鎂合金在汽車上的應(yīng)用及發(fā)展前景

張耀丹

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710077）

鎂合金在汽車上的應(yīng)用及發(fā)展前景

張耀丹

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710077）

文章論述了目前國(guó)內(nèi)外鎂合金在汽車上的應(yīng)用，哪些汽車零件適合用鎂合金，我國(guó)在鎂合金研究的突破及未來結(jié)合我國(guó)的國(guó)情會(huì)在哪些方面對(duì)鎂合金在汽車上的應(yīng)用進(jìn)行了研究。未來根據(jù)汽車用材的要求，鎂合金在汽上的發(fā)展前景。

鎂合金；汽車零部件；發(fā)展前景

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.056

CLC NO.: U465.2 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2015)09-165-03

引言

全球一體化，中國(guó)汽車工業(yè)面臨前所未有的，嚴(yán)峻的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。降低汽車的碳排放，實(shí)現(xiàn)輕量化和低油耗，降低成本、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力是中國(guó)汽車工業(yè)所急需解決的問題。而鎂合金具有密度低，質(zhì)量輕，其密度只有鋁合金的2/3，換用鎂合金就可以減輕整車重量，并間接減少了燃油消耗量，降低排放；比強(qiáng)度和比剛度高，可以取代鋁合金和鋼部件承受一定載荷；導(dǎo)熱性能好、切削加工性好，鎂合金具有良好的鑄造性能和尺寸穩(wěn)定性，易于加工，廢品率低，從而可以降低生產(chǎn)成本；鎂合金具有良好的阻尼系數(shù)，減振量大于鋁合金和鑄鐵，用于制造殼體可以降低噪聲，用于制造座椅、輪圈可以減小震動(dòng)，從而提高汽車的安全性和舒適性[1]，滿足了現(xiàn)代汽車工業(yè)對(duì)減重、節(jié)能的要求。鎂合金已經(jīng)成為汽車用材料的重要發(fā)展方向，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”，圖1所示為過去幾年世界汽車用鎂合金的情況。

1、前鎂合金在汽車上的應(yīng)用

1.1國(guó)外鎂合金在汽車上的應(yīng)用

世界上鎂合金用于交通工具，雖有70多年的發(fā)展史，但因材料性能(耐蝕性)、生產(chǎn)工藝(易燃燒)和材料成本(價(jià)格高)等因素，在汽車上的應(yīng)用進(jìn)展不快。近年來，鎂合金熔煉和鑄造技術(shù)不斷進(jìn)步，冶煉技術(shù)成熟，雜質(zhì)含量降低、耐蝕性提高，鎂價(jià)下降并相對(duì)穩(wěn)定，在排放法規(guī)更嚴(yán)，汽車減重需求更迫切的新形勢(shì)下，鎂合金應(yīng)用獲得快速發(fā)展，尤以汽車工業(yè)增長(zhǎng)速度最快。鎂合金在汽車上應(yīng)用，主要取代鑄鐵、鋁合金、塑料和鋼制沖壓焊裝組合件，多以壓鑄件形式應(yīng)用為主，現(xiàn)在汽車用鎂合金壓鑄件已占全球鎂壓鑄產(chǎn)量的80%，正在研制和應(yīng)用的鎂合金壓鑄件近100種，表1列出了當(dāng)前世界汽車行業(yè)研究及應(yīng)用的典型鎂合金零件和使用性能特點(diǎn)。表中所述汽車零件有些目前已被采用，有些仍處于研究開發(fā)之中。

表1

鎂儀表板在北美汽車上已廣泛應(yīng)用，歐洲用量也日益增多。奧迪汽車有限公司最早于80年代后期將鎂合金用于汽車的儀表盤框架中，其韌性較高，在汽車的碰撞試驗(yàn)中表現(xiàn)良好。與原來的鋼制零件組成的儀表盤相比，鎂合金儀表盤的質(zhì)量減輕很多和零件數(shù)量大大減少，并且可以預(yù)留出速度計(jì)、收音機(jī)和雜物箱的位置。福特汽車公司1982年開始在Bron和Ranger兩種輕便貨車上用鎂合金制造制動(dòng)踏板托架和離合器踏板托架取代鋼制托架，質(zhì)量由鋼制的2.3kg減輕到0.6kg，是鋁合金替代托架的1/2。

鎂座椅骨架的應(yīng)用愈來愈廣泛，尤其是面包車的座椅。梅賽德斯一奔馳汽車有限公司最早把鎂合金用于座椅零件上，現(xiàn)500SEL敞篷小客車的鎂合金座椅框架（包括座墊骨架、靠背骨架和安全帶保持器）質(zhì)量共8.5kg，而原來的鋼制框架共20kg[2]。通用汽車公司的整體座椅靠背骨架是1997年最重要的汽車用鎂合金壓鑄件之一[3]。

