار می­رود، هر چند آلیاژهای MSR/EQ21 هم به دلیل خواص دما پایین عالی و افزایش دمای کاری، با نرخ افزایشی در حال استفاده­اند. چرخ­هایی از جنس آلیاژ RZ5 به طور قابل ملاحظه ای بهتر از آلیاژ Mg-Al-Zn در شرایط سخت مسابقه را دارند. به دلیل دمای کاری بالای ماشین های مسابقه، قطعات ریختگی آلیاژ WE54 در قسمت­های ­مختلف موتورهای فرمول 1 به کار گرفته شده­اند. 

آلیاژهای منیزیم- زیرکونیم برای مواردی که حجم کم مطرح باشد استفاده می شوند. قطعات ریختگی حاصل از این آلیاژها از روش­های ریخته­گری در ماسه و یا ریخته­گری دقیق و محصولات کار شده از روش اکستروژن یا فورج تولید می­شوند. آلیاژهای فاقد زیرکونیم، مخصوصا AZ91 در خودرو و دیگر کاربردهای حجیم استفاده می­شوند.

 

شکل 40 سوزوکی 65X-R750 با تکنولوژی آلیاژهای منیزیم.

 

شکل 41 موتور خودرو فرمول 1 BMW که بیشترین اجزای آن از آلیاژ منیزیم WE54 ساخته شده است

علاوه بر این قطعات، قطعات و اجزای فراوان دیگری نیز وجود دارد که می توان با آلیاژهای منیزیم جایگزین کرد و با این روش وزن خودرو را کاهش داد. علاوه بر این قطعات، قطعات و اجزای فراوان دیگری نیز وجود دارد که می‌توان با آلیاژهای منیزیم جایگزین کرد و با این روش وزن خودرو را کاهش داد. 

وضعیت کنونی صنعت منیزیم در ایران
صنعت منیزیم در ایران سابقه‌ی زیادی ندارد. بررسی میزان صادرات و واردات نشان می‌دهد در سال‌های اخیر تلاش‌های مختصری برای ورود به این حوزه وجود داشته است. این محصول با دو کد تعرفه وارد و صادر می‌شود.

کد تعرفه گمرکی: 81041100 (منیزیم بصورت کارنشده، باخلوص حداقل 8/99 درصد) و 81041900 (منیزیم بصورت کارنشده، باخلوص کمترا ز  8/99 درصد)

 

کشورهای صادرکننده منیزیم به ایران عبارتند از: چین، ترکیه، اتریش، هند، تایوان، هنگ کنگ، جمهوری کره، امارات متحده عربی، اسپانیا، استرالیا، عراق و آذربایجان.

کشورهای واردکننده منیزیم از ایران عبارتند از: هلند و ترکیه.[16]

میزان واردات منیزیم زیادتر از میزان صادرات بوده است. در هر صورت میزان رشد واردات نشان‌دهنده میزان علاقه به استفاده از این فلز در ایران بوده است. در سال 1395 اولین صادرات منیزیم از ایران به کشورهای دیگر انجام شد که البته حجم کمی بوده است. 

منیزیم در کشور ما در دو زمینه قابل بررسی است. در بخش صنایع بالادستی مانند استخراج و آلیاژسازی و پایین دستی مانند ریخته‌گری، شکل‌دهی مکانیکی و صنایع با تکنولوژی بالا مانند پودرهای فلزی و آلیاژی. 

در بخش بالادستی، ایران دارای فرصت‌های زیادی است. ذخایر فراوان دولومیت به عنوان ماده‌ی اولیه‌ی منیزیم در سراسر کشور، آب‌ها و شورابه‌های فراوان مانند دریای خزر، مازندران، دریاچه ارومیه، دریاچه نمک قم زمینه‌ی بسیار مناسبی برای تولید منیزیم در کشور فراهم کرده است. 

در حال حاضر تنها تولیدکننده منیزیم از دولومیت شرکت شمش فلز رویال می‌باشد. این شرکت دارای یک کارخانه تولید منیزیم در شهرستان فردوس واقع شده و دارای ظرفیت اسمی 6000 تن در سال است. 

