鎂合金_汽車輕量化的必然選擇.docx

鎂合金： 汽車輕量化的必然選擇周學(xué)華陳開(kāi)生 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所先進(jìn)鎂合金與防護(hù)技術(shù)研究中心汽車在現(xiàn)代生活中扮演著重要角 質(zhì)量密度小：鎂合金的質(zhì)量密度 23 倍。 色，隨著汽車的擁有量與日俱增，汽車 一般在2g/cm3 左右，比鋁材輕36 ， 熔點(diǎn)低：鎂合金的熔點(diǎn)和比熱容 對(duì)資源和能源的耗費(fèi)量不斷增長(zhǎng)。汽 比鋅合金輕73 ，比鋼輕77 。在汽 較低，熔化時(shí)耗能較少，凝固速度快， 車燃油帶來(lái)的廢氣排放量也面臨著越 車上使用鎂合金可在很大程度上減輕 動(dòng)力學(xué)粘度低，鑄造充型性好，使得壓 來(lái)越嚴(yán)厲的環(huán)境保護(hù)法規(guī)的挑戰(zhàn)。汽 汽車自身的質(zhì)量。 鑄件生產(chǎn)周期短，易于成型薄壁結(jié)構(gòu) 車的輕量化是現(xiàn)代汽車的重要發(fā)展方 消震性能好：鎂合金有很高的阻 件。 向，減重節(jié)能是汽車技術(shù)進(jìn)步的重要 尼容量和良好的消震性能，可承受較 回收利用性好：鎂合金可以從廢 目標(biāo)。在過(guò)去的幾十年中，人們一直在 大的沖擊震動(dòng)，適于制造承受沖擊載 品、廢料的再生資源中獲得，并且可進(jìn) 尋求各種輕量化材料并將其使用在汽 荷和振動(dòng)的零部件，使汽車行駛更平 行100 的回收利用，鎂在產(chǎn)品壽命 車上，鎂合金是這方面的重要內(nèi)容。 穩(wěn)、安全和舒適。 周期的每一個(gè)階段都有很高的利用價(jià)比強(qiáng)度和比剛度高：相同質(zhì)量的 值。由于鎂的熔點(diǎn)低，鎂廢料再生對(duì)能 鎂合金是汽車輕量化的重要 條件下，選用鎂合金的構(gòu)件具有更高 源要求也較低，鎂的再生比塑料和鐵 選材 的剛度。加入增強(qiáng)物的塑料，其剛度最 等其它材料的再生需要少得多的能源鎂有望在汽車工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛 多也只能達(dá)到鎂合金的三分之一。 用量。 使用是因?yàn)殒V基輕合金具有優(yōu)異性 鑄造性能好：鎂合金有良好的鑄 豐富的鎂資源 能，同時(shí)它又有豐富的資源。 造性和尺寸穩(wěn)定性，易加工，廢品率 鎂是地球上排位第8 的富有元 鎂合金的優(yōu)異性能 低，從而可以降低生產(chǎn)成本。此外，鎂 素，其含量約占地殼質(zhì)量的2.8，它鎂合金自身的許多優(yōu)異性能是其 與鐵的親和力小，固溶鐵的能力低，不 也是海水中的第3 富有元素，約占海成為汽車用材的必備條件，它們包括: 易粘膜，鑄模壽命比生產(chǎn)鋁合金長(zhǎng) 水質(zhì)量的0.13。目前，世界公認(rèn)的23Advanced Materials IndustryInsight透視 具有最大鎂礦儲(chǔ)量的前8個(gè)國(guó)家分別是澳大利亞、中國(guó)、波蘭、俄羅斯、美 國(guó)、印度、希臘和加拿大。有資料顯示 世界各國(guó)菱鎂礦儲(chǔ)量約1.21010噸， 可見(jiàn)鎂資源相當(dāng)豐富。專家預(yù)測(cè)，在當(dāng) 今汽車上使用最多的三種元素（鐵、 鋁、鎂）資源的開(kāi)采壽命，鐵僅有50 年，鋁有250年，而鎂卻有1000年。因 此，從汽車用材的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展角度來(lái)看， 鎂材的廣泛使用是必然趨勢(shì)。