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【觀點】鎂合金將成為汽車部件輕量化的重要材料

2022-04-29 16:08:43 作者：汽車材料網來源：汽車材料網分享至：

汽車輕量化和智能化已成為全球汽車產業技術發展新趨勢。近年來，隨著全球節能減排壓力和發展趨勢 , 各國紛紛制定嚴格的乘用車燃料消耗量標準法規，碳中和大背景下，各國紛紛對乘用車燃料消耗量及對應的 CO2排放提出更加嚴格的要求，汽車的輕量化更是世界汽車的發展趨勢。

汽車的輕量化趨勢

《節能與新能源汽車輕量化技術路線圖 2.0 》基于對世界汽車輕量化技術發展趨勢的分析和未來我國汽車智能化、電動化發展背景下對輕量化技術需求的判斷，提出分階段總體目標如下：

據統計，2016年，在中國生產的單車鎂合金用量只有7.3kg,與2030年單車鎂合金用量目標45kg還有巨大差距，鎂合金在未來汽車輕量化應用市場廣闊，潛力無限。

鎂合金性能及優點

密度低：壓鑄鎂合金的密度僅為鋁合金的 2/3，鋼鐵的 1/4，比強度和比剛度均優于鋼和鋁合金，遠高于工程塑料，因此壓鑄鎂合金是一種優良的在許多應用領域內可與上述材料競爭的輕質結構材料。

吸振性好：有利于減振和降噪，例如在35MPa的應力水平下，鎂合金AZ91D的衰減系數為25%,鋁合金A380僅為1%。在100MP應力水平下，鎂合金AZ91D、AM60、AS41分別為53%、72%和70%，鋁合金A380則僅為4%。

尺寸穩定性高：使鎂合金壓鑄件因環境溫度和時間變化所造成的尺寸不穩定減小。

熱導率高：鎂合金熱導率（60——70W/m-1 K-1），僅次于鋁合金（約100——70W m-1 K-1），故熱擴散性良好。

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，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，提高了汽車的安全性和舒適性。鎂合金重量輕、吸震性能強、鑄造性能好，自動化生產能力和模具壽命高、尺寸穩定，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。

鎂合金壓鑄件行業現狀

汽車輕量化發展，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%的增長速度迅速發展，鎂合金已成為汽車材料技術發展的一個重要領域。壓鑄鎂合金材料以其可循環利用和少無切屑工藝的先進性，特別適合循環經濟和節能低碳及清潔生產要求，在汽車向輕量化發展的進程中占主導地位。各大汽車零部件制造商積極把握發展時機，紛紛投入到鎂合金汽車壓鑄件的生產研發中來。

據《中國鎂合金汽車壓鑄件行業分析報告》數據顯示，2015 年，中國鎂合金汽車壓鑄件行業需求量達到 14.9 萬噸，同比增長23.12%。目前，國內外各汽車企業正致力于研究占車重比例大的車身（約30%）、發動機（約 18%）、傳動系統（約15%）、行走系統（約 16%）、車輪（約5%）等鋼或鋁零部件的鎂合金化。結合我國生產的單車鎂合金使用量來看，到2022 年市場容量將達 66 萬噸，年均復合增長率將達到 23.5%。

全球汽車單車用鎂量較低，汽車用鎂合金需求擴張潛力強勁。一直以來，高強度鋼、鋁合金、工程塑料等輕量化材料廣泛應用于汽車及汽車零部件制造的各個方面，而鎂合金鑒于種種原因沒有得到大力推廣和使用，鎂合金目前主要應用在儀表盤支架，轉向支架，發動機罩蓋、方向盤、座椅支架、車內門板、變速器外殼等方面。目前，北美地區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到14kg，而國產汽車每輛用量平均僅1.5kg。

鎂合金汽車輕量化中應用

（1）車身系統

車頂框架：鎂合金在車身應用中受限，但是也得到了整車廠的應用。通用汽車在1997年引進C-5 Corvette時，使用了整片鎂合金壓鑄的車頂框架，此外，鎂合金也被應用在凱迪拉克XLR敞篷車的可伸縮硬頂敞篷車頂和頂部框架。

