輕量化的鎂合金引領電動自行車更輕盈

文：崔利軍 肖永清

輕量化的鎂合金引領電動自行車更輕盈

文：崔利軍 肖永清

眾所周知，鎂合金是實用金屬中最輕的金屬，有密度小、比強度高、彈性模量大、消震性好、承受沖擊載荷能力大的特點。被廣泛應用于攜帶式的器械和電動自行車行業中，達到輕量化的目的。在日益嚴重的資源和環境雙重壓力下，鎂合金作為目前工程應用中最輕之一和尚未被全面開發的金屬材料之一，正受到前所未有的關注，大規模開發和利用鎂合金的時代正向我們走來。據了解，鎂合金憑借其在性能、資源、環境等方面的獨特優勢，在各個領域得到廣泛應用，具有廣闊的市場前景。特別是近年來，電動自行車領域開始大量應用鎂合金，有效減輕了車重，改善了性能，加快了電動自行車產業的升級而受到社會廣泛的關注。

美國專家指導鎂合金制造企業

1 輕量化將成為電動自行車的重要發展方向

我國的輕型電動車沒有很嚴格的定義，一般認為電動兩輪車、電動三輪車、電動自行車、電動摩托車和現在常常提到的輕型、低速的電動汽車都屬于這個范圍。

近年來，電動自行車以其經濟、便捷等特點，成為群眾出行的重要交通工具，電動自行車產業快速發展，保有量迅猛增長，目前全國的電動自行車保有量已經超過了2億輛。

據了解，按照現行的國家標準，電動自行車最高車速應小于20 km/h，整車質量（重量）應不大于40 kg，一次充電后的續行里程應不小于25 km。但是出于市場競爭的需要，生產廠家向市場提供的電動自行車速度越來越快，質量也越來越重，已經達到輕便摩托車的標準，但是卻在非機動車道路上行使，給交通安全帶來極大的隱患。近些年來，我國電動自行車的年產量一直保持在3 000萬輛以上，國家也曾將電動自行車列入家電下鄉補貼產品，給予按照銷售價格13%的政府補貼，這進一步刺激了生產和銷售。但80%以上的電動自行車都屬于“超標”產品。

隨著國家對新能源產業整體推進步伐的加快，以及綠色、環保、低碳經濟的發展需要，電動自行車作為一種與消費者生活密切相關的出行伴侶，已開始面臨新的機遇和挑戰。不可否認，輕量化將成為今后電動自行車的重要發展方向。未來，電動自行車將會更加輕便化、小型化、節能化、智能化。而順應這種趨勢，最核心的就是要推動技術創新，通過創新豐富人們的生活。

限重一直是電動自行車新標準爭議的熱門內容，從長遠來看，限重將是一種趨勢。當前，關鍵還是應該通過技術手段來尋找突破口。當下電動自行車主要采用鉛酸電池，這也是增加電動自行車質量的一個重要因素。所以電池的研發就成為一個方向。如輕量化鋰電池，每組質量僅為3.5～5 kg，而且車型精、設計巧、動力強，被譽為是新一代電動自行車的最佳電源。此外，市面還出現了太陽能驅動電動自行車。將太陽能直接轉化成電能，整車集體積小、零污染、節能環保等多項優點。但從價格和性能等因素綜合來看，二者的普及率還不高，需要企業努力加大技術研究，讓更具優勢的新電源可以走進電動自行車領域。框架是電動自行車的主要承重部分也是整體質量最集中的部分，如果想減輕質量，就必須選擇輕質又具有綜合力學性能的材料。在框架材質選擇上，國內各電動自行車廠家可謂是當仁不讓，紛紛推出了時尚、輕便的電動自行車型。

