鎂在汽車工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

張念 張逸航｜文

本文分別扼要介紹了鎂在新能源汽車動力電池方面的研究動態(tài)和鎂在汽車輕量化材料方面的應(yīng)用現(xiàn)狀。隨著技術(shù)進步，未來鎂動力電池技術(shù)會最終實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。經(jīng)過不斷努力嘗試，鎂合金在汽車輕量化方面逐漸扮演重要角色。

鎂是一種銀白色的輕質(zhì)堿土金屬，其化學(xué)性質(zhì)活潑，并可以和酸反應(yīng)生成氫氣。鎂及鎂合金在輕重性、比強度、比剛度、儲能性、可回收性、減震能力和導(dǎo)熱性等方面具有特殊的優(yōu)勢，因此它在汽車、電子、航天、航空和國防等領(lǐng)域都顯示出重要的應(yīng)用價值，正因為此，它被冠以“21 世紀綠色工程材料”的美譽。近些年來，國內(nèi)外研究機構(gòu)在鎂和鎂合金的研究上投入了巨大的資源，經(jīng)過不懈努力，研究者們在鎂合金成形技術(shù)（尤其是在汽車領(lǐng)域鎂金屬的應(yīng)用）等方面取得寶貴的成果。本文擬就目前鎂在汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用進行簡述。

鎂在新能源汽車動力電池方面的研究

隨著全社會對環(huán)境保護意識的不斷提升，近些年，節(jié)能環(huán)保的新能源汽車在國內(nèi)外逐步成為消費者所追逐的新寵，隨之帶來了一系列電池的需求也就不斷增長。目前常用的動力電池（鉛酸電池和鎳鎘電池）無一例外地都存在重金屬污染等問題。相對比較環(huán)保的鋰離子電池雖能避免環(huán)境污染，然而卻容易出現(xiàn)引發(fā)短路的枝晶問題，最終研究者們將注意力轉(zhuǎn)向兼具環(huán)保安全特點的鎂。

與鋰相比，鎂更適合充當(dāng)電池，比如，鎂是自然界中分布最廣泛的元素之一，其價格自然比鋰價便宜很多；鎂以及相關(guān)化合物均無毒害作用或毒性極低，更有利于環(huán)保；鎂沒有鋰那么活潑，相對更容易操作，加工上也更為安全。

正是由于鎂的這些特質(zhì)，發(fā)達工業(yè)化國家（特別是日本）在新型鎂電池研究方面一直投入大量資源，并已取得了不錯的成績，如本田公司2018年對外宣布，該公司與崎玉縣產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合中心合作，開發(fā)出了世界上第一塊可以實際應(yīng)用的鎂充電電池，本田公司希望在2018年實現(xiàn)鎂電池的商用化，并徹底代替鋰電池。無獨有偶，豐田汽車公司也宣布其北美研究院研發(fā)的鎂電池取得了巨大的進展，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了利用鎂制作電池的方法，有望成為鋰電池的替代品。除日本之外，美國在鎂電池方面也取得不錯的成績。據(jù)報道，2015年美國伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校研究人員對電動汽車電池的研究又邁出一步，該團隊以鎂離子打造的電動汽車電池，也許能跑贏鋰電池電動汽車。

圖1 鎂電池工作原理

國內(nèi)學(xué)術(shù)界對于鎂的研究一直以來比較低調(diào)，但并不意味著中國的鎂電池研究落后。與此相反，我國在這方面的科研投入巨大，并在某些項目上保持世界領(lǐng)先地位。近年來國內(nèi)很多高校也正在積極從事鎂電池相關(guān)研究，以期早日突破技術(shù)難題。其中較為顯著的有：上海交通大學(xué)早在2012年就進行了鎂電池方面的研究；南京工業(yè)大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)強強聯(lián)合，也曾在2015年發(fā)明了一種高電壓的鎂電池，其能量密度可以與鋰離子電池相媲美。

如前文所述，因為不存在鉛酸蓄電池、鎳鎘電池等的重金屬污染問題，鎂電池被稱為環(huán)境友好型電池。在原材料采集以及整個生產(chǎn)過程，直至電池使用之后的拋棄，它對環(huán)境不會產(chǎn)生任何污染。此外，鎂電池還具有廉價、安全、容量大、低性能好、儲存性能好等優(yōu)點。

盡管鎂電池擁有美好光明的未來，但我們?nèi)孕枨宄匾庾R到，鎂動力電池的研究依然處于實驗室研究的初級階段，盡管高水平研究論文給鎂動力電池領(lǐng)域的研究帶來了新的活力和吸引力，真正探索出鎂電池的實際應(yīng)用道路依然充滿不確定性。這需要該領(lǐng)域的科研研究不斷探索和發(fā)掘新理論、新材料、新策略和新電池體系，相信鎂動力電池在不久的將來會取得重大突破，造福人類。