این شرکت به روش سیلیکوترمی به تولید منیزیم می‌پردازد. در فرآیند احیای سیلیکوترمی منیزیم
(Pidgeon- Process) از سنگ معدن دولومیت، ابتدا سنگ معدن دولومیت طی یک فرآیند پخت در کوره در دمای ۱2۰۰ تا ۱4۰۰ درجه سانتی‌گراد، کلسینه می‌شود. دولومیت کلسینه شده با فروسیلیس (Ferrosilicon) و فلورین (Calcium- Fluoride) به عنوان دیگر مواد اولیه فرآیند مخلوط شده و به صورت بریکت به سمت کوره‌های احیا منتقل می‌شود. در کوره‌های احیا بریکت‌ها در ریتورت‌های مخصوص در دمای ۱2۰۰ – ۱3۰۰ درجه سانتی‌گراد و تحت شرایط خلاء، قرار گرفته و عملیات احیای منیزیم صورت می‌گیرد. منیزیم به صورت بخار در محفظه‌های مخصوص چگالش به صورت بلورهای منیزیمی حاصل می‌شود. بلورهای منیزیمی حاصل پس از ذوب و تصفیه در کوره‌های ذوب، در قالب‌های مخصوص ریختگری شده و شمش منیزیم تولید می‌شود. شماتیک نمودار جریان فرآیند تولید منیزیم از سنگ معدن دولومیت در شکل زیر نشان داده شده است:

 

شکل 42 شماتیک استحصال منیزیم به روش حرارتی از ماده اولیه دولومیت

تصاویری از این کارخانه در ذیل آمده است:

 

شکل 43 تصویری از واحد صنعتی تولید شمش منیزیم در فردوس

 

شکل 44 تصویری از واحد صنعتی تولید شمش منیزیم در فردوس

 

شکل 45 تصویری از واحد صنعتی تولید شمش منیزیم در فردوس

 

شکل 46 تصویری از واحد صنعتی تولید شمش منیزیم در فردوس

 

شکل 47 تصویری از واحد صنعتی تولید شمش منیزیم در فردوس

 

شکل 48 تصویری از واحد صنعتی تولید شمش منیزیم در فردوس

 

شکل 49 تصویری از واحد صنعتی تولید شمش منیزیم در فردوس

 

شکل 50 تصویری از واحد صنعتی تولید شمش منیزیم در فردوس

 

شکل 51 تصاویری از پروژه منیزیم فردوس

در صنایع پایین دستی منیزیم در کاربردهایی مانند آند سازی و ساخت قطعات ریخته‌گری مورد استفاده قرار می‌گیرد. شرکت‌هایی مانند برناگداز از تولید کنندگان آندهای منیزیمی است. در صنایع خودروسازی دو شرکت اندیشه واقع در بابلسر و ایریش خودرو واقع در قزوین اقدام به ساخت فریم غربیلک فرمان خودرو با استفاده از منیزیم نموده‌اند. این دو شرکت مجموعاً حدود 1.000.000 غربیلک فرمان خودرو در سال تولید می‌کنند. تصاویری از محصولات این دو شرکت در زیر نشان داده شده است.

       

شکل 52 غربیلک‌های فرمان ساخته شده از فریم منیزیم ساخت دو شرکت اندیشه و ایریش خودرو

این محصولات به روش دایکست ساخته شده و در خودروهای شرکت‌های ایرانخودرو و سایپا به کار برده می‌شوند. در حال حاضر غیر از این دو قطعه مورد دیگری از قعطات خودرو از جنس منیزیم ساخته‌ نمی‌‌شود.

در صنایع هوایی چند شرکت به طور محدود قطعاتی از جنس منیزیم را تولید می‌کنند. این شرکت‌ها عموماً از روش ریخته‌گری در ماسه استفاده می‌کنند. 