我國(guó)是鎂金屬生產(chǎn)大國(guó)，鎂的儲(chǔ)藏 豐富,鎂資源占全球總儲(chǔ)量的22.5。 我國(guó)的菱鎂礦資源總量約為3.1109 噸，其中符合煉鎂要求的一、二級(jí)礦占78。儲(chǔ)量巨大的白云石礦和青海的 鹽湖也含有十分豐富的鎂資源，白云 石資源已探明儲(chǔ)量在4109噸以上， 青海鹽湖的氯化鎂約有3.2109噸， 硫酸鎂約有1.6109噸。同時(shí)，我國(guó)有 較低的投資成本，豐富的煤炭資源，低 成本的原料供應(yīng)，以及充裕的勞動(dòng)力 優(yōu)勢(shì)，這些因素都使得在中國(guó)生產(chǎn)鎂 具有良好的經(jīng)濟(jì)性和競(jìng)爭(zhēng)力。目前我 國(guó)原鎂產(chǎn)量占全球的40，是世界上 最大的鎂生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)。我國(guó)充裕 的鎂資源為推進(jìn)我國(guó)鎂產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展提供了良好的平臺(tái)。合金在汽車上的使用從節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)的角度來(lái)看是勢(shì)在必行。 在材料的循環(huán)利用方面，使用鎂合金也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。歐盟汽車回 收法最新規(guī)定：2006年開(kāi)始轎車質(zhì)量85以上都要達(dá)到回收的水平，最晚 于2015年要達(dá)到95 以上的回收水 平。美國(guó)三大汽車集團(tuán)的“新一代交通 工具合作計(jì)劃”中也要求整車至少有80以上的部件可以回收再利用。 未來(lái)汽車不管選用何種動(dòng)力，世界汽車工業(yè)總趨勢(shì)是輕量化，尤以轎車最為突出。為此，汽車制造使用鎂材是重要的選材方向和必然的趨勢(shì)。鎂材應(yīng)用于汽車工業(yè)的現(xiàn)狀鎂材汽車零部件目前正在使用的鎂基合金制作的 汽車零部件已超過(guò)60種，正在研制或 試用的鎂基合金汽車零部件已達(dá)100 多種，分別應(yīng)用在汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)系、底 盤(pán)行走系以及車身系等各個(gè)部位，表1列舉了鎂合金材料應(yīng)用在汽車上的 部件名稱及主要應(yīng)用汽車廠商。汽車表 1鎂合金材料應(yīng)用與汽車零部件及主要應(yīng)用廠商應(yīng)用部位零部件 廠商 發(fā)動(dòng)機(jī)系空氣凈化器 曲軸箱 離合器殼體 凸輪罩 變速器殼體 齒輪變速器殼體 氣缸蓋 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體 濾油器殼體 發(fā)動(dòng)機(jī)支架 進(jìn)氣岐道 發(fā)動(dòng)機(jī)閥蓋/ 閥殼 發(fā)動(dòng)機(jī)懸掛 發(fā)動(dòng)機(jī)空氣罩蓋 油底殼 引擎 傳動(dòng)箱殼體 通用 寶馬 大眾 東風(fēng) 豐田 大眾桑塔納 東風(fēng) 克萊斯勒通用 豐田 通用 東風(fēng) 豐田 通用 東風(fēng) 豐田 東風(fēng) 大眾 克萊斯勒 寶馬 福特 大眾 大眾 汽車工業(yè)的發(fā)展要求選擇鎂材汽車質(zhì)量的大小對(duì)其能量消耗有 著重要的影響，據(jù)科學(xué)分析，汽車質(zhì)量 每降低100kg，每百公里油耗就可以 減少0.7L左右，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最有 效手段就是要降低汽車質(zhì)量。