鎂合金零部件在汽車(chē)中的應(yīng)用研究

楊鴻智，尹小文，蘇彥芳，朱迎五，高鵬

北京汽車(chē)研究總院有限公司，北京101300；

北京屹唐半導(dǎo)體科技股份有限公司，北京100176

鎂(Mg)是汽車(chē)用金屬中最輕的一種，屬密排六方結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)648℃，密度為1.74g/cm3，是鋁密度的64.4%，鋼密度的22.2%，具有減振降噪性能好、比強(qiáng)度和比剛度高、易于回收和鑄造性能優(yōu)良等特點(diǎn)，是汽車(chē)輕量化的理想材料，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”。本文針對(duì)鎂合金的特點(diǎn)及汽車(chē)中的典型零部件應(yīng)用做介紹，為國(guó)內(nèi)汽車(chē)設(shè)計(jì)人員提供應(yīng)用推薦。

鎂合金的特點(diǎn)

（1）鎂合金最大的特點(diǎn)就是輕，使用鎂合金替代鋼和鋁零部件能減輕質(zhì)量，降低能源消耗，提升汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程。

（2）鎂合金的比剛度約為2(GPa1/3/Mg·m-3)，高于鋁(約1.5)和鋼(約0.8)；鎂合金的比強(qiáng)度約130(MPa/Mg·m-3)，同樣高于鋁(約110)和鋼(約40)。

（3）鎂合金具有優(yōu)良的阻尼系數(shù)，阻尼能力比鋼和鋁好，有比較高的振動(dòng)吸收性，用于座椅骨架能夠提高舒適性。

（4）鎂合金具有優(yōu)異的切削加工性能，鎂合金、鋁合金的軟鋼的切削動(dòng)力指數(shù)分別是1.0、1.8和6.3，使用鎂合金可以提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期。

（5）鎂合金的耐腐蝕性較差，和鋁合金相比，鎂有極高的化學(xué)活性和較低的電極電位（-2.363V，比鋁、鈦、鐵、鋅都低），當(dāng)與不同類(lèi)金屬接觸時(shí)易發(fā)生應(yīng)力腐蝕和微電腐蝕。

（6）鎂合金的環(huán)保較好，其都可以回收利用。鎂合金的熔化潛熱比鋁合金低（368kJ/kg比397kJ/kg），消耗的能量少，回收成本低，在雙碳背景下能夠節(jié)約資源[1-3]。

常見(jiàn)的汽車(chē)用鎂合金

在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中，Mg-Mn系和純Mg-Zn系用的不多，而Mg-Al系是應(yīng)用最廣泛的鎂合金系列。Mg-Al合金主要元素Mg和Al，同時(shí)也包含其他元素，例如Si、Mn、Zn和稀土等，能夠進(jìn)一步提高室溫力學(xué)性能和高溫性能[4]。

常用的Mg-Al合金主要包括4個(gè)系列：

AM(Mg-Al-Mn)系：具有優(yōu)良的韌性和塑性，適合制造受沖擊的零件，如汽車(chē)儀表板橫梁。

AZ(Mg-Al-Zn-Mn)系：具有均衡的力學(xué)性能和鑄造性能，屈服強(qiáng)度高并具有一定的耐鹽霧腐蝕能力，適合制造形狀復(fù)雜的薄壁壓鑄零件，如汽車(chē)輪轂。

AE(Mg-Al-RE)系：具有比AS系列鎂合金更好的抗蠕變性（在高溫120℃-175℃力學(xué)性能上已接近鑄造鋁合金的水平），但是其壓鑄工藝性和抗氧化性能差，抗疲勞性能低。

AS(Mg-Al-Si)系：具有較好的抗蠕變性能，強(qiáng)度高，塑性、韌性好，在汽車(chē)的曲軸箱、電機(jī)支架上有所應(yīng)用[5]。

汽車(chē)使用的鎂合金絕大多數(shù)是AZ和AM系，據(jù)統(tǒng)計(jì)占總量的80%-90%，主要分為殼體和支架兩大類(lèi)。殼體類(lèi)比如變速器殼體、新能源汽車(chē)的電機(jī)殼體、離合器殼體、輪轂等；支架類(lèi)如儀表盤(pán)橫梁(CCB)、方向盤(pán)骨架、座椅支架、轉(zhuǎn)向支架等。材料選用方面，AZ系和AS系一般用于結(jié)構(gòu)件，而裝飾件多用AM系。汽車(chē)鎂合金壓鑄件的常用材料是AM50A、AM60B和AZ91D，其化學(xué)成分和力學(xué)性能(ASTM B94-2018標(biāo)準(zhǔn))見(jiàn)表1和表2所示，表3為典型汽車(chē)鎂合金零部件所使用的牌號(hào)。

表1 典型牌號(hào)的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%

表2 典型牌號(hào)的力學(xué)性能

表3 典型汽車(chē)鎂合金零部件牌號(hào)

典型鎂合金汽車(chē)零部件

1.方向盤(pán)骨架

方向盤(pán)骨架目前是乘用車(chē)用鎂合金普及率最高的零部件（超過(guò)80%），材料一般選用AM50A，如圖1所示。鎂合金應(yīng)用于方向盤(pán)既能實(shí)現(xiàn)輕量化（與鋼質(zhì)設(shè)計(jì)相比，減重40%以上），又能把路面和控制系統(tǒng)傳遞的振動(dòng)吸收一部分，如果發(fā)生意外時(shí)，鎂合金骨架比鋼制骨架能吸收更多的能量，更好保護(hù)駕駛員。