鎂合金材料的鋰電自行車

高技術、高品質的電動自行車產品，一是要求“輕”，做到既輕量化，技術強度又要高，具有減重節能的優良性能；二是要求“精”，要做到設計精、技術結構精、零部件選用精和制作工藝精制；三是要求小巧，技術結構設計巧妙，外形精巧富有創意，使用上靈巧，便于騎行、攜帶和存放；四是要求高品質，做到材質強度高、設計水平高、制造工藝高和零部件技術含量高。尤其鎂合金電動自行車要大量使用高效鋰電池。鎂合金加鋰電池，將產生1+1＞2的效果，使鎂合金電動自行車減重節能、便于使用的優良特性更加突出。因為鎂合金其金屬結構的特殊性，完全適用于電動自行車部件的創新安全使用，完全適用于國內外交通業市場的需求，其優良的性能和高新的技術必將為交通工業的發展開辟廣闊的前景。在今后幾年中，鎂合金將會在電動自行車行業獲得更廣闊的應用，鎂合金電動自行車也將會被更多的普通用戶所青睞。這需要整個電動自行車行業的共同努力，開發適合消費者需求的性價比高的鎂合金電動自行車產品。

鎂合金材料業屬技術密集型和勞動密集型結合產業，在技術上可完全依靠國內技術和全部國產化，在生產力布局上可創造巨大的經濟效益和社會效益。鎂合金電動自行車材料是更新換代產品，其市場前景廣闊，產品具有質量輕、節能、安全、環保、美觀、時尚等優點，屬國家支持性產業。

電動自行車的發展方向是：設計個性化、功能綜合化、自重輕量化、操作方便化、款式多樣化。城市用電動自行車繼續向多功能、輕量化發展，高檔車向變速、避震、更加舒適的方向發展。為符合這種變化要求，自行車零部件要更多地應用新材料與新技術。近年來根據產品不同品種、性能的要求，高科技含量的復合材料及高強度輕合金材料將更多地應用于電動自行車的制作。所以鎂合金材料的引入將會在我國電動自行車業得到成功應用。新材料的廣泛應用，將使電動自行車的性能和制造工藝發生革命性的變革。隨著人們對環境保護意識的增強，綠色產品消費市場將迅速擴大。

近年，在德國科隆和弗里德里希，法國巴黎的自行車展上，鎂合金電動自行車屢見不鮮，正在被更多的廠商和消費者所認可。但由于技術上的局限，鎂合金變形、焊接及防腐性能的各項指標均較難掌握，很難大批量、規模化地運用在實際生產上，由此造成了鎂合金電動自行車產品的高價格，即使在歐美也僅僅只被一些專業人員或電動自行車運動發燒友所接受。目前國內外市場對鎂合金電動自行車及零部件產品的需求旺盛，在國際電動自行車展銷會上，有許多外商提出鎂合金材料電動自行車的意向，且同行業中有許多生產廠家出口此產品，具有良好的國外市場。隨著世界能源緊張和環保壓力的加劇，世界各國對電動自行車的需求將始終旺盛，質輕減震的鎂合金電動自行車能夠滿足人們對電動自行車輕便代步和健身的需求，因此市場潛力很大。

2 鎂及鎂合金的性能優勢

鎂合金是最輕的金屬結構材料之一，鎂合金是以鎂為基礎加入其他元素組成的合金。其特點是：密度小（1.75～1.85 g/cm3），是鋁的2/3，鋼的2/9。高強度、高剛性，彈性模量大，消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，耐有機物和堿的腐蝕性能好。鎂合金主要合金元素有鋁、鋅、錳、鈰、釷以及少量鋯或鎘等。

鎂合金加工過程及腐蝕和力學性能有許多特點：質量輕、剛性好，具有一定的耐蝕性和尺寸穩定性，抗沖擊、耐磨、衰減性能好且易于回收；另外還有高的導熱和導電性能，無磁性、屏蔽性好和無毒的特點。鎂合金廣泛用于攜帶式的器械和電動自行車行業中，以達到輕量化的目的。

目前使用最廣的是鎂鋁合金，其次是鎂錳合金和鎂鋅鋯合金。采用鎂合金能減輕整車質量，可在鋁輕量的基礎上再減輕15%～20%。由于鎂合金具有較高的比強度和比鋼度，電磁屏蔽性好、減震性好，具有優良的可切削加工性能和機械拋光性能，具有環保特性，尤其易于回收利用，因此，鎂合金在航空航天、軍工、交通工業、電子通訊工業等領域的應用在急劇擴大，現已成為僅次于鋼鐵、鋁合金的第3大金屬結構材料，被譽為21世紀最富于開發應用潛力的“綠色工程金屬結構材料”并將成為21世紀最重要的輕質結構材料。

