鎂合金在車輛結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的應(yīng)用

趙鑫

【摘要】汽車的輕量化不僅有助于降低車輛的排污量，還能夠顯著的提高車輛的駕乘動力學(xué)性能，更有利于汽車在行駛過程中的靈動性增強，有效提升汽車的穩(wěn)定性和安全性。本文主要基于汽車輕量化和節(jié)能減排的角度，介紹了鎂合金在車輛結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的應(yīng)用情況。

【關(guān)鍵詞】鎂合金；輕量化；機構(gòu)構(gòu)建；應(yīng)用

隨著我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的不斷深入，國民生活發(fā)生了翻天覆地的變化。近年來，我國人均汽車擁有量急劇增長，汽車的私有化加速方便了人們的出行交通方式，但同時也帶來了更為嚴(yán)重的環(huán)境問題。節(jié)能減排是現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展過程中不可繞開的一個部分，而從車輛本身而言，實現(xiàn)節(jié)能減排的方式有許多種，輕量化發(fā)展也是其中之一。本文主要基于汽車輕量化和節(jié)能減排的角度，介紹了鎂合金在車輛結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的應(yīng)用情況。

一、汽車輕量化與節(jié)能減排

汽車車輛的節(jié)能減排是目前社會發(fā)展中一個重要的社會和環(huán)境課題。節(jié)能減排主要從“節(jié)能”和“減排”兩個方便進(jìn)行，所謂“節(jié)能”的關(guān)鍵就是對可再生綠色能源的利用，但新能源汽車技術(shù)仍處于研發(fā)之中，在普及過程中還有許多關(guān)鍵性的技術(shù)需要實現(xiàn)，還有許多難以克服的障礙需要掃清。從“減排”方面的實施，則是對清潔能源的利用以及降低汽車本身的排污。不管從哪一個層面來實現(xiàn)汽車車輛的“節(jié)能減排”，受替代能源儲存和使用技術(shù)水平的限制，為了延長行駛里程、提高車輛動態(tài)相應(yīng)能力，新能源汽車開發(fā)正面臨著更大的減重壓力。

目前，世界范圍內(nèi)對于實現(xiàn)汽車車輛的節(jié)能減排的途徑主要包含兩個方面。其一就是改變汽車內(nèi)部的驅(qū)動能源，盡可能的提升汽車燃油能量的利用率，達(dá)到節(jié)能的目的，為了達(dá)成這一目的，許多發(fā)達(dá)國家，例如德國、日本都致力于研究節(jié)能的汽車驅(qū)動方式的研究，并且也取得了一系列的研究成果，例如混合驅(qū)動等車型的研發(fā)，但受到到動力高效傳輸技術(shù)、能源存儲的技術(shù)限制，許多研發(fā)結(jié)果并不能夠得到普及性的應(yīng)用。例如電動汽車，其續(xù)航時間是有限的，只能夠適用于短途的行駛里程代步，不能夠起到內(nèi)燃式燃料的行駛續(xù)航替代工作，在普及應(yīng)用上存在較大的局限性。其二則是基于保障服役性能的車輛輕量化，如：采用高比性能材料替代傳統(tǒng)地比性能材料，在確保車輛動態(tài)駕控性能和碰撞安全的前提下，降低車輛重量，降低車輛的制造、使用和回收的能耗和排放。相關(guān)研究統(tǒng)計證明，車輛重量與其燃油量存在正相關(guān)的數(shù)量關(guān)系，車輛重量的降低對于降低車輛油耗有著重要的作用。

目前，許多西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)著力于對汽車輕量化的批量生產(chǎn)工作上，許多高端汽車品牌都擁有自身輕量化的核心技術(shù)，統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，汽車的輕量化不僅有助于降低車輛的排污量，還能夠顯著的提高車輛的駕乘動力學(xué)性能，更有利于汽車在行駛過程中的靈動性增強，有效提升汽車的穩(wěn)定性和安全性。

