鎂合金壓鑄件在全球汽車輕量化新形勢下的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

文/萬豐鎂瑞丁新材料科技有限公司 徐國鋒

鎂合金壓鑄件在全球汽車輕量化新形勢下的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

Opportunities and Challenges of Magnesium Alloy Die Casting under the New Situation of Global Automobile Lightening

文/萬豐鎂瑞丁新材料科技有限公司 徐國鋒

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。近年來，隨著全球節(jié)能減排壓力和發(fā)展趨勢,各國紛紛制定嚴(yán)格的乘用車燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，對乘用車燃料消耗量及對應(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。尤其是中國，到2020年汽車燃油消耗降幅明顯大于其他國家，燃油排放壓力更大，降低汽車整車重量是汽車輕量化最有效途徑。

汽車輕量化就是為汽車“瘦身”，在確保穩(wěn)定提升性能的基礎(chǔ)上，節(jié)能化設(shè)計各零部件，持續(xù)優(yōu)化車型。實(shí)驗證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%；汽車整備重量每減少100千克，百公里油耗可降低0.3～0.6升。

汽車的輕量化趨勢

2016年汽車工程學(xué)會年會上，清華大學(xué)歐陽明高等教授代表節(jié)能與新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略咨詢委員會對節(jié)能和新能源汽車技術(shù)路線圖的內(nèi)容進(jìn)行了發(fā)布，該路線圖提出的輕量化技術(shù)發(fā)展思路，主要分三個階段實(shí)現(xiàn)汽車逐年減重。

第一階段為2016年～2020年，實(shí)現(xiàn)整車較2015年減重10%。重點(diǎn)發(fā)展超高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼技術(shù)，包括材料性能開發(fā)、輕量化設(shè)計方法、成型技術(shù)、焊接工藝和測試評價方法等，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼在汽車應(yīng)用比例達(dá)到50%以上，開展鋁合金板材沖壓制作技術(shù)研究并在車身實(shí)踐，研究不同材料的連接技術(shù)

第二階段為2021年～2025年，實(shí)現(xiàn)整車較2015年減重20%。以第三代汽車鋼和鋁合金技術(shù)為主線，實(shí)現(xiàn)鋼鋁等多種材料混合車身，全鋁車身的大范圍應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)鋁合金覆蓋件和鋁合金零部件的批量生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，同時加大對鎂合金和碳纖維復(fù)合材料零部件生產(chǎn)制造技術(shù)的開發(fā)，增加鎂合金和碳纖維零部件的應(yīng)用比例，單車用鋁量達(dá)到350kg。

第三階段為2026年～2030年，實(shí)現(xiàn)整車較2015年減重35%。重點(diǎn)發(fā)展鎂合金和碳纖維復(fù)合材料技術(shù)，解決鎂合金及復(fù)合材料循環(huán)再利用問題，實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料混合車身及碳纖維零部件的大范圍應(yīng)用，突破復(fù)雜零件成型技術(shù)和異種零件連接技術(shù)。單車用鎂合金達(dá)到45kg，碳纖維使用量占車重5%。

據(jù)統(tǒng)計，2016年，在中國生產(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)用市場廣闊，潛力無限。

鎂合金性能及優(yōu)點(diǎn)

1. 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)可與上述材料競爭的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。

2. 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%。

3. 尺寸穩(wěn)定性高

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

4. 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。

5. 無磁性，可用于電磁屏蔽

6. 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，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。

鎂合金汽車壓鑄件行業(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)《中國鎂合金汽車壓鑄件行業(yè)分析報告》數(shù)據(jù)顯示，2015年，中國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23.12%。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。

結(jié)合我國生產(chǎn)的單車鎂合金使用量來看，2017年我國鎂合金汽車壓鑄件行業(yè)市場容量將達(dá)22.9萬噸，到2022年市場容量將達(dá)66萬噸，年均復(fù)合增長率將達(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，而國產(chǎn)汽車每輛用量平均僅1.5kg。

鎂合金在汽車輕量化中具體應(yīng)用

1.汽車內(nèi)部構(gòu)造

雖然鎂合金耐腐蝕性差，但是對于汽車內(nèi)部構(gòu)造來說，防腐不是主要考慮的問題，因此鎂合金在汽車內(nèi)部構(gòu)造得到了比較廣泛的應(yīng)用，尤其是在儀表盤和轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)中。據(jù)悉，第一支鎂合金儀表盤支柱是由通用公司在1961年壓鑄生產(chǎn)，比使用鋅合金壓鑄生產(chǎn)的同樣部件節(jié)省了4kg材料。過去十多年間，采用鎂合金壓鑄的儀表盤支柱取得了極大進(jìn)展。

鎂合金在座椅上應(yīng)用始于1990年代的德國，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)。與鎂合金在儀表盤上的應(yīng)用情況相似，近幾年，采用鎂合金設(shè)計、制造的座椅也經(jīng)歷了一個明顯提高的過程?，F(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。雖然其他材料如高強(qiáng)度鋼、鋁、復(fù)合材料等也得到使用，但是專家預(yù)測，鎂合金未來將會成為汽車座椅部件輕量化和具有成本效益的一個主要材料。

2.車身

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，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，福特F-150卡車和SUV也使用了有涂層鎂鑄件作為散熱器的支架。在歐洲，大眾汽車公司和奔馳已率先實(shí)現(xiàn)了薄壁鎂合金鑄件在車身面板中的應(yīng)用。

目前，提高鎂合金在汽車車身結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的一個項目就是由加拿大、中國、美國三國政府及USAMP（美國汽車材料聯(lián)盟，克萊斯勒，福特和通用汽車公司組成的財團(tuán)）資助的“鎂前端研究與發(fā)展”項目。該項目匯集了來自美國、中國和加拿大國際范圍的獨(dú)特團(tuán)隊，并已開發(fā)出汽車用鎂應(yīng)用的一些關(guān)鍵技術(shù)和知識庫。在這個項目中開發(fā)的技術(shù)和知識庫，不僅有利于作為測試的前端結(jié)構(gòu)的汽車用鎂的應(yīng)用，同時也促進(jìn)原鎂生產(chǎn)、零部件制造、基礎(chǔ)研究以及先進(jìn)計算工具的開發(fā)。

3.底盤

當(dāng)前，鑄造或鍛造鎂合金車輪已被用于許多高價位的賽車或高性能跑車。然而，相對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。

未來，輕量化、低成本的鎂合金底盤部件，如輪轂、發(fā)動機(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.動力總成

動力總成的大部分鑄造件如發(fā)動機(jī)缸體、汽缸蓋、傳動箱、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變速器也在歐洲和中國大批量生產(chǎn)。

當(dāng)前，通過對鎂強(qiáng)化的發(fā)動機(jī)原型進(jìn)行的測功儀試驗已經(jīng)取得了有效的進(jìn)展，這就意味著未來在動力系統(tǒng)中會有更多鎂合金得到應(yīng)用。美國汽車材料聯(lián)盟鎂動力系統(tǒng)鑄件項目(MPCC)的目標(biāo)是使鎂合金能夠完全替代V block en-gine發(fā)動機(jī)中的主要鋁合金部件。該項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）。

鎂合金在推廣應(yīng)用中主要挑戰(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。中國汽車工業(yè)協(xié)會顧問杜芳慈說，鎂是一種很活潑的元素，耐腐蝕性很差，我國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和嚴(yán)格的整車重量要求，鎂合金的推廣應(yīng)用將得到長足發(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)乎國計民生的重要事件。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，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汽車輕量化的進(jìn)程。