鎂合金的比重雖然比塑料重，但是，單位質量的強度和彈性率比塑料高，所以，在同樣強度的零部件的情況下，鎂合金的零部件能做得比塑料的薄而且輕。另外，由于鎂合金的比強度也比鋁合金和鐵高，因此，在不減少零部件的強度下，可減輕鋁或鐵的零部件的質量。

鎂合金相對比強度最高。比剛度接近鋁合金和鋼，遠高于工程塑料。在彈性范圍內，鎂合金受到沖擊載荷時，吸收的能量比鋁合金件大一半，所以鎂合金具有良好的抗震減噪性能。鎂合金熔點比鋁合金熔點低，壓鑄成型性能好。鎂合金鑄件抗拉強度與鋁合金鑄件相當，一般可達250 MPa，最高可達600多 MPa。屈服強度，延伸率與鋁合金相差不大。鎂合金還具有良好的耐腐蝕性能、電磁屏蔽性能、防輻射性能，鎂合金鑄件回收再利用可做到100%。鎂合金件穩定性較高，壓鑄件的鑄造行加工尺寸精度高，可進行高精度機械加工。鎂合金具有良好的壓鑄成型性能，壓鑄件壁厚最小可達0.5 mm，適應制造汽車的各類壓鑄件。但鎂合金線膨脹系數很大，達到25～26 μm/m℃。

鎂合金的剛度隨厚度的增加而成立方比增加，對用鎂合金制造剛性好的整體構件十分有利。鎂合金的減震系數遠高于鋁和鋼鐵，具有優良的抗沖擊性能，有利于減震降噪，選用鎂合金作為電動自行車結構材料能有效降低電動自行車的振動和噪聲，受沖擊時能吸收更多的能量。鎂合金的散熱性好，抗電磁干擾性強，使電動自行車更為安全舒適。此外，鎂合金具有良好的鑄造性能和加工性能，同時有優異的回收再生利用的特性，其循環使用并不影響材料的性能，且再生熔解時的能耗比新材料制造所消耗的能源少得多，僅為從礦石冶煉能耗的百分之幾，更有利于環保和資源節約。

鎂合金性能優異、資源豐富，是符合輕量化、低碳趨勢的重要工程材料。鎂合金在材料性能及加工性能方面都存在一定的優勢。而且全球的鎂資源非常豐富，中短期內無短缺之虞，在傳統的金屬材料由于資源稀缺導致價格不斷上漲而使用成本日趨增加的背景下，鎂金屬被認為是繼鋼鐵、鋁合金之后的第3大金屬結構材料。鎂合金最大的優勢在于質輕，在“綠色經濟”不斷深化的時代，鎂合金的應用空間非常廣闊。

3 鎂合金是未來電動自行車的的重要選擇

從原鎂的消費結構來看大致可分為兩類：非工程結構材料，主要包括鋁合金元素添加、煉鋼脫硫、還原海綿鈦、鎂陽極等，這部分屬于原鎂消費的傳統領域，占比60%以上；工程結構材料，主要指鎂合金，終端消費集中在汽車、3 C領域，目前占比不到40%，全球消費量不到30萬 t，是原鎂消費增長最快、未來空間最大的領域。目前鎂合金的消費量還很小，主要是受到以下幾方面因素的制約：鎂合金材料及加工性能存在一定的不足；鎂合金牌號少，難以滿足不同產品對材料的要求；塑性成形工藝的生產效率、成材率還有待進一步提升；鎂合金冷加工技術還有待成熟；鎂廢料的回收成本高。但是隨著對鎂合金研究的深入，這些制約因素已經或將逐漸獲得突破。

