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【觀點(diǎn)】鎂合金將成為汽車部件輕量化的重要材料

2022-04-29 16:08:43 作者：汽車材料網(wǎng) 來源：汽車材料網(wǎng) 分享至：

汽車輕量化和智能化已成為全球汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展新趨勢(shì)。近年來，隨著全球節(jié)能減排壓力和發(fā)展趨勢(shì) , 各國(guó)紛紛制定嚴(yán)格的乘用車燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，碳中和大背景下，各國(guó)紛紛對(duì)乘用車燃料消耗量及對(duì)應(yīng)的 CO2排放提出更加嚴(yán)格的要求，汽車的輕量化更是世界汽車的發(fā)展趨勢(shì)。

汽車的輕量化趨勢(shì)

《節(jié)能與新能源汽車輕量化技術(shù)路線圖 2.0 》基于對(duì)世界汽車輕量化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的分析和未來我國(guó)汽車智能化、電動(dòng)化發(fā) 展背景下對(duì)輕量化技術(shù)需求的判斷，提出分階段總體目標(biāo)如下：

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年，在中國(guó)生產(chǎn)的單車鎂合金用量只有7.3kg,與2030年單車鎂合金用量目標(biāo)45kg還有巨大差距，鎂合金在未來汽車輕量化應(yīng)用市場(chǎng)廣闊，潛力無限。

鎂合金性能及優(yōu)點(diǎn)

密度低：壓鑄鎂合金的密度僅為鋁合金的 2/3，鋼鐵的 1/4，比強(qiáng)度和比剛度均優(yōu)于鋼和鋁合金，遠(yuǎn)高于工程塑料，因此壓鑄鎂合金是一種優(yōu)良的在許多應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)可與上述材料競(jìng)爭(zhēng)的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。

吸振性好：有利于減振和降噪，例如在35MPa的應(yīng)力水平下，鎂合金AZ91D的衰減系數(shù)為25%,鋁合金A380僅為1%。在100MP應(yīng)力水平下，鎂合金AZ91D、AM60、AS41分別為53%、72%和70%，鋁合金A380則僅為4%。

尺寸穩(wěn)定性高：使鎂合金壓鑄件因環(huán)境溫度和時(shí)間變化所造成的尺寸不穩(wěn)定減小。

熱導(dǎo)率高：鎂合金熱導(dǎo)率（60——70W/m-1 K-1），僅次于鋁合金（約100——70W m-1 K-1），故熱擴(kuò)散性良好。

無磁性，可用于電磁屏蔽。

耐磨性好：鎂合金還具有良好的阻尼系數(shù)，減振量大于鋁合金和鑄鐵，用于殼體可以降低噪聲，用于座椅、輪轂可以減少振動(dòng)，提高了汽車的安全性和舒適性。鎂合金重量輕、吸震性能強(qiáng)、鑄造性能好，自動(dòng)化生產(chǎn)能力和模具壽命高、尺寸穩(wěn)定，作為最輕的工程材料，鎂合金不僅是最適合鑄造汽車零部件的材料，也是最有效的汽車輕量化材料。

鎂合金壓鑄件行業(yè)現(xiàn)狀

汽車輕量化發(fā)展，使鎂鋁等輕合金鑄件的需求量逐年增加。自1990年以來，汽車用鎂正以年均20%的增長(zhǎng)速度迅速發(fā)展，鎂合金已成為汽車材料技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。壓鑄鎂合金材料以其可循環(huán)利用和少無切屑工藝的先進(jìn)性，特別適合循環(huán)經(jīng)濟(jì)和節(jié)能低碳及清潔生產(chǎn)要求，在汽車向輕量化發(fā)展的進(jìn)程中占主導(dǎo)地位。各大汽車零部件制造商積極把握發(fā)展時(shí)機(jī)，紛紛投入到鎂合金汽車壓鑄件的生產(chǎn)研發(fā)中來。

