中国压铸杂志
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镁合金压铸件在全球汽车轻量化新形势下的机遇

作者:admin 来源:原创 发表时间:2019-06-25
 
文:万丰镁瑞丁新材料科技有限公司 徐国锋
 
    汽车轻量化和智能化已成为全球汽车产业技术发展新趋势。近年来,随着全球节能减排压力和发展趋势 , 各国纷纷制定严格的乘用车燃料消耗量标准法规,对乘用车燃料消耗量及对应的 CO2排放提出更加严格的要求,汽车的轻量化更是世界汽车的发展趋势。尤其是中国,到 2020 年汽车燃油消耗降幅明显大于其他国家,燃油排放压力更大,降低汽车整车重量是汽车轻量化最有效途径。
 

 
   汽车轻量化就是为汽车“瘦身”,在确保稳定提升性能的基础上,节能化设计各零部件,持续优化车型。实验证明,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%~8%;汽车重量降低 1%,油耗可降低 0.7%;汽车整备重量每减少 100 千克,百公里油耗可降低 0.3~0.6 升。  
 
汽车的轻量化趋势 
     2016 年汽车工程学会年会上,清华大学欧阳明高等教授代表节能与新能源汽车发展战略咨询委员会对节能和新能源汽车技术路线图的内容进行了发布,该路线图提出的轻量化技术发展思路,主要分三个阶段实现汽车逐年减重。
 
     第一阶段为 2016 年 ~2020 年,实现整车较 2015 年减重 10%。重点发展超高强度钢和先进高强度钢技术,包括材料性能开发、轻量化设计方法、成型技术、焊接工艺和测试评价方法等,实现高强度钢在汽车应用比例达到50% 以上,开展铝合金板材冲压制作技术研究并在车身实践,研究不同材料的连接技术
 
      第二阶段为 2021 年 ~2025 年,实现整车较 2015 年减重 20%。以第三代汽车钢和铝合金技术为主线,实现钢铝等多种材料混合车身,全铝车身的大范围应用,实现铝合金覆盖件和铝合金零部件的批量生产和产业化应用,同时加大对镁合金和碳纤维复合材料零部件生产制造技术的开发,增加镁合金和碳纤维零部件的应用比例,单车用铝量达到 50kg。  
 
    第三阶段为 2026 年 ~2030 年,实现整车较 2015 年减重 35%。重点发展镁合金和碳纤维复合材料技术,解决镁合金及复合材料循环再利用问题,实现碳纤维复合材料混合车身及碳纤维零部件的大范围应用,突破复杂零件成型技术和异种零件连接技术。单车用镁合金达到 45kg,碳纤维使用量占车重 5%。  
 
    据统计,2016 年,在中国生产的单车镁合金用量只有7.3kg, 与 2030 年单车镁合金用量目标 45kg 还有巨大差距,镁合金在未来汽车轻量化应用市场广阔,潜力无限。  
 
镁合金性能及优点  
1. 密度低
    压铸镁合金的密度仅为铝合金的 2/3,钢铁的 1/4,比强度和比刚度均优于钢和铝合金,远高于工程塑料,因此压铸镁合金是一种优良的在许多应用领域内可与上述材料竞争的轻质结构材料。  
 
2. 吸振性好
    有利于减振和降噪,例如在 35MPa 的应力水平下,镁合金 AZ91D 的衰减系数为 25%, 铝合金 A380 仅为 1%。在 100MP 应力水平下,镁合金 AZ91D、AM60、AS41 分别为 53%、72% 和 70%,铝合金 A380 则仅为 4%。 
 
3. 尺寸稳定性高
    使镁合金压铸件因环境温度和时间变化所造成的尺寸不稳定减小。  
 
4. 热导率高
    镁合金热导率 (60 ~ 70W/m-1 K-1),仅次于铝合金 ( 约 100 ~ 70W m-1 K-1),故热扩散性良好。  
 
5. 无磁性,可用于电磁屏蔽
 
6. 耐磨性好
    镁合金还具有良好的阻尼系数,减振量大于铝合金和铸铁,用于壳体可以降低噪声,用于座椅、轮毂可以减少振动,提高了汽车的安全性和舒适性。镁合金重量轻、吸震性能强、铸造性能好,自动化生产能力和模具寿命高、尺寸稳定,作为最轻的工程材料,镁合金不仅是最适合铸造汽车零部件的材料,也是最有效的汽车轻量化材料。  
镁合金汽车压铸件行业现状  
 
    汽车轻量化发展,使镁铝等轻合金铸件的需求量逐年增加。自 1990 年以来,汽车用镁正以年均 20% 的增长速度迅速发展,镁合金已成为汽车材料技术发展的一个重要领域。压铸镁合金材料以其可循环利用和少无切屑工艺的先进性,特别适合循环经济和节能低碳及清洁生产要求,在汽车向轻量化发展的进程中占主导地位。各大汽车零部件制造商积极把握发展时机,纷纷投入到镁合金汽车压铸件的生产研发中来。据《中国镁合金汽车压铸件行业分析报告》数据显示,2015 年,中国镁合金汽车压铸件行业需求量达到 14.9 万吨,同比增长23.12%。目前,国内外各汽车企业正致力于研究占车重比例大的车身 ( 约30%)、发动机 ( 约 18%)、传动系统 ( 约15%)、行走系统 ( 约 16%)、车轮 ( 约5%) 等钢或铝零部件的镁合金化。结合我国生产的单车镁合金使用量来看,到2022 年市场容量将达 66 万吨,年均复合增长率将达到 23.5%。
 
