超輕量化鎂合金廂式運輸車發展前景廣闊

駐馬店大力天駿專用汽車制造有限公司 邢濤 閆保根 李河森 王濤

鎂是實用金屬中最輕的金屬，用鎂合金材料制作的廂式運輸車重量僅有鋼制廂式車的25%，并且還具有強度高、抗震減噪、材料回收利用率高等優點，是汽車行業輕量化的理想材料之一。本文以某型鎂合金廂式運輸車為例，介紹了其性能特點、結構和發展趨勢，為同行專用車廠家的研發提供參考。

GB 7258-2017發布實施，對國內專用車市場影響深遠。2020年后國內普通欄板倉欄半掛車需加裝空氣懸掛系統和碟剎車軸，這無疑要增加數萬元的購車成本。產煤大省也紛紛發布禁止使用倉欄半掛車運輸煤粉的規定，我國近十年來以倉欄柵板半掛車為運輸主力的格局即將改變，而廂式運輸車作為國家推薦車型將迎來迅猛的發展。同時參考歐美發達國家的專用車市場可知，廂式車在歐美專用車行業占比達到60%以上，據此可預測廂式車在國內的專用車市場的占有率會逐漸上升。

近年來，隨著國家對環境治理日益重視，追求輕量化設計和低碳環保已成為制造業發展的大趨勢。在這種大環境下新材料的使用是必不可少的，鎂是實用金屬中最輕的金屬，鎂的密度大約是鋁的67%，是鐵的25%。用鎂合金材料制作的廂式運輸車重量僅有鋼制廂式車的30%左右，并且鎂合金還具有強度高、抗震減噪、材料回收利用率高等優點，是汽車行業輕量化的理想材料之一。我國鎂資源儲量居世界之首，鎂合金的開發與應用已被國家列入高新技術產業。針對目前專用車市場的需求和現狀，筆者研發了一款超輕量化鎂合金廂式運輸車。將輕量化鎂合金材料應用到廂式運輸車上不僅響應了國家節能減排、低碳環保的號召，還對傳統的專用車制造行業進行了顛覆性的改革和創新。

表1 鎂鋁合金常用系列性能參數對照表

鎂合金材料的結構特點

1鎂合金結構特性

鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的合金。其特點是:密度小(1.78g/cm3鎂合金)，比強度和比剛度高，比彈性模量大，散熱性能好，導電和導熱性能優良，電磁屏蔽性好，阻尼減震性好，機加工性能好，耐有機物和堿的腐蝕性能好。主要合金元素有鋁、鋅、錳、鈰、釷以及少量鋯或鎘等。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。主要用于航空、航天、運輸、化工、火箭等工業部門。

由表1的數據對比可知，鎂鋁合金中鋁含量越高，其屈服強度和抗拉強度越大。而當加入稀土元素鋯后既鎂鋁鋯合金的屈服強度與優質鋼相當，整體性能都得到了大大的提高，但密度只有鋼的25%，故鎂合金是輕量化材料的首選之一。

2 鎂合金的焊接特性

由于鎂和鎂合金具有密度和熔點低，熱導率、電導率及熱膨脹系數大，化學活性強，易氧化且氧化物的熔點高等特點，使鎂合金的焊接必須解決一下系列問題：

①、粗晶。鎂的熔點低，熱導率高，焊接時需采用大功率的焊接熱源，焊縫及近焊縫區易產生過熱、晶粒長大、結晶偏析等現象，降低了接頭性能。

②、氧化與蒸發。鎂的氧化性極強，易同氧結合 ,在焊接過程中易形成MgO，MgO熔點高(2500℃)，密度大(3.2g/cm3)，易在焊縫中形成細小片狀固態夾渣，不僅嚴重阻礙焊縫成型，也降低焊縫性能。鎂在焊接高溫下，還易與空氣中的氮化合生成鎂的氮化物，氮化鎂夾渣也會導致焊縫金屬的塑性下降，使接頭性能變壞。鎂的沸點不高(1100℃)，在電弧高溫下很易蒸發。

③、薄件的燒穿與塌陷。在焊接薄件時，由于鎂合金熔點較低，而氧化鎂的熔點很高，兩者不易融合，焊接操作時難以觀察焊縫的熔化過程，溫度升高，熔池的顏色也沒有顯著變化，極易產生燒穿和塌陷現象。

④、熱應力和裂紋。鎂和鎂合金熱膨脹系數較大，約為鋼的2倍，鋁的1.2倍。在焊接過程中易引起較大的焊接應力與變形。鎂易于一些合金元素（如Cu、Al、Ni等）形成低熔點共晶體（如Mg-Cu共晶點溫度為480℃，Mg- Al共晶點溫度為430℃）。脆性溫度區間較寬，易形成熱裂紋。

⑤、氣孔。 焊接鎂合金時易產生氫氣孔，氫在鎂中的溶解度隨著溫度的降低而急劇減小。

⑥、鎂及鎂合金在空氣環境下焊接時易氧化燃燒，熔焊時需用惰性氣體或焊劑保護。

基于以上鎂合金在焊接時出現的一系列問題，鎢極惰性氣體保護電弧焊（TIG）和熔化極惰性氣體保護電弧焊（MIG）是目前解決鎂合金焊接的常用焊接方式。

超輕量化鎂合金廂式運輸車的加工難點

鎂合金由于其自身特性焊接時易出現晶粒粗大、氧化、應力變形、裂紋、氣孔等焊接缺陷，在生產制造中確實是個難題。若采用熔化極惰性氣體保護電弧焊（MIG）焊接鎂合金，則需特制鎂合金焊絲，焊絲直徑過?。ㄐ∮讦?mm）易氧化燃燒，成本高昂。焊絲直徑過大不易纏繞，還需特制焊機和送絲機構，生產周期長，成本難以降下。最后選擇用鎢極惰性氣體保護電弧焊（TIG），手動送絲來施焊。由于鎂合金熱膨脹系數較大，焊接后易出現焊接變形。而鎂合金廂板焊接后縫隙較大，易出現車廂漏水的可能。經過深入的研究和不斷的試驗，最終廂板采用先間隔鉚接再分段焊接的方式來完成拼接，如圖1所示。對于上下邊梁需要承重的關鍵部位，采用分段交叉焊接與鉚接相結合來提高強度。