車門：鎂合金作為車門內板材料具有輕量化的優勢，一般選擇抗拉強度≥220MPa，延伸率≥10%的鎂合金。連接方面，由于鎂合金易腐蝕，一般不焊接，而是采用螺栓連接或膠接。2017年宜安科技和通用汽車研發的超薄超輕的鎂合金車門內板正成為汽車行業輕量化發展的先鋒。該設計獲得2017 國際鎂業協會（IMA）優秀獎。鎂合金產品在同樣保證車輛的所需性能的前提下，因其密度是所有輕合金當中是最低的（約 1.7g/cm3），較其他合金具有非常誘人的減重優勢，且同時具備充分的可循環利用和充足的可用性，對減少CO2的排放產生巨大的作用。

超薄超輕鎂合金車門內板

減震塔：鎂合金在減震塔中的應用還較少，但國內相關的研發工作已不斷開展。鎂合金材料一般選用AZ91D、AM60等，成型工藝多采用壓鑄成型，如真空壓鑄。東風技術中心團隊、上海交大彭立明團隊等開發的鎂合金壓鑄減震塔于2018年8月首次試模成功。研究者采用一體化成型技術，實現減震塔由原來的8個零件集成為1個，減重率超過32%。概況來說，減震塔雖然能實現一定程度的輕量化，但是涉及的技術和評價內容較多。主要應用前景在中高端新能源汽車上，如未來ES8等。如果低壓鑄造技術有所突破，市場應用有一定前景。

鎂合金一體成型減震塔

（2）內外飾系統

座椅骨架：鎂合金在座椅上應用始于 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的帶有三點安全帶的座椅結構。現在采用鎂合金的座椅結構最薄可以達到2mm，大大減輕了重量。

Alfa Alfa Romeo156采用鎂合金前排座椅骨架，靠背1.0kg、坐墊1.2kg，與原結構鋼制骨架相比，減重2.8kg。戴姆勒·克萊斯勒500 SEL Roadster采用鎂合金壓鑄座椅靠背和座框。Hyundai Genesis coupe座椅也采用了鎂合金骨架。

典型鎂合金前排座椅

后排座椅功能相對較少，結構簡單，采用鎂合金可有效減輕重量。后排座椅多數采用壓鑄鎂合金，可實現一體化成形；同時也有鎂合金擠壓管件作為后排座椅骨架的研究。

克萊斯勒DCX Minivan鎂合金后排座椅

（40%靠背1.03 kg、60%靠背1.32 kg）

新能源車和低速電動車方面，則重點開發更具輕量化優勢的薄壁化座椅骨架。同時，除了靠背、坐盆、滑軌等主要骨架，座椅的支撐也可采用鎂合金制造。以擠壓鎂合金替代傳統鋼制框架作為座椅的支撐件，既可以滿足座椅的高度提升需求，零部件減重可達51%，同時也可提升座椅的模態，舒適性也相應提升。

儀表板骨架：目前國外奔馳、寶馬、捷豹、福特、沃爾沃等車企合計至少有20款以上車型正在采用鎂合金壓鑄儀表板橫梁，鎂合金材料牌號主要有MgAl6Mn、MgAl5Mn、AM60B、AM60等。國內，奇瑞的高端車瑞麒G6已批量使用鎂合金儀表板骨架，材料牌號為AM60B，單件輕量化在55%以上。此外，吉利GS1.8 comfort、榮威550、SAIC W261/550等車型也使用了鎂合金儀表板骨架。

上汽研制的一款鎂合金儀表板橫梁采用了鎂合金擠壓管材經彎曲工藝獲得。CCB主管梁與各種支架采用MIG（氬弧保護焊）進行連接，其中，CCB管還采用微弧氧化表面處理方式進行防腐。該擠壓鎂合金儀表板橫梁的質量為1.957 kg，相對于普通鋼板拼焊的鋼鐵儀表板減重幅度達60%。

