Світовий ринок алюмінієвих виливків у XXI столітті

Представлено аналіз світового ринку алюмінієвих виливків у 2000-2017 рр., а також поточні тенденції у виробництві, торгівлі, ливарних технологіях і ливарних сплавах.

Ключові слова: ринок, виливки, алюміній, тенденції, виробництво, технології, сплави

          Світовий  ринок виливків з алюмінінієвих сплавів впродовж XXI століття характеризується підвищувальним трендом, незважаючи на економічну кризу 2008-2009 років. Як свідчать дані «Modern Casting» у 2017 р. обсяг їх виробництва склав 19,1 млн. т, що у 2,4 рази перевищує показник 2000 р. (рис. 1). Вочевидь, попит споживачів на алюмінієві виливки стимулює виробництво первинного алюмінію. Цю тезу підтрджує і значення коефіцієнта кореляції між цими показниками, що становить 0,95.  

Рис. 1. Динамікасвітового ринку первинного алюмінію та алюмінієвихвиливків

          Прикметно, що  після 2009 р. певний баланс на світовому ринку між попитом та пропозицією первинного алюмінію в річному вимірі в деякій мірі стримує підвищення цін Лондонській біржі металів (ЛБМ, LME) на цей товар (рис. 1.)

            Країни виробники. Впродовж останніх п’яти років (2013-2017) суттєвих змін в Топ-10 світових виробників виливків з алюмінієвих сплавів не трапилось (табл. 1), що свідчить про стабільність ринку.

Таблиця 1. Рейтинг світових виробників виливків з алюмінієвих сплавів 2013 і 2017 рр. [1, 2]

           Першу трійку потужних виробників алюмінієвих виливків формують Китай, США і Японія, які своєю часткою за підсумками 2017 р. займали, відповідно, 38,3; 8,8 і 7,8 % світового виробництва. До найбільш динамічних країн світу в сегменті алюмінієвих виливків за останні п’ять років слід віднести Туреччину (+40,7 %), Китай (+40,4 %) і Мексику (+36,2 %).

              Торгівля алюмінієвими виливками.  Згідно УКТ ЗЕД алюмінієві виливки розміщені в групі 76 (Інші вироби алюмінієві) за кодом 7616 99 10 00, до якого немає вільного доступу. Тому з певною похибкою можливо дослідити торгівлю за групою 7616, в яку входять кріпильні вироби з алюмінію (цвяхи, болти тощо), тканини, решітки, сітки та огорожі з алюмінієвого дроту, а також алюмінієві виливки.

            Порівняльний аналіз рейтингів країн виробників та експортерів/імпортерів за 2017 р. (табл. 2) дозволяє виявити певні закономірності. Так, лідером серед експортерів товарів за кодом УКТ ЗЕД 7616 є Китай (16,8 % світового експорту), а далі – Німеччина (10,5 %) і Італія (9,1 %). Слід відзначити, що вказані країни займають чільне місце і серед виробників алюмінієвих виливків. Так, Китай на першому місці, а Німеччина та Італія, відповідно, на п’ятому та шостому місцях.

Таблиця 2. Порівняльні рейтинги світових виробників виливків з алюмінієвих сплавів, а також експортерів і імпортерів товарів за кодом УКТ ЗЕД 7616  в  2017 р.

                                                                                      Примітка. Вихідні дані від Modern Casting [2] і International Trade Centre [3]

             Високе (7 місце) серед експортерів виробів з алюмінію займає сусід України – Польша (713,2 млн. USD). В той час, як Україна – тільки 63 місце з обсягом 3,96 млн. USD. Наразі імпорт Україною в 2017 р. сягнув 39,98 млн. USD (43 місце). Таким чином імпорт Україної товарів з алюмінію за кодом УКТ ЗЕД 7616 в 10 разів перевищує експорт.

              Ливарні сплави і технології. Рушійною силою свтової ливарної промисловості є автомобільна промисловість. Представлений Metal Bulletin Research аналітичний огляд свідчить, що на світовому ринку в 2011р. 75 % алюмінієвого литва споживав транспорт, в тому числі 57 % - автомобільна промисловість [4].

          В Європейській автомобільній промисловості для виготовлення виливків використовують традиційні  сплави систем Al-Mg, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg, Al-Zn-Si-Mg, Al-Cu, Al-Si-Mg, Al-Si-Cu (-Mg). Найбільш поширеними є сплави на базі системи Al-Si. Сплави Al-Si-Mg використовуються для автомобільних коліс, конструкційних виливків і деталей підвіски, що потребують досить високої міцності та пластичності. Сплави Al-Si-Cu (-Mg) застосовуються для виготовлення компонентів силових агрегатів, таких як блоки двигунів, головки циліндрів, поршні та виливки, де міцність при високих температурах та / або зносостійкість більш важливі, ніж пластичність [5].

