鎂合金壓鑄件在全球汽車輕量化新形勢下的機遇與挑戰

文/萬豐鎂瑞丁新材料科技有限公司 徐國鋒

鎂合金壓鑄件在全球汽車輕量化新形勢下的機遇與挑戰

Opportunities and Challenges of Magnesium Alloy Die Casting under the New Situation of Global Automobile Lightening

文/萬豐鎂瑞丁新材料科技有限公司 徐國鋒

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，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。尤其是中國，到2020年汽車燃油消耗降幅明顯大于其他國家，燃油排放壓力更大，降低汽車整車重量是汽車輕量化最有效途徑。

汽車輕量化就是為汽車“瘦身”，在確保穩定提升性能的基礎上，節能化設計各零部件，持續優化車型。實驗證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%；汽車整備重量每減少100千克，百公里油耗可降低0.3～0.6升。

汽車的輕量化趨勢

2016年汽車工程學會年會上，清華大學歐陽明高等教授代表節能與新能源汽車發展戰略咨詢委員會對節能和新能源汽車技術路線圖的內容進行了發布，該路線圖提出的輕量化技術發展思路，主要分三個階段實現汽車逐年減重。

第一階段為2016年～2020年，實現整車較2015年減重10%。重點發展超高強度鋼和先進高強度鋼技術，包括材料性能開發、輕量化設計方法、成型技術、焊接工藝和測試評價方法等，實現高強度鋼在汽車應用比例達到50%以上，開展鋁合金板材沖壓制作技術研究并在車身實踐，研究不同材料的連接技術

第二階段為2021年～2025年，實現整車較2015年減重20%。以第三代汽車鋼和鋁合金技術為主線，實現鋼鋁等多種材料混合車身，全鋁車身的大范圍應用，實現鋁合金覆蓋件和鋁合金零部件的批量生產和產業化應用，同時加大對鎂合金和碳纖維復合材料零部件生產制造技術的開發，增加鎂合金和碳纖維零部件的應用比例，單車用鋁量達到350kg。

第三階段為2026年～2030年，實現整車較2015年減重35%。重點發展鎂合金和碳纖維復合材料技術，解決鎂合金及復合材料循環再利用問題，實現碳纖維復合材料混合車身及碳纖維零部件的大范圍應用，突破復雜零件成型技術和異種零件連接技術。單車用鎂合金達到45kg，碳纖維使用量占車重5%。

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

1. 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。

2. 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%。

3. 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。

4. 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。

5. 無磁性，可用于電磁屏蔽

6. 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。

鎂合金汽車壓鑄件行業現狀

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，2017年我國鎂合金汽車壓鑄件行業市場容量將達22.9萬噸，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。

鎂合金在汽車輕量化中具體應用

1.汽車內部構造

雖然鎂合金耐腐蝕性差，但是對于汽車內部構造來說，防腐不是主要考慮的問題，因此鎂合金在汽車內部構造得到了比較廣泛的應用，尤其是在儀表盤和轉向結構中。據悉，第一支鎂合金儀表盤支柱是由通用公司在1961年壓鑄生產，比使用鋅合金壓鑄生產的同樣部件節省了4kg材料。過去十多年間，采用鎂合金壓鑄的儀表盤支柱取得了極大進展。

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。與鎂合金在儀表盤上的應用情況相似，近幾年，采用鎂合金設計、制造的座椅也經歷了一個明顯提高的過程。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。雖然其他材料如高強度鋼、鋁、復合材料等也得到使用，但是專家預測，鎂合金未來將會成為汽車座椅部件輕量化和具有成本效益的一個主要材料。

2.車身

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，福特F-150卡車和SUV也使用了有涂層鎂鑄件作為散熱器的支架。在歐洲，大眾汽車公司和奔馳已率先實現了薄壁鎂合金鑄件在車身面板中的應用。

目前，提高鎂合金在汽車車身結構上應用的一個項目就是由加拿大、中國、美國三國政府及USAMP（美國汽車材料聯盟，克萊斯勒，福特和通用汽車公司組成的財團）資助的“鎂前端研究與發展”項目。該項目匯集了來自美國、中國和加拿大國際范圍的獨特團隊，并已開發出汽車用鎂應用的一些關鍵技術和知識庫。在這個項目中開發的技術和知識庫，不僅有利于作為測試的前端結構的汽車用鎂的應用，同時也促進原鎂生產、零部件制造、基礎研究以及先進計算工具的開發。

3.底盤

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。

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）。

鎂合金在推廣應用中主要挑戰

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。