鎂合金在汽車(chē)工業(yè)應(yīng)用探究

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摘要：中國(guó)的鎂資源極其豐富，與其他金屬材料相比具有顯著的特性，被廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)和領(lǐng)域，鎂合金全部產(chǎn)量中有60%用在了汽車(chē)工業(yè)，并且呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)。本文從鎂的特性入手，分析了其應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)的主要優(yōu)勢(shì)所在，通過(guò)闡述鎂合金在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用情況，總結(jié)出未來(lái)一個(gè)時(shí)期內(nèi)，我國(guó)鎂合金產(chǎn)業(yè)將會(huì)處于一個(gè)新的變革時(shí)代，鎂產(chǎn)業(yè)將會(huì)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；⒅悄芑?、綠色化制造。

關(guān)鍵詞：鎂合金；主要特性；應(yīng)用優(yōu)勢(shì)；汽車(chē)工業(yè)

1鎂及鎂合金材料概述

1.1鎂的介紹

鎂是地球上儲(chǔ)量最豐富的輕金屬元素之一，鎂在地殼中的儲(chǔ)量在所有元素中排第8位，蘊(yùn)藏量極其豐富，主要來(lái)源于白云巖、菱鎂礦、光鹵石、水鎂石、鹽湖、海水等，而全球范圍內(nèi)的鎂資源主要分布在中國(guó)，中國(guó)的鎂儲(chǔ)量產(chǎn)量高于其他國(guó)家，因此，便有了“世界鎂業(yè)看中國(guó)”的說(shuō)法。鎂是一種具有延展性的輕質(zhì)金屬，密度為1.74g/cm3、熔點(diǎn)是648.8℃、沸點(diǎn)是1107℃，鎂的比重只有鋁的2/3、鋼的1/4、鈦的2/5。鎂合金則是以鎂為基礎(chǔ)加入其他相應(yīng)元素而形成的一種合金，根據(jù)其特性主要有阻燃鎂合金、高導(dǎo)熱鎂合金、耐熱鎂合金、高強(qiáng)高韌鎂合金、耐蝕鎂合金、超塑性鎂合金等，近年來(lái)儲(chǔ)氫鎂合金技術(shù)也逐漸成熟。

1.2主要特性

由于鎂的性能優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程材料”，相對(duì)其他金屬材料而言具有諸多優(yōu)勢(shì)。第一，密度小。鎂合金由于其輕量化特點(diǎn)很早就應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，密度為1.74g/cm3，比鋁、鋼、銅、鈦、錳、鎢等金屬都小。這一性能被廣泛應(yīng)用于手提產(chǎn)品及汽車(chē)的輕量化。第二，減震效果好。鎂合金是阻尼性能較好的金屬材料，有著極好的滯彈吸震性能，能夠吸收產(chǎn)生的震動(dòng)與噪音，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。第三，散熱效果好。鎂合金傳熱而本身又不容易發(fā)熱，具有高散熱性能，可將電子或電器產(chǎn)品內(nèi)部熱迅速散到外邊。第四，機(jī)械性能好。鎂合金比強(qiáng)度和比剛度性能優(yōu)于其他常用金屬材料，抗沖擊和耐凹陷性能好，當(dāng)鎂合金鑄件受到外力時(shí)其表面形成的痕跡比其他金屬要小。第五，加工性能好。鎂合金的切削阻力小，約為鋁的1/3、鋼的1/10，能夠以很快的速度對(duì)材料進(jìn)行機(jī)械加工，即使不使用切削液也可以保證表面光潔度。第六，電磁屏蔽性好。鎂合金能夠有效的阻隔電磁波，可屏蔽頻率的范圍廣泛，需防電磁干擾的產(chǎn)品非常青睞于鎂合金材料。第七，可循環(huán)利用。廢舊的鎂合金鑄件及邊角料可以直接熔化，再生使用而不影響其性能，廢料再生所耗能源僅為新材料的4%左右，對(duì)環(huán)境污染小，可重復(fù)利用。