در صنایع با تکنولوژی بالا مانند تولید پودرهای فلزی یا آلیاژی منیزیم ایران هنوز جایگاه خود را نیافته است به طوری که تنها در مرحله‌ی تحقیقاتی و به طور محدود تنها چند شرکت به این موضوع پرداخته اند. 

در صنایع پزشکی و ایمپلنت‌های منیزیم ایران نیز همانند بسیاری از کشورهای دیگر توفیق خاصی نیافته است و تنها در موارد محدود برخی قطعات به کشور وارد می‌شود. 

 
تحلیل اقتصادی (مطالعه موردی)
سرمایه­گذاری مورد نیاز برای تغییر فرآیند تولید
برای رسیدن به هزینه کلی جایگزینی آلیاژهای منیزیم، در ابتدا باید هزینه تولیدی یکی از قطعات ساخته شده از فولاد، چدن، یا آلومینیومی که قابل تعویض با همین قطعه از نوع منیزیمی است را محاسبه کرد و آن را با هزینه تولید شده آن از جنس منیزیم مقایسه کرد. برای مثال قطعه­ای از خودرو بنام کارتل (اویل پن) از نظر هزینه تولید مورد بررسی قرار داده می­شود. 

مقایسه و تحلیل اقتصادی قطعه کارتل منیزیمی و آلومینیومی
در این بخش، هزینه­های تولید کارتل از آلیاژ منیزیم با هزینه­های تولید همان قطعه از آلیاژ آلومینیوم مقایسه می­شود. وزن کارتل آلومینیومی حدود 5 کیلوگرم و از نوع منیزیمی آن حدود 34/3 کیلوگرم می­باشد. 

هزینه تجهیزات اصلی
تجهیزات اصلی تولید قطعات منیزیمی به روش دایکست همچون آلومینیوم است، خصوصا اگر دستگاه محفظه داغ باشد. در این سیستم، محافظت از مذاب در کلیه مراحل تهیه و تزریق مذاب بصورت خودکار قابل اعمال است. در صورتی که سیستم محفظه سرد باشد، مواد اولیه و گاز مورد نیاز برای محافظت مذاب همچون محفظه داغ خواهد بود و با تغییرات جزیی و کم هزینه می­توان محافظت به صورت نیمه اتوماتیک انجام شود.

هزینه­های ثابت سرمایه­گذاری
هزینه­های ثابت که شامل خرید و نصب تجهیزات و ماشین­آلات، لوله­کشی و ابزار دقیق، ساختمان و محوطه­سازی و هزینه­های مهندسی است، در هر دو فرآیند تولید قطعات منیزیمی و آلومینیومی یکسان است.

هزینه­های مواد اولیه
مواد اولیه برای تولید قطعه دو آلیاژ آلومینیمی A360 و منیزیم AM60 در نظر گرفته شده است. محاسبات مربوط به هزینه مواد اولیه تولید قطعه در جدول نهایی آمده است.

هزینه­های محافظت از مذاب
منیزیم نسبت به آلومینیم واکنش‌پذیری بیشتری با هوا نشان می‌دهد. بنابراین با برای جلوگیری از واکنش منیزیم مذاب با اکسیژن هوا، از گاز محافظ استفاده می‌شود. این گاز معمولاً ترکیبی از گاز SF6 یا SO2 به همراه هوای خشک، N2 یا CO2 است. میزان استفاده از گاز و هزینه‌ی آن برای یک قطعه در جدول نهایی محاسبه شده است. 

آلومینیم مذاب نیاز به محافظت در برابر اکسید شدن ندارد. اما در مقابل نیاز به گاز زدایی و جلوگیری از جذب هیدروژن دارد. همچنین جلوگیری از جذب آهن توسط آلومینیم نیز نیاز به هزینه و تجهیزات جانبی دارد. محاسبه این تجهیزات و مواد در جدول نهایی آمده و با منیزیم مقایسه شده است. 