圖1 鎂合金方向盤(pán)骨架

2.儀表板橫梁（CCB）

鎂合金儀表板橫梁和鋼制的相比，具有輕量化、零件集成化程度高、安裝尺寸精度高、設(shè)計(jì)靈活和綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。常用的牌號(hào)是AM60B，其鋁含量較低，韌性和塑形較好。AM60B是高純牌號(hào)，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。1968年鎂合金儀表板橫梁應(yīng)用在奧迪車(chē)型上，1995年應(yīng)用在通用汽車(chē)的新年度車(chē)型上，第一代的質(zhì)量大約為7-8kg，壁厚大約為3.5-4mm，第二代的壁厚和質(zhì)量進(jìn)一步減少，但仍保持著較高的防撞性及減振、降噪、剛度的要求[6]。北汽新能源的EX3車(chē)型和LITE車(chē)型都使用了鎂合金儀表板橫梁，達(dá)到了輕量化的效果。如圖2所示，EX3的儀表板橫梁總成質(zhì)量5.77Kg，減重約40%。

圖2 EX3車(chē)型鎂合金儀表板橫梁

3.座椅骨架

奔馳公司的SEL型敞篷車(chē)首先使用鎂合金座椅骨架，福特汽車(chē)公司使用鎂合金座椅骨架替代鋼制骨架減重3kg，豐田公司某款車(chē)型采用鎂合金座椅骨架使座椅質(zhì)量減輕40%[7]，現(xiàn)代汽車(chē)公司某款車(chē)型把30多個(gè)零部件的鋼制座椅骨架變成了2個(gè)鎂合金零部件組成座椅骨架減重50%[8]，因?yàn)槭褂面V合金座椅骨架具有很大的輕量化效果。圖3是博奧鎂鋁金屬制造有限公司展示的鎂合金座椅骨架。

圖3 鎂合金座椅骨架

4.鎂合金輪轂

在節(jié)能減排的趨勢(shì)影響下，鎂合金輪轂迎合了汽車(chē)輕量化和環(huán)保的需求，其在高端車(chē)型上的應(yīng)用已成趨勢(shì)，如圖4所示。鑄造法和鍛造法是兩種主要的鎂合金輪轂成形方法。鑄造法生產(chǎn)的輪轂的力學(xué)性能較差，因?yàn)槿菀桩a(chǎn)生疏松、縮孔等缺陷。鍛造法生產(chǎn)的輪轂在成形過(guò)程中能夠焊合金屬熔煉中產(chǎn)生的縮孔和疏松等缺陷，保持金屬流線(xiàn)，提升輪轂的力學(xué)性能。常用的牌號(hào)是AZ80鎂合金，其屬于Mg-A1系鎂合金，該牌號(hào)塑性較高、可鍛性好及應(yīng)力腐蝕傾向小，很適合于鍛造鎂合金車(chē)輪[9]。

圖4 鍛造鎂合金車(chē)輪

鎂合金在汽車(chē)工業(yè)應(yīng)用中存在的問(wèn)題

耐熱性問(wèn)題：耐熱性能差是大多數(shù)鎂合金的缺點(diǎn)，其綜合機(jī)械性能在室溫下表現(xiàn)良好，但在溫度較高時(shí)就會(huì)顯著降低。

防腐問(wèn)題：與鋁合金相比，鎂合金的耐蝕性較差，鎂有極高的化學(xué)活性和較低的電極電位，當(dāng)與不同類(lèi)金屬配合時(shí)易發(fā)生應(yīng)力腐蝕和微電腐蝕，所以鎂合金零部件一般用于環(huán)境比較好的位置。

生產(chǎn)成本高：生產(chǎn)原鎂的能耗大，生產(chǎn)成本高，鎂合金的模具成本也比較高，導(dǎo)致單位質(zhì)量的鎂合金要比鋁合金高。

安全隱患大：鎂的化學(xué)性質(zhì)非?；钴S，粉末狀的鎂在空氣中很容易燃燒，發(fā)出耀眼的白光。鎂合金零部件在機(jī)加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的碎屑和粉塵，存在安全隱患。

結(jié)語(yǔ)

鎂合金作為汽車(chē)上用到的最輕的金屬材料，具有密度低、減振降噪性能好、比強(qiáng)度和比剛度高和鑄造性能好等優(yōu)點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。我國(guó)是世界上鎂資源最為豐富的國(guó)家，總儲(chǔ)量占世界的22.5%。但是在鎂合金汽車(chē)零部件的研究起步較晚，與美國(guó)、德國(guó)、日本等汽車(chē)強(qiáng)國(guó)存在差距。我國(guó)的汽車(chē)企業(yè)要深入研究鎂合金的潛在價(jià)值，解決鎂合金零部件的耐熱性、防腐性等問(wèn)題，緊跟全球發(fā)展趨勢(shì)，增加在汽車(chē)上的用量，尤其是滿(mǎn)足目前新能源車(chē)的續(xù)航焦慮對(duì)輕量化的迫切需求。