自1990年以來，鎂在汽車中的應(yīng)用就一直以較快的速度增長，汽車用鎂正以年均20%的增長速度迅速發(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。目前，國內(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)動機(jī)(約18%)、傳動系統(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。
鎂合金材料的特點(diǎn)和在汽車中應(yīng)用的優(yōu)勢
鎂的密度為1.74g·cm3，僅為鋁的2/3，見表1。鎂晶格具有密排六方體點(diǎn)陣，其滑移系數(shù)較小，冷變形較困難。當(dāng)溫度升高至250 ℃以上時(shí)，變形較容易，同時(shí)具有較好可塑性。通常鎂合金元素有鋁、鋅、稀土元素、銀、鋰、鋯、錳及鎳等，合金元素常起到固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、微晶強(qiáng)化和提高耐熱性作用。
鎂合金在汽車中應(yīng)用的優(yōu)勢，如下：
1、質(zhì)量密度小。鎂合金的質(zhì)量密度一般在2 g/cm 3左右，比鋁材輕36%，比鋅合金輕73%，比鋼輕77%。在汽車上使用鎂合金可在很大程度上減輕汽車自身質(zhì)量。
2、減振性能好。鎂合金具有很高的阻尼容量和良好的減振性能，可承受較大沖擊振動，性能優(yōu)于鋁和鋼，適于制造承受沖擊載荷和振動的零部件，使汽車行駛更加平穩(wěn)和安全、舒適。
3、比強(qiáng)度和比剛度高。在相同質(zhì)量條件下，鎂合金具有更高剛度。鎂合金質(zhì)量比鋼和鋁合金輕，比強(qiáng)度高于鋁合金和鋼，比剛度接近鋁合金。
4、鑄造性能好。鎂合金具有良好的鑄造性和尺寸穩(wěn)定性，易加工且廢品率低，從而可以降低生產(chǎn)成本。
5、熔點(diǎn)低。鎂合金的熔點(diǎn)和比熱容較低，熔化時(shí)耗能較少，凝固速度快，動力學(xué)粘度低，鑄造充型性好。
6、回收利用性好。鎂合金可以從廢品、廢料的再生資源中獲得，可進(jìn)行100%的回收利用，且由于鎂熔點(diǎn)低，回收再利用的耗能也更少，其再生比塑料和鐵等其他材料的再生所需要的能源用量少。
7、鎂資源豐富。我國鎂的蘊(yùn)藏十分豐富，菱鎂礦資源占全球總量的22.5%，儲量巨大的白云石礦和青海的鹽湖，也含有十分豐富的鎂資源。
1999年，我國原鎂產(chǎn)量達(dá)到12萬噸，首次超過美國，成為世界上第一大鎂生產(chǎn)國。2013年原鎂產(chǎn)量76.97萬噸，年總產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的70%左右。2013年鎂合金產(chǎn)量29.78萬噸。
鎂合金材料在汽車中的常規(guī)應(yīng)用
20世紀(jì)20年代，德國率先把鎂合金應(yīng)用于汽車制造業(yè);50年代至60年代，德國大眾公司的甲殼蟲汽車大量使用鎂合金作為結(jié)構(gòu)零件。此后，歐美汽車制造企業(yè)紛紛應(yīng)用鎂合金零部件。
目前，北美是汽車用鎂量最大的地區(qū)，其次是歐洲，表3列出了歐美一些汽車廠家采用鎂合金制造的汽車零部件。美國汽車業(yè)已廣泛使用鎂合金壓鑄件，以美國曾經(jīng)的三大汽車公司為例，福特公司采用了30個(gè)鎂合金壓鑄件、通用公司45個(gè)、克萊斯勒20個(gè)，單車用鎂合金20~40kg。就鎂合金在汽車上的應(yīng)用而言，日本要落后于歐美國家，最早僅限于氣缸蓋、座椅架、儀表板等。但近年來發(fā)展迅速，如豐田公司開發(fā)使用了鎂合金轉(zhuǎn)向盤、輪轂，之后又推出了前排座椅為鎂合金骨架的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
我國汽車工業(yè)用鎂較晚，多處于研究開發(fā)階段。上汽率先將鎂合金用于桑塔納轎車的變速器殼體、殼蓋和離合器外殼;一汽已試制開發(fā)發(fā)動機(jī)罩蓋、離合器殼、齒輪室和齒輪蓋等小批量樣件;二汽鎂合金研發(fā)體系也已形成，投產(chǎn)的鎂合金壓鑄件生產(chǎn)線，可批量生產(chǎn)載重車的變速器上蓋、腳踏板、真空助力器隔板、制動閥體等零件，并已大批量裝車進(jìn)入市場銷售。
