วัสดุหลักเพื่อลดน้ำหนักยานยนต์: ข้อดี ความท้า้าทาย และอนาคตของแมกนีเซียมอัลลอย [การวิเคราะห์โดย SMM]

1 โลหะผสมแมกนีเซียมขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมยานยนต์ด้วยข้อได้เปรียบด้านน้ำหนักเบา

ด้วยความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมยานยนต์ ความมั่นคงด้านพลังงานและการอนุรักษ์พลังงานและการลดการปล่อยมลพิษได้กลายเป็นประเด็นหลักที่ขับเคลื่อนการพัฒนาอย่างยั่งยืนของภาคส่วนนี้ การลดน้ำหนักยานยนต์ซึ่งเป็นเส้นทางสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพยานพาหนะและสร้างมูลค่าให้กับผู้ใช้กำลังมีบทบาทสำคัญที่ไม่มีอะไรแทนที่ได้ วิธีการหลักในการบรรลุการลดน้ำหนักยานยนต์ ได้แก่:

1. การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้าง เช่น การใช้การออกแบบแบบบูรณาการ;

2. การใช้วัสดุขั้นสูง เช่น โลหะผสมอลูมิเนียมและโลหะผสมแมกนีเซียม;

3. การนำกระบวนการผลิตขั้นสูงมาใช้ เช่น เทคโนโลยีการเชื่อมแบบเสียดทานและเทคโนโลยีการเชื่อมเลเซอร์;

4. การบูรณาการเทคโนโลยีใหม่ ๆ เช่น ระบบสตาร์ท-สต็อปแบตเตอรี่ลิเธียม

วัสดุเป็นพื้นฐานของการลดน้ำหนัก โดยการเลือกวัสดุที่มีความหนาแน่นต่ำ ความแข็งแรงสถิตสูง โมดูลัสยืดหยุ่นสูง และความแข็งแรงเมื่อรับแรงอัดดีเยี่ยม กระบวนการลดน้ำหนักสามารถก้าวหน้าได้ในระดับต่าง ๆ ดังนั้น โลหะผสมแมกนีเซียมในฐานะวัสดุน้ำหนักเบาขั้นสูง จึงค่อย ๆ กลายเป็นตัวเลือกสำคัญในการลดน้ำหนักยานยนต์

2 สถานะการใช้แมกนีเซียมในอุตสาหกรรมยานยนต์
2.1 แนวโน้มการพัฒนาเทคโนโลยี
แผนที่ทางเทคโนโลยีสำหรับยานยนต์ประหยัดพลังงานและยานยนต์พลังงานใหม่ 2.0 ระบุไว้อย่างชัดเจนว่าจีนจะส่งเสริมการใช้วัสดุแมกนีเซียมอัลลอยด์ในภาคยานยนต์อย่างมาก และได้กำหนดเป้าหมายในการใช้วัสดุแมกนีเซียมต่อคันรถไว้ดังนี้: ถึง 15 กิโลกรัมในปี 2020, 25 กิโลกรัมในปี 2025 และเพิ่มขึ้นเป็น 45 กิโลกรัมในปี 2030.

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าจะมีการพัฒนาเทคโนโลยีของแมกนีเซียมอัลลอยด์อย่างต่อเนื่อง แต่ขนาดและความมีประสิทธิภาพในการใช้งานจริงยังไม่เป็นไปตามความคาดหวัง.

จนถึงขณะนี้ การใช้งานแมกนีเซียมอัลลอยด์เฉลี่ยต่อคันรถสูงสุดในจีนอยู่ที่ประมาณ 19 กิโลกรัม โดยบริษัท Seres (SaiLisi) Motors เป็นผู้ทำได้ ปัจจุบัน Baowu Magnesium ได้ร่วมมือกับ Seres เพื่อส่งเสริมการใช้งานแมกนีเซียมอัลลอยด์ในการลดน้ำหนักยานยนต์ ทั้งสองฝ่ายจะใช้ศักยภาพในการวิจัยและพัฒนาของ Boao Magnesium & Aluminum เพื่อเร่งการส่งเสริมและการใช้งานชิ้นส่วนแมกนีเซียมอัลลอยด์ในรุ่นผลิตมวลชน สนับสนุนการอัปเกรดเทคโนโลยีในการลดน้ำหนักยานยนต์พลังงานใหม่