1.3應(yīng)用領(lǐng)域

據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，最早使用鎂材料是在德國(guó)，1906年在德國(guó)的國(guó)際航空展會(huì)上首次出現(xiàn)了鎂合金鑄造件，1936年鎂合金零部件應(yīng)用于德國(guó)產(chǎn)大眾系列“甲殼蟲(chóng)”汽車(chē)，20世紀(jì)90年代以來(lái)，德國(guó)對(duì)鎂合金材料的研發(fā)生產(chǎn)領(lǐng)先于其他國(guó)家，奔馳、奧迪汽車(chē)對(duì)鎂合金材料的應(yīng)用取得重大突破。進(jìn)入20世紀(jì)隨著工藝技術(shù)的完善，加之能源和環(huán)境問(wèn)題的嚴(yán)峻性，在制造業(yè)領(lǐng)域鎂材料的優(yōu)勢(shì)日益明顯，鎂合金材料的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。很多行業(yè)和領(lǐng)域已經(jīng)或正在使用鎂合金材料替代傳統(tǒng)材料，并且呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，常見(jiàn)的有汽車(chē)、軍工、航空航天、化工、3C、物流、建筑、電池、生物醫(yī)療等行業(yè)，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在我國(guó)鎂合金下游領(lǐng)域的應(yīng)用中，汽車(chē)行業(yè)約占60%，3C行業(yè)約占25%，運(yùn)輸、航空航天、化工等行業(yè)約占15%。

2鎂在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

近年來(lái)，根據(jù)鎂合金材料的發(fā)展和應(yīng)用情況，國(guó)家相關(guān)部門(mén)陸續(xù)出臺(tái)了一系列支持政策，進(jìn)一步推進(jìn)鎂合金行業(yè)的快速發(fā)展。在《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2019年本）》《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》《汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》《中國(guó)制造2025》等文件中，都有明確條款指出要加快鎂合金材料應(yīng)用或支持推廣輕量化材料的內(nèi)容。由于鎂合金材料與其他材料相比具有的明顯特性，在汽車(chē)工業(yè)方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)比較顯著。

2.1鎂合金材料的輕量化

汽車(chē)的油耗水平60%以上與整車(chē)重量有關(guān)，節(jié)能減排首先要從減輕汽車(chē)重量入手。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，汽車(chē)自身的重量每減少100kg，則百公里油耗可減少約0.7L，汽車(chē)自重每降低10%，燃油效率可以提高5.5%，電動(dòng)車(chē)整車(chē)重量若降低10%，則平均續(xù)航里程可相應(yīng)增加5～8%。燃油車(chē)每節(jié)約1L燃料可減少CO2排放量2.5克，每年至少可以減少30%以上的排放量，所以整車(chē)的輕量化成必然趨勢(shì)，而減輕整車(chē)自身重量?jī)?yōu)先考慮到關(guān)鍵零部件的制造材料，鎂合金則是最佳選擇，汽車(chē)相關(guān)零部件用鎂合金替代鋁和鋼鐵。具體效果詳見(jiàn)表1。

2.2鎂合金材料的安全性

鎂合金材料在汽車(chē)行業(yè)應(yīng)用的安全性主要體現(xiàn)在其比強(qiáng)度和比剛度的特性上，鎂合金相對(duì)比強(qiáng)度高，比剛度與鋁合金和鋼的差別不大，但遠(yuǎn)大于工程塑料，據(jù)相關(guān)記載，某機(jī)構(gòu)研發(fā)出一種超輕高強(qiáng)鎂合金Mg-14Li-7Al（LA147，wt.%），其比強(qiáng)度為～350kNm/kg，是其他所有工程合金無(wú)法相比的。在同等剛性條件下，1kg鎂合金的堅(jiān)固程度幾乎等同于1.8kg鋁或2.1kg鋼的效果，汽車(chē)使用鎂合金材料制作的座椅、轉(zhuǎn)向盤(pán)、轉(zhuǎn)向柱等零部件后，極大了提高了行車(chē)的安全性、舒適性和操作性。

2.3鎂合金材料的阻尼性

良好的阻尼性是鎂合金材料與其他金屬材料相比具有的另一個(gè)明顯特性，它可以承受較大的沖擊震動(dòng)負(fù)荷，其減震效果比鋁材料高出約20倍，在彈性范圍內(nèi)，當(dāng)汽車(chē)鎂合金零部件受到外力沖擊時(shí)吸收的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出鋁，相關(guān)性能參數(shù)詳見(jiàn)表2。用鎂合金材料制作汽車(chē)輪轂、殼體等結(jié)構(gòu)件，能夠有效減輕汽車(chē)運(yùn)行中產(chǎn)生的震動(dòng)和噪音，達(dá)到抗震減噪效果，從而降低該因素引起的人工疲勞，提升駕駛舒適性。

