汽車用鎂合金的研究應用進展

摘要本文綜述了汽車用鎂合金研究應用歷史、現狀以及發展方向，介紹了當前鎂合金生產研究中的熱點工藝，指出輕型鎂合金材料是未來汽車材料的重點，應當關注鎂合金材料加工工藝的改進，提高鎂合金在汽車上的應用。

關鍵詞鎂合金 轎車 綜述

中圖分類號:U465文獻標識碼:A

目前全世界汽車保有量已經超過7億輛，80%為轎車產品。隨著汽車工業的發展，越來越多的汽車特別是轎車將使用鎂合金來代替鋼、塑料等傳統材料。進入七十年代，各國對汽車的節能和尾氣排放提出了越來越嚴格的限制，要求采用更多高新技術，生產重量輕、耗油少、符合環保要求的新一代汽車。據測算，汽車自重減輕10%，其燃油效率可提高5.5%。鎂是實際應用中最輕的金屬結構材料，鎂合金比重低、易于加工成形、有良好的陰尼減震和電磁屏蔽性能、容易回收等優點，被譽為“21世紀綠色工程材料”。各國的汽車廠商正極力爭取采用鎂合金零件的多少來做為自身車輛領先的標志，大眾、奧迪、菲亞特汽車公司紛紛使用鎂合金。未來的10-15年會有越來越多用鎂合金制造的汽車。

1 研究、應用的歷史和現狀

過去鎂主要用于生產鋁合金、鋼液脫硫和球墨鑄鐵的生產。隨著鎂合金材料生產成本的降低，鎂合金結構件成形工藝的進步和產品質量的提高，很多國家已把鎂合金新材料和新工藝的研究與開發視為新世紀一項重大戰略選擇。

1.1 鎂合金在汽車工業中的應用歷史

1927~1930年，德國生產的汽車平均每輛用73.8公斤鎂合金。1936~1940年，德國大眾汽車(巴西)公司生產的“甲殼蟲”汽車的曲軸箱、傳動箱殼體累計用了4萬噸鎂合金。1948~1962年，美國采用熱室壓鑄機生產了數百萬件鎂壓鑄件供汽車用。20世紀80年代，鎂壓鑄件應用增加。20世紀90年代中期，壓鑄工藝技術設備完善，鎂應用進入成熟階段，發展速度空前。2000年，全球汽車用鎂壓鑄件近15萬噸，占全球鎂壓鑄件的80%。 2000-2008年，由于節能和環保的壓力，全球用于汽車的鎂合金以15%以上的速度強勁增長。

1.2 鎂合金在汽車工業中的應用現狀

目前，鎂合金壓鑄汽車零部件至少已超過60 種，例如，已經使用并在近期要快速推廣的零部件有輪轂、儀表盤、座椅框架、變速箱殼體、轉向系統、汽缸蓋、進氣岐管和剎車踏板架。正在加緊著手開發的有門框、大的車體外部件、支撐柱、發動機箱體、油底盤。其中，安裝安全氣囊的汽車都開始改用鎂合金方向盤，這既可減重，又可降低震動，在發生意外撞擊時，鎂合金可吸收更多的能量，有利保證駕駛員的安全。

目前，鎂合金在汽車上的應用主要有以下幾個方面:

(1)傳動系統:齒輪箱外殼、離合器外殼、變速器外殼。(2)發動機總成系統:汽缸蓋、油泵外殼、進氣歧管、汽缸體、油盆、閥蓋、輪蓋。(3)車體系統:儀表板、座椅架、移動式車頂架、后掀門架、車門內襯、安全氣囊外殼、加油箱蓋、車燈外殼、引擎蓋、車頂板、前置架支撐組件、車身骨架。(4)底盤系統:轉向架、鎖架外殼、方向盤、輪圈、離合器踏板托架。