上汽擠壓鎂合金儀表板橫梁

鎂合金方向盤骨架：材料方面，AM60、AM50A合金均有采用。工藝方面，壓鑄成型是目前研究較多的方法。此外，還出現了注射成形新技術。奇瑞AM50A鎂合金方向盤骨架采用冷室壓鑄，實現減重25%以上。東風日產、神龍公司乘用車的鎂合金方向盤本體重量僅在876.5g。

（3）底盤

副車架：鎂合金副車架的優勢：① 質輕、耐腐蝕、抗拉強度高；② 能夠隔絕路面震動，提高行車的穩定性；③ 是實現汽車底盤結構件輕量化設計的最有效方式；④ 總成部件安裝方便，降低了裝配成本；⑤ 可生產出結構復雜的零件，滿足副車架各個部位不同性能的要求。⑥ 相比傳統鋼板沖焊成形副車架，在降低重量的同時，減少了零件數量、焊接和組裝工序，提高了零件生產效率。克爾維特（Corvette）前副車架也采用了鎂合金材料，重量為10Kg。

克爾維特（Corvette）鎂合金前副車架

車輪：當前，鑄造或鍛造鎂合金車輪已被用于許多高價位的賽車或高性能跑車。然而，相對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車輛上的應用。2014年林州市鼎鑫鎂業科技有限公司解決了鎂合金鍛造、表面處理等難題。目前采用鍛造正反擠壓一次超塑性成型工藝，該工藝為國際首創，擁有全部自主知識產權，其鍛壓成型工序只要采用1臺模鍛壓機，通過正反擠壓一次成型工藝，原材料利用率高，材料成本低；工序少，設備投資省，生產成本低，為產業化生產提供了前提和保證。重量是鑄造輪轂的二分之一，性能優于傳統工藝所生產的產品；價格僅是鍛造鋁合金輪轂的二分之一。

鼎鑫鎂業單片式鍛造正反擠壓一次超塑性成型工藝鎂合金車輪

未來，輕量化、低成本的鎂合金底盤部件，如輪轂、發動機懸架以及控制臂等零部件的生產將依賴鎂合金鑄造工藝的大力提高，已經在鋁合金輪轂和底盤部件上開發的各種鑄造工藝經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度的鎂合金開發也都將加速鎂合金在底盤上的應用。

（4）動力總成

動力總成的大部分鑄造件如發動機缸體、汽缸蓋、傳動箱、油底殼等是由鋁合金制成。目前，北美生產的皮卡和SUV已經鎂合金變速器，大眾和奧迪的鎂合金手動變速器也在歐洲和中國大批量生產。當前，通過對鎂強化的發動機原型進行的測功儀試驗已經取得了有效的進展，這就意味著未來在動力系統中會有更多鎂合金得到應用。美國汽車材料聯盟鎂動力系統鑄件項目（MPCC）的目標是使鎂合金能夠完全替代 V block en-gine 發動機中的主要鋁合金部件。該項目中氣缸缸體成功實現了減重 25%（全部鋁鑄件的 29% 被替換為鎂鑄件）。

鎂合金在應用中的挑戰

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存在壓鑄成本高、廢品率高、存在安全生產隱患等問題。中國汽車工業協會顧問杜芳慈說，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能力要差一些。另外鎂在加工過程中，容易發生燃燒和爆炸，存在安全生產問題。生產現場需要嚴格的管理來保證安全生產。

近年來，涌現出在鎂合金安全生產管理表現杰出的生產廠家，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和嚴格的整車重量要求，鎂合金的推廣應用將得到長足發展。

隨著城市化進程的加快，能源變得越來越短缺、環境污染越來越嚴重，節能減排成為關乎國計民生的重要事件。無論是傳統汽車，還是新興的新能源汽車都十分注重車身輕量化設計，以達到節能環保的目的。

汽車用鎂合金蓬勃崛起，同時鎂合金壓鑄工藝日漸成熟，應用范圍不斷擴大，大型鎂合金壓鑄汽車零部件將推動汽車輕量化的進程。

未來，鎂合金電池結構件、鎂汽車輪轂以及儀表盤背板等汽車輕量化材料有望放量。

《汽車新材料新工藝應用技術手冊》內容涵蓋：圖片圖片（總頁數約600頁）