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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)
2017/10/25
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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(duì)乘用車燃料消耗量及對(duì)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(jì)各零部件，持續(xù)優(yōu)化車型。實(shí)驗(yàn)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(huì)年會(huì)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(huì)對(duì)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(gè)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(jì)方法、成型技術(shù)、焊接工藝和測試評(píng)價(jià)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(shí)加大對(duì)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(jì)，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)
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。
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%。
尺寸穩(wěn)定性高
使鎂合金壓鑄件因環(huán)境溫度和時(shí)間變化所造成的尺寸不穩(wěn)定減小。
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。
無磁性，可用于電磁屏蔽
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(dòng)，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(dòng)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(gè)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(shí)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(bào)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(dòng)機(jī)(約18%)、傳動(dòng)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(gè)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(dòng)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
汽車內(nèi)部構(gòu)造
雖然鎂合金耐腐蝕性差，但是對(duì)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(jì)、制造的座椅也經(jīng)歷了一個(gè)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(huì)成為汽車座椅部件輕量化和具有成本效益的一個(gè)主要材料。
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(shí)，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(gè)項(xiàng)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(cái)團(tuán)）資助的“鎂前端研究與發(fā)展”項(xiàng)目。該項(xiàng)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(duì)，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(shí)庫。在這個(gè)項(xiàng)目中開發(fā)的技術(shù)和知識(shí)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(shí)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(jì)算工具的開發(fā)。
底盤
當(dāng)前，鑄造或鍛造鎂合金車輪已被用于許多高價(jià)位的賽車或高性能跑車。然而，相對(duì)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(dòng)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。
動(dòng)力總成
動(dòng)力總成的大部分鑄造件如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、汽缸蓋、傳動(dòng)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(dòng)變速器也在歐洲和中國大批量生產(chǎn)。
當(dāng)前，通過對(duì)鎂強(qiáng)化的發(fā)動(dòng)機(jī)原型進(jìn)行的測功儀試驗(yàn)已經(jīng)取得了有效的進(jìn)展，這就意味著未來在動(dòng)力系統(tǒng)中會(huì)有更多鎂合金得到應(yīng)用。美國汽車材料聯(lián)盟鎂動(dòng)力系統(tǒng)鑄件項(xiàng)目(MPCC)的目標(biāo)是使鎂合金能夠完全替代V block en-gine發(fā)動(dòng)機(jī)中的主要鋁合金部件。該項(xiàng)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(huì)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(lì)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(jì)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(jì)，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(shí)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(dòng)汽車輕量化的進(jìn)程。