總而言之，鎂合金多以壓鑄件形式應(yīng)用于汽車中，約占全球鎂合金壓鑄件產(chǎn)量的80%左右。鎂在汽車中應(yīng)用的下一目標(biāo)是發(fā)動機(jī)等動力系統(tǒng)零件。為適應(yīng)發(fā)動機(jī)零件工作溫度較高的需要，近年來歐美等國家先后開發(fā)出了AE、Mg-Al-Ca、Mg-Al-Ca-Re、AJ系列和ZAC8506等高強(qiáng)度抗蠕變鎂合金，以及MRI201S、MRI202S與MRI203S等高溫鎂合金。最近，正在開發(fā)或已開發(fā)成功的新型鎂合金還有耐蝕鎂合金、阻燃鎂合金、高強(qiáng)高韌鎂合金和變形鎂合金等。
變形鎂合金在車身上的應(yīng)用也具有很大的潛力，主要用于車身組件(車門、行李箱、發(fā)動機(jī)罩蓋等)的外板、車門窗框架、座椅框架、底盤框架、車身框架等。變形鎂合金主要有Mg-Al-Zn系合金(AZ31C、AZ61A、AZ80A)和Mg-Zn-Zr系合金(ZK60)兩大類。
上汽新能源汽車鎂合金零部件的開發(fā)應(yīng)用
上汽新能源汽車事業(yè)部立項(xiàng)實(shí)施“汽車輕量化技術(shù)開發(fā)”項(xiàng)目，并獲得上海市科委重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目和上海汽車工業(yè)科技發(fā)展基金會產(chǎn)、學(xué)、研項(xiàng)目的支持。
該項(xiàng)目以榮威750燃料電池車為平臺，采用多種輕量化技術(shù)對整車進(jìn)行改制，改制后的輕量化樣車將較原型車減輕質(zhì)量7%~10%。車身和底盤中多個(gè)零件采用鎂合金材料替代是該車輕量化技術(shù)之一，其中包括儀表板骨架(CCB)、副駕駛與后排座椅骨架、前副車架、后副車架、輪輞及前艙支架等，各零件的輕量化技術(shù)方法如下。
鎂合金儀表板骨架(CCB)
原型車中CCB骨架為鋼件焊接而成，在輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，以滿足原件功能并保證裝配面及孔位置不變?yōu)樵瓌t，對構(gòu)成儀表板骨架的所有部件均采用鎂合金材料進(jìn)行替換。鎂合金CCB骨架主要采用擠壓和彎曲的制造工藝，各鎂合金件間采用氬弧焊連接工藝。由于鎂合金和鋼之間直接接觸會產(chǎn)生腐蝕，因而在CCB骨架與車身或儀表板周圍連接件連接時(shí)，采用鋼質(zhì)滲鋁螺栓，可以防止腐蝕發(fā)生。
輕量化的鎂合金CCB骨架質(zhì)量1.957kg，與原鋼件相比減重64.7%。
鎂合金副駕駛座椅骨架
原副駕駛座椅骨架為鋼件，由靠背骨架、座墊骨架及滑軌組成。受到原型車改制的局限，并依據(jù)轎車座椅的法規(guī)要求，為滿足原車性能要求，本項(xiàng)目中的副駕駛座椅骨架的鎂合金替代僅限于靠背骨架。該骨架主要采用擠壓、彎曲和沖壓工藝制造，鎂合金件之間采用氬弧焊連接，不同材料零件之間采用結(jié)構(gòu)膠粘接并用鋁螺栓增加連接的可靠性。
輕量化后的鎂合金副駕駛座椅骨架質(zhì)量為11.62kg，與原件相比減重9.2%，其中靠背骨架質(zhì)量為1.24kg，與原鋼件相比減重48.8%。
鎂合金前、后副車架
為使鎂合金前、后副車架的強(qiáng)度、位移、動態(tài)剛度達(dá)到原始副車架的水平，對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。采用楔形加強(qiáng)筋、局部增加縱向加強(qiáng)梁和局部增厚等結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過有限元驗(yàn)證分析，新設(shè)計(jì)的鎂合金前、后副車架的強(qiáng)度、位移、動態(tài)剛度達(dá)到了原始前、后副車架的設(shè)計(jì)水平。鎂合金前、后副車架主要工藝為擠壓、彎曲、整形，采用分段制造、環(huán)形焊和角焊連接，支承套橡膠內(nèi)襯在焊裝完成后壓入，與轎車本體聯(lián)接時(shí)采用螺栓并增加復(fù)合材料墊圈進(jìn)行聯(lián)接。