1.3國內汽車應用鎂合金現狀

我國有著豐富的鎂資源，原鎂產量僅次于美國，但在汽車的應用上相對較少，與國外的差距較大。

20世紀80年代，上海桑塔納汽車變速器上下殼體用鎂合金壓鑄件。“九五”期間，北京有色金屬研究總院與東風汽車公司共同承擔國家科技攻關課題，對鎂合金壓鑄件在汽車上的應用進行了專題攻關研究。“十一五”國家科技支撐計劃重點專項中仍然有交通工具用鎂合金零部件生產及應用這個子課題。此外，國內的一些主要的汽車生產企業，如東風汽車有限公司、第一汽車集團公司、長安汽車集團公司也開展了鎂合金的研究、開發和試制。東風汽車有限公司開發了鎂合金變速器上蓋、腳踏板、真空助力器中間隔板、制動閥體等多種鎂合金零件，部分零件已批量裝車銷售。東風汽車有限公與還與北京有色金屬研究總院合作完成了國家科技攻關項目“鎂合金在汽車上的應用研究”專題，成功壓錛出鎂合金空壓機連桿，實現了真空助力器中間隔板、前油土封座和閥體等多種零件的批量試制和生產。一汽也開發了鎂合金氣缸罩蓋、腳踏板、轉向盤、增壓器殼體等壓鑄件，并在紅旗等車型中得到應用。長安汽車公司開發了8種鎂合金變速器殼體零件，用于長安微型汽車。單車用量8.08kg。奇瑞汽車也在制造鎂合金轉向盤。目前，這些企業的鎂合金生產能力已初步開成。

2 鎂合金的幾種生產工藝

生產工藝的研究是汽車用鎂合金研究熱點問題之一，出現了一些較為先進的鎂合金加工工藝。鎂合金成形主要通過鑄造和塑性變形兩種方式完成。目前，常的鎂合金有4個系列，即AZ(Mg―Al―Zn―Mn)系列、AM(Mg―Al―Mn)系列，AS(Mg―Al―Si)系列，AE(Mg―Al―Re)系列。國外鎂合金常用的合金為AZ91D、AM60B、AM50A、AM20、AS21、AE42等。

2.1 鑄造

鑄造成形技術是當前各國使用最廣泛、研究最充分的成形方法。隨著科學技術的發展，除砂型鑄造外，各種各樣的工藝方法不斷涌現，如低壓鑄造、擠壓鑄造、半固態成型、連鑄技術、鑄扎技術等。

2.2 擠壓

擠壓工藝最適合低塑性材料的成形加工，鎂合金高溫時的延伸率只有4%~5%，非常適合擠壓加工。擠壓法生產的零件，其力學性能較壓鑄法生產的要高很多，而且表面光潔，無需再打磨，可用于汽車承載件，如坐架、輪轂和汽車窗框等，擠壓溫度一般在200-400℃，在擠壓時為了減少摩擦，防止粘模，降低摩擦力以利于金屬流動，采用添加潤滑劑的方法。

2.3 沖壓

鎂合金在常溫下不宜沖壓，一般情況下沖壓都在150℃以上。研究指出:在175℃時，鎂合金板杯形件拉深的拉深比可達2.0，在220℃時達達3.0。超過了鋁合金和低碳鋼的常溫拉伸成開極限。德國大眾(奧迪)汽車公司采用熱沖壓技術生產鎂合金發動機罩，日本豐田公司生產凸輪，國內汽車廠商最典型的是上海大眾公司生產的內鎂、外鋁的混合車門，有效的減輕了汽車重量。

2.4 沖鍛

沖鍛成形技術是將沖壓成開與鍛造成形結合在一起，將加熱后的鎂合金坯料放在加熱模具中進行沖壓和鍛壓。鎂合金的鍛造性能主要取決于三個因素:鎂的凝固溫度、變形速率及晶粒大小。技術關鍵是成型模具與成形工藝，包括模具設計、模具溫度控制、變形率與變形速度等參數的控制。一般分為粗鍛和精鍛兩次成型。精密沖鍛生產效率高，成品率高，成本低，在生產中應用積極。1999年，日本索尼、日立金屬和東京精鍛所共同開發成功鎂合金沖鍛成型技術(Press Forging)，當年就達到了20萬套的生產規模。