ในขณะเดียวกัน ภาคยานยนต์พาณิชย์ก็กำลังดำเนินการทดสอบการใช้งานแมกนีเซียมอัลลอยด์อย่างค่อยเป็นค่อยไป รถเทรลเลอร์เบา الوزนที่ใช้วัสดุแมกนีเซียมอัลลอยด์รุ่นที่สองซึ่งพัฒนาโดยมหาวิทยาลัย Xi’an Jiaotong และกลุ่ม Shaanxi Automobile สะสมระยะทางมากกว่า 30,000 กิโลเมตรในระหว่างการทดลองใช้งานนานกว่าสามเดือน ด้วยประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมและการทำงานที่เสถียร ได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการใช้งานวัสดุแมกนีเซียมอัลลอยด์อย่างเต็มที่ รถเทรลเลอร์เหล่านี้ใช้การออกแบบเบาสำหรับตัวรถบรรทุกและโครงสร้างอลูมิเนียม สามารถลดน้ำหนักลง 800 กิโลกรัมในระยะแรกของการพัฒนา ด้วยการใช้วัสดุแมกนีเซียมอัลลอยด์ต่อคันรถถึง 800 กิโลกรัม.

โดยรวมแล้ว เทคโนโลยีแมกนีเซียมอัลลอยด์กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว แต่การใช้งานในวงกว้างยังต้องการการตรวจสอบทดสอบเพิ่มเติมและการส่งเสริมจากหลายปัจจัย เมื่อมองที่โครงสร้างการบริโภคด้านล่าง ภาคขนส่งได้ครอบคลุมการใช้วัสดุแมกนีเซียมอัลลอยด์ถึง 60% และจะกลายเป็นทิศทางการเติบโตที่สำคัญที่สุดสำหรับวัสดุแมกนีเซียมอัลลอยด์ในอนาคต

2.2 สถานะการใช้งานและการคาดการณ์ในอนาคต
ในแง่ของการใช้งานเฉลี่ย ปัจจุบันพิจารณาการใช้หล่อแมกนีเซียมอัลลอยด์ขนาดใหญ่ในยานยนต์พลังงานใหม่ที่มีราคาเกิน 100,000 หยวนตัวอย่างเช่น NIO และ XPeng Motors ใช้แมกนีเซียมอัลลอยด์ Cross Car Beams (CCB) ในเกือบทุกรุ่นของรถยนต์ โดยมีการใช้งานประมาณ 5 กิโลกรัม BYD ใช้เฉพาะในรุ่นที่มีราคาสูงเท่านั้น ในขณะที่ Chery Motors อยู่ในขั้นตอนของการวิจัยและพัฒนาและการส่งเสริมในระยะเริ่มต้น

จากการวิเคราะห์อุตสาหกรรมอย่างครอบคลุมคาดว่าภายในปี 2025 การใช้งานแมกนีเซียมเฉลี่ยต่อรถยนต์พลังงานใหม่ที่มีราคาต่ำกว่า 200,000 หยวนจะถึง 4.4 กิโลกรัม ในขณะที่รุ่นที่มีราคาสูงกว่า 200,000 หยวนคาดว่าจะถึง 12.35 กิโลกรัมเมื่อเปรียบเทียบกับรถยนต์ที่ใช้น้ำมันซึ่งมีการใช้งานแมกนีเซียมเฉลี่ยค่อนข้างต่ำ ประมาณ 1.46 กิโลกรัม อัตราการเจาะตลาดของการใช้งานแมกนีเซียมในรถยนต์คาดว่าจะอยู่ที่ประมาณ 30% มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว จากความก้าวหน้าในปัจจุบันคาดว่าภายในปี 2030 อัตราการเจาะตลาดของการใช้งานแมกนีเซียมในรถยนต์จะถึง 85% ทำให้มีการเติบโตแบบทวีคูณ

2.3 ส่วนประกอบหลักและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี
ในปัจจุบันขอบเขตการใช้งานชิ้นส่วนแมกนีเซียมอัลลอยด์ในอุตสาหกรรมยานยนต์กำลังขยายตัวอย่างต่อเนื่อง โดยแบ่งออกเป็นสี่ประเภท ได้แก่ ภายในรถ ตัวรถ แชสซี และระบบส่งกำลัง การใช้งานภายในรถที่เป็นตัวอย่าง ได้แก่ กรอบเบาะนั่ง กรอบแผงหน้าปัด ขาตั้งคอนโซลกลาง และแผ่นหลังจอ LCD การใช้งานในระบบขับเคลื่อน ได้แก่ โครงกระบอกสูบเครื่องยนต์ ฝาครอบเครื่องยนต์ กล่องเกียร์ และถาดรองน้ำมันเครื่อง การใช้งานในระบบแชสซี ได้แก่ ล้อ วงล้อพวงมาลัย และแชสซีย่อย

รายละเอียดการใช้งานผลิตภัณฑ์หลักและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี:

