鎂合金在汽車上的應(yīng)用簡(jiǎn)介

1、鎂合金在汽車上的應(yīng)用簡(jiǎn)介節(jié)能、環(huán)保、安全是當(dāng)今世界汽車工業(yè)關(guān)注的主要話題，汽車輕量化技術(shù)是實(shí) 現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑。研究表明，車重每減輕 10%油耗可降低6%-8%。車身質(zhì) 量占整車質(zhì)量的40%所以車身的輕量化對(duì)于整車的輕量化起著舉足輕重的作用。汽車輕量化的實(shí)現(xiàn)主要有二種途徑：一是優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；二是使用輕量化材料。 前者經(jīng)過(guò)不斷研究開(kāi)發(fā)，日趨完善，空間已相對(duì)狹窄。后者隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和 新材料的不斷涌現(xiàn)，為汽車輕量化開(kāi)辟了廣闊的空間。輕量化材料是指可用來(lái)減輕 汽車自重的材料，可分為兩大類：一類是高強(qiáng)度材料，如高強(qiáng)度鋼板；另一類是低 密度的輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、塑料和復(fù)合材料等。輕量

2、化材料對(duì)汽車工業(yè) 的可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義，它不僅關(guān)系到車輛的節(jié)能、減排、安全、成本等諸 多方面，而且汽車輕量化材料的應(yīng)用對(duì)世界能源、自然資源和環(huán)境保護(hù)具有深刻的 影響，它已成為汽車材料技術(shù)發(fā)展的主導(dǎo)方向。國(guó)外近幾年在汽車上的應(yīng)用，以年平均25%的速度快速增長(zhǎng)。據(jù)資料介紹，汽 車上有60多種零部件可以采用鎂合金生產(chǎn)，我國(guó)經(jīng)過(guò)“十五”和“十一五”科技攻 關(guān)，也有20余種汽車零部件可以采用鎂合金生產(chǎn)。如儀表盤骨架、座椅骨架、進(jìn)氣 歧管、賽車車輪、支架、轉(zhuǎn)向盤骨架、缸體、殼體類零件等，目前鎂合金件正向著 大型集成化發(fā)展。一、鎂合金的特點(diǎn)鎂合金是一種輕合金，熔點(diǎn)為650Eo金屬鎂及其合金是工程應(yīng)用中

3、最輕的金屬 結(jié)構(gòu)材料，純鎂的密度僅為1.738g -cm-3，而常規(guī)鎂合金如AZ91密度也只是1.81g -cm-3， 約為鋁的2/3，鋼的1/4，接近工程塑料的密度2，因此將鎂合金應(yīng)用在汽車領(lǐng)域中 可極大地減輕結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量。鎂在元素周期表中屬U A族堿土金屬，元素符號(hào)Mg英文名稱Magnesium，原子 序數(shù)12,原子量24.31，常見(jiàn)化合價(jià)+2,其電子殼層結(jié)構(gòu)為1s22s22p63s2,熔點(diǎn)648.8 E， 沸點(diǎn)1090E，原子半徑0.172nm,離子半0.072(+2)nm。鎂晶體為密排六方結(jié)構(gòu)，配 位數(shù)為12，25E時(shí)晶格常數(shù)為a=0.3202nm, c=0.5199nm,晶胞的軸比c

4、/a=1.6237， 原子間d1=0.31906、d2=0.32030?；葡禂?shù)較小，冷變形較困難，當(dāng)溫度升高到250E 以上時(shí)，鎂合金的變形較容易，同時(shí)具有較好的可塑性。高純鎂具有良好物理性能 以及耐腐蝕性能，但是由于其力學(xué)性能差，生產(chǎn)純鎂的生產(chǎn)成本高，在工業(yè)生產(chǎn)和 結(jié)構(gòu)使用中純鎂受限，所以在純鎂中加入：鋁、鋅、鋯、錳及微量元素鎳等，它們 在鎂合金中起到固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、提高耐熱性等作用，可以作為結(jié) 構(gòu)材料廣泛應(yīng)用。二、鎂合金在汽車板的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與其它金屬相比鎂合金具有很多性能優(yōu)勢(shì)：（1）密度小，常用金屬中最輕的金屬 例如AZ91鎂合金的密度是1.81g cm-3， 約為鋁的2/3