隨著汽車技術(shù)發(fā)展思路更新和節(jié)能環(huán)保理念深入人心，汽車輕量化已成為全球汽車發(fā)展的必由之路。目前公認(rèn)具有市場競爭優(yōu)勢的汽車輕量化材料主要有：高強度鋼、鋁合金、鎂合金和有機基纖維復(fù)合材料等。國產(chǎn)車在輕量化方面投入也越來越大，推動著輕量化技術(shù)的不斷進(jìn)步。如長安汽車在鎂合金研發(fā)的基礎(chǔ)上，在2006～2009年期間，除在新車型開發(fā)中進(jìn)行鎂合金零部件同步集成開發(fā)外，還對鎂合金在汽車前端上的應(yīng)用就行了系統(tǒng)深入的可行性研究。

二、基于汽車輕量化的鎂合金應(yīng)用

汽車輕量化的理念受到汽車制造商的青睞的根本目的在于，能夠有效的提升汽車品牌的市場競爭力，能夠為汽車制造帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益，并取得用戶與企業(yè)的雙贏局面。因此，許多汽車制造商都將汽車輕量化的目光集中在車輛構(gòu)件減重的性價比上：一是替代材料的價格，二是替代材料所帶來的減重對車輛的性能的改變。

實際上，對于車輛輕量化設(shè)計的考量，對于原材料的性能考量只占一部分，更多的是考量材料的可加工性、材料的廣泛擁有、易于獲取、價格經(jīng)濟(jì)合理等綜合成本，最最終才能科學(xué)地評價一種輕量化材料可能帶來的輕量化效果和技術(shù)經(jīng)濟(jì)特征。目前，汽車制造行業(yè)的核心技術(shù)優(yōu)勢在于集成技術(shù)，材料的工藝程序以及可否進(jìn)行集成性設(shè)計及制造，成為了材料選擇的關(guān)鍵所在，也是其核心競爭所在。

合金材料在汽車輕量化的發(fā)展中取得了較大的關(guān)注。例如鎂合金、碳釬維符合材料等、鋁合金等材料均被嘗試性的應(yīng)用至汽車結(jié)構(gòu)構(gòu)件的減重改造中。但相關(guān)研究表明，以上幾種材料對于汽車輕量化所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性能改變中，從原材料到可供裝配的零部件，不同材料因成形加工特性的差異，工藝成本差異明顯；且構(gòu)件的本體材料性能因工藝不同也與標(biāo)準(zhǔn)試樣性能存在顯著差異。例如在重量的比較上，CFRP（碳纖維復(fù)合材料）比鋁合金輕，但其抗拉強度、彈性模量存在一定的波動性，如果碳纖維復(fù)合材料中纖維處于平行狀態(tài)，其彈性模量、抗拉強度均要強于鋁合金、鎂合金，而如果纖維處于垂直狀態(tài)，各方面性能將會出現(xiàn)顯著下降。而鎂合金與鋁合金相比，它擁有與碳纖維復(fù)合材料質(zhì)地輕的優(yōu)勢，同時又具有與鋁合金類似的穩(wěn)定性質(zhì)，但在各方面屬性上不及鋁合金的性能。

三、鎂合金在車輛結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的應(yīng)用情況

1.鎂合金的主要特征

鎂合金的主要特點包含以下幾個方面：

質(zhì)量輕：鎂在20℃時的密度只有1.739/cm3，比鋁、鋅、鐵的密度分別低36%、73%和78%，鎂基合金是目前所有應(yīng)用的工程材料中質(zhì)量最輕，也是比強度最高的金屬材料。作為輕質(zhì)合金，鎂基合金廣泛地應(yīng)用在一些對重量特別敏感的手提工具、體育器材、交通工具中。

抗震：與當(dāng)前用途最廣的輕金屬鋁合金相比，鎂合金不但輕，而且抵抗振動和降低噪音能力也非常的高。以鎂合金AZ91D為例，在35MPa應(yīng)力水平下AZ91D的衰減系數(shù)為25%，而鋁合金A380只有1%；在100MPa應(yīng)力水平下AZ9ID的衰減系數(shù)上升為53%，而鋁合金A380只達(dá)到4%。鎂合金是一種非常理想的減振材料。