鎂合金 壓鑄件和其它輕質(zhì)材料具有減少 150kg 質(zhì)量的潛力，從而使CO 2 的排 放減少5 和節(jié)約能源10 。美國(guó)通 用、福特和克萊斯勒三大汽車集團(tuán)與 能源部簽署了“新一代交通工具合作 計(jì)劃”，其總目標(biāo)就是要生產(chǎn)出每百公里耗油量3L 的6 人載客汽車?？梢?jiàn)鎂底盤(pán)行走系 方向鎖外殼 轉(zhuǎn)向軸外殼 手制動(dòng)器控制桿 轉(zhuǎn)向盤(pán)支柱固定架 轉(zhuǎn)向盤(pán)骨架 車輪 方向盤(pán) 保時(shí)捷 保時(shí)捷 保時(shí)捷 克萊斯勒 通用 福特 標(biāo)致法拉利 保時(shí)捷 寶馬 通用 東風(fēng) 馬自達(dá)車身系 座椅支架踏板 門(mén)框 門(mén)把手 儀表板 福特 通用 東風(fēng) 菲亞特 菲亞特 大眾 福特 24新材料產(chǎn)業(yè) NO.11 2006別克、賽歐等車上的鎂合金壓鑄件的生產(chǎn)，齒輪室和齒輪開(kāi)發(fā)了鎂合金的風(fēng)動(dòng)扳手、期間的專題研究成離合器。重，重，長(zhǎng)微型車我國(guó)政府十分重視鎂合金汽車零“十廠商迫切希望他們的汽車盡可能使用 雙門(mén)敞篷跑車車門(mén)改用鎂制造，與鋼 設(shè)備從國(guó)外引進(jìn)。上海乾通汽車附 鎂材零部件，以實(shí)現(xiàn)整車輕量化目標(biāo)。 結(jié)構(gòu)車門(mén)相比，減重7.5kg。德國(guó)政府 有限公司也在積極擴(kuò)大桑塔納、 國(guó)內(nèi)外汽車制造業(yè)用鎂概況 也很注重汽車用鎂的研究與應(yīng)用，德世界汽車工業(yè)對(duì)鎂合金材料的應(yīng) 國(guó)科技教育部牽頭，聯(lián)合了60余家企 現(xiàn)正在與上海交大洽談，準(zhǔn)備依托 用一直十分重視。汽車生產(chǎn)制造廠商 業(yè)、大學(xué)、研究所共同投資2500多萬(wàn) 海交大的研發(fā)基地，使鎂合金壓鑄使用鎂合金壓鑄件來(lái)減輕汽車質(zhì)量的 馬克，實(shí)施“鎂合金壓鑄計(jì)劃”，這些 更多地應(yīng)用于汽車上。一汽試制出 方法，至少已有70年的歷史。早在20 計(jì)劃成功地推動(dòng)了鎂合金壓鑄件在汽 動(dòng)機(jī)缸蓋罩、離合器殼、 世紀(jì)60年代以前，鎂合金便在德國(guó)和 車工業(yè)中的應(yīng)用。 蓋等零部件樣件，正在進(jìn)行小批量美國(guó)的汽車上使用。德國(guó)的Alder工廠 美國(guó)汽車業(yè)已經(jīng)廣泛使用鎂合金 驗(yàn)。東風(fēng)汽車公司與北京航空材料 在1927 年到1930 年之間，在其生產(chǎn) 壓鑄件。以美國(guó)三大汽車公司為例，福 究所合作， 的每輛汽車上就用了平均73.8 kg左 特汽車公司單車采用30 個(gè)鎂合金壓 掛車控制閥等鎂合金部件，東風(fēng)汽右的鎂合金。美國(guó)從1948 年至1962 鑄件，通用公司采用45個(gè)鎂合金壓鑄 公司還通過(guò)“九五” 年的14年間，采用熱室壓鑄機(jī)生產(chǎn)了 件，克萊斯勒公司采用20個(gè)鎂合金壓 功開(kāi)發(fā)出發(fā)動(dòng)機(jī)上幾個(gè)泵體、 數(shù)百萬(wàn)件鎂壓鑄件供汽車工業(yè)使用。 鑄件，單車用鎂合金2040 kg。福特 殼體及殼蓋，準(zhǔn)備在東風(fēng)車上配裝70年代因鎂合金材料價(jià)格上揚(yáng)，成本 公司在F-15卡車上鎂合金配件用量 慶市成立重慶鎂業(yè)科技有限公司 增高，汽車工業(yè)應(yīng)用受阻。