CCB (Cross Car Beam)
ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายโดยผู้ผลิตรถยนต์หลายรายทั่วโลก โดยมีกลยุทธ์การออกแบบที่แตกต่างกันตามความต้องการด้านสมรรถนะและการรวมเข้าด้วยกัน ชิ้นส่วนนี้ใช้โครงสร้างแบบรวมที่มีน้ำหนักเบาแทนชิ้นส่วนเหล็กที่เชื่อมต่อแบบเดิม ลดน้ำหนักอย่างมากในขณะที่ตอบสนองความต้องการในการติดตั้งหลายฟังก์ชัน น้ำหนักของมันมักจะอยู่ระหว่าง 3.6-4.8 กิโลกรัม ลดน้ำหนักลงประมาณ 3 กิโลกรัมเมื่อเทียบกับ CCB แบบเดิม

กรอบเบาะนั่ง
กรอบเบาะนั่งจากแมกนีเซียมอัลลอยด์มีประสิทธิภาพ NVH ที่ดีและน้ำหนักเบา มีการรวมเข้าด้วยกันสูงและความแข็งแรง/ความแข็งแกร่งที่ยอดเยี่ยม ตอบสนองความต้องการในการใช้งานปกติและสภาพการชนที่รุนแรงปัจจุบัน โครงเบาะนั่งและพนักพิงสำหรับเบาะนั่งแถวหน้า แถวสอง และแถวสาม ได้มีการนำไปใช้อย่างครบถ้วนแล้ว โดยโครงพนักพิงมีน้ำหนักประมาณ 1.4-1.8 กิโลกรัม โครงเบาะนั่งประมาณ 1.3-2.8 กิโลกรัม และแบร็กเก็ตเบาะนั่งด้านหลังประมาณ 3.5-5 กิโลกรัม โดยรวมแล้วสามารถลดน้ำหนักได้ประมาณ 20 กิโลกรัม

แผงประตูภายใน
ประตูท้ายแบบยกและประตูบานสวิงได้มีการผลิตจำนวนมากในอเมริกาเหนือ และถูกนำไปใช้ในรุ่น OEM หลักๆ ทั่วโลก แผงด้านในประตูท้ายแบบอินทิเกรตจากแมกนีเซียมอัลลอยด์ใช้เทคโนโลยีการหล่อแบบแรงดันขนาดใหญ่ โดยรวมส่วนประกอบหลายชิ้นเข้าด้วยกัน เช่น แผ่นเสริมบานพับ แผ่นเสริมแผงด้านใน แผ่นเสริมล็อค และแผ่นเสริมแท่งรองรับ Meridian ได้แนะนำเทคโนโลยีสมดุลความร้อนขั้นสูงในประเทศเป็นครั้งแรก โดยใช้เครื่องหล่อแบบแรงดัน 4,200 ตัน เพื่อพัฒนาแผงด้านในประตูท้ายจากแมกนีเซียมอัลลอยด์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก ซึ่งมีความสูง 1.4 เมตร กว้าง 1.7 เมตร และลึก 0.26 เมตร ด้วยการออกแบบโครงสร้างแบบหนาแปรผัน ทำให้สามารถยกเลิกแผ่นเสริมเดิมและแผ่นเสริมโลหะ รวมชิ้นส่วนต่างๆ เข้าด้วยกัน 54 ชิ้น ลดน้ำหนักได้ 21.3% เมื่อเทียบกับประตูท้ายจากพลาสติก และมีน้ำหนักประมาณ 5-7 กิโลกรัม

ตัวเคสของระบบขับเคลื่อนไฟฟ้า
ตัวเคสของเกียร์ทรานส์เฟอร์เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีความสมบูรณ์แล้ว ซึ่งมีประสิทธิภาพในการลดเสียงรบกวนและการสั่นสะเทือนที่ดีกว่าส่วนประกอบอลูมิเนียม น้ำหนักเฉลี่ยจะปรับแต่งตามรุ่นรถยนต์ ทำให้สามารถลดน้ำหนักโดยรวมได้ประมาณ 8 กิโลกรัม ตั้งแต่ต้นปีนี้ โครงการตัวเคสระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าจากแมกนีเซียมอัลลอยด์เกือบสิบโครงการได้เข้าสู่การผลิตจำนวนมาก โดยมีการใช้งานต่อรถยนต์หนึ่งคันถึง 15-30 กิโลกรัม

