鎂合金零部件在汽車中的應用研究

楊鴻智，尹小文，蘇彥芳，朱迎五，高鵬

北京汽車研究總院有限公司，北京101300；

北京屹唐半導體科技股份有限公司，北京100176

鎂(Mg)是汽車用金屬中最輕的一種，屬密排六方結構，熔點648℃，密度為1.74g/cm3，是鋁密度的64.4%，鋼密度的22.2%，具有減振降噪性能好、比強度和比剛度高、易于回收和鑄造性能優良等特點，是汽車輕量化的理想材料，被譽為“21世紀的綠色工程材料”。本文針對鎂合金的特點及汽車中的典型零部件應用做介紹，為國內汽車設計人員提供應用推薦。

鎂合金的特點

（1）鎂合金最大的特點就是輕，使用鎂合金替代鋼和鋁零部件能減輕質量，降低能源消耗，提升汽車續駛里程。

（2）鎂合金的比剛度約為2(GPa1/3/Mg·m-3)，高于鋁(約1.5)和鋼(約0.8)；鎂合金的比強度約130(MPa/Mg·m-3)，同樣高于鋁(約110)和鋼(約40)。

（3）鎂合金具有優良的阻尼系數，阻尼能力比鋼和鋁好，有比較高的振動吸收性，用于座椅骨架能夠提高舒適性。

（4）鎂合金具有優異的切削加工性能，鎂合金、鋁合金的軟鋼的切削動力指數分別是1.0、1.8和6.3，使用鎂合金可以提高生產效率，縮短生產周期。

（5）鎂合金的耐腐蝕性較差，和鋁合金相比，鎂有極高的化學活性和較低的電極電位（-2.363V，比鋁、鈦、鐵、鋅都低），當與不同類金屬接觸時易發生應力腐蝕和微電腐蝕。

（6）鎂合金的環保較好，其都可以回收利用。鎂合金的熔化潛熱比鋁合金低（368kJ/kg比397kJ/kg），消耗的能量少，回收成本低，在雙碳背景下能夠節約資源[1-3]。

常見的汽車用鎂合金

在汽車產業中，Mg-Mn系和純Mg-Zn系用的不多，而Mg-Al系是應用最廣泛的鎂合金系列。Mg-Al合金主要元素Mg和Al，同時也包含其他元素，例如Si、Mn、Zn和稀土等，能夠進一步提高室溫力學性能和高溫性能[4]。

常用的Mg-Al合金主要包括4個系列：

AM(Mg-Al-Mn)系：具有優良的韌性和塑性，適合制造受沖擊的零件，如汽車儀表板橫梁。

AZ(Mg-Al-Zn-Mn)系：具有均衡的力學性能和鑄造性能，屈服強度高并具有一定的耐鹽霧腐蝕能力，適合制造形狀復雜的薄壁壓鑄零件，如汽車輪轂。

AE(Mg-Al-RE)系：具有比AS系列鎂合金更好的抗蠕變性（在高溫120℃-175℃力學性能上已接近鑄造鋁合金的水平），但是其壓鑄工藝性和抗氧化性能差，抗疲勞性能低。

AS(Mg-Al-Si)系：具有較好的抗蠕變性能，強度高，塑性、韌性好，在汽車的曲軸箱、電機支架上有所應用[5]。

汽車使用的鎂合金絕大多數是AZ和AM系，據統計占總量的80%-90%，主要分為殼體和支架兩大類。殼體類比如變速器殼體、新能源汽車的電機殼體、離合器殼體、輪轂等；支架類如儀表盤橫梁(CCB)、方向盤骨架、座椅支架、轉向支架等。材料選用方面，AZ系和AS系一般用于結構件，而裝飾件多用AM系。汽車鎂合金壓鑄件的常用材料是AM50A、AM60B和AZ91D，其化學成分和力學性能(ASTM B94-2018標準)見表1和表2所示，表3為典型汽車鎂合金零部件所使用的牌號。