據(jù)《中國(guó)鎂合金汽車壓鑄件行業(yè)分析報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，2015 年，中國(guó)鎂合金汽車壓鑄件行業(yè)需求量達(dá)到 14.9 萬噸，同比增長(zhǎng)23.12%。目前，國(guó)內(nèi)外各汽車企業(yè)正致力于研究占車重比例大的車身（約30%）、發(fā)動(dòng)機(jī) （約 18%）、傳動(dòng)系統(tǒng) （約15%）、行走系統(tǒng) （約 16%）、車輪（約5%）等鋼或鋁零部件的鎂合金化。結(jié)合我國(guó)生產(chǎn)的單車鎂合金使用量來看，到2022 年市場(chǎng)容量將達(dá) 66 萬噸，年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到 23.5%。

全球汽車單車用鎂量較低，汽車用鎂合金需求擴(kuò)張潛力強(qiáng)勁。一直以來，高強(qiáng)度鋼、鋁合金、工程塑料等輕量化材料廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造的各個(gè)方面，而鎂合金鑒于種種原因沒有得到大力推廣和使用，鎂合金目前主要應(yīng)用在儀表盤支架，轉(zhuǎn)向支架，發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、方向盤、座椅支架、車內(nèi)門板、變速器外殼等方面。目前，北美地區(qū)每輛汽車使用鎂合金3.8kg，日本為9.3kg，歐洲PASSAT和Audi A4上每輛車使用鎂合金達(dá)到14kg，而國(guó)產(chǎn)汽車每輛用量平均僅1.5kg。

鎂合金汽車輕量化中應(yīng)用

（1）車身系統(tǒng)

車頂框架：鎂合金在車身應(yīng)用中受限，但是也得到了整車廠的應(yīng)用。通用汽車在1997年引進(jìn)C-5 Corvette時(shí)，使用了整片鎂合金壓鑄的車頂框架，此外，鎂合金也被應(yīng)用在凱迪拉克XLR敞篷車的可伸縮硬頂敞篷車頂和頂部框架。

車門：鎂合金作為車門內(nèi)板材料具有輕量化的優(yōu)勢(shì)，一般選擇抗拉強(qiáng)度≥220MPa，延伸率≥10%的鎂合金。連接方面，由于鎂合金易腐蝕，一般不焊接，而是采用螺栓連接或膠接。2017年宜安科技和通用汽車研發(fā)的超薄超輕的鎂合金車門內(nèi)板正成為汽車行業(yè)輕量化發(fā)展的先鋒。該設(shè)計(jì)獲得2017 國(guó)際鎂業(yè)協(xié)會(huì)（IMA）優(yōu)秀獎(jiǎng)。鎂合金產(chǎn)品在同樣保證車輛的所需性能的前提下，因其密度是所有輕合金當(dāng)中是最低的（約 1.7g/cm3），較其他合金具有非常誘人的減重優(yōu)勢(shì)，且同時(shí)具備充分的可循環(huán)利用和充足的可用性，對(duì)減少CO2的排放產(chǎn)生巨大的作用。

超薄超輕鎂合金車門內(nèi)板

減震塔：鎂合金在減震塔中的應(yīng)用還較少，但國(guó)內(nèi)相關(guān)的研發(fā)工作已不斷開展。鎂合金材料一般選用AZ91D、AM60等，成型工藝多采用壓鑄成型，如真空壓鑄。東風(fēng)技術(shù)中心團(tuán)隊(duì)、上海交大彭立明團(tuán)隊(duì)等開發(fā)的鎂合金壓鑄減震塔于2018年8月首次試模成功。研究者采用一體化成型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)減震塔由原來的8個(gè)零件集成為1個(gè)，減重率超過32%。概況來說，減震塔雖然能實(shí)現(xiàn)一定程度的輕量化，但是涉及的技術(shù)和評(píng)價(jià)內(nèi)容較多。主要應(yīng)用前景在中高端新能源汽車上，如未來ES8等。如果低壓鑄造技術(shù)有所突破，市場(chǎng)應(yīng)用有一定前景。

鎂合金一體成型減震塔

（2）內(nèi)外飾系統(tǒng)

座椅骨架：鎂合金在座椅上應(yīng)用始于 1990 年代的德國(guó)，主要是奔馳公司在 SL Roadster 中使用了鎂壓鑄生產(chǎn)的帶有三點(diǎn)安全帶的座椅結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在采用鎂合金的座椅結(jié)構(gòu)最薄可以達(dá)到2mm，大大減輕了重量。

