鎂在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

張念 張逸航｜文

本文分別扼要介紹了鎂在新能源汽車(chē)動(dòng)力電池方面的研究動(dòng)態(tài)和鎂在汽車(chē)輕量化材料方面的應(yīng)用現(xiàn)狀。隨著技術(shù)進(jìn)步，未來(lái)鎂動(dòng)力電池技術(shù)會(huì)最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)不斷努力嘗試，鎂合金在汽車(chē)輕量化方面逐漸扮演重要角色。

鎂是一種銀白色的輕質(zhì)堿土金屬，其化學(xué)性質(zhì)活潑，并可以和酸反應(yīng)生成氫氣。鎂及鎂合金在輕重性、比強(qiáng)度、比剛度、儲(chǔ)能性、可回收性、減震能力和導(dǎo)熱性等方面具有特殊的優(yōu)勢(shì)，因此它在汽車(chē)、電子、航天、航空和國(guó)防等領(lǐng)域都顯示出重要的應(yīng)用價(jià)值，正因?yàn)榇耍还谝浴?1 世紀(jì)綠色工程材料”的美譽(yù)。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)在鎂和鎂合金的研究上投入了巨大的資源，經(jīng)過(guò)不懈努力，研究者們?cè)阪V合金成形技術(shù)（尤其是在汽車(chē)領(lǐng)域鎂金屬的應(yīng)用）等方面取得寶貴的成果。本文擬就目前鎂在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)述。

鎂在新能源汽車(chē)動(dòng)力電池方面的研究

隨著全社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷提升，近些年，節(jié)能環(huán)保的新能源汽車(chē)在國(guó)內(nèi)外逐步成為消費(fèi)者所追逐的新寵，隨之帶來(lái)了一系列電池的需求也就不斷增長(zhǎng)。目前常用的動(dòng)力電池（鉛酸電池和鎳鎘電池）無(wú)一例外地都存在重金屬污染等問(wèn)題。相對(duì)比較環(huán)保的鋰離子電池雖能避免環(huán)境污染，然而卻容易出現(xiàn)引發(fā)短路的枝晶問(wèn)題，最終研究者們將注意力轉(zhuǎn)向兼具環(huán)保安全特點(diǎn)的鎂。

與鋰相比，鎂更適合充當(dāng)電池，比如，鎂是自然界中分布最廣泛的元素之一，其價(jià)格自然比鋰價(jià)便宜很多；鎂以及相關(guān)化合物均無(wú)毒害作用或毒性極低，更有利于環(huán)保；鎂沒(méi)有鋰那么活潑，相對(duì)更容易操作，加工上也更為安全。

正是由于鎂的這些特質(zhì)，發(fā)達(dá)工業(yè)化國(guó)家（特別是日本）在新型鎂電池研究方面一直投入大量資源，并已取得了不錯(cuò)的成績(jī)，如本田公司2018年對(duì)外宣布，該公司與崎玉縣產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合中心合作，開(kāi)發(fā)出了世界上第一塊可以實(shí)際應(yīng)用的鎂充電電池，本田公司希望在2018年實(shí)現(xiàn)鎂電池的商用化，并徹底代替鋰電池。無(wú)獨(dú)有偶，豐田汽車(chē)公司也宣布其北美研究院研發(fā)的鎂電池取得了巨大的進(jìn)展，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了利用鎂制作電池的方法，有望成為鋰電池的替代品。除日本之外，美國(guó)在鎂電池方面也取得不錯(cuò)的成績(jī)。據(jù)報(bào)道，2015年美國(guó)伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校研究人員對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池的研究又邁出一步，該團(tuán)隊(duì)以鎂離子打造的電動(dòng)汽車(chē)電池，也許能跑贏鋰電池電動(dòng)汽車(chē)。