    全球汽车单车用镁量较低,汽车用镁合金需求扩张潜力强劲。一直以来,高强度钢、铝合金、工程塑料等轻量化材料广泛应用于汽车及汽车零部件制造的各个方面,而镁合金鉴于种种原因没有得到大力推广和使用,镁合金目前主要应用在仪表盘支架,转向支架,发动机罩盖、方向盘、座椅支架、车内门板、变速器外壳等方面。目前,北美地区每辆汽车使用镁合金 3.8kg,日本为 9.3kg,欧洲PASSAT 和 Audi A4 上每辆车使用镁合金达到 14kg,而国产汽车每辆用量平均仅 1.5kg。  
 
镁合金在汽车轻量化中具体应用  
1. 汽车内部构造
    虽然镁合金耐腐蚀性差,但是对于汽车内部构造来说,防腐不是主要考虑的问题,因此镁合金在汽车内部构造得到了比较广泛的应用,尤其是在仪表盘和转向结构中。据悉,第一支镁合金仪表盘支柱是由通用公司在 1961 年压铸生产,比使用锌合金压铸生产的同样部件节省了 4kg 材料。过去十多年间,采用镁合金压铸的仪表盘支柱取得了极大进展。  
    镁合金在座椅上应用始于 1990 年代的德国,主要是奔驰公司在 SL Roadster 中使用了镁压铸生产的带有三点安全带的座椅结构。与镁合金在仪表盘上的应用情况相似,近几年,采用镁合金设计、制造的座椅也经历了一个明显提高的过程。现在采用镁合金的座椅结构最薄可以达到2mm,大大减轻了重量。虽然其他材料如高强度钢、铝、合材料等也得到使用,但是专家预测,镁合金未来将会成为汽车座椅部件轻量化和具有成本效益的一个主要材料。  
 
2. 车身
    镁合金在车身应用中受限,但是也得到了整车厂的应用。通用汽车在 1997 年引进 C-5 Corvette 时,使用了整片镁合金压铸的车顶框架,此外,镁合金也被应用在凯迪拉克 XLR 敞篷车的可伸缩硬顶敞篷车顶和顶部框架,福特F-150 卡车和 SUV 也使用了有涂层镁铸件作为散热器的支架。在欧洲,大众汽车公司和奔驰已率先实现了薄壁镁合金铸件在车身面板中的应用。  
 
    目前,提高镁合金在汽车车身结构上应用的一个项目就是由加拿大、中国、美国三国政府及 USAMP(美国汽车材料联盟,克莱斯勒,福特和通用汽车公司组成的财团)资助的“镁前端研究与发展”项目。该项目汇集了来自美国、中国和加拿大国际范围的独特团队,并已开发出汽车用镁应用的一些关键技术和知识库。在这个项目中开发的技术和知识库,不仅有利于作为测试的前端结构的汽车用镁的应用,同时也促进原镁生产、零部件制造、基础研究以及先进计算工具的开发。
  
3. 底盘
    当前,铸造或锻造镁合金车轮已被用于许多高价位的赛车或高性能跑车。然而,相对较高的成本和镁合金车轮潜在的腐蚀问题阻止其在大批量生产车辆上的应用。  未来,轻量化、低成本的镁合金底盘部件,如轮毂、发动机悬架以及控制臂等零部件的生产将依赖镁合金铸造工艺的大力提高,已经在铝合金轮毂和底盘部件上开发的各种铸造工艺经过改造后可以成功适用于镁合金。此外,低成本、耐腐蚀图层和新的具有抗疲劳和高冲击强度的镁合金开发也都将加速镁合金在底盘上的应用。
 
4. 动力总成
    动力总成的大部分铸造件如发动机缸体、汽缸盖、传动箱、油底壳等是由铝合金制成。  目前,北美生产的皮卡和 SUV已经镁合金变速器,大众和奥迪的镁合金手动变速器也在欧洲和中国大批量生产。  
    当前,通过对镁强化的发动机原型进行的测功仪试验已经取得了有效的进展,
这就意味着未来在动力系统中会有更多镁合金得到应用。美国汽车材料联盟镁动力系统铸件项目 (MPCC) 的目标是使镁合金能够完全替代 V block en-gine 发动机中的主要铝合金部件。该项目中气缸缸体成功实现了减重 25%(全部铝铸件的 29% 被替换为镁铸件)。 
 
镁合金在推广应用中主要挑战  
    耐腐蚀性差、成本和废品率高是镁合金普及“拦路虎”。 镁合金制造汽车零部件确实存在压铸成本高、废品率高、存在安全生产隐患等问题。中国汽车工业协会顾问杜芳慈说,镁是一种很活泼的元素,耐腐蚀性很差,我国在镁合金零部件抗腐蚀性方面的技术能力要差一些。另外镁在加工过程中,容易发生燃烧和爆炸,存在安全生产问题。生产现场需要严格的管理来保证安全生产。近年来,涌现出在镁合金安全生产管理表现杰出的生产厂家,比如,上海镁镁合金压铸有限公司、万丰镁瑞丁新材料有限公司等制造厂家。如果有政策性的鼓励和严格的整车重量要求,镁合金的推广应用将得到长足发展。  
 
    随着城市化进程的加快,能源变得越来越短缺、环境污染越来越严重,节能减排成为关乎国计民生的重要事件。无论是传统汽车,还是新兴的新能源汽车都十分注重车身轻量化设计,以达到节能环保的目的。 
 
    汽车用镁合金蓬勃崛起,同时镁合金压铸工艺日渐成熟,应用范围不断扩大,大型镁合金压铸汽车零部件将推动汽车轻量化的进程。
 
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