在整車的設計上按部件的承載能力和性能要求分別采取了焊接、螺栓連接、鉚接、粘接等多種連接形式，如圖2所示，確保整車達到承載要求。鉚接采用區別于傳統鉚釘的結構性拉絲鉚釘，該鉚釘具有鉚接強度高、鉚接范圍寬、密封性能卓越等特點，如圖3所示。拉絲鉚釘的夾緊力大，可有效消除鉚接工件之間的間隙，出色的填充孔能力，有效補償不規則孔、超差孔、橢圓孔或錯位孔。

圖1 廂板拼接示意

圖2 連接形式示意

超輕量化鎂合金廂式運輸車的優點

有研究表明，汽車所用燃料的60%是消耗于汽車自重，汽車自重每減輕10%，其燃油效率可提高5%以上;汽車自重每降低100kg，每百公里油耗可減少0.7 L左右，每節約1L燃料可減少CO2排放2.5g，年排放量減少30%以上。所以減輕汽車重量對環境和能源的影響非常大，汽車的輕量化是必然趨勢。近年來國家對超載超限的治理越來越嚴厲，高強度、輕量化的專用汽車越來越受用戶的喜愛。而鎂合金廂式運輸車比鋁合金廂式車自重更輕，強度更好，密封性好，廂體多為鉚接，焊接量少，在不超載的情況下可拉更多的貨物，且內控容積更大，適合拉質量輕的快遞件及輕拋貨，特別適合用于快遞物流行業。鎂合金廂式運輸車作為超輕量化的典范推上市場即可成為引領市場的風向標，如圖4所示。

圖3 結構性鉚釘力學性能

圖4 某型鎂合金廂式運輸車示意

1.自重輕，密封性好

鎂的密度大約是鋁的67%，是鐵的25%。，同體積的情況下，用鎂合金制作的廂式運輸車只有鋼制集裝箱重量的五分之一。廂板型材采用ZK61鎂合金擠壓而成，可塑性好，前后端為公母插頭，裝配方便，空母端裝配后留有放水槽，防水性能好。厚度只有瓦楞板的一半，強度與瓦楞板相當，既增加了車廂內控寬度又降低了整車自重。

2.強度高

鎂合金密度低，但強度比較高，同6系鋁合金相當，接近碳素結構鋼。通過擠壓成型，改變型材截面，從而提升型材的抗彎抗扭強度。鎂合金型材底板一次擠壓成型，下端多個加強筋起支撐加強和減振作用，上面增加防滑凸起，如圖5所示。底板之間像廂板一樣插接，可防止路面泥水通過輪胎飛濺滲入車廂內部污染貨物。與鋁合金和木地板相比，鎂合金底板自重更輕強度更高，可上叉車裝卸貨物，大大降低了油耗。

3.省維護，材料回收利用率高

圖5 底板拼接示意

鎂合金與鋁合金相比具有更好的耐有機物和堿的腐蝕性能，在干凈、干燥的環境下鎂合金的表面會形成防氧化的保護層，無需任何防腐防銹處理，大大節省了生產成本。鎂型材比碳鋼的使用壽命長，并且報廢后鎂合金的回收利用率比鋁合金更高。廢舊回收時鎂的價格至少是鋼材的16倍左右。對用戶而言，較高的材料回收率提高了產品的利潤回報。

4.外觀整潔，風阻小，易噴涂

經擠壓成型的鎂合金表面光澤度較好，在不噴涂油漆的情況下光亮的表面已經優于噴涂后的碳鋼波形板。鎂合金廂式運輸車的廂板型材表面平整，與傳統的瓦楞板結構相比大大地降低了風阻，節省油耗。并且廂板型材為內外兩層，與單層瓦楞板相比，車廂在運輸過程中能更好地保護廂內貨物不被破壞和雨水淋濕。

傳統的瓦楞板集裝箱在噴涂LOGO時存在圖案識別不清晰、浪費油漆、噴涂成本高等缺點，而鎂合金廂式運輸車廂體表面整潔，便于噴涂宣傳圖案，減少了油漆的浪費，節約了制作成本。

5.阻尼減震性好，機加工性能好

鎂合金與鋁合金、鋼、鐵相比具有較低的彈性模量，在同樣受力條件下，可消耗更大的變形功，具有降噪、減振功能，可承受較大的沖擊震動載荷，在相同載荷下，減振性是鋁的100倍。鎂合金比其他金屬的切削阻力小，在機械加工時，可以較快的速度加工。

結束語

國家有色金屬工業“十三五”中多次提到鎂行業，鎂合金能有效降低非載荷重量，而且鎂材可回收性強，造型美觀，節約能耗，散熱性好，耐腐蝕、抗疲勞，將鎂合金作為輕量化的新材料，在性能上完全滿足要求，又與國家的發展方向相吻合。目前我國正處在經濟轉型階段，專用車行業也逐漸向智能化、高端化發展。隨著國家對低碳環保和超限超載的重視，以及新法規對專用車行業的深遠影響，超輕量化鎂合金廂式運輸車響應了國家的號召，順勢推出，必將大有所為。