鎂合金在電動自行車上的應用更具經濟性。目前電動自行車面臨的一大問題就是笨重的電池增加了車重，從而制約了電動自行車的性能，所以輕量化也被認為是電動自行車的核心技術之一。使用鎂合金進行輕量化設計就具備經濟性。隨著電動自行車的推廣，在電池技術尚未出現質的提升之前，鎂合金等輕量化材料將得到快速的增長。據介紹，與鋁輪轂相比，鎂合金輪轂的最大優點在于質量輕，一套鎂合金輪轂（前后輪）為3.1 kg，而一套鋁合金輪轂要4.7 kg，減重1/3左右。另外，鎂合金減震性好，舒適度高；散熱性好，可降低剎車系統溫度，還可以改善車的加速與剎車性能。對增加了電池的電動自行車來說，輕量化是一個很重要的選擇，在整車減重上有明顯效果后，將會使一次充電后行駛距離進一步延長。更為重要的是，目前部分鎂合金電動自行車輪轂的制造成本與價格已經能夠低于鋁合金輪轂，因此市場和客戶在逐步增加認同。據不完全統計，盡管相關產品標準還未能完善，但鎂合金電動自行車輪轂的銷量約100萬套，并且還在增長。因此，可以認為，擴大鎂合金應用是電動自行車行業解決當前困境，既能滿足市場需要又能符合國家法規的重要解決方案。保守估計，如果有50%的電動自行車使用5 kg的鎂合金，一年將會新增75 000 t的鎂合金市場，將相應拉動配套的產業鏈共同發展。但是，單靠企業自身的努力和零散的行動，此項工作恐難以有效推動，需要相關各方通力協作，需要企業、行業、用戶、科研機構、政府的共同努力，也需要各方有力地推廣和廣泛的社會認知。

我國鎂的蘊藏豐富，鎂資源占全球總儲量的22.5%。因此，較低的投資成本、豐富的煤炭資源、低成本的原料供應，以及充裕的勞動力優勢，都使鎂在我國的生產具有良好的經濟性和競爭性。我國的原鎂產量占全球產量的40%，是世界上第一大鎂生產國和出口國。我國鎂冶煉企業規模化、集約化程度在不斷提高，材料來源豐富。從性價比比較，鎂合金的運用優于鋁合金材料。但鎂合金在塑性變形時變形速度很低，易開裂，嚴重阻礙工業化生產。鎂合金坯料的質量對變形材料的應用起到基礎性的決定作用。其質量將直接決定并影響加工產品的好壞。因為鎂合金本身室溫塑性差、現有加工技術的局限，與合金坯料質量差而導致的加工廢品品率高有直接的關聯。

鎂合金材料將是未來生產廠家的重要選擇，擴大鎂合金材料應用將是電動自行車行業一條光明之路。目前，天津、河北、浙江、山西、山東等省市已經有很多企業生產鎂合金電動自行車和電動自行車零部件。除了車架、泥板、支架等車體部件，鎂合金輪轂的應用更是加大了單車鎂合金的用量。隨著低碳綠色經濟的步伐加快，電動自行車產業將面臨新的形勢、新的任務和新的機遇。

各種鎂合金型材

4 電動自行車輕量化成趨勢，輕質化材料走上前臺

電動自行車產品的輕質化和輕便化，是發展節能減排低碳產品和綠色產業的題中之意。從提高電動自行車產品減重節能的低碳品質的創新要求上看，開發和應用輕質化新型工程結構材料和高性能蓄電池對提高電動自行車產品的性能，降低“碳足跡”有著革命的意義。據悉，電動自行車的框架是電動自行車的主要承重部分也是整體質量最集中的部分。如果要減輕電動自行車的質量，那么這部分必須選擇既輕質又具有極高綜合力學性能的材料，鎂合金就是其中最好的選擇之一。

鎂合金有一系列的優越性，在電動自行車的應用中，具有高剛性、高抗震性、高抗彎曲性；它工藝性好，容易擠壓變形；材料可以完全回收，沒有廢料，在環保上是清潔的，沒有對環境有害的東西。制造電動自行車車架所需的結構材料的力學性能參數主要包括：密度、彈性模量、拉伸長度、拉伸強度、斷裂強度、韌性。鎂合金經過適當的處理后拉伸強度和硬度也會得到相應的提高。通過適當的方法可以保證鎂合金在強度和彈性模量上符合要求，較高的阻尼系數可保證車身在經受沖擊的過程中吸收部分能量以減少對騎行者的影響，同時還能提高電動自行車的壽命。

