镁合金在汽车轻量化应用中的问题与建议

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镁合金在汽车轻量化应用中的问题与建议

唐靖林

天津市金镁轮科技有限公司 天津 301721

摘 要：镁合金是最轻的工程结构金属材料，具有资源丰富、密度小、成形性好以及可回收再利用等特点，在汽车轻量化的发展趋势下必将起到越来越重要的作用。与铝相比，镁行业规模小很多，还处于成长期，虽然汽车轻量化给镁行业带来更多的发展机遇，但在技术储备、制造技术、体系建设和成本控制等方面也面临着巨大的挑战。

关键词：轻量化；镁合金；车用材料

在节能减排和性能提升的双重推动下，汽车轻量化已经成为不可逆转的发展趋势。汽车轻量化能够有效改善燃油经济性、减少污染物和降低汽车碳排放，汽车行业为此付出了诸多努力。

概括来讲，汽车轻量化主要有三大途径，即轻量化材料应用、结构优化设计和先进制造工艺，其中轻质材料的应用是轻量化发展最有效的手段之一。镁合金是最轻的工程结构金属材料，越来越受到汽车行业的关注。

汽车轻量化概述

在《中国制造2025》关于汽车发展的整体规划中，强调了“轻量化仍然是重中之重”。“轻量化”已成为国家的重要战略，越来越多的研究机构和汽车企业将其研究工作的重点放在汽车轻量化上，汽车轻量化已经成为世界各国汽车制造商最新核心竞争力的体现。

当前，新能源汽车被列为“国家战略性新兴产业”，国家也密集出台了多项扶持新能源汽车发展的相关政策，在此背景下，我国的新能源汽车产业驶入快车道。研究结果表明，新能源汽车车身质量、电池能量密度与续驶里程存在重要的关系，其中整车轻量化以提高电池能量密度是提高续驶里程和降低生产成本的基本技术方案。

汽车轻量化已成为传统汽车和新能源汽车领域的共性技术。但新能源汽车搭载了“三电”系统和大量智能化设备，相对传统汽车增重比较大，因而对轻量化的需求更为迫切，甚至对轻量化的要求更高。

汽车轻量化有结构、材料、工艺三条技术路径，其中，设计是龙头，材料是基础，工艺是纽带；装备是保证。尽管目前汽车轻量化已有明确的目标，但轻量化发展所面临的挑战依然广泛存在，而解决挑战的重中之重在于如何实现持续的技术创新。汽车轻量化技术是在考虑生产成本和生产效率的前提下，汽车整车和零部件结构的优化创新和轻质材料的应用，以及由此带来的装备和工艺创新。

汽车轻量化并非简单地将汽车小型化，也并非是单纯地减少车身和零部件的质量，而是在保证汽车性能的前提下，在减重、性能、节能和成本之间寻求平衡。这需要主机厂和系统供应商相互配合进行交互设计，对材料、制造工艺和应用场合进行全面分析，以实现在给定的边界条件下实现所需要的功能，因此汽车轻量化是一个系统工程。

汽车轻量化设计和工程应该是不同材料、不同专业的优势集成，而汽车轻量化材料随着科技的进步呈现出多元化的发展趋势。在质量、强度和刚度要求不断提高的前提下，汽车轻量化的道路充满机遇和挑战。

车用材料产业是汽车工业发展的有力支撑，车用轻质材料是行业未来发展的重要方向。镁合金比铝合金轻33%，比钢轻 75%，具有良好的减振性、导电性、导热性和压铸性能。镁合金压铸率先在汽车上得到了较广泛的应用，但由于镁合金自身耐腐蚀性、耐热性、可焊性较差以及不易塑形加工等原因，在汽车上的材料使用占比还比较低。我国镁资源丰富，原镁产量世界第一，开发镁合金在汽车上的应用有得天独厚的综合优势。虽然我国对镁合金的研发尚处于初期阶段，但是成本优势及本土市场规模优势将是我们大力开发镁合金应用的驱动力。

总之，汽车轻量化是系统工程，它以整车性能、质量、结构、价格等因素为前提条件，综合考虑了集设计、材料和加工成形技术为有机整体，也是衡量一个国家汽车技术水平的关键。

我国镁产业现状

镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有较高的比强度和比刚度以及优良的阻尼性、切削加工性、导热性、电磁屏蔽性和减振性，是交通工具、航空航天、军工及生活消费类产品的首选轻量化迭代材料，被誉为“21世纪的绿色工程材料”。

我国的原镁产量居世界首位，是“镁”的资源大国、生产大国和出口大国，但产业发展极不平衡，镁合金材料的应用严重滞后，加快镁材料的开发和应用对其可持续发展具有战略意义。