在歐洲，汽車前端結(jié)構(gòu)(如羅弗、陸虎)，進(jìn)氣歧管(如奧迪V6/V8，寶馬V一8，歐寶V一6)和大眾汽車的飛輪均正在采用鎂合金生產(chǎn)。此外，幾乎歐洲每個(gè)汽車廠均有一個(gè)汽車鎂缸體的研究開發(fā)項(xiàng)目，歐洲對(duì)變形鎂合金也感興趣。

在日本，鎂方向盤已大量生產(chǎn)，2001年生產(chǎn)27.3萬套。日本還正在大量生產(chǎn)鎂合金壓鑄方向盤支柱和汽缸罩蓋，安全氣囊零件，座椅骨架等，車門框架、門內(nèi)板、車身前圍，動(dòng)力系統(tǒng)零件(如缸體、油底殼等)大多處于研究開發(fā)階段。

德國(guó)Hosel公司正在開發(fā)門內(nèi)板，采用擠壓鎂合金，壁厚2一2.5mm[4]。

英國(guó)vagon公司正在開發(fā)鎂合金車門，其合金成分、焊接工藝和噴漆技術(shù)均屬于保密。

戴姆勒·克萊斯勒公司擬將在下一代車型上采用全集成鎂合金車身前圍結(jié)構(gòu)，由一件鎂合金鑄件與三個(gè)沖壓件組裝而成，取代先前的巧個(gè)鋼沖壓件焊裝的前圍，質(zhì)量由22.9kg減至9.5kg。

與歐洲相似，美國(guó)也正在執(zhí)行一項(xiàng)將鎂擴(kuò)大應(yīng)用到汽車動(dòng)力系統(tǒng)上的計(jì)劃，擬將開發(fā)2.5L排量的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和油底殼，并認(rèn)為既是擴(kuò)大鎂合金應(yīng)用的機(jī)遇，又在承受一次挑戰(zhàn)。因?yàn)殡m然現(xiàn)在已篩出的幾種壓鑄鎂合金和三種砂鑄鎂合金，并對(duì)生產(chǎn)成本、各種性能已完成試驗(yàn)和評(píng)價(jià)，但對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、鑄造工藝和加工工藝仍缺乏經(jīng)驗(yàn)。缸體、油底殼的裝配性能、密封性能、冷卻介質(zhì)，鎂零件可靠性也有待進(jìn)一步研究和解決。

1.2我國(guó)目前鎂合金在汽車上的應(yīng)用及研發(fā)

我國(guó)鎂資源相當(dāng)豐富，儲(chǔ)量居世界首位，屬產(chǎn)鎂大國(guó)。在20世紀(jì)90年代的10年間，中國(guó)原鎂產(chǎn)量增長(zhǎng)了37倍，2000年產(chǎn)量19.5萬t，出口16.53萬t，該年原鎂產(chǎn)量已占全球產(chǎn)量48.8萬t的39.%%，在國(guó)際上具有舉足輕重的作用。2001年中國(guó)原鎂產(chǎn)量已超過20萬t，出口達(dá)17.25萬t。目前國(guó)內(nèi)用鎂量很少，2000年只消費(fèi)了2.55萬t，汽車工業(yè)應(yīng)用不足4000t，大量低價(jià)出口。因此，中國(guó)對(duì)鎂合金在汽車上應(yīng)用的研究是重要和現(xiàn)實(shí)的工作。國(guó)家科技部確定的“十五”國(guó)家重大科技攻關(guān)專項(xiàng)“鎂合金開發(fā)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化”，就是為促進(jìn)我國(guó)鎂工業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，國(guó)產(chǎn)汽車選用材料既應(yīng)考慮發(fā)展趨勢(shì)，又必須同本國(guó)的實(shí)際資源特點(diǎn)緊密結(jié)合，緊跟世界汽車用材趨勢(shì)，把汽車用鎂列為新世紀(jì)的研究課題。

鎂合金在國(guó)產(chǎn)汽車上應(yīng)用剛起步，目前，我國(guó)鎂合金牌號(hào)、品種規(guī)格較少，無自成體系的壓鑄鎂合金，供汽車工業(yè)選用的材料較少，很難滿足汽車生產(chǎn)要求。無系統(tǒng)完整的汽車零件產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)借鑒和參考，如何結(jié)合鎂合金的實(shí)際性能特點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、性能可靠、生產(chǎn)可行的鎂合金零件，是非常重要的技術(shù)工作。目前，我國(guó)在鎂合金在汽車上的應(yīng)用主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