圖1 鎂電池工作原理

國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界對(duì)于鎂的研究一直以來(lái)比較低調(diào)，但并不意味著中國(guó)的鎂電池研究落后。與此相反，我國(guó)在這方面的科研投入巨大，并在某些項(xiàng)目上保持世界領(lǐng)先地位。近年來(lái)國(guó)內(nèi)很多高校也正在積極從事鎂電池相關(guān)研究，以期早日突破技術(shù)難題。其中較為顯著的有：上海交通大學(xué)早在2012年就進(jìn)行了鎂電池方面的研究；南京工業(yè)大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，也曾在2015年發(fā)明了一種高電壓的鎂電池，其能量密度可以與鋰離子電池相媲美。

如前文所述，因?yàn)椴淮嬖阢U酸蓄電池、鎳鎘電池等的重金屬污染問(wèn)題，鎂電池被稱(chēng)為環(huán)境友好型電池。在原材料采集以及整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，直至電池使用之后的拋棄，它對(duì)環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生任何污染。此外，鎂電池還具有廉價(jià)、安全、容量大、低性能好、儲(chǔ)存性能好等優(yōu)點(diǎn)。

盡管鎂電池?fù)碛忻篮霉饷鞯奈磥?lái)，但我們?nèi)孕枨宄匾庾R(shí)到，鎂動(dòng)力電池的研究依然處于實(shí)驗(yàn)室研究的初級(jí)階段，盡管高水平研究論文給鎂動(dòng)力電池領(lǐng)域的研究帶來(lái)了新的活力和吸引力，真正探索出鎂電池的實(shí)際應(yīng)用道路依然充滿不確定性。這需要該領(lǐng)域的科研研究不斷探索和發(fā)掘新理論、新材料、新策略和新電池體系，相信鎂動(dòng)力電池在不久的將來(lái)會(huì)取得重大突破，造福人類(lèi)。

鎂在汽車(chē)輕量化材料方面的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著汽車(chē)行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，相關(guān)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)激烈，故而汽車(chē)企業(yè)紛紛將制造性能好、質(zhì)量輕的車(chē)輛作為重要目標(biāo)。作為減少尾氣排放和提高燃油經(jīng)濟(jì)性等最為有效的方法，汽車(chē)輕量化正在日益得到更多企業(yè)的關(guān)注。輕量化的途徑主要體現(xiàn)在材料和工藝兩方面，而鎂合金作為實(shí)際應(yīng)用中質(zhì)量最輕的有色金屬材料，其輕量化的效果表現(xiàn)最佳。下面本文擬就鎂合金作為汽車(chē)輕量化材料的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行扼要介紹。

鎂的密度是鋁的2/3，鋅的1/4，故而鎂合金作為輕量材料正越來(lái)越多地被應(yīng)用在汽車(chē)上。早在上世紀(jì)30年代，德國(guó)大眾公司率先用壓鑄鎂合金生產(chǎn)“甲殼蟲(chóng)”汽車(chē)的曲軸箱、傳動(dòng)箱殼體等發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系零件。到1980年，大眾公司共生產(chǎn)了1900 萬(wàn)輛甲殼蟲(chóng)轎車(chē)，共使用鎂合金逐漸達(dá)38 萬(wàn)噸。美國(guó)稍晚于德國(guó)開(kāi)始采用汽車(chē)的鎂合金零部件生產(chǎn)，但其用量不斷增加，促進(jìn)了鎂合金的發(fā)展。其中福特、通用和克萊斯勒三大汽車(chē)公司的鎂合金用量占北美的鎂總消耗量的70%。日本在這方面保持了同樣的熱情。從國(guó)外的情況來(lái)看，汽車(chē)用鎂合金主要是壓鑄件，這種做法不僅達(dá)到降低汽車(chē)質(zhì)量，提升燃料經(jīng)濟(jì)性的目的，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)環(huán)境、改善安全性和駕乘感受，從而達(dá)到了增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的效果。