據了解，鎂合金在電動自行車領域已經得到了產業化應用，各國已經把單車用鎂量作為衡量電動自行車先進性的標準之一：俄羅斯更早地開始應用鎂合金，并不僅僅局限于電動自行車領域，還為殘疾人生產鎂合金車輛。在奧林匹克殘疾人運動會上，俄羅斯的運動員就是使用鎂合金制造的車，獲得了多項冠軍。隨著近年來輕質化和輕便化的潮流，中國電動自行車產業也開始越來越多地采用鎂合金。正是出于輕量化的考慮，國內不少鎂合金企業幾年前就開始著手進行鎂鋁合金在電動自行車上的應用實驗，并且取得了重大突破。目前市場上部分電動自行車已經開始采用鎂合金等輕量化的金屬作為車架。而由于鎂合金具有極好的可焊性，所以車架的設計可以隨心所欲。但是如何能夠降低生產成本，并建立大規模的生產線則是現在鎂合金生產所面臨的最大挑戰。

據悉，單純的模具澆鑄制得的鎂合金電動自行車架不僅性能較差，而且模具費用也偏高。一個型號的車架需要3～9個不同尺寸的模具，而一個模具的價格達到10萬美元。國外的通常做法是通過熱擠壓等加工方法得到中空的鎂合金管，然后根據需要通過焊接來完成車架的生產。這樣既可以保證車架的質量要求，又可以節約成本。然而，鎂合金由于其自身的物理化學特點，導致其焊接有很大困難，滿意的焊接質量不易獲得。鎂合金的結晶溫度區大，易于產生熱裂紋；鎂的沸點低，溫度進一步升高后，其蒸氣壓比在相同溫度下的鋁合金要高4～5倍，因而焊接時溫度一旦過高，鎂就會氣化，產生爆炸形成飛濺；鎂對氧有親和力，其氧化物密度較大，而容易形成夾雜；鎂在接近熔化溫度時，能與空氣中的氮強烈化合生成脆性的鎂氮化物，顯著降低接頭力學性能；因此，鎂合金焊接是比較困難的，在焊接時容易產生裂紋、氣孔、飛濺等缺陷，顯著降低鎂合金焊接頭的疲勞等動載荷性能，這對鎂合金焊接結構件在車輛中的應用提出了挑戰。可以說，鎂合金焊接技術是實現鎂合金零部件大量應用的主要關鍵技術難題。

通過技術攻關，我國已經解決了鎂合金的連接問題。大連理工大學已開發出鎂合金電動自行車焊接結構件、摩托車焊接結構件以及配套鎂合金焊接材料，并通過了臺架試驗和道路試驗，達到了出口標準要求，其中采用焊接技術生產的鎂合金電動自行車已經出口到歐盟國家，取得了顯著的經濟和社會效益。鎂合金電動自行車的產品開發，也有力帶動了鋰離子動力電池的推廣應用。在電動自行車的輕量化過程中，鎂的輕量化與鋰電池這兩個新產品的優點突出，而能夠在電動自行車上很好地結合起來，是一對黃金組合，相得益彰，互為依托，成為電動自行車減重的點睛之筆和核心競爭力。

5 鎂合金在電動自行車上的應用和發展

目前，鎂合金電動自行車產業化開發應用的形勢較好，一是廣大企業開發鎂合金電動自行車產品的熱情高漲，紛紛動手研制設計自己的鎂合金自行車產品，一些企業已經著手打造鎂合金車架焊接生產線；二是隨著鎂合金電動自行車產品開發規模的逐步擴大，對鎂合金材料和主要零部件的需求強勁增長，尤其對高品質的鎂合金擠壓型材和鎂合金焊接車架的需求旺盛；三是隨著鎂合金電動自行車的研制和產銷增長，鋰離子動力電池成為鎂合金電動自行車的最佳動力源，兩相匹配、互相作用，因此鎂合金電動自行車的規模化開發有力帶動了鋰離子動力電池的市場開發，成為鋰離子動力電池推廣應用的強大動力；同時使用高性能、長壽命的鋰離子動力電池作為動力，也使鎂合金電動自行車的產品品質性能更臻完美。