3 ข้อได้เปรียบในการนำไปใช้ของแมกนีเซียมอัลลอยด์
3.1 ข้อได้เปรียบด้านราคาที่สำคัญ
ราคาแมกนีเซียมดิบทั่วโลกยังคงอยู่ในช่วงการผันผวนที่สมเหตุสมผลเมื่อเทียบกับราคาอลูมิเนียม ประมาณการคร่าวๆ แสดงว่าการใช้แมกนีเซียมแทนอลูมิเนียมสามารถลดต้นทุนโดยตรงได้ประมาณ 12 หยวนต่อกิโลกรัม นอกจากนี้ แม่พิมพ์แมกนีเซียมอัลลอยด์มีอายุการใช้งานยาวนานและต้นทุนต่ำ มีความไหลลื่นดีและประสิทธิภาพการหล่อแบบแรงดันสูง ตัดได้ง่ายและมีประสิทธิภาพการกลึง CNC ที่เหนือกว่าทำให้ต้นทุนโดยรวมต่ำกว่าอลูมิเนียมอัลลอยด์ประมาณ 15%
ข้อมูลตั้งแต่เดือนมกราคมถึงสิงหาคม 2023 แสดงว่าราคาเฉลี่ยของแมกนีเซียมอัลลอยด์ต่ำกว่าอลูมิเนียมอัลลอยด์ 2,230 หยวนต่อตัน และอัตราส่วน Mg/Al (ก้อนแมกนีเซียม/ก้อนอลูมิเนียม) เฉลี่ยอยู่ที่ 0.83.

3.2 ความได้เปรียบเชิงกลยุทธ์ของทรัพยากรแมกนีเซียมของจีน
แมกนีเซียมเป็นหนึ่งในธาตุที่มีปริมาณมากที่สุดในเปลือกโลก คิดเป็นประมาณ 2.77% สำรองแร่แมกนีเซียมของจีนคิดเป็นมากกว่า 70% ของยอดรวมทั่วโลก รวมถึงมากกว่า 4 พันล้านตันของทรัพยากรแมกนีไซต์-โดโลไมต์ และทรัพยากรแมกนีเซียมในน้ำเกลือทะเลทางตะวันตกถึง 6,003 ล้านตัน แมกนีเซียมอัลลอยด์เป็นวัสดุโลหะชนิดเดียวที่จีนสามารถผลิตเองได้ 100% และยังเป็นทรัพยากรเชิงกลยุทธ์ที่สำคัญของประเทศ

3.3 ความได้เปรียบสองด้านในสมรรถนะและการผลิต
ความหนาแน่นของแมกนีเซียมอัลลอยด์คือ 1.8 กรัม/ซม³ น้ำหนักเบากว่าอลูมิเนียม 30%; ความแข็งแรงเฉพาะคือ 191 σb/ρ สูงกว่าอลูมิเนียม; ความแข็งเฉพาะใกล้เคียงกับอลูมิเนียมอัลลอยด์ นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติในการลดเสียง ด้านการป้องกันการสั่นสะเทือน และการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในด้านกระบวนการ แมกนีเซียมอัลลอยด์มีสภาพของเหลวที่ไหลได้ดี เหมาะสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างที่บางและซับซ้อน; แรงตัดต่ำและคุณสมบัติในการแปรรูปที่ดีช่วยประหยัดการสึกหรอของเครื่องมือ การพัฒนาเทคโนโลยีวัสดุอย่างต่อเนื่องทำให้แมกนีเซียมอัลลอยด์สามารถทำลายข้อจำกัดในด้านการทนทานต่อการกัดกร่อนและความต้านทานการยืดตัวที่อุณหภูมิสูง แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบที่ครอบคลุมมากกว่าวัสดุประเภทอื่น ๆ เช่น อลูมิเนียม อัลลอยด์ เหล็ก และพลาสติก มีศักยภาพในการใช้งานเพื่อลดน้ำหนักรถยนต์อย่างมาก

3.4 การพัฒนากระบวนการหล่อแบบต่อเนื่อง
กระบวนการขั้นสูงเช่น การหล่อแบบกึ่งของเหลวกำลังได้รับการส่งเสริมอย่างต่อเนื่องในการหล่อแมกนีเซียมอัลลอยด์ กระบวนการนี้ประกอบด้วยการคนอย่างเข้มข้นเพื่อตัดแขนงคริสตัลแรกเริ่ม ทำให้เกิดโครงสร้างเม็ดทรงกลม ลดความหนืดของสารละลายและเพิ่มสภาพของเหลวที่ไหลได้ ให้ประโยชน์เช่น ความแม่นยำสูง คุณภาพดี ข้อบกพร่องน้อย และการใช้พลังงานต่ำ สนับสนุนการใช้งานอย่างกว้างขวางของชิ้นส่วนหล่อแมกนีเซียมอัลลอยด์

