镁合金在汽车制造领域的应用及发展:镁合金研究领域

时间：2019-01-20 03:27:45　来源：雅意学习网本文已影响人

　　摘要：随着国际燃油资源的持续减少，面对汽车制造领域对轻合金材料的巨大需求和竞争压力，镁合金作为最轻的工业材料具有比重低、比强度高、减震性能好等优势。同时，镁合金在汽车领域应用也面临着资金支持、技术人员、生产成本等瓶颈。镁合金的发展需要从加强研发力度入手，提升材料性能，降低生产成本以适应21世纪汽车制造业发展的需求。本文重点介绍镁合金在汽车制造领域的应用及发展。
　　关键词：镁合金；汽车制造；应用；瓶颈；成本策略
　　中图分类号：U466 文献标识码：A文章编号：1009-9166（2008）10-0057-01
　　
　　一、镁合金的产业背景及应用瓶颈
　　
　　进入21世纪，镁合金在全球汽车市场的应用正呈迅猛发展之势，尤其是北美及欧洲地区为最，日本也在逐步扩大其应用。此外，中国凭借矿产资源的优势，也在积极推进镁合金的应用步伐。对于汽车零部件，镁合金替代传统材料可取得比铝合金更为显著的减重效果（镁合金替代钢、铸铁为60%-75%；铝合金替代钢、铸铁为40%-60%）。因此，镁合金作为汽车轻量化材料的应用，符合目前全球节能、减排、资源再生利用与清洁生产等环保要求。迄今为止，传统的铸造技术在镁合金汽车零部件制造方面仍将占据主导地位。随着汽车行业的飞速发展，汽车结构件对材料及其制造技术提出了更高的要求，高致密度、高强度、高结构复杂性和低成本等将成为镁合金铸造未来的发展趋势。其中箱体因其形状复杂、质量较大，成为镁合金铸造技术在汽车方面应用的重要方向，并具有巨大的经济潜力。因此，在汽车工业科技竞争日趋激烈的今天，加速我国以镁为代表的轻质材料及其铸造技术在汽车制造领域的应用具有十分重要的意义。
　　同时我们也应当看到，镁合金在汽车上的应用也受到了诸多限制，其中资金支持、技术人员、生产成本成为了当前主要的三大瓶颈。1.汽车工业用镁的研究开发和市场应用缺少有财政实力的赞助商。镁合金目前还不是汽车的主要金属材料，和铝、钢及塑料相比有很大差距，镁合金在汽车上的用量仅占到汽车总重量的0.4%，造成这种状况的原因之一是缺少有财政实力的赞助商的支持2.汽车工业缺少从事镁合金汽车部件研发经验的工程师。3.全球镁价持续走高，汽车用镁合金部件成本上涨，对汽车工业用镁产生巨大影响。镁合金汽车部件成本的提高，再加上后续加工成本的稍许提高，产生对汽车工业用镁的不利影响，汽车制造商会转而采用其他替代材料。
　　
　　二、科研发展趋势
　　
　　随着科技的发展，以上镁合金技术所受到的应用局限，正在逐渐发生改变。
　　首先，就汽车性能方面，镁合金拥有比铝合金更轻的比重。而通过减少自重，汽车本身的操控性与制动性能将得到进一步提升。面对中高端客户的广大的市场需求以及国际汽车市场激烈的技术竞争，国外例如宝马、大众等著名厂商以及美国汽车材料公司等科研机构已开始增加相应的研究投入，并且取得了包括曲轴箱、变速箱、轮毂等方面的重要技术突破。同时，随着科研投入的加大，全世界从事镁合金汽车部件开发设计的科学家与工程师数量也在迅速增加。以欧洲为例，在德国已成立了由44个业内机构和5个大学共同组建的“MADAICA”在镁合金的CAD建模、模具制造、压铸、砂铸、焊接和机加工等领域进行研究。
　　
　　三、应用实例
　　
　　以汽车变速器箱体以及曲轴箱体镁合金的应用为例。