ماشین­کاری
منیزیم سبک­ترین فلز صنعتی است و قابلیت ماشین­کاری عالی دارد. بعضی از مزایای ماشین­کاری منیزیم در مقایسه با سایر فلزات عبارتند از: 

-         مصرف انرژی پایین تقریبا %55 مقدار لازم برای آلومینیوم

-         امکان ماشین­کاری سریع، قابلیت اعمال سرعت­های بالا، پاس­های عمیق و عمق برش زیاد

-         کیفیت عالی در سطح ماشین­کاری شده و دستیابی به سطحی بسیار نرم و ظریف

-         سایش کم ابزار و در نتیجه افزایش بازده دستگاه­های ماشین­کاری 

-         براده­برداری عالی به دلیل کیفیت برش مطلوب

جدول (6)  قابلیت ماشین­کاری و قدرت لازم برای ماشین­کاری را به­صورت مقایسه­ای نشان می­دهد. با توجه به اینکه آلیاژهای منیزیم قابلیت ماشین­کاری بسیار مطلوبی در مقایسه با آلومینیوم یا فولاد را دارند در نتیجه هزینه ماشین­کاری این قطعات می­تواند تا 30 درصد کاهش یابد. 

جدول 10 قابلیت ماشین­کاری آلیاژهای مختلف

آلیاژ
قدرت نسبی لازم ( قدرت لازم برای ماشین­کاری منیزیم 1 در نظر گرفته شده است)
شاخص درصد قابلیت ماشینکاری نسبت به فولاد AISI-B112
آلیاژهای منیزیم
1
500
آلیاژهای آلومینیوم
8/1
300
فولاد نرم
3/6
50
آلیاژهای تیتانیوم
6/7
20
 

هزینه­های نیروی انسانی
در این خصوص تفاوت بارزی بین تولید قطعات منیزیمی و آلومینیومی وجود ندارد.

هزینه­های عملیاتی و سرمایه در گردش
هزینه­های عملیاتی که شامل مواد اولیه، پرسنلی، استهلاک، کنترل کیفی، آب و انرژی مصرفی می­باشد، در هر دو فرآیند تولید قطعات آلومینیومی و منیزیمی یکسان است.

هزینه­های حمل و نقل
بدلیل سبک­تر شدن 30 درصدی، در یک بارگیری مشابه تعداد بیشتری از قطعات می­تواند از محل تولید تا کارخانه مونتاژ جابجا شوند. به عبارت دیگر هزینه حمل و نقل برای جابجایی یک قطعه کاهش می­یابد.

تحلیل اقتصادی مقایسه­ای
اطلاعات قطعه
سناریو 1 (Al)
سناریو 2 (Mg)
توضیحات
تعداد
500000
500000
 
ماده
Aluminum A360.0, Die Cast
Magnesium AM60B, Die Cast
 
دانسیته (kg/lit)
75/2
8/1
 
حداکثر ضخامت (mm)
7/12
7/12
 
تلرانس (mm)
دقت متوسط ( ≤ 0.25)
دقت متوسط ( ≤ 0.25)
 