             В останні роки на ринку ливарних алюмінієвих сплавів з’явились принципово нові сплави системи Al-Ce-X. Слід відзначити, що рідкісно-земельні метали (РЗМ) мають комплекс фізико-хімічних властивостей, які комплексно-позитивно впливають на експлуатаційні властивості алюмінієвих сплавів. На заваді до широкого застосування РЗМ в промислових алюмінієвих сплавах є їх висока вартість.  Найбільш дешевим з них є церій, ціна на який чистотою 99 %  в I кварталі 2019 р.  становила 10…30 USD/кг на умовах FOB-Китай. В США досліджено механічні властивості та мікроструктуру лінійки алюмінієвих сплавів, легованих церієм,  в литому та термообробленому (Т6) станах. Опубліковані дані свідчать про те, що при нормальних умовах сплав Al-12Ce-0.4Mg має межу міцності при розтягування 200 МПа, а сплав Al-12Ce-4Si-0.4Mg після Т6 – 252 МПа. Сплав Al-8Ce-10Mg при нормальних умовах  має міцність при розтягуванні 227 МПА, а при 260 ^оС – 130 МПа. Встановлено, що церій стабілізує механічні властивості Al-Si сплавів при високих температурах в діапазоні 200…400 ^оС. Тому їх рекомендують застосовувати замість сталі та чавуну для деталей моторної групи, що експлуатуються при високих температурах (рис. 2, 3) [6, 7].

              Комерціалізація сплавів системи Al-Ce-X, головним чином, залежить від вартості церію [6]. При його вартості менше 10 USD/кг вірогідна  зацікавленність з боку автомобільної промисловості. Якщо церій буде вартувати в діапазоні від 10 до 20 USD/кг, то такі сплави будуть застосовувати для техніки військового призначення, щоб зменшити вагу деталей за достатної міцності. Використання церію з вартість більше  20 USD/кг може бути зосереджено на комерційних ринках, а також ринках  авіаційної та космічної техніки. Можливе також використання сплавів системи Al-Ce-X замість титану. Згідно звіту USGS [8] у 2018р. середньорічна ціна титанової губки на ринку США становила 9,2 USD/кг. Є дані про те, що від 25 до 30 % виробів на ринку титану (4000 т на рік) використовуються для  роботи в діапазоні від 150 до 315 °С, що знаходиться в межах робочих температур сплаву системи Al-Ce-X [6].

         Перспективним технологічним напрямком підвищення конкурентної спроможності алюмінієвих ливарних сплавів є використання наночасточок (nanoparticle Casting). Дослідження різних варіантів цієї технології провадилось з початку 90-х років ХХ століття в дослідницьких центрах США, Єгипту, Ізраїля, України та інших країн. Отримані результати свідчать про те, що ливарні алюмінієві сплави з наночасточками знаходяться на початку свого «життєвого» циклу і далеко не всі їх можливості визначені і реалізовані, особливо на рівні комерціалізації.

            Європейська алюмінієва асоціація проаналізувала, які ливарні технології використовуються в Європейській автомобільній промисловості для виготовлення ключових деталей двигунів [9]. За цими даними, при виготовленні  алюмінієвого блока циліндрів найбільше застосовується лиття під тиском, стрижнева блок-система і лиття під низьким тиском (табл. 3).

  Таблиця 3. Використання ливарних технологій в європейській автомобільній промисловісті [9]

            При виготовленні алюмінієвих головок циліндрів найбільш поширені такі технології, як гравітаційне лиття та лиття під низьким тиском (табл. 3). Гравітаційне лиття передбачає плавне заповнення ливарної форми розплавом під дією гравітації. Для забезпечення направленої кристалізації сплаву застосовується холодильник в нижній частині форми. Технологія Rotocast, що розроблена і запатентована в Німеччині, передбачає виготовлення алюмінієвих виливків в кокіль, який обертається навколо горизонтальної осі.

              Тенденцію випереджаючого зростання випуску виливків з алюммінієвих сплавів у світі при деякому скороченні виробництва виливків з залізовуглецевих сплавів також підтверджує тематика досліджень та інновацій в ливарному виробництві, зокрема, Американської ливарної асоціації (American Foundry Society, AFS). За останні три роки AFS профінансувала близько 700 тис. USD на проекти з дослідження в області ливарних процесів, і ще на це було пожертвувано 300 тис. USD від промисловості. Крім того, AFS також бере участь в дослідженнях, що фінансуються ззовні, на суму близько 2 млн. USD [10]. Тематика проектів 2018 року (рис. 4) відповідає ступеню уваги AFS до перспективних напрямків розвитку ливарного виробництва. Примітно, що розробці інновацій з охорони навколишнього середовища, здоров'я та безпеки (Environmental, Health and Safety), включаючи захист дихальних органів від діоксиду кремнію (EHS / Silica), присвячено майже третину витрат – 32 % [10]. А дослідженню по темі лиття алюмінієвих сплавів приділено практично таку ж увагу, як і залізовуглецевих сплавів (чавуну і сталі).

Рис. 4. Тематика досліджень в області інновацій AFS в 2018 р [10].