鎂在汽車輕量化材料方面的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著汽車行業(yè)進入高速發(fā)展時期，相關(guān)企業(yè)的市場競爭越發(fā)激烈，故而汽車企業(yè)紛紛將制造性能好、質(zhì)量輕的車輛作為重要目標。作為減少尾氣排放和提高燃油經(jīng)濟性等最為有效的方法，汽車輕量化正在日益得到更多企業(yè)的關(guān)注。輕量化的途徑主要體現(xiàn)在材料和工藝兩方面，而鎂合金作為實際應(yīng)用中質(zhì)量最輕的有色金屬材料，其輕量化的效果表現(xiàn)最佳。下面本文擬就鎂合金作為汽車輕量化材料的應(yīng)用現(xiàn)狀進行扼要介紹。

鎂的密度是鋁的2/3，鋅的1/4，故而鎂合金作為輕量材料正越來越多地被應(yīng)用在汽車上。早在上世紀30年代，德國大眾公司率先用壓鑄鎂合金生產(chǎn)“甲殼蟲”汽車的曲軸箱、傳動箱殼體等發(fā)動機和傳動系零件。到1980年，大眾公司共生產(chǎn)了1900 萬輛甲殼蟲轎車，共使用鎂合金逐漸達38 萬噸。美國稍晚于德國開始采用汽車的鎂合金零部件生產(chǎn)，但其用量不斷增加，促進了鎂合金的發(fā)展。其中福特、通用和克萊斯勒三大汽車公司的鎂合金用量占北美的鎂總消耗量的70%。日本在這方面保持了同樣的熱情。從國外的情況來看，汽車用鎂合金主要是壓鑄件，這種做法不僅達到降低汽車質(zhì)量，提升燃料經(jīng)濟性的目的，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)保護環(huán)境、改善安全性和駕乘感受，從而達到了增強企業(yè)市場競爭力的效果。

圖2 鎂合金汽車輪轂的正反擠壓成型流程圖

我國在汽車輕量化方面起步較晚，最早將鎂合金應(yīng)用到汽車上的企業(yè)是上汽集團。上世紀90年代，他們首次在桑塔納轎車上采用鎂合金變速箱殼體、殼蓋和離合器外殼，單車用鎂合金共約8.5 千克。一汽集團開發(fā)了抗蠕變鎂合金，用于制造高溫負載條件下的汽車動力系統(tǒng)部件，同時順利研發(fā)出氣缸蓋罩蓋等鎂合金壓鑄件。同時，東風(fēng)汽車公司、長安汽車集團也參與到鎂合金零部件的生產(chǎn)之中，尤其需要指出的是，長安集團生產(chǎn)的“長安之星”微型車上實現(xiàn)了單車用鎂8 千克的水平，達到了目前的國際先進水平。

近幾年來，我國在車用鎂合金領(lǐng)域傾注了大量的精力，包括上海交通大學(xué)在內(nèi)的一批高校在新材料和新工藝方面不斷努力，也取得一些成績。其中包括上海交大開發(fā)的JDM1—JDM4 系列高性能鎂稀土合金和高導(dǎo)熱壓鑄鎂合金，以及中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所孟建課題組通過壓鑄制備了Mg-4A1-4Sm-0.3Mn(wt%)鎂合金。這幾種鎂合金相較傳統(tǒng)材料的效能都有明顯的提高。在鎂合金工藝方面，鎂合金汽車輪轂成型技術(shù)無疑是一大亮點。鎂合金汽車輪轂的概念從誕生之初便引起汽車廠商的廣泛關(guān)注，但其產(chǎn)品較低的穩(wěn)定性與偏高的價格使商家裹足不前，故而其銷售量一直低迷。伴隨著河南長葛市德威科技股份有限公司等兩家正反擠壓成型生產(chǎn)線的建設(shè)與投產(chǎn)，鎂合金汽車輪轂最終得以順利進行量產(chǎn)。

除上述技術(shù)突破之外，基于前期鎂合金汽車輪轂低壓鑄造成型技術(shù)，上海交大更研發(fā)出鑄造+旋壓復(fù)合成型（鑄旋）技術(shù)。與前者相比，后者能夠明顯提高鎂合金汽車輪轂鑄坯的效能。經(jīng)過旋壓變形，輪輞部分顯微組織明顯細小，室溫力學(xué)性能得到明顯的提高。

在國家重點研發(fā)計劃的支持下，在與東風(fēng)汽車股份有限公司合作中，上海交大正在針對進行有關(guān)汽車用減震臺和副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計，旨在早日實現(xiàn)鎂合金在減震塔和副車架兩類大型復(fù)雜薄壁部件的成型技術(shù)與應(yīng)用上的突破。

結(jié)語

在汽車動力電池和輕量化材料和制造工藝方面，我國和歐美發(fā)達國家仍存在較大差距，這體現(xiàn)在基礎(chǔ)理論的研究和關(guān)鍵技術(shù)的推廣上，要解決這個問題，不僅要加大人力財力資源的投入，同時也要從根本上提高全社會對新型材料的認識。根據(jù)2016年我國發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》的相關(guān)內(nèi)容，到2020年，乘用車新車平均油耗要求達到5.0 升/100 公里；到2025年，乘用車新車平均油耗要求達到4.0升/100 公里；到2030年，乘用車新車平均油耗要求達到3.2 升/100 公里。為此，2030年單車用鋁量、用鎂量將分達到350 千克和45 千克，因此在未來10 ～15年內(nèi)，鋁、鎂合金在汽車上的應(yīng)用將必然會出現(xiàn)井噴式增長。