5、，鋅的1/4，不到鋼或鑄鐵的1/4，接近工程塑料的密度。對(duì)于含 30% 玻璃纖維的聚碳酸酯復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，鎂的比重也不超過(guò)它的10%因此鎂合金的使用可有效減輕汽車的質(zhì)量。表一為幾種金屬的密度對(duì)比表1幾種常用金屬密度金屬名稱密度（g/cm3）與鎂比Mg1.7423Al2.7135Ti4.5058Zn7.1390Fe7.87100（2）比強(qiáng)度高 抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率與鋁合金鑄件相當(dāng)。從設(shè)計(jì)者的 立場(chǎng)考慮，密度小的金屬若不具有高強(qiáng)度，將沒(méi)有意義。實(shí)驗(yàn)顯示，鎂合金的比強(qiáng) 度比鋁合金和鋼高。因此在不降低零部件強(qiáng)度條件下，鎂合金鑄件比鋁鑄件的重量 減輕大約25%幾種常用的鎂合金性能見(jiàn)下表 2。表2常用

6、鎂合金的性能合金抗拉強(qiáng)度MPa拉伸屈服強(qiáng)度MPa拉壓屈服強(qiáng)度Mpa延伸 率彈性模量GPaAM60A205115115645AS21X12401301309AS41A,XB220150150445D230150165345A350325160471（3）熱傳導(dǎo)性好 具有良好的耐腐蝕性能、電磁屏蔽性能、 防輻射性能，可進(jìn) 行高精度機(jī)械加工，且熱傳導(dǎo)性好，雖然鎂合金的導(dǎo)熱系數(shù)不及鋁合金，但是比鋼 高近1倍，比塑料材料高10倍。因此鎂合金已廣泛用于壓鑄汽車輪轂上， 可有效散 發(fā)制動(dòng)摩擦熱量，提高制動(dòng)穩(wěn)定性。(4) 良好的焊接和鑄造性能鎂合金的熔點(diǎn)、比熱容和相變潛熱比鋁合金低，融化耗能較少，固化速度快，

7、動(dòng)力粘度低具有良好的壓鑄成形性能和尺寸穩(wěn)定性， 壓鑄件生產(chǎn)周期比鋁合金短，易形成薄壁結(jié)構(gòu)件，壓鑄件壁厚最小可達(dá)0. 15 mm鎂與鐵的親和力小，固溶鐵的能力低，不易粘模，鑄模壽命比生產(chǎn)鋁合金高2, 3倍，適合制造各類汽車壓鑄件。(5) 對(duì)振動(dòng)、沖擊的吸收性能好 具有良好的阻尼系數(shù)，鎂合金對(duì)振動(dòng)能量的 吸收能力強(qiáng)，消震性能優(yōu)于鋁合金和鑄鐵，用于驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)部件上可以降低噪聲，用于座椅、輪圈、方向盤可以減少振動(dòng)，在汽車發(fā)出碰撞后很好地吸收沖擊能量， 提高汽車的安全性和舒適性。(6) 抗凹陷性能好 鎂合金與其他金屬相比抗變形能力強(qiáng)，由沖擊而引起的凹 陷小于其它金屬。(7) 易于機(jī)械加工 鎂合金非常易于

8、機(jī)械加工，在無(wú)冷卻液、無(wú)潤(rùn)滑劑的情況 下能實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷加工，得到光潔的加工面，衡量機(jī)械加工的指標(biāo)之一是動(dòng)力消耗量。 表3是以鎂合金為1的情況下，各種合金機(jī)械加工時(shí)的動(dòng)力消耗量比較。由表 3可 知鎂合金具有良好的機(jī)械加工性。表3機(jī)加工時(shí)動(dòng)力消耗量比較合金種類動(dòng)力消耗量之比合金種類動(dòng)力消耗量之比鎂合金1.0鑄鐵3.5鋁合金1.8軟銅6.3黃銅2.3鎳合金10(8) 易于回收再生?；厥盏逆V合金可直接熔化再進(jìn)行澆鑄，且不降低其力學(xué)性 能。鎂合金同其它金屬相比，熔點(diǎn)低，比熱小，在再生溶解時(shí)所消耗的能源是新材 料制造所消耗能源的4%此外，鎂合金的電磁波屏蔽性好，外表美觀。更為重要的是，鎂是自然界中分布最廣的