表1 典型牌號的化學成分(質量分數)/%

表2 典型牌號的力學性能

表3 典型汽車鎂合金零部件牌號

典型鎂合金汽車零部件

1.方向盤骨架

方向盤骨架目前是乘用車用鎂合金普及率最高的零部件（超過80%），材料一般選用AM50A，如圖1所示。鎂合金應用于方向盤既能實現輕量化（與鋼質設計相比，減重40%以上），又能把路面和控制系統傳遞的振動吸收一部分，如果發生意外時，鎂合金骨架比鋼制骨架能吸收更多的能量，更好保護駕駛員。

圖1 鎂合金方向盤骨架

2.儀表板橫梁（CCB）

鎂合金儀表板橫梁和鋼制的相比，具有輕量化、零件集成化程度高、安裝尺寸精度高、設計靈活和綠色環保的優點。常用的牌號是AM60B，其鋁含量較低，韌性和塑形較好。AM60B是高純牌號，具有優良的耐腐蝕性能。1968年鎂合金儀表板橫梁應用在奧迪車型上，1995年應用在通用汽車的新年度車型上，第一代的質量大約為7-8kg，壁厚大約為3.5-4mm，第二代的壁厚和質量進一步減少，但仍保持著較高的防撞性及減振、降噪、剛度的要求[6]。北汽新能源的EX3車型和LITE車型都使用了鎂合金儀表板橫梁，達到了輕量化的效果。如圖2所示，EX3的儀表板橫梁總成質量5.77Kg，減重約40%。

圖2 EX3車型鎂合金儀表板橫梁

3.座椅骨架

奔馳公司的SEL型敞篷車首先使用鎂合金座椅骨架，福特汽車公司使用鎂合金座椅骨架替代鋼制骨架減重3kg，豐田公司某款車型采用鎂合金座椅骨架使座椅質量減輕40%[7]，現代汽車公司某款車型把30多個零部件的鋼制座椅骨架變成了2個鎂合金零部件組成座椅骨架減重50%[8]，因為使用鎂合金座椅骨架具有很大的輕量化效果。圖3是博奧鎂鋁金屬制造有限公司展示的鎂合金座椅骨架。

圖3 鎂合金座椅骨架

4.鎂合金輪轂

在節能減排的趨勢影響下，鎂合金輪轂迎合了汽車輕量化和環保的需求，其在高端車型上的應用已成趨勢，如圖4所示。鑄造法和鍛造法是兩種主要的鎂合金輪轂成形方法。鑄造法生產的輪轂的力學性能較差，因為容易產生疏松、縮孔等缺陷。鍛造法生產的輪轂在成形過程中能夠焊合金屬熔煉中產生的縮孔和疏松等缺陷，保持金屬流線，提升輪轂的力學性能。常用的牌號是AZ80鎂合金，其屬于Mg-A1系鎂合金，該牌號塑性較高、可鍛性好及應力腐蝕傾向小，很適合于鍛造鎂合金車輪[9]。

圖4 鍛造鎂合金車輪

鎂合金在汽車工業應用中存在的問題

耐熱性問題：耐熱性能差是大多數鎂合金的缺點，其綜合機械性能在室溫下表現良好，但在溫度較高時就會顯著降低。

防腐問題：與鋁合金相比，鎂合金的耐蝕性較差，鎂有極高的化學活性和較低的電極電位，當與不同類金屬配合時易發生應力腐蝕和微電腐蝕，所以鎂合金零部件一般用于環境比較好的位置。

生產成本高：生產原鎂的能耗大，生產成本高，鎂合金的模具成本也比較高，導致單位質量的鎂合金要比鋁合金高。

安全隱患大：鎂的化學性質非常活躍，粉末狀的鎂在空氣中很容易燃燒，發出耀眼的白光。鎂合金零部件在機加工過程中會產生大量的碎屑和粉塵，存在安全隱患。

結語

鎂合金作為汽車上用到的最輕的金屬材料，具有密度低、減振降噪性能好、比強度和比剛度高和鑄造性能好等優點，有著廣闊的應用前景。我國是世界上鎂資源最為豐富的國家，總儲量占世界的22.5%。但是在鎂合金汽車零部件的研究起步較晚，與美國、德國、日本等汽車強國存在差距。我國的汽車企業要深入研究鎂合金的潛在價值，解決鎂合金零部件的耐熱性、防腐性等問題，緊跟全球發展趨勢，增加在汽車上的用量，尤其是滿足目前新能源車的續航焦慮對輕量化的迫切需求。