3鎂合金在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用

3.1當(dāng)前應(yīng)用情況

目前，汽車(chē)上的零部件有60多種是使用鎂合金材料加工而成，使用量還在逐年增加，特別是伴隨著能源危機(jī)以及碳排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，更加快了鎂合金在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用速度。隨著汽車(chē)技術(shù)的成熟完善，單車(chē)用鎂量將會(huì)持續(xù)上漲，詳見(jiàn)表3。鎂合金材料在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，在時(shí)間和數(shù)量上國(guó)外都先于國(guó)內(nèi)。國(guó)外品牌中，美國(guó)通用汽車(chē)、福特汽車(chē)、克萊斯勒汽車(chē)等在單車(chē)上使用的鎂合金鑄件在數(shù)量上分別達(dá)到45個(gè)、30個(gè)、20個(gè)，單車(chē)用鎂合金量在20～40kg，福特公司在某款車(chē)型上單車(chē)用鎂合金量更是超過(guò)100kg；瑞典沃爾沃某車(chē)型使用鎂合金量超過(guò)50kg，包括離合器箱、輪轂、氣缸體、發(fā)動(dòng)機(jī)架等重要部件；日本豐田汽車(chē)首先制造出了鎂合金汽車(chē)轉(zhuǎn)向軸系統(tǒng)等零部件。國(guó)內(nèi)汽車(chē)使用鎂合金件則起步較晚，在上世紀(jì)90年代初，上汽集團(tuán)在國(guó)內(nèi)最早將鎂合金材料應(yīng)用在汽車(chē)上，在桑塔納轎車(chē)上使用鎂合金材料變速器殼蓋、殼體和離合器外殼；目前國(guó)內(nèi)一汽、東風(fēng)、長(zhǎng)安等相當(dāng)一部分車(chē)企都在不同程度地使用鎂合金壓鑄件。鎂合金材料在汽車(chē)上的應(yīng)用詳見(jiàn)表4。此外，國(guó)內(nèi)已有一些車(chē)企和線纜廠開(kāi)始涉入銅鎂線纜的研發(fā)制造，經(jīng)試驗(yàn)其導(dǎo)電性IACS>81%、強(qiáng)度>550MPa、延伸>1.5%，已能夠滿足行車(chē)要求，目前國(guó)內(nèi)合資汽車(chē)線束已經(jīng)開(kāi)始使用銅鎂材料，未來(lái)必將成為一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

3.2應(yīng)用前景分析

近年來(lái)，國(guó)家采取多種措施支持金屬鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展，率先在河南省成立了全國(guó)行業(yè)內(nèi)唯一的國(guó)家鎂及鎂合金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、建立了鎂交易中心，2019年10月，國(guó)家發(fā)改委頒布了《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2019年本）》，將鎂合金列為“鼓勵(lì)類(lèi)”項(xiàng)目，鎂合金技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。未來(lái)一個(gè)時(shí)期內(nèi)，我國(guó)鎂合金產(chǎn)業(yè)將會(huì)處于一個(gè)新的變革時(shí)代，將從一般結(jié)構(gòu)鑄造件向著高性能精密合金結(jié)構(gòu)框架方向發(fā)展，同時(shí)加工技術(shù)向數(shù)控化、高速化、智能化技術(shù)方向發(fā)展。鎂合金在汽車(chē)上的應(yīng)用會(huì)形成一項(xiàng)集成的系統(tǒng)工程，21世紀(jì)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展會(huì)更加的依賴鎂合金材料，鎂在汽車(chē)上的應(yīng)用會(huì)更加廣泛，單車(chē)用鎂量也會(huì)有更大突破，鎂產(chǎn)業(yè)將會(huì)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、智能化、綠色化制造。

4未來(lái)展望

隨著人們消費(fèi)水平的不斷提高，汽車(chē)已經(jīng)不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的代步工具，駕駛員更加關(guān)注其舒適性、安全性、環(huán)保性和個(gè)性化等因素，鎂合金以其獨(dú)特的性能倍受青睞。我國(guó)金屬鎂儲(chǔ)量豐富，該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展正處于產(chǎn)品生命周期的“成長(zhǎng)期”，未來(lái)發(fā)展空間巨大，隨著我國(guó)能源和環(huán)保壓力的增加，必將推動(dòng)鎂合金覆蓋汽車(chē)更多零部件，單車(chē)用鎂量也勢(shì)必增長(zhǎng)。金屬鎂在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在差距，我國(guó)車(chē)企要不斷開(kāi)發(fā)鎂合金的潛在價(jià)值或開(kāi)發(fā)新型鎂合金，攻關(guān)鎂合金在應(yīng)用中的技術(shù)難題，緊跟全球發(fā)展趨勢(shì)，創(chuàng)造中國(guó)的“鎂”好未來(lái)。

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作者:張玉平 單位:河南鎂業(yè)有限公司