4 ข้อจำกัดและท้าทายในการพัฒนาแมกนีเซียมอัลลอยด์
4.1 ความเสี่ยงจากการเผาไหม้และระเบิดในการผลิตต้องการการป้องกันพิเศษ
แมกนีเซียมอัลลอยด์มีแนวโน้มที่จะเกิดการเผาไหม้หรือระเบิดระหว่างการหลอมและการแปรรูป ทำให้มีความต้องการสูงในด้านความปลอดภัยในการผลิตดังนั้น ต้องพัฒนากระบวนการหล่อที่มีความเสถียรและแมกนีเซียมอัลลอยที่ทนไฟได้สูงขึ้น เพื่อเพิ่มความปลอดภัยในตัวเอง

4.2 มีปฏิกิริยาเคมีสูง ทนทานต่อการกัดกร่อนได้น้อย
แมกนีเซียมอัลลอยมีความไวต่อการกัดกร่อนทางอิเล็กโทรเคมีสูง และขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมในการใช้งานและการทำผิวหน้า ปัจจุบัน วิธีการป้องกันที่มีต้นทุนต่ำ (เช่น การใช้อุปกรณ์ยึดแบบอะลูมิเนียม) สามารถลดการกัดกร่อนเฉพาะที่ได้ แต่ยังต้องพัฒนาเทคโนโลยีป้องกันการกัดกร่อนที่ประหยัดและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

4.3 ต้นทุนการรีไซเคิลสูง การผลิตที่มีคาร์บอนต่ำยังคงเผชิญกับความท้าทาย
กระบวนการรีไซเคิลแมกนีเซียมอัลลอยซับซ้อนและใช้พลังงานสูง ทำให้การผลิตที่มีคาร์บอนต่ำจริง ๆ ยาก วิธีการปัจจุบันเน้นการปรับปรุงประสิทธิภาพการรีไซเคิลผ่านการรีไซเคิลภายในโรงงานและการรีไซเคิลที่เครื่องหล่อ บริษัทในวงการเช่น Regal Magnesium กำลังส่งเสริมการปฏิบัติการผลิตแมกนีเซียมที่มีคาร์บอนต่ำ แต่ยังต้องการการพัฒนาที่สำคัญเพื่อให้เกิดแนวทางการผลิตที่มีคาร์บอนต่ำในขนาดใหญ่

4.4 วงจรการพัฒนาที่ยาวนาน ต้นทุนการลงทุนทางเทคนิคเริ่มต้นสูง
การพัฒนาชิ้นส่วนแมกนีเซียมอัลลอยไม่ใช่เพียงแค่การทดแทนวัสดุ แต่ต้องมีการออกแบบโครงสร้างใหม่และการปรับกระบวนการตามคุณสมบัติของมัน ทำให้มีวงจรการวิจัยและพัฒนาที่ยาวนานและต้นทุนเริ่มต้นสูง ด้วยการปรับปรุงฐานข้อมูลวัสดุ และการเพิ่มศักยภาพในการสร้างต้นแบบและการจำลอง คาดว่าจะเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้งานแมกนีเซียมอัลลอยอย่างมาก ทำให้ส่งเสริมการใช้งานในขนาดใหญ่

5 สรุป

เมื่อวงการยานยนต์ดำเนินไปสู่การลดน้ำหนักและการใช้พลังงานไฟฟ้า แมกนีเซียมอัลลอยกำลังกลายเป็นวัสดุสำคัญหนึ่ง เนื่องจากคุณสมบัติในการลดน้ำหนักอย่างมาก ประโยชน์ของทรัพยากร และการปรับปรุงประสิทธิภาพต้นทุนอย่างต่อเนื่อง ปัจจุบัน แม้จะมีความท้าทายในด้านการกัดกร่อน กระบวนการผลิต และการรีไซเคิล แต่ด้วยการส่งเสริมกระบวนการขั้นสูง เช่น การหล่อแบบกึ่งของเหลว การปรับปรุงฐานข้อมูลวัสดุ และการร่วมมือวิจัยระหว่างบริษัท ทำให้เทคโนโลยีการใช้งานแมกนีเซียมอัลลอยมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ในอนาคต ด้วยการสนับสนุนนโยบายและการร่วมมือในวงการ คาดว่าแมกนีเซียมอัลลอยจะมีการใช้งานที่กว้างขวางในยานยนต์พลังงานใหม่ รุ่นระดับไฮเอนด์ หรือแม้กระทั่งยานพาหนะเชิงพาณิชย์ มอบการสนับสนุนที่แข็งแกร่งสำหรับการประหยัดพลังงาน การลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก และการปรับปรุงโครงสร้างในวงการยานยนต์