Alfa Alfa Romeo156采用鎂合金前排座椅骨架，靠背1.0kg、坐墊1.2kg，與原結(jié)構(gòu)鋼制骨架相比，減重2.8kg。戴姆勒·克萊斯勒500 SEL Roadster采用鎂合金壓鑄座椅靠背和座框。Hyundai Genesis coupe座椅也采用了鎂合金骨架。

典型鎂合金前排座椅

后排座椅功能相對(duì)較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用鎂合金可有效減輕重量。后排座椅多數(shù)采用壓鑄鎂合金，可實(shí)現(xiàn)一體化成形；同時(shí)也有鎂合金擠壓管件作為后排座椅骨架的研究。

克萊斯勒DCX Minivan鎂合金后排座椅

（40%靠背1.03 kg、60%靠背1.32 kg）

新能源車和低速電動(dòng)車方面，則重點(diǎn)開發(fā)更具輕量化優(yōu)勢(shì)的薄壁化座椅骨架。同時(shí)，除了靠背、坐盆、滑軌等主要骨架，座椅的支撐也可采用鎂合金制造。以擠壓鎂合金替代傳統(tǒng)鋼制框架作為座椅的支撐件，既可以滿足座椅的高度提升需求，零部件減重可達(dá)51%，同時(shí)也可提升座椅的模態(tài)，舒適性也相應(yīng)提升。

儀表板骨架：目前國(guó)外奔馳、寶馬、捷豹、福特、沃爾沃等車企合計(jì)至少有20款以上車型正在采用鎂合金壓鑄儀表板橫梁，鎂合金材料牌號(hào)主要有MgAl6Mn、MgAl5Mn、AM60B、AM60等。國(guó)內(nèi)，奇瑞的高端車瑞麒G6已批量使用鎂合金儀表板骨架，材料牌號(hào)為AM60B，單件輕量化在55%以上。此外，吉利GS1.8 comfort、榮威550、SAIC W261/550等車型也使用了鎂合金儀表板骨架。

上汽研制的一款鎂合金儀表板橫梁采用了鎂合金擠壓管材經(jīng)彎曲工藝獲得。CCB主管梁與各種支架采用MIG（氬弧保護(hù)焊）進(jìn)行連接，其中，CCB管還采用微弧氧化表面處理方式進(jìn)行防腐。該擠壓鎂合金儀表板橫梁的質(zhì)量為1.957 kg，相對(duì)于普通鋼板拼焊的鋼鐵儀表板減重幅度達(dá)60%。

上汽擠壓鎂合金儀表板橫梁

鎂合金方向盤骨架：材料方面，AM60、AM50A合金均有采用。工藝方面，壓鑄成型是目前研究較多的方法。此外，還出現(xiàn)了注射成形新技術(shù)。奇瑞AM50A鎂合金方向盤骨架采用冷室壓鑄，實(shí)現(xiàn)減重25%以上。東風(fēng)日產(chǎn)、神龍公司乘用車的鎂合金方向盤本體重量?jī)H在876.5g。

（3）底盤

副車架：鎂合金副車架的優(yōu)勢(shì)：① 質(zhì)輕、耐腐蝕、抗拉強(qiáng)度高；② 能夠隔絕路面震動(dòng)，提高行車的穩(wěn)定性；③ 是實(shí)現(xiàn)汽車底盤結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)的最有效方式；④ 總成部件安裝方便，降低了裝配成本；⑤ 可生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，滿足副車架各個(gè)部位不同性能的要求。⑥ 相比傳統(tǒng)鋼板沖焊成形副車架，在降低重量的同時(shí)，減少了零件數(shù)量、焊接和組裝工序，提高了零件生產(chǎn)效率。克爾維特（Corvette）前副車架也采用了鎂合金材料，重量為10Kg。