2.5 等溫鍛造

等溫鍛造是鎂合金的重要加工方法。鎂合金導熱系數很大，為鋼的兩倍，鍛造溫度范圍窄，(150℃)，模具降溫很快，塑性降低，變形抗力增大，充填性能下降，適合等溫鍛造成形。日本鍛榮舍株式會社采用AZ80鎂合金在8000T油壓機鍛造的汽車輪轂。

2.6 超塑

鎂合金塑性較低，用常規變形方法加工較難，近年來美國和日本等國對鎂合金的超塑成形技術進行了研究。研究表明，很多變形鎂合金在一定條件下具有超塑性，可以一次成形復雜的零件。如AZ31、AZ61、ZK60在適宜的條件下呈現超塑性能，不論板材和棒材，其最大伸長率均可達200%以上，而變形抗力卻非常小，這為成形加工提供了極為有利的條件，可以用很小的力一次成形復雜的零件。近年來，很多專家致力于高應變速率超塑合金的研究，取得了一定進展。如變形鎂合金MB26，其特點是強度高、耐熱性強、耐腐蝕性好，在350~480℃溫度范圍內有良好的超塑性，最大伸長率達1450%。

3 研究方向

隨著汽車向輕量化方向發展，鎂合金的應用越來越多，大多數的汽車廠商已經使用或正在研究利用鎂合金材料，鎂合金的在汽車上的使用將有大的發展，總結研究發展方向如下:

(1)改進熔鑄工藝，提高鑄錠質量。為了提高鎂合金材料的性能，在制鎂工來的生產工藝上實行了許多重大的技術革新。如在傳統壓鑄工藝的基礎上衍生出了真空壓鑄、充氧壓鑄、超低速壓鑄等諸多分支技術。其中真空壓鑄以其極低的鑄件含氣量、較好的設備兼容性和優異的鑄件性能等優點得到了高度重視和大力發展。高真空壓力鑄造得到的零件不僅可以大大降低微孔和氣孔等鑄造缺陷，還可以進行熱處理和壓鑄焊接。

(2)改進熱處理工藝，加強對變形鎂合金材料和塑性成形技術更深入和全面的研究，致力于變形鎂合金材料和新成形工藝的開發，提高鎂合金使用性能。

(3)目前世界各國都在積極推進車身、車體主要部件的鎂材化，開發新型鎂合金。通過優化合金的化學成分、降低生產成本，提高生產效率，制造出具有較好沖壓性能的板材，并建立汽車車身用鎂合金標準。

(4)開發鎂基復合材料，開發具有優良的擠壓性和焊接性的鎂合金材料。

(5)研究鎂的雜質無害化與回收技術，開發報廢汽車鎂材料再生技術，建立報廢汽車回收系統，提高鎂合金的回收率，構筑真正的循環型、節約型社會。

(6)系統地研究鎂合金的成分、微觀結構、力學性能(尤其是疲勞性能)的關系。

(7)采用CAD/CAM/CAF/CAPP技術，通過對鎂合金成型工藝過程的仿真分析及工藝參數優化，建立鎂合金產品塑性成型工藝設計優化平臺。

4 結語

鎂合金輕型材料是當前汽車材料研究的熱點問題:如合金改良;成型性;鑄件的疲勞強度;再生利用;發展低成本、穩定制造的生產工藝;基于零件的制造工藝;可替代的制造手段，增加品種、提高質量、降低成本，已成為鎂加工行業和汽車行業迫在眉睫的新使命。我國汽車鎂資源豐富，但應用水平很低，與汽車工業的高速發展極不相適應。針對此情況，科技部推出了重點扶持汽車等領略鎂合金產品的開發計劃。因此，充分借鑒國外鎂合金生產技術，加強輕金屬特別是鎂合金材料的應用開發是我國汽車工業跟蹤世界先進水平應開展的研究課題。

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