目前鎂合金電動自行車產業化開發推廣的前景很好，但是任務很重，還有許多問題亟待解決。鎂合金電動自行車僅僅是一種產品的創新，由于鎂合金應用的技術難度較大，需要加大技術投入。目前在鎂合金自行車產品質量和安全性能還不夠穩定的情況下，投入開發鎂合金電動自行車產品風險值得研究。開發鎂合金電動自行車應有更長遠的戰略思考，必須轉變中低檔開發的產品路線，逐步提高產品的技術附加值，來破解材料成本和生產成本上漲的困局，擴大企業可持續發展的空間。

當前企業的主要選擇應是加強產品的創新能力，來提高產品的技術附加值和企業創利空間。而開發鎂合金電動自行車產品，是電動自行車產業提升自主創新能力的主要突破口，是提高產品技術附加值的主要創新點和擴展企業利潤空間的一條捷徑。在國際市場上鎂合金電動自行車仍是稀缺產品，歐美發達國家需要從我國進口鎂合金，生產技術成本很高。實施鎂合金電動自行車產業化開發，可以充分利用我國鎂資源優勢和國內鎂業尚待深度開發的有利時機，充分發揮電動自行車產業巨大的生產制造能力，使鎂合金電動自行車在國內和國外市場形成物美價廉的獨占優勢。

企業要積極轉變觀念，充分認識形勢，認清鎂合金電動自行車產業化開發推廣的巨大意義，加快鎂合金型材和焊接車架等關鍵產品的開發，具備鎂合金型材開發能力的企業應抓住市場需求的機遇，大力開拓鎂型材的生產和供應。開發鎂合金焊接車架能力的生產企業需加大產銷量，積極參與鎂合金焊接車架的研制和生產。已掌握的鎂合金車架焊接工藝技術，要逐步形成生產能力。鎂合金應用技術難度雖然較大，但只要下決心攻關就可以掌握。車架抗疲勞強度不穩定將直接影響鎂合金電動自行車的安全性能，其原因既有鎂合金材質問題，也有焊接工藝問題。要實現鎂合金電動自行車自行車的開發目標，要在國內外市場形成獨占優勢，必須要下功夫研制高性能、高強度的鎂合金型材，必須要下大力氣加強焊接工藝的攻關。加快鎂合金自行車產業化開發是電動自行車產業創新發展的必經之路。開發高端鎂合金電動產品，也是為了進一步開拓國際市場。現在中國品牌在國際市場缺乏競爭力，主要是由于我們的產品品質較低。要樹立我們的品牌影響力，用中低檔產品肯定不行，必須用高檔高技術產品開路，因為國際市場就是靠實力說話。

全行業大力開發鎂合金自行車產品，其主要的戰略意圖就是，一方面要運用我們的優勢資源，擺脫鋼材等原材料易受國際市場波動影響；另一方面形成鎂合金電動自行車產品的開發強勢，并從根本上掌握整個鎂合金電動自行車產業鏈，這樣就形成了電動自行車產業的特色產品和獨占的市場優勢，就可掌控產品的定價機制，形成左右國內外市場的影響力。

綜上所述，在未來的發展中，鎂合金需在應用領域繼續改善其性能并拓展其在電動自行車中的應用中，在一些大型鑄件上，也要拓展其應用范圍。目的不僅是減輕質量，而且可以將幾個零部件優化設計成一個鎂合金鑄件，節省加工工具的成本，提高裝配效率。隨著鎂合金擠壓及沖壓技術的不斷開發應用，不僅能進一步減輕質量（重量），而且使產品的綜合性能大大提高，尤其沖壓生產效率高、工裝簡單、成本低，由此為鎂合金在電動自行車上的應用發展提供新的機遇。

鎂合金具有其他材料無可替代的密度和比強度、比剛度優勢，具有優異的回收再利用性，以及良好的鑄造及尺寸穩定性、抗振阻尼等特性，是電動自行車輕量化技術中替代鋼材、鋁材、塑料復合材料的理想首選材料，其在電動自行車輕量化上的應用空間非常廣闊。我國鎂資源豐富，鎂合金的發展有可靠的原料來源，依據目前鎂合金在電動自行車中應用開發情況，鎂合金材料勢必將廣泛應用于電動自行車業。

Magnesium Alloy Makes Electric Bicycle Lighter