            На завершення огляд інформації про ринок лиття з алюмінієвих сплавів резонно доповнити прикладами виливків (рис. 5) з фотогалереї на сайті AFS (www.afsinc.org), які ілюструють зростаючі науково-технологічні можливості і професійний рівень ливарників на сьогоднішній день. Такі фото і відео традиційно представляє ряд зарубіжних журналів і сайтів ливарної тематики як фахові досягнення тієї чи іншої компанії, чиї виливки отримали нагороди на конкурсах «виливок року» за видом металу, назви країни або галузі застосування.

                     а                             б                                в                            г                                                                           

                    д                                    е                           є                        ж                                                                                                                                                                                           

                       з                               і                      к                               л                                                                                                                                          

Рис. 5. Виливки з алюмінієвих сплавів із фотогалерей зарубіжних сайтів ливарної тематики: а – пустотіла деталь автомобіля Хонда; б - г – автомобільні деталі; д - картер в зборі; є – колектор; е, ж - насоси; з- деталь переднього підрамника; і – л - складні виливки, отримані литтям під

                     Оскільки значну номенклатуру виливків з алюмінієвих сплавів освоєно Фізико-технологічним інститутом металів та сплавів НАН України, то її доречно проілюструвати рядом прикладів (рис.6). Більшість таких виливків виготовлено за моделями, що газифікуються (ЛГМ-процес). Цю технологію успішно розвиває відділ фізико-хімії ливарних процесів під керівництвом д.т.н., проф. О. Й. Шинського.

Рис. 6. Приклади виливків з алюмінієвих сплавів, виготовлених за участю фахівців відділу фізико-хімії ливарних процесів ФТІМС НАН України.

Висновок

Світовий ринок виливків з алюмінієвих сплавів на початку XXI століття характеризується динамізмом та підвищувальним трендом. Незважаючи на локальну в часі економічну кризу, за період з 2000 по 2017 р. виробництво алюмінієвих виливків в світі збільшилось в 2,4 рази. Основним споживачем алюмінієвих виливків є транспортна галузь (частка 75 % в 2011 р.), в тому числі автомобілебудування – 57 %. Країнами лідерами з виробництва алюмінієвих виливків є Китай, США та Японія. Ливарне виробництво автомобільної галузі використовує прогресивні технології, які постійно удосконалюються, про що свідчать наведені приклади виливків. Науковці створюють нові технології та ливарні сплави з підвищеними експлуатаційними характеристиками, як, наприклад, технологія Rotocast, сплави системи Al-Ce-X та ряд способів лиття під тиском.

Список джерел

1. 48th Census of World Casting Production // Modern Casting, December 2014, p. 17-21.
2. 52th Census of World Casting Production // Modern Casting, December 2018, p. 23-26.
3. International Trade Centre. URL: http://www.intracen.org
4. The Global Market for Aluminium Castings to 2021. Prospectus. June 2012. 6p. URL: www.metalbulletinresearch.com
5. The Aluminium Avtomotive manual. Products – Cast alloys and products. European Aluminium Association. 2002, 37p. URL: https://www.european-aluminium.eu
6. Sims Z. C., Weiss D., McCall S. K., McGuire M. A., Ott R. T., Geer T., Rios O., and Turchi P. A. E.. Cerium-Based, Intermetallic-Strengthened Aluminum Casting Alloy: High-Volume Co-product Development. The Minerals, Metals & Materials Society. 2016, 8 p. URL: https://web.ornl.gov/sci/manufacturing/docs/pubs/Cerium-Based,%20Intermetallic-Strengthened%20Aluminum%20Casting%20Alloy.%20High-Volume%20Co-product%20Development.pdf
7. Weiss D. Development and Casting of High Cerium Content Aluminum Alloys. Global Casting Magazine. July 2018. Volume 8, Number 2. P. 22-27
8. Mineral commodity summaries 2019. US Geological Survey. 204p. URL: https://usgs.gov
9. The Aluminium Avtomotive manual. Manufacturing – Casting methods. European Aluminium Association. 2002, 82p. URL: https://www.european-aluminium.eu
10. AFS 2018 Annual Report modern metalcasting Advances. URL: https://afsinc.s3.amazonaws.com/2018%20Annual%20Report.pdf

Гнатуш В. А., Дорошенко В. С. Мировой рынок алюминиевых отливок в XXI столетии

Представлен анализ мирового рынка алюминиевых отливок в 2000-2017 гг., а также текущие тенденции в производстве, торговле, литейных технологиях и литейных сплавах.

Ключевые слова: рынок, отливки, алюминий, тенденции, производство, технологии, сплавы

Gnatush V.A., Doroshenko V.S. The world market of aluminum castings in the XXI century

The analysis of the world market of aluminum castings in 2000-2017, as well as current trends in production, trade, foundry technologies and foundry alloys is presented.

Key words: market, casting, aluminum, trends, production, technology, alloys

         Авторы: Гнатуш Виталий Аполлонович, канд. техн. наук, независимый аналитик, Украина; E-mail: vgnatus@gmail.com

Дорошенко Владимир Степанович, докт. техн. наук, ст. научн. сотр. ФТИМС, Украина; E-mail: doro55v@gmail.com

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", №4 (224) 2019 г.