抗干擾：鎂合金還具有很高的屏蔽電磁干擾的性能。此外。鎂合金還是非常易于回收的材料。鎂合金的熔化潛熱比鋁合金還要低，熔煉消耗的能量低。顯然，鎂合金的這些特性非常適合于3C（計算機、通訊器材和消費類電子）產(chǎn)品的需要。鎂合金與現(xiàn)代化緊密相連，被冠以“時代金屬”和“2l世紀(jì)金屬”的稱號。

良好的耐蝕性：按照ASTM B117鹽霧試驗標(biāo)準(zhǔn)，腐蝕速率≤0.25mg/emZ/Day；

熔點低：有良好的壓鑄成型性能，鑄件及加工尺寸精度高，可鑄造薄壁件以及比鋁、鐵更復(fù)雜的零件；

良好的阻尼性：100%可回收再利用；對環(huán)境無污染，被譽為“21世紀(jì)的綠色金屬結(jié)構(gòu)材料”。

2.鎂合金在車輛結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)用情況

目前的鎂合金制造工藝技術(shù)，能夠有效的實現(xiàn)利用鎂合金制造集成性能較高的車輛結(jié)構(gòu)構(gòu)件，一方面，鎂合金具有良好的鑄造性，加工條件較為簡答，加工工藝簡單，且加工有效性較高，不易產(chǎn)生廢品，另一方面，鎂合金較高的阻尼系數(shù)，能夠增添汽車結(jié)構(gòu)的抗震性，十分符合汽車工業(yè)制造對于材料的多項功能的追求目標(biāo)。目前，鎂合金在車輛結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制造中廣泛應(yīng)用，例如在車輛的傳動系統(tǒng)中，在合器外殼、齒輪箱外殼、離變速箱外殼等零件的鑄造方面就大量的使用了鎂合金。在車體結(jié)構(gòu)中，車門內(nèi)襯、儀表板、車燈外殼、引擎蓋、車身骨架、底盤系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架等也大量使用了鎂合金壓鑄產(chǎn)品。許多國外發(fā)達(dá)國家對于鎂合金的應(yīng)用程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國內(nèi)汽車制造業(yè)，例如許多汽車高端品牌蘭博基尼、保時捷等都采用了鎂合金減重設(shè)計，其車輛的相關(guān)性能都得到了很好的提升。但由于國內(nèi)基于汽車安全性的考量，對于鎂合金材料的應(yīng)用情況較少，仍舊多用鋁合金的形式來對汽車重量進(jìn)行控制。

3.鎂合金在車輛構(gòu)件應(yīng)用中存在的問題

鎂合金的廣泛應(yīng)用為汽車減重、節(jié)能減排帶來了新的機遇，但同時也還存在一些問題有待解決。首先，是鎂合金材料的回收問題，目前對于鎂元素的回收技術(shù)相對局限，且回收成本極高，大大的超出了一般性合金的回收價格。其次則是鎂元素的易氧化、較活潑的化學(xué)性質(zhì)，為鎂合金的集成化、模塊化在汽車零部件使用上帶來了調(diào)整，其對制造工藝的要求較高，大大增強了生產(chǎn)工藝的難度。最后一點，則是對于鎂合金的相關(guān)性能測試的數(shù)據(jù)存在一定的欠缺，由于對鎂合金材料的研究不深，在信息時代，對于鎂合金相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料的整合存在較大的欠缺，無法更有效的提升對鎂合金性能的利用程度。

4.鎂合金在車輛構(gòu)件應(yīng)用的發(fā)展趨勢

鎂合金與鋁合金相比，其合金強度存在一定的弱勢，因此，為了進(jìn)一步的提升鎂合金在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，其未來的發(fā)展趨勢應(yīng)該可以分為高強度鎂合金、耐熱鎂合金、耐蝕鎂合金、阻燃鎂合金。

提升鎂合金的強度，一般可以從改變合金元素（加入稀土元素、鋁元素等）、改變鑄造成型工藝（半固態(tài)成型技術(shù)）、改變合金純度等方式。提升鎂合金的耐熱強度，一般采用天劍鈣，稀土等元素，提升鎂合金的耐腐蝕、阻燃性，則可以采用表現(xiàn)處理技術(shù)、無溶劑氣體保護(hù)法等方式。

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