9、元素之一，約占地殼質(zhì)量的2.35%,列第八位，僅次于 O Si、Al、Fe、Ca Na、K,由于鎂本征化學(xué)性質(zhì)活潑，在自 然界中主要以化合物的形式存在，在陸地上的含量為1.930%，海水中的含量為0.42%，達(dá)2.1 X 1015t。我國(guó)是世界上鎂礦資源最富有的國(guó)家。主要含鎂資源包括菱 鎂礦：資源總量31.45億t，居世界首位；白云石：資源總量約40億t ;鹽湖鹵水:柴達(dá)木盆地鎂鹽保有儲(chǔ)量48.15億t4。豐富的鎂礦資源為我國(guó)鎂產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展 提供了最可靠的資源保障。相反，鐵礦及鋁礦資源則相對(duì)貧乏一些。已探明世界儲(chǔ) 量的鐵礦石與鋁土礦的可采儲(chǔ)量保障年限只有約70年和50年。我國(guó)的鐵、鋁資源更

10、加貧乏，儲(chǔ)量?jī)H占世界比例18.7%和2.3%,可采儲(chǔ)量保障年限分別在30年左右和 10年以下。從污染角度講，鋼鐵的質(zhì)量密度大，消費(fèi)量大，其制品在使用過(guò)程中易造成高 能耗和污染排放；鋁雖為輕質(zhì)材料，但僅鋁電解一個(gè)工藝環(huán)節(jié)的電耗就占到整個(gè)有 色工業(yè)的90%，并也間接導(dǎo)致高污染排放。而被冠以“ 21世紀(jì)綠色結(jié)構(gòu)材料” 美譽(yù)的金屬鎂在這些方面則相對(duì)好一些。據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年1-8月份全國(guó)共產(chǎn)原鎂44.89萬(wàn)噸, 同比增長(zhǎng)16.8%。需要說(shuō)明的是，由于受到國(guó)際各種金屬材料的影響，剛才價(jià)格的 上升，使鎂合金成本方面的劣勢(shì)進(jìn)一步減小，鎂合金的綜合優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步明顯。因此，對(duì)于盛產(chǎn)鎂合金資

11、源的中國(guó)來(lái)說(shuō)，中高檔轎車采用鎂合金制作汽車零件也就更加彰 顯優(yōu)勢(shì)了。三、鎂合金的新發(fā)展盡管鎂合金在汽車上的應(yīng)用具有其它金屬不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但在過(guò)去幾十年中， 由于價(jià)格和生產(chǎn)技術(shù)方面的原因，鎂合金一直未得到廣泛應(yīng)用，近年來(lái)隨著鎂價(jià)格 逐漸下降，使鎂合金在汽車中全面應(yīng)用逐漸成為可能，世界范圍內(nèi)各主要汽車生產(chǎn) 國(guó)不斷加大在鎂合金開(kāi)發(fā)和應(yīng)用技術(shù)研究上的投入，從而一些新技術(shù)相繼問(wèn)世。1.耐蝕鎂合金鎂合金的耐蝕性的問(wèn)題可通過(guò) 2個(gè)方面來(lái)解決： 嚴(yán)格限制鎂合金中的Fe、 Cu Ni等雜質(zhì)元素的含量。例如，高純 AZ91HPB合金（Mg Al、Zn）在鹽霧試驗(yàn) 中的耐蝕性大約是AZ91C鎂合金（Mg Al、Z

12、n）的100倍，超過(guò)了壓鑄鋁合金 A380（Mg Al、Zn）比低碳鋼還要好。對(duì)鎂合金進(jìn)行表面處理。根據(jù)不同的耐蝕性要 求，可選擇化學(xué)表面處理，陽(yáng)極氧化處理、有機(jī)物涂覆、電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂等 方法處理。例如，經(jīng)化學(xué)鍍的鎂合金，其耐蝕性超過(guò)了不銹鋼。2耐熱鎂合金耐熱性差是阻礙鎂合金廣泛應(yīng)用的主要原因之一。當(dāng)溫度升高時(shí)，鎂合金的強(qiáng)度和強(qiáng)蠕變性能大幅度下降，使它難以作為關(guān)鍵零件（如發(fā)動(dòng)機(jī)零件）材料 在汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用。耐熱鎂合金的研究與開(kāi)發(fā)主要圍繞新合金研究和改善 現(xiàn)有鎂合金的高溫性能兩個(gè)方面進(jìn)行。Mg-AI-Si （AS）系合金是德國(guó)大眾汽車公司開(kāi)發(fā)的壓鑄鎂合金。當(dāng)在175C 時(shí)，AS41合金