圖2 鎂合金汽車(chē)輪轂的正反擠壓成型流程圖

我國(guó)在汽車(chē)輕量化方面起步較晚，最早將鎂合金應(yīng)用到汽車(chē)上的企業(yè)是上汽集團(tuán)。上世紀(jì)90年代，他們首次在桑塔納轎車(chē)上采用鎂合金變速箱殼體、殼蓋和離合器外殼，單車(chē)用鎂合金共約8.5 千克。一汽集團(tuán)開(kāi)發(fā)了抗蠕變鎂合金，用于制造高溫負(fù)載條件下的汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)部件，同時(shí)順利研發(fā)出氣缸蓋罩蓋等鎂合金壓鑄件。同時(shí)，東風(fēng)汽車(chē)公司、長(zhǎng)安汽車(chē)集團(tuán)也參與到鎂合金零部件的生產(chǎn)之中，尤其需要指出的是，長(zhǎng)安集團(tuán)生產(chǎn)的“長(zhǎng)安之星”微型車(chē)上實(shí)現(xiàn)了單車(chē)用鎂8 千克的水平，達(dá)到了目前的國(guó)際先進(jìn)水平。

近幾年來(lái)，我國(guó)在車(chē)用鎂合金領(lǐng)域傾注了大量的精力，包括上海交通大學(xué)在內(nèi)的一批高校在新材料和新工藝方面不斷努力，也取得一些成績(jī)。其中包括上海交大開(kāi)發(fā)的JDM1—JDM4 系列高性能鎂稀土合金和高導(dǎo)熱壓鑄鎂合金，以及中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所孟建課題組通過(guò)壓鑄制備了Mg-4A1-4Sm-0.3Mn(wt%)鎂合金。這幾種鎂合金相較傳統(tǒng)材料的效能都有明顯的提高。在鎂合金工藝方面，鎂合金汽車(chē)輪轂成型技術(shù)無(wú)疑是一大亮點(diǎn)。鎂合金汽車(chē)輪轂的概念從誕生之初便引起汽車(chē)廠商的廣泛關(guān)注，但其產(chǎn)品較低的穩(wěn)定性與偏高的價(jià)格使商家裹足不前，故而其銷(xiāo)售量一直低迷。伴隨著河南長(zhǎng)葛市德威科技股份有限公司等兩家正反擠壓成型生產(chǎn)線的建設(shè)與投產(chǎn)，鎂合金汽車(chē)輪轂最終得以順利進(jìn)行量產(chǎn)。

除上述技術(shù)突破之外，基于前期鎂合金汽車(chē)輪轂低壓鑄造成型技術(shù)，上海交大更研發(fā)出鑄造+旋壓復(fù)合成型（鑄旋）技術(shù)。與前者相比，后者能夠明顯提高鎂合金汽車(chē)輪轂鑄坯的效能。經(jīng)過(guò)旋壓變形，輪輞部分顯微組織明顯細(xì)小，室溫力學(xué)性能得到明顯的提高。

在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持下，在與東風(fēng)汽車(chē)股份有限公司合作中，上海交大正在針對(duì)進(jìn)行有關(guān)汽車(chē)用減震臺(tái)和副車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，旨在早日實(shí)現(xiàn)鎂合金在減震塔和副車(chē)架兩類(lèi)大型復(fù)雜薄壁部件的成型技術(shù)與應(yīng)用上的突破。

結(jié)語(yǔ)

在汽車(chē)動(dòng)力電池和輕量化材料和制造工藝方面，我國(guó)和歐美發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在較大差距，這體現(xiàn)在基礎(chǔ)理論的研究和關(guān)鍵技術(shù)的推廣上，要解決這個(gè)問(wèn)題，不僅要加大人力財(cái)力資源的投入，同時(shí)也要從根本上提高全社會(huì)對(duì)新型材料的認(rèn)識(shí)。根據(jù)2016年我國(guó)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》的相關(guān)內(nèi)容，到2020年，乘用車(chē)新車(chē)平均油耗要求達(dá)到5.0 升/100 公里；到2025年，乘用車(chē)新車(chē)平均油耗要求達(dá)到4.0升/100 公里；到2030年，乘用車(chē)新車(chē)平均油耗要求達(dá)到3.2 升/100 公里。為此，2030年單車(chē)用鋁量、用鎂量將分達(dá)到350 千克和45 千克，因此在未來(lái)10 ～15年內(nèi)，鋁、鎂合金在汽車(chē)上的應(yīng)用將必然會(huì)出現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)。