（1）開發(fā)高性能經(jīng)濟(jì)型耐熱鎂合金。目前應(yīng)用較廣的AZ91鎂合金，盡管具備良好的室溫力學(xué)性能、耐蝕性能和壓鑄工藝性能，但在120℃以上的工作溫度，抗蠕變性能較差。在確保合金力學(xué)性能和壓鑄工藝性能的基礎(chǔ)上，提高合金抗高溫蠕變性能，是應(yīng)開展的研究工作。

（2）開發(fā)高強(qiáng)高韌性鎂合金。高塑鎂合金多以生產(chǎn)汽車保安件為主，如方向盤、各種支架和骨架零件等，以達(dá)到零件受沖擊時(shí)變形而不斷裂，鎂比鋁剛性差，在零件仁除設(shè)置較多的加強(qiáng)筋外，還需合金具備較高塑性和強(qiáng)度，并有較好的壓鑄工藝性能。

（3）開發(fā)耐腐蝕經(jīng)濟(jì)型高阻尼鎂合金。鎂合金阻尼性能優(yōu)于鋁合金，但耐腐蝕性能不如鋁合金，對(duì)于汽車底盤及行走系統(tǒng)的零件（如車輪），要求減震降噪能力性能好的同時(shí)，還應(yīng)能滿足使用環(huán)境對(duì)耐腐蝕性能的要求。

2、發(fā)展前景

汽車上有60多種零部件可以采用鎂合金。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，中國(guó)載貨車和轎車對(duì)鎂合金的需求量2015年可達(dá)6.9萬t，2020年可達(dá)7.56萬t。據(jù)相關(guān)報(bào)道，大眾公司、通用汽車公司、日產(chǎn)公司、馬自達(dá)公司、三菱公司等美國(guó)三大汽車公司聯(lián)合對(duì)新開發(fā)的耐熱鎂合金進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和技術(shù)評(píng)估，對(duì)鎂合金在汽車上的應(yīng)用十分看好。變形鎂合金及其加工技術(shù)正在成為鎂合金研究和應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)，包括鎂合金等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù)。鎂合金超塑性研究，重要研究方向是：（1）高應(yīng)變速率超塑性。對(duì)于節(jié)約能源、提高生產(chǎn)率、擴(kuò)大應(yīng)用都有很重要的意義。（2）大晶粒工業(yè)態(tài)鎂合金超塑性。研究晶粒較大的工業(yè)態(tài)鎂合金在一定條件下的超塑性，因其不需要預(yù)加工可節(jié)約能源，故將有更大的應(yīng)用前景。（3）鎂合金低溫超塑性。研究鎂合金在較低的溫度下進(jìn)行超塑性變形。

鎂合金材料的研究和應(yīng)用前景是非常廣闊的，相對(duì)于其它金屬材料（如鋁、鋼等）的研究發(fā)展水平，我國(guó)與世界發(fā)達(dá)國(guó)家的差距較小，可以說幾乎處在同一起跑線上，如果集中全國(guó)的優(yōu)勢(shì)力量針對(duì)關(guān)鍵科學(xué)問題展開研究，就有可能取得重大突破，達(dá)到甚至趕超世界先進(jìn)水平。我國(guó)近年在鎂合金技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，作為世界第一“鎂”大國(guó)要造好鎂、用好鎂，造福于中國(guó)和世界，并在鎂的研究領(lǐng)域成為世界領(lǐng)頭羊，推動(dòng)鎂合金走可持續(xù)發(fā)展之路，同時(shí)還要開展好鎂合金的重大基礎(chǔ)研究。

[1] 曉青.鎂合金在汽車上的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J].上海汽車,2005(03).

[2] Kimberby W.et al. Magnesium Flair. Automotive Engineer 1997.

[3] rigley A.Magnesium Use Rising.Aulomotive Manufacturing & Producdtion.1997.

[4] osephC. Benedyk. Comributing Edinor. The 12th Annual Magnesium in Automotive Seminar. Magnesium is On the Move. Light Metai Age.June 2001:62-64.

The application and development prospects of magnesium alloys in automotive

Zhang Yaodan
( Shaanxi Defence Vocational & Technical College, Shaanxi Xi’an 710077 )

This paper discusses the application of magnesium alloy in the car at home and abroad. What kind of auto parts suitable for magnesium alloy. In the breakthrough in the study of magnesium alloy and the future combining with the condition of our country will be in what aspects of the application of magnesium alloys in automobile were studied. According to the requirements of automotive materials in the future. Prospects of the development of magnesium alloy in the steam.

Magnesium alloy; Auto parts; Prospects for development

U465.2

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1671-7988（2015）09-165-03

張耀丹，就職于陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，主要從事汽車及機(jī)械相關(guān)領(lǐng)域的研究和教學(xué)工作。