鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度高、阻尼性好、可鑄性佳等優(yōu)良性能，可以有效減輕汽車自重、節(jié)約油耗、降低排放、提高汽車性能。重慶盛鎂鎂業(yè)有限公司總經(jīng)理曹建勇在本文中將鎂合金的諸多優(yōu)良性能和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并用案例來(lái)佐證了鎂合金作為汽車輕量化最佳用材的優(yōu)勢(shì)。
鎂的密度為1.74g/cm3，是目前商用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色工程材料。鎂是結(jié)構(gòu)金屬材料中密度最小，且具有較高強(qiáng)度和剛度的材料，其比強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鋁合金，十分有利于整體構(gòu)件的設(shè)計(jì);同時(shí)，鎂合金還具有優(yōu)異的切削加工特性和良好的減振性，易加工，切削速度快且加工成本低，容易達(dá)到穩(wěn)定的尺寸精度和較低的表面粗糙度，其高阻尼容量的特性也可以有效減小振動(dòng)和噪聲，在受到?jīng)_擊載荷時(shí)吸收的能量比鋁高50%，因而鎂合金是車輪等受沖擊零件的理想材料。
汽車行業(yè)普遍認(rèn)為，車重每減少100kg，每百公里耗油量會(huì)減少0.5L;車重每減少10%，轎車燃油經(jīng)濟(jì)性會(huì)提高6%，輕卡的燃油經(jīng)濟(jì)性會(huì)提高8%。鎂合金代替某些鋼鐵材料可以有效的減輕汽車的重量，如以剛度為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的材料。在等彎曲剛度條件下，采用鎂代替鋼可減重61%，在等彎曲強(qiáng)度條件下，鎂代替鋼可減重74%。減重的同時(shí)也可以有效降低汽車噪音，減少尾氣排放;改善車輛的設(shè)計(jì)，提高車的性能和舒適性。在汽車上，每使用1kg鎂，可使轎車壽命期減少30kg尾氣排放(和鋁的比對(duì)值)，而且鎂還是綠色環(huán)保材料，可循環(huán)回收，因此鎂合金產(chǎn)品是極佳的汽車輕量化解決方案。
目前鎂合金制品70%的應(yīng)用在汽車產(chǎn)業(yè)上，因此，擴(kuò)大鎂合金在汽車上的應(yīng)用是推動(dòng)鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本動(dòng)力。世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律表明，汽車工業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)作用，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般消費(fèi)類產(chǎn)品。在國(guó)外，汽車工業(yè)被稱為“bell sheep”，意為掛鈴鐺的領(lǐng)頭羊，形象地概括出它對(duì)整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)群的波及效益和導(dǎo)向作用。因此，鎂合金在汽車輕量化上的應(yīng)用具有著極其重要的社會(huì)意義。
汽車鎂合金產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)
汽車產(chǎn)業(yè)中鎂合金用量較多的國(guó)家和地區(qū)主要是北美、歐洲、日本。德國(guó)大眾汽車公司是最早在汽車上大規(guī)模應(yīng)用鎂合金的汽車公司，早在20 世紀(jì)30年代，大眾汽車就開始使用鎂合金，特別是上世紀(jì)90年代以來(lái)，德國(guó)在鎂合金領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先地位;奔馳汽車公司最早將鎂合金壓力鑄造件應(yīng)用于汽車座支架;奧迪汽車公司第一個(gè)推出鎂合金壓力鑄造儀表板。近年來(lái)，帕薩特、奧迪A4和奧迪A6等汽車的齒輪箱殼體使用AZ91D 鎂合金，與鋁合金部件相比減重25%。
美國(guó)在1948~1962年間，采用壓力鑄造生產(chǎn)了數(shù)百萬(wàn)件鎂合金鑄件供汽車使用。美國(guó)的福特、通用和克萊斯勒等汽車公司在過去的十幾年里一直致力于鎂合金汽車鑄件如轉(zhuǎn)向柱架、離合器殼體、進(jìn)氣管、離合器片、汽缸蓋、座架、濾油器殼體等的開發(fā)和應(yīng)用，替代效果明顯，大大促進(jìn)了鎂合金的發(fā)展。