صافی سطوح
کیفیت قطعات مکانیکی عادی
کیفیت قطعات مکانیکی عادی
 
هزینه فرایند دایکست(ریال)
310,909,381,575
287,666,351,923
 
هزینه کلی مواد (ریال)
297.601.793.682
281.000.112.400
 
درصد خرابی قطعات (%)
5
5
 
تعداد تولید لازم قطعات
526316
526316
 
هزینه مواد (/kg ریال)
90.000
130.000
 
وزن قطعه (kg)
00/5
27/3
 
حجم مذاب یک قطعه (lit)
82/1
82/1
 
نسبت گاززدا (%)
15/0
08/0
 
قیمت گاززدا (/lit ریال)
20.000
20.000
 
نسبت افزودنی ها (%)
2/0
1/0
 
قیمت افزودنی ها (/kg ریال)
230.000
500.000
 
هزینه‌های سربار مواد (%)
25
25
 
قیمت مواد یک قطعه
595.204
562.000
 
هزینه کلی ساخت (ریال)
149.687.893
87.289.523
 
نوع ماشین
Hot/cold chamber
Hot chamber
 
نیروی چفت کردن قالب (kN)
6500
6500
 
زمان یک سیکل (sec)
60
35
 
زمان کاری دستگاه (hr)
8772
5117
 
زمان کل فرایند تولید (day)
439
256
 
تعداد نیروی کار (person)
1
1
 
بهره نیروی کار (%)
100
100
 
هزینه نیروی کار (/day ریال)
309977
309977
 
زمان تنظیم ماشین روزانه (hr)
4
4
 
نرخ تولید (parts/hr)
60
102
 
هزینه‌های سربار تولید (%)
10
10
 
هزینه ابزار (ریال)
13.157.900.000
6.578.950.000
 
تعداد قطعات در یک قالب
1
1
 
عمر قالب برای جنس ماده
100000
200000
عمر قالب منیزیم 2 تا 5 برابر 
تعداد قالب مورد نیاز
5 + repair
2 + repair
 
هزینه ساخت قالب (/dieریال)
2.500.000.000
2.500.000.000
 
هزینه ماشینکاری (ریال)
6,272,500,000
2,251,600,000
 
زمان تنظیم ماشین (hr)
2
2
 
میزان کار مفید ماشین (%)
100
100
 
هزینه ماشینکاری (/hr ریال)
650.000
400.000
منیزیم %40 درصد کمتر 
هزینه نهایی یک قطعه (ریال)
602,645
550,844
منیزیم %6/8  کمتر از آلومینیم
هزینه نهایی کل (ریال)
317,181,881,575
289,917,951,923
منیزیم %6/8  کمتر از آلومینیم

 
نتیجه گیری
·         رویکرد جهانی نسبت به فلزات سبک‌تر و ارزان قیمت باعث گسترش روز افزون مصارف منیزیم در صنایع مختلف شده است. این رویکرد در سال‌های آتی با رشد مثبت ارزیابی می‌شود. با توجه به توضیحات ارائه شده در این گزارش منیزیم به عنوانی فلزی استراتژیک معرفی می‌شود. این فلز دارای پتانسیل‌های فراوانی در زمینه‌های مختلف به خصوص صنعت خودرو سازی می‌باشد.

·         مزایای مختلف منیزیم از جمله توانایی تأمین ماده خام در داخل کشور، موجود بودن نسبی تکنولوژی در کشور، کاهش میزان سوخت و آلودگی هوا استفاده از این ماده استراتژیک را در صنایع مختلف کشور حائز اهمیت می‌کند.

·         استفاده از منیزیم و قطعات دایکست منیزیم در صنایع خودرو سازی به دلیل قدمت جهانی و رفع مشکلات تکنیکی و همچنین تلاش خودروسازان داخلی برای رقابت با بازار جهانی یکی از مهمترین اقدامات لازم در این زمینه است.

 

 

 

منابع و مأخذ
1.      U.S. Geological Survey (USGS) website, https://www.usgs.gov/.

2.      European free market website, http://

3.      China free market website, 

4.      http://www.worldometers.info & International Magnesium Association (IMA), 2016, 73rd Annual World Magnesium Conference

5.      http://www.ireconomy.ir 

6.      http://donya-e-eqtesad.com/news/1063236

7- سایت اتاق بازرگانی، صنایع، معادن و کشاورزی تهران

 
[1] - http://donya-e-eqtesad.com/news/1063236
[2] - مقادیر مربوط به سال 2016 تخمینی است.
[3] - Source: USGS
[4] -  مقادیر مربوط به سال 2016 تخمینی است.
[5] - Source: USGS
[6] - Compound annual growth rate
[7] - Alan Clark
[8] - Australia-based consultancy CM Group
[9] - International Magnesium Association
[10] - European free market
[11] - China free market
[12] - Source: USGS
[13] - Sources: http://www.worldometers.info & International Magnesium Association (IMA), 2016, 73rd Annual World Magnesium Conference
[14] - Sources: USGS
[15] - http://www.ireconomy.ir
[16] - اطلاعات برگرفته از سایت اتاق بازرگانی، صنایع، معادن و کشاورزی تهران