輕量化后的鎂合金前、后副車架質(zhì)量分別為22.98kg和3.546kg，與原鋼件相比分別減重52.42%和64.04%。
鎂合金輪輞
鎂合金輪輞采用鑄造工藝，根據(jù)鎂合金的鑄造工藝要求，輪輞小輻條根部需要挖深。鎂合金車輪達(dá)到原車性能要求，彎曲疲勞與徑向疲勞最大應(yīng)力均小于材料的疲勞強(qiáng)度110MPa，壽命大于107次。
輕量化后的鎂合金輪輞質(zhì)量為7.9kg，與原鋁合金輪輞相比減重達(dá)到33%。
鎂合金材料在汽車中應(yīng)用的制約因素
雖然汽車業(yè)用鎂量呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢，但是鎂合金在汽車上的應(yīng)用還相當(dāng)有限。目前，汽車制造的主要材料仍然是鋼，其次是鋁。導(dǎo)致鎂合金應(yīng)用受到制約的因素如下：
1、鎂合金自身的某些性能不夠好，如耐腐蝕性和高溫蠕變性等。
2、鎂合金的低溫工作能力及屈服極限有限，鎂合金加工需要加溫，成形工藝復(fù)雜，且需要較為嚴(yán)格的安全措施，其制造和再生的工藝性都不如鋁，因此它在汽車上的利用價(jià)值沒有鋁高。
3、鎂合金的品種規(guī)格有限，汽車用的鎂合金品種及牌號不多，尤其是板材與型材缺乏。高性能的鎂合金其研究開發(fā)的成本極高，而且鎂合金的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累不夠，缺少統(tǒng)一的檢測標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)的力學(xué)性能測試，在腐蝕、熱膨脹及模具設(shè)計(jì)等方面的數(shù)據(jù)也不足，因而增加了零件設(shè)計(jì)的難度，并導(dǎo)致成本增加。
4、鎂合金生產(chǎn)加工過程中的環(huán)境問題也是制約因素之一。鎂合金加工成本和能耗都很大，且在冶煉時(shí)使用SF6氣體保護(hù)會產(chǎn)生很強(qiáng)的溫室效應(yīng)，是二氧化碳產(chǎn)生溫室效應(yīng)的24900倍，環(huán)境污染嚴(yán)重，因而制約了它的應(yīng)用。但該材料在回收過程中能耗較小，如果充分回收各種切削和報(bào)廢件，可減少能耗。
利用“生命周期評估”理論對鎂零件從原材料生產(chǎn)到汽車報(bào)廢整個(gè)生命周期過程對環(huán)境的影響進(jìn)行評價(jià)后發(fā)現(xiàn)，鎂所占比重較大的汽車使用初始階段對環(huán)境的影響比較顯著，然而因鎂的密度小，大幅減輕汽車的質(zhì)量，使油耗更小，當(dāng)行駛里程超過4萬km以后，它則具有明顯的優(yōu)越性。因一般汽車行駛里程都將超過10萬km，因而從全生命周期的角度來看，鎂合金是綠色環(huán)保材料，是汽車減重最具潛力的輕質(zhì)材料之一。
鎂合金在汽車工業(yè)中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景
隨著人們對環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，綠色產(chǎn)品市場迅速壯大。鎂合金作為21世紀(jì)令人矚目的綠色工程材料，成為各國企業(yè)投資和研究的熱點(diǎn)，也成為供應(yīng)商投資開發(fā)的著眼點(diǎn)之一。目前，我國正在進(jìn)行汽車產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)調(diào)整，低排放、低污染、節(jié)能的綠色環(huán)保汽車逐漸成為主旋律。