13、的蠕變強(qiáng)度明顯高于 AZ91 （Mg Al、Zn）和AM60（Mg Al、Zn） 合金。20世紀(jì)80年代，國(guó)外致力于利用 Ca來(lái)提高鎂合金的高溫拉強(qiáng)度和蠕變性 能表現(xiàn)良好。日本東北大學(xué)采用快速凝固法制成的具有100-200nm晶粒尺寸的高強(qiáng)鎂合金，強(qiáng)度為超級(jí)鋁合金的3倍，并具有超塑性、高耐熱性和高耐蝕性。 3阻燃鎂合金鎂合金在熔煉燒鑄過(guò)程中易發(fā)生劇烈的氧化燃燒。上海交通大學(xué)輕合金精密 成型國(guó)家工程中心通過(guò)同時(shí)加入幾種元素，開(kāi)發(fā)了一種阻燃性能和力學(xué)性能均 良好的轎車用阻燃鎂合金，成功進(jìn)行了轎車變速箱蓋的工業(yè)試驗(yàn)。4 高強(qiáng)高韌鎂合金現(xiàn)有鎂合金的常溫強(qiáng)度和塑韌性均有待進(jìn)一步提高。在Mg-Zn和Mg-

14、Y合金中加入Ca Zr可顯著細(xì)化晶粒，提高其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度；加入 Ag和Th能 夠提高M(jìn)g-稀土-Zr合金的力學(xué)性能，如含有Ag的QE22A合金具有較高的室溫 拉伸性能和抗蠕變性能。5 變形的鎂合金雖然目前鑄造鎂合金產(chǎn)品用量大于變形鎂合金，但經(jīng)變形的鎂合金材料可獲得更高的強(qiáng)度、延展性及更多樣化的力學(xué)性能，可滿足不同場(chǎng)合結(jié)構(gòu)件的使用 要求。因此開(kāi)發(fā)變形鎂合金具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。美國(guó)成功研制了各種系列的變形鎂合金產(chǎn)品。通過(guò)擠壓和熱處理得到的Zk60（ Mg Al、Zn）高強(qiáng)變形鎂合金，其強(qiáng)度及斷裂韌性相當(dāng)于失效狀態(tài)的AI7075（Mg、Al、Zn）或 AI7475（ Mg Al、Zn）合金。而

15、采用快速凝固（RS、粉 末治金（PM和熱擠壓工藝開(kāi)發(fā)的 Mg-Al-Zn系EA55RS變形鎂合金，成為迄今 報(bào)到的性能最佳的鎂合金，其性能不但超過(guò)常規(guī)鎂合金，比強(qiáng)度甚至超過(guò)7075鋁合金（Mg Al、Zn）,并具有超塑性（300C, 436C）,腐蝕速率與 2024-T6 合金（Mg Al、Zn）相當(dāng)，成為先進(jìn)鎂合金材料的典范。日本最近開(kāi)發(fā)出超高 強(qiáng)度的Mg-丫系變形鎂合金材料，可冷壓加工的鎂合金板材。6 鎂合金成形技術(shù)鎂合金成形分成變形和鑄造兩種方法，當(dāng)前主要使用鑄造成形工藝。壓鑄是 應(yīng)用最廣泛的鎂合金成形方法。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的鎂合金壓鑄新技術(shù)有真空壓 鑄和充氧壓鑄，前者已成功生產(chǎn)出 AM6