　　1.在汽车变速器箱体方面，主要以新型高强度镁合金替代铝合金为主要方式实现箱体减重。例如对MgA18Zn1合金，Z F F ried richsnaf en A G K.D aub J.F otn S t. H ock J.S au ter等人的进行的详细试验，从各项主要指标上，证实了镁合金变速箱体工业应用的可行性。为了简化工艺的原因，该试验选择了轿车用的一个手动换档的5档变速器箱体。为一个形状复杂的双联箱体。它用铝制成重量为811kg，用镁为513kg。该试验采用了与AlSi9Cu3相同压铸法和摸具压铸了30个材料是MgAl8Zn1的箱体，并提供了试验计划。根据试验结果，该科研小组认为，MgA18Zn1可以成为一种适于压模铸造箱体的材料。但应该注意的是，在应用过程中，其腐蚀特性要求充分注意其金属杂质的控制，使之完全可能用来限制电腐蚀。并且还必须注意热和机械的数据，特别对螺栓联接要特别仔细测量。同时，设计时可充分利用其优良的可铸性采用合适的厚度制成质量轻的制件，该优良的可铸性可进一步改善加强筋结构以增强箱体刚度、热传导和声发射特性。最后，应注意控制齿轮的修形使其声响性能达到最佳状态。此外，用Mg取代Al的大量采用还取决于燃油经济性政策，包括对车辆重量的理解以及价格率的提高状况。
　　2.在曲轴箱应用领域，因其内部强度要求较高，多采复合成型技术。德国宝马汽车公司在世界上首次采用镁铝复合材料制造水冷式发动机的曲轴箱（crankcase）。为此，宝马公司（BMW）还研发出了一种性能优异的镁合金，特别适合于此种用途。该曲轴箱主要用镁合金制造箱的外壳，而用薄的铝合金作内壳，从而形成一种外镁内铝的复合箱体，集镁与铝的优点于一体，既有铝的高抗腐蚀性能又有镁的减重效果。同时内部为铝还提高了曲轴箱强度，它由上下两部分组成，然后用螺栓固定，为了避免接触腐蚀，不用钢螺栓，而用高强度铝合金螺栓。这种新型曲轴箱是用宝马汽车公司新近开发的一种新型镁合金，它具有：高的抗蠕变强度，相当强的抗腐蚀性能，高的热学性能与力学性能，另外还有良好的铸造性能。为了避免镁与其他材料间的接触腐蚀，曲轴箱与发动机之间进行了完全绝缘性密封。其生产工艺为，先铸铝合金内衬，而后在铝上铸造镁合金外壳。这种复合曲轴箱由拥有全球最大的压铸机企业生产，位于德国兰�特（landshut）压铸中心。压铸模重60吨，铸造完铝合金内壳后，关闭模，第二步是立即射注约700摄氏度的镁熔体，射注时间仅为1/600s，压力约为1000bar，于是铝内壳与镁合金外壳在约400吨的外力作用下紧紧地熔接为一体。镁合金在10s左右时间内凝固完毕，再过20s由机器人取出铸件，随即交付热处理与机械加工。
　　该公司还计划在今后二年内开拓这种镁合金在汽车中的应用。
　　
　　四、成本策略
　　
　　在工艺成本方面，铸造镁合金相较于传统材料，其科研成本、生产成本较高。但是，其较铝合金更为优秀的减重性以及比强度，使其在当前汽车市场具有广阔的发展前景。
　　首先，当前国际油价持续上升，汽车轻量化更加有利于节省燃油消耗，减少废气排放。镁合金在汽车工业的应用，虽然目前提升了单车的生产成本，但从长远看，最终将为用户节省大量的燃料费用。其次，镁合金的使用打破了传统汽车以铝合金材料为主带来的减重瓶颈，进一步从材料方面提升了车辆性能，从而使汽车生产厂商在高端产品领域具有更强的竞争力，获得更佳的经济效益。最后，中国是镁的主要生产国，国内材料研究和汽车制造企业在该合金的研究与生产中具一定的地域成本优势，可以节省相当的科研与生产成本。
　　作者单位：西安理工大学材料科学与工程学院
　　
　　参考文献：
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