80年代起， 達(dá)到15kg ，還提出在2000 年新車型 點(diǎn)開(kāi)發(fā)長(zhǎng)安汽車的鎂合金壓鑄件 汽車輕量化呼聲強(qiáng)烈，鎂壓鑄件應(yīng)用 上每車使用鎂合金件103 kg。 安汽車集團(tuán)生產(chǎn)的“長(zhǎng)安之星”加快。90年代以來(lái)，鎂原料產(chǎn)量大增， 日本汽車用鎂合金的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用 上已實(shí)現(xiàn)單車用鎂8kg。 壓鑄用鎂量從1990年占總量的l4 也十分迅速，經(jīng)過(guò)研究相繼開(kāi)發(fā)了一上升到2005 年的40 以上，鎂合金 系列鎂合金汽車零部件，如豐田公司 部件的研究與開(kāi)發(fā)，并把鎂合金汽 壓鑄件的8085用于汽車工業(yè)。 最先使用鎂合金轉(zhuǎn)向盤(pán)、閥體和車轂 零部件的輕型制造技術(shù)列為國(guó)家 鎂合金在汽車上應(yīng)用呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng) 等，隨后，豐田公司推出了4座輕量小勢(shì)頭，預(yù)計(jì)全球汽車零部件用鎂量將 型概念車ES3，在前排 以每年遞增15以上的速度發(fā)展，并 座椅后部采用鎂合金 將持續(xù)到2010年。 框架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。日本 現(xiàn)在，世界知名汽車制造商紛紛 其它汽車公司也大都 采用鎂合金零部件改進(jìn)汽車性能，鎂 生產(chǎn)和應(yīng)用了鎂合金合金在汽車中的應(yīng)用正在迅速擴(kuò)展。 殼體類壓鑄件。 大眾汽車公司目前每輛轎車的平均用 我國(guó)汽車工業(yè)用 鎂量約為25kg，但是這一數(shù)值將會(huì)在 鎂起步比較晚，還處 很短的時(shí)間內(nèi)改變。大眾汽車公司汽 于研究開(kāi)發(fā)階段，但 車材料研究中心主任弗里德里希博士 是目前國(guó)內(nèi)鎂價(jià)很 預(yù)計(jì)，大眾汽車公司的汽車平均每輛 低，已出現(xiàn)鎂比鋁便 車用鎂量到2010年可以達(dá)到178kg 宜的現(xiàn)象，為我國(guó)汽 的目標(biāo)。大眾汽車公司在奧迪A6型轎 車工業(yè)用鎂創(chuàng)造了有 車裝用鎂合金變速器殼體，與同類型 利的物質(zhì)條件。20 世 鋼制件相比減輕8kg；隨后又在A8 型 紀(jì)90 年代初，上海大 的轎車上用鎂合金制造儀表板，并在 眾汽車公司首次在桑 該型號(hào)的單車使用鎂合金達(dá)40kg。奔 塔納轎車上采用鎂合 馳公司將鎂合金制造的座椅框架用在 金變速器殼體，殼蓋 其SEL 型的跑車上；寶馬公司的一種和離合器外殼，全套 件 上件 發(fā)試 研車車25Advanced Materials Industry。Insight透視 五”計(jì)劃重大項(xiàng)目之一，這對(duì)于我國(guó)汽車用鎂材事業(yè)起到了巨大的推動(dòng)作 用。存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)雖然汽車工業(yè)用鎂量不斷增加， 但是應(yīng)該看到，鎂合金在汽車上的應(yīng) 用還相當(dāng)有限，目前汽車制造的主要 材料仍然是鋼，其次是鋁。鎂合金在汽 車制造中并沒(méi)有獲得大規(guī)模應(yīng)用有多 方面的原因。首先鎂合金自身的有些 性能不夠好，如耐蝕性和高溫蠕變性 等；其次鎂合金低溫工作能力及屈服 極限有限，鎂合金加工需要加溫，工藝 比較復(fù)雜，還需要較為嚴(yán)格的安全措 施。