日本開發(fā)出鎂合金低壓力鑄造造裝置，由此，經(jīng)過研究相繼開發(fā)了一系列鎂合金壓力鑄造產(chǎn)品，如豐田汽車公司首先制造出鎂合金汽車輪轂、轉(zhuǎn)向軸系統(tǒng)、凸輪罩等零部件。目前，日本的各家汽車公司都生產(chǎn)和應(yīng)用了大量鎂合金殼體類壓力鑄造件。
1991年汽車工業(yè)中鎂合金的用量?jī)H為2.4萬(wàn)噸。上世紀(jì)90年代后，隨著鎂合金價(jià)格下降，壓鑄工藝技術(shù)不斷發(fā)展，鎂合金在汽車上的應(yīng)用得到迅猛發(fā)展，汽車工業(yè)成為鎂合金應(yīng)用增長(zhǎng)最快的行業(yè)，汽車用鎂合金件以平均每年18%的速度增長(zhǎng)，直到2007年。因2008年二季度末原鎂噸價(jià)一度猛漲至約3.7萬(wàn)元，此前鎂價(jià)低時(shí)，許多用戶紛紛以鎂代鋁及代鋅，曾擴(kuò)大了鎂需求，此時(shí)鎂價(jià)暴漲，驅(qū)使用戶又棄鎂返鋁、鋅，這也是國(guó)內(nèi)鎂銷量下降和迫使鎂價(jià)暴跌和產(chǎn)量下降的重要原因。目前這些國(guó)家和地區(qū)汽車工業(yè)對(duì)鎂合金的需求穩(wěn)定達(dá)到每年20萬(wàn)噸以上。歐洲正在使用和研制的鎂合金汽車零部件已超過60種，單車鎂合金用量9.3公斤～20.3公斤;北美正在使用和研制的鎂合金汽車零部件已超過100種，單車鎂合金用量5.8公斤～26.3公斤。
我國(guó)采用鑄造鎂合金已有30多年的歷史，但最初主要用于航空航天工業(yè)的殼體、機(jī)輪和機(jī)座等，鎂合金在汽車行業(yè)應(yīng)用起步較晚。上世紀(jì)90年代初，上汽集團(tuán)在國(guó)內(nèi)最早將鎂合金應(yīng)用在汽車上，首次在桑塔納轎車上采用鎂合金變速器殼蓋、殼體和離合器外殼。目前有近百家從事鎂合金壓力鑄造件的生產(chǎn)和研究，上汽、一汽、東風(fēng)汽車公司及長(zhǎng)安汽車在研究和開發(fā)鎂合金在汽車領(lǐng)域應(yīng)用方面發(fā)揮了重要作用。目前我國(guó)汽車單車用鎂量約3kg，落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。
國(guó)外對(duì)鎂合金在汽車上的應(yīng)用十分重視。2004年6月，美國(guó)、加拿大的相關(guān)機(jī)構(gòu)和公司共同設(shè)立了一項(xiàng)汽車用鎂合金中長(zhǎng)期研究計(jì)劃。2006年12月，北美汽車研究聯(lián)盟(USCAR)發(fā)布的《2020年北美汽車用鎂合金及輕量化戰(zhàn)略展望》研究報(bào)告令人矚目。該研究項(xiàng)目和行動(dòng)計(jì)劃將汽車用鎂合金的議題分解為163個(gè)有待研發(fā)的項(xiàng)目，提出了研發(fā)的方向與目標(biāo)。10年來(lái)，該規(guī)劃為全球鎂合金產(chǎn)業(yè)和汽車產(chǎn)業(yè)提出了新的目標(biāo)和挑戰(zhàn)，也肯定了鎂合金在汽車輕量化中將要承擔(dān)的重要使命。按照該規(guī)劃，到2020年，北美乘用車用鎂量將會(huì)達(dá)到160kg/輛，屆時(shí)鎂將會(huì)成為第二大汽車材料，在乘用車中材料重量的比例將從目前的0.3%增加到12%。這將是鎂材料呈現(xiàn)給世界的一個(gè)巨大貢獻(xiàn)。
2015年，我國(guó)汽車產(chǎn)銷量均超過2450萬(wàn)輛，連續(xù)3年突破2000萬(wàn)輛，連續(xù)7年居世界第一位，連續(xù)3年突破2000萬(wàn)輛，已成為世界上最大的汽車生產(chǎn)和消費(fèi)市場(chǎng)，汽車行業(yè)已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)有關(guān)方面預(yù)測(cè)，未來(lái)5年，中國(guó)汽車產(chǎn)銷量仍將會(huì)保持4%的年均增長(zhǎng)速度，屆時(shí)到2020年中國(guó)汽車產(chǎn)量將會(huì)超過3000萬(wàn)輛，我國(guó)單車用鎂量如果能達(dá)到國(guó)外上述規(guī)劃水平的一半，即單車用鎂量達(dá)到80kg/輛，國(guó)內(nèi)汽車業(yè)對(duì)鎂的年需求量將會(huì)超過240萬(wàn)噸，而我國(guó)2015年鎂總產(chǎn)量?jī)H為85萬(wàn)噸，鎂深加工制品用量不到鎂產(chǎn)量的一半，這無(wú)疑將會(huì)極大帶動(dòng)我國(guó)鎂行業(yè)的發(fā)展。
鎂合金零部件在汽車應(yīng)用范圍及實(shí)例
汽車主要零部件在全車中的質(zhì)量分布如圖1所示。用鎂材料替代鋁和鋼后的減重比例如圖2所示。從圖2可以看出，被鎂和鎂合金替代后的汽車部件減重比例達(dá)到20%~70%，可以在車身、動(dòng)力總成、底盤和內(nèi)飾等4個(gè)部分實(shí)現(xiàn)材料替換。