克爾維特（Corvette）鎂合金前副車架

車輪：當(dāng)前，鑄造或鍛造鎂合金車輪已被用于許多高價(jià)位的賽車或高性能跑車。然而，相對(duì)較高的成本和鎂合金車輪潛在的腐蝕問題阻止其在大批量生產(chǎn)車輛上的應(yīng)用。2014年林州市鼎鑫鎂業(yè)科技有限公司解決了鎂合金鍛造、表面處理等難題。目前采用鍛造正反擠壓一次超塑性成型工藝，該工藝為國(guó)際首創(chuàng)，擁有全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其鍛壓成型工序只要采用1臺(tái)模鍛壓機(jī)，通過正反擠壓一次成型工藝，原材料利用率高，材料成本低；工序少，設(shè)備投資省，生產(chǎn)成本低，為產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了前提和保證。重量是鑄造輪轂的二分之一，性能優(yōu)于傳統(tǒng)工藝所生產(chǎn)的產(chǎn)品；價(jià)格僅是鍛造鋁合金輪轂的二分之一。

鼎鑫鎂業(yè)單片式鍛造正反擠壓一次超塑性成型工藝鎂合金車輪

未來，輕量化、低成本的鎂合金底盤部件，如輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)懸架以及控制臂等零部件的生產(chǎn)將依賴鎂合金鑄造工藝的大力提高，已經(jīng)在鋁合金輪轂和底盤部件上開發(fā)的各種鑄造工藝經(jīng)過改造后可以成功適用于鎂合金。此外，低成本、耐腐蝕圖層和新的具有抗疲勞和高沖擊強(qiáng)度的鎂合金開發(fā)也都將加速鎂合金在底盤上的應(yīng)用。

（4）動(dòng)力總成

動(dòng)力總成的大部分鑄造件如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、汽缸蓋、傳動(dòng)箱、油底殼等是由鋁合金制成。目前，北美生產(chǎn)的皮卡和SUV已經(jīng)鎂合金變速器，大眾和奧迪的鎂合金手動(dòng)變速器也在歐洲和中國(guó)大批量生產(chǎn)。當(dāng)前，通過對(duì)鎂強(qiáng)化的發(fā)動(dòng)機(jī)原型進(jìn)行的測(cè)功儀試驗(yàn)已經(jīng)取得了有效的進(jìn)展，這就意味著未來在動(dòng)力系統(tǒng)中會(huì)有更多鎂合金得到應(yīng)用。美國(guó)汽車材料聯(lián)盟鎂動(dòng)力系統(tǒng)鑄件項(xiàng)目（MPCC）的目標(biāo)是使鎂合金能夠完全替代 V block en-gine 發(fā)動(dòng)機(jī)中的主要鋁合金部件。該項(xiàng)目中氣缸缸體成功實(shí)現(xiàn)了減重 25%（全部鋁鑄件的 29% 被替換為鎂鑄件）。

鎂合金在應(yīng)用中的挑戰(zhàn)

耐腐蝕性差、成本和廢品率高是鎂合金普及“攔路虎”。鎂合金制造汽車零部件確實(shí)存在壓鑄成本高、廢品率高、存在安全生產(chǎn)隱患等問題。中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)顧問杜芳慈說，鎂是一種很活潑的元素，耐腐蝕性很差，我國(guó)在鎂合金零部件抗腐蝕性方面的技術(shù)能力要差一些。另外鎂在加工過程中，容易發(fā)生燃燒和爆炸，存在安全生產(chǎn)問題。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需要嚴(yán)格的管理來保證安全生產(chǎn)。

近年來，涌現(xiàn)出在鎂合金安全生產(chǎn)管理表現(xiàn)杰出的生產(chǎn)廠家，比如，上海鎂鎂合金壓鑄有限公司、萬豐鎂瑞丁新材料有限公司等制造廠家。如果有政策性的鼓勵(lì)和嚴(yán)格的整車重量要求，鎂合金的推廣應(yīng)用將得到長(zhǎng)足發(fā)展。

隨著城市化進(jìn)程的加快，能源變得越來越短缺、環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，節(jié)能減排成為關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的重要事件。無論是傳統(tǒng)汽車，還是新興的新能源汽車都十分注重車身輕量化設(shè)計(jì)，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

汽車用鎂合金蓬勃崛起，同時(shí)鎂合金壓鑄工藝日漸成熟，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，大型鎂合金壓鑄汽車零部件將推動(dòng)汽車輕量化的進(jìn)程。

未來，鎂合金電池結(jié)構(gòu)件、鎂汽車輪轂以及儀表盤背板等汽車輕量化材料有望放量。

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