綜上所述，在未來的發(fā)展中，鎂合金除了在目前的應(yīng)用領(lǐng)域(如車輪、發(fā)動機(jī)氣缸蓋及進(jìn)氣管、變速器等)繼續(xù)改善其性能并拓展其在不同轎車車型中的應(yīng)用之外，在一些大型鑄件上，也將拓展其應(yīng)用范圍，如頂蓋、發(fā)動機(jī)罩蓋、后備箱蓋、內(nèi)門板及框架、儀表板等。目的是不僅減輕質(zhì)量，而且可以使幾個(gè)零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)成一個(gè)鎂合金鑄件，節(jié)省加工工具的成本，提高裝配效率，因此為鎂合金的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。另外，其他的需要安全及高斷裂韌性的零部件，如座椅框架、轉(zhuǎn)向柱、車身保護(hù)板、散熱器格柵加強(qiáng)板、副車架及一些車身結(jié)構(gòu)支撐件等，也將成為鎂合金正在并將繼續(xù)深入拓展應(yīng)用的領(lǐng)域。
為推動鎂合金的開發(fā)應(yīng)用，結(jié)合社會發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的需要，在國家層面上也制定和推行了一系列法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。歐洲推出了汽車燃油油耗標(biāo)準(zhǔn)，日本在環(huán)境法規(guī)建設(shè)方面制定了家電回收法等。這些法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)既保障了社會和公眾的利益，又有利于促進(jìn)鎂合金產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用。中國也推行歐洲III號汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)制定“家電回收法規(guī)”等，這些環(huán)保政策的實(shí)行，無疑將對機(jī)動車的減重降耗、減少廢氣排放產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用，也將有力地促進(jìn)鎂合金材料開發(fā)應(yīng)用，形成法規(guī)驅(qū)動機(jī)制。
未來幾年，鎂消費(fèi)將會持續(xù)保持較快增長態(tài)勢，預(yù)計(jì)西方國家對鎂的消費(fèi)量仍將以每年10%左右的速度穩(wěn)定增長，到2020年鎂消費(fèi)量有望超過200萬噸。從地區(qū)發(fā)展來看，亞洲、歐洲將是鎂消費(fèi)增長較快的區(qū)域，特別是亞洲，在中國30%左右高增長速度的帶動下，亞洲將成為全球鎂消費(fèi)最大的地區(qū)。從行業(yè)來看，壓鑄行業(yè)將是鎂消費(fèi)的主要增長點(diǎn)，如果以年均增長率10%計(jì)算，2020年，該領(lǐng)域的鎂消費(fèi)量將超過50萬噸。如果鎂壓鑄件能大量應(yīng)用于汽車，則該數(shù)字將非?？捎^。
雖然鎂合金用于汽車零件有自身的局限性，但是鎂合金具有其他材料無可替代的密度和比強(qiáng)度、比剛度優(yōu)勢，具有優(yōu)異的回收再利用性，以及良好的鑄造及尺寸穩(wěn)定性、抗振阻尼特性等，是汽車輕量化技術(shù)中替代鋼材、鋁材、塑料復(fù)合材料的理想和首選的材料。我國鎂資源蘊(yùn)藏豐富，適于大力發(fā)展鎂合金產(chǎn)業(yè)。依據(jù)目前鎂合金在汽車中應(yīng)用開發(fā)情況，鎂合金材料勢必將形成產(chǎn)業(yè)化并廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)。
輕量化是目前國內(nèi)汽車研發(fā)的重點(diǎn)之一，汽車在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)整車安全性能的提升，以及節(jié)約能源、降低排放。
整車輕量化技術(shù)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)途徑包括：采用輕質(zhì)或新材料，如車用塑料和復(fù)合塑料、高強(qiáng)度鋼、鋁鎂合金、PC玻璃、玻纖復(fù)合材料、新型填充材料等;采用先進(jìn)制造工藝，如低壓成型、模壓成型、氣體輔助注射成型、新填充料、系統(tǒng)集成等;零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及工藝。