16、0B鎂合金（Mg Al、Zn）汽車輪轂和方 向盤，后者已用于生產(chǎn)汽車上的鎂合金零件。鎂合金半固態(tài)觸變鑄造（Thixo-Molding、成形新技術(shù)近年來(lái)受到美國(guó)、日 本和加拿大等國(guó)的重視。與傳統(tǒng)壓鑄相比，觸變鑄造無(wú)需熔煉、澆鑄及氣體保 護(hù)。生產(chǎn)過(guò)程更清潔、安全和節(jié)能。但目前可供使用的半固態(tài)鑄造鎂合金材料 相對(duì)選擇性小，需要進(jìn)一步發(fā)展適用于半固態(tài)鑄造鎂合金的鎂合金系列。其它正在發(fā)展的鎂合金鑄造成形新技術(shù)有：鎂合金消失模鑄造、擠壓鑄造、低壓鑄造結(jié)合法、擠壓鑄造、流變鑄造結(jié)合法和真空傾轉(zhuǎn)法差壓鑄造等。四、鎂合金在汽車上的使用部位自1970年中東石油危機(jī)以來(lái)，為減輕汽車質(zhì)量以降低油耗和污染，提高安全性

17、能，鎂合金材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用與日俱增。目前，汽車工業(yè)中鎂合金用量較多 的地區(qū)和國(guó)家主要是北美、歐洲、日本和韓國(guó)。綜合部分廠家的使用情況，到目前 為止，汽車上共有60多個(gè)零部件采用鎂合金：車內(nèi)構(gòu)件：儀表盤、座椅架、坐位升降器、操縱臺(tái)架、氣囊外罩、轉(zhuǎn)向盤、鎖 合裝置罩、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向柱支架、收音機(jī)殼、小工具箱門、車窗馬達(dá)罩、剎車與離 合器踏板托架、氣動(dòng)托架踏板等。(2) 車體構(gòu)件：門框、尾板、車頂框、車頂板、IP橫梁等。(3) 發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)：閥蓋、凸輪蓋、四輪驅(qū)動(dòng)變速箱體、手動(dòng)換擋變速器、離 合器外殼活塞、進(jìn)氣管、機(jī)油盤、交流電機(jī)支架、變速器殼體、齒輪箱殼體、油過(guò) 濾器接頭、馬達(dá)罩蓋、氣缸頭

18、蓋、分配盤支架、油泵殼、油箱、濾油器支架、左側(cè) 半曲軸箱、右側(cè)半曲軸箱、空機(jī)罩、左抽氣管、右抽氣管等。(4) 底盤：輪轂、引擎托架、前后吊桿、尾盤支架。鎂合金減速器外殼鎂合金減速器外殼采用壓鑄的方法制造，具有重量輕，噪音低的優(yōu)點(diǎn)輪轂采用鎂合金輪轂?zāi)苓_(dá)到輕量化的目的，與鋁合金輪轂相比，重量減輕30%左右同時(shí)還能提高汽車的使用性能。因此在賽車及某些高檔車上開(kāi)始使用鎂合金輪轂。五、鎂合金應(yīng)用存在的問(wèn)題。鎂合金是汽車上最具有潛力的結(jié)構(gòu)材料，21世紀(jì)將是鎂合金應(yīng)用飛速發(fā)展的時(shí) 代，以顯著的減重節(jié)能效果、優(yōu)良的可回收再生性、良好的鑄造及尺寸穩(wěn)定性和抗 震等特性，受到世界汽車工業(yè)的青睞。它是汽車輕量化中取代鋼鐵及部分鋁合金和 塑料的首選材料，同時(shí)我國(guó)鎂資源豐富，鎂合金的發(fā)展有可靠的原料來(lái)源。目前， 汽車上使用鎂合金件的量越來(lái)越大，但鎂合金應(yīng)用還存在一些問(wèn)題。一是廢鎂回收 方法少，回收成本高。二是腐蝕問(wèn)題。鎂是活潑金屬，很容易氧化和腐蝕，幾乎沒(méi) 有低成本的方法來(lái)保證穩(wěn)定的生產(chǎn)工序。三是鎂合金沒(méi)有足夠的性能數(shù)據(jù)庫(kù)。目前 鎂合金基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不夠，無(wú)負(fù)責(zé)收集整理和宣傳生產(chǎn)數(shù)據(jù)的機(jī)構(gòu)，無(wú)系統(tǒng)的力學(xué)性能 測(cè)試數(shù)據(jù)，在腐蝕、熱膨脹和模具設(shè)計(jì)等方面數(shù)據(jù)也不夠。因此，應(yīng)該建立充分的 鎂合金數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)出成本低、質(zhì)量好的部件。中國(guó)汽車工業(yè)應(yīng)緊跟世界汽車用材 的發(fā)展趨勢(shì)，大力開(kāi)發(fā)鎂合金在汽車上的應(yīng)用。