再者鎂合金的品種規(guī)格有限，高性 能的鎂合金有待于研究開(kāi)發(fā)，而且目 前鎂合金的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累還不夠，沒(méi) 有系統(tǒng)的力學(xué)性能測(cè)試，在腐蝕、熱膨 脹及模具設(shè)計(jì)等方面的數(shù)據(jù)也不夠， 使得汽車零部件的設(shè)計(jì)難度增大，成 本增加。世界各大汽車生產(chǎn)商開(kāi)發(fā)出 來(lái)的鎂合金零部件都屬于技術(shù)機(jī)密， 這使得鎂合金在其它汽車上無(wú)法大規(guī) 模推廣使用。由于汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)步對(duì)鎂合金需求的逐步擴(kuò)大與現(xiàn)有鎂合金性能不足存在一定矛盾，作者認(rèn)為鎂合金在汽車 領(lǐng)域材料技術(shù)開(kāi)發(fā)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)如 下：高耐蝕鎂合金：鎂合金耐蝕性較 差，不如鋁合金，對(duì)于暴露在外的汽車 底盤(pán)和行走系統(tǒng)的零部件，應(yīng)能滿足 使用環(huán)境對(duì)耐蝕性的要求，高耐蝕鎂 合金的研究成為鎂合金發(fā)展重要方 向。已有的研究表明，通過(guò)添加合金元 素以及改進(jìn)鎂合金的生產(chǎn)工藝是改善 鎂合金自身耐蝕性的主要手段。高耐熱鎂合金：目前廣泛使用的 商業(yè)鎂合金，如AZ91D ，雖具有良好 的室溫力學(xué)性能，但在120 以上的 工作溫度因析出相的分解和軟化，使 其抗蠕變性能較差。因此對(duì)于工作溫 度超過(guò)130的高性能齒輪箱和曲軸 箱，現(xiàn)有的鎂合金很難滿足使用要求。 以色列在此方面研制成功MRI153M 新型耐熱鎂合金，其高溫性能顯著優(yōu) 于AZ91D，并已經(jīng)成功應(yīng)用于汽車動(dòng) 力部件，但該合金已經(jīng)申請(qǐng)專利，合金 成分受知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。我國(guó)也在耐熱鎂合金上有些研究，但進(jìn)展不大，高耐熱鎂合金開(kāi)發(fā)與應(yīng)用是將來(lái)鎂合金在汽車工業(yè)應(yīng)用的重要領(lǐng)域。 高強(qiáng)韌鎂合金：在汽車車內(nèi)部件的輕量化的同時(shí)，另一個(gè)重要的要求 就是確保其安全可靠性。重要的車內(nèi) 部件如方向盤(pán)、方向盤(pán)立柱、座椅骨 架、車門(mén)框等，除了要滿足成型性要求 外，更重要的是材料要具有高強(qiáng)韌性， 能減震并達(dá)到零件受沖擊時(shí)而不斷 裂，現(xiàn)有的鎂合金其強(qiáng)韌性都不能完 全滿足其技術(shù)要求。目前國(guó)外這些零 部件使用較多的是AM60，AM50 鎂合 金，這類合金塑性較好，但強(qiáng)度偏低， 而且鑄造流動(dòng)性和耐蝕性不理想，壓 鑄成型成品率低。因此，具有更高強(qiáng)度 和韌性，又具有優(yōu)良鑄造流動(dòng)性的鎂 合金在汽車安保部件中將具有廣泛的 應(yīng)用前景，可以有力的推動(dòng)鎂合金在 汽車車內(nèi)零部件中擴(kuò)大應(yīng)用。變形鎂合金 ：與鑄造鎂合金相 比，變形鎂合金具有更高的強(qiáng)度，更好 的塑性和更多樣化的規(guī)格，在汽車領(lǐng) 域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)， 工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)