作为最轻的金属结构材料，镁合金的未来市场必然会与铝产生很大的交集甚至竞争，镁和铝有较强的可比性。两种材料的年产量及发展如图1所示，2019年中国原铝产量是原镁的37倍，中国镁业的体量远远小于铝。

图1 我国历年原铝、原镁的产量

我国镁行业最大的消费领域是冶金领域。在此领域，镁用作铝合金添加元素、金属还原、炼钢脱硫以及球铁球化剂等冶金原料使用。2019年，我国原镁产量约97万t，国内消费量48.5万t，其中冶金领域消费31.3万t，工程应用领域（依次为交通工具、3C产品、国防等）消费16万t。

上述数据说明，我国镁作为工程材料应用才刚刚起步，如何通过全面创新提高镁合金产品竞争力，大幅度提升镁在工程领域的应用是迫在眉睫的问题，而汽车轻量化则为我国镁业提供了巨大的发展机会。

当前，汽车行业的镁合金零备件大部分采用压铸工艺生产，例如壳体、支架类零件。由于镁合金是密排六方晶格结构，其室温塑性较差，塑性加工难度大、成本高，因此镁合金加工材，尤其是轧制、挤压材的应用远少于铸件，但采用锻造工艺生产的镁合金轮毂锻已开始少量应用。因此，开发新的变形镁合金和塑性加工新工艺是镁业的长期目标，生产高质量的板、棒、管、型等加工材是未来更长远的发展趋势。可以预见，随着镁合金塑性加工技术和成本瓶颈的逐渐突破，镁合金加工材在汽车轻量化领域有巨大的发展空间。

虽然我国镁产业在国际地位、产业规模和技术水平等方面已经取得了很大的进步，但综合来看，我国镁行业仍面临企业数量多、规模小、布局分散、技术装备水平参差不齐以及专业和管理人才短缺等问题，当前的镁合金及其加工产品还不足以支撑下游市场大规模应用的需求。因此，中国镁业需要进一步调整和转型升级，向着产业集群化、规模化、专业化和标准化等方向发展。

未来汽车市场对镁合金材料有巨大的需求1.未来汽车市场需求预测

2016年，我国节能与新能源汽车发展战略咨询委员会发布的节能与新能源汽车技术路线图中预计，我国新能源汽车单车使用镁合金量2030年将达到45kg。据行业专家预测，在2030年，我国汽车总产量将达到3800万～4000万辆，新能源汽车总产量将达到汽车总产量的40%～50%。按年产1500万辆保守估算，我国2030年新能源汽车使用镁合金总量将达到67.5万t，如果加上燃油汽车，则使用量更高，预计达100万t。无论汽车用镁合金零部件采用铸造还是塑性加工工艺，考虑到加工过程的材料利用率，镁合金的消耗量预计为汽车使用量的2倍，届时汽车行业对镁合金的年需求量将达200万t，这仅仅是内需。

2.镁产业的现状及对策

汽车行业未来对镁合金材料的需求将给我国镁业带来很大的发展空间。如前所述，我国工程应用中镁的年消费量还不足20万t，以此按工艺推算，我国镁合金材料的年产生产能力应该不足40万t。根据汽车行业对镁合金材料的消费需求预测，到2030年，我国镁合金的年生产能力必须扩大到当前的5倍，考虑到其他应用领域也在同步增长，实际年生产能力可能要远大于此。

由此可以预测，仅就汽车行业的需求而言，在不到10年的时间里，我国镁合金的年生产能力需要持续增长到当前至少5倍的规模，考虑到废料回收和再利用，实际可能要略小于这个数字。

汽车轻量化将给我国镁产业带来很大的发展机遇，但同时又是巨大的挑战。为了满足未来快速增长的市场需求，我国镁业不仅要解决镁合金的产能问题，更是要解决整个镁产业链联动带来的系统问题，这就需要镁产业不断调整优化产品结构，充分做好向汽车、轨道交通等领域转型升级的布局和实施方案。与此同时，我们要集中各方力量解决镁合金在汽车应用上的关键问题，例如合金种类少、易氧化、耐腐蚀性差、焊接难度大、加工成本高等一系列问题，并加大在新材料、新工艺、新技术等方面的开发力度。

总之，汽车轻量化发展与镁合金材料的应用必将在镁产业链上产生强烈的联动效应，上下游企业需要密切合作，以紧跟全球汽车轻量化的发展步伐。

镁合金废料回收及再生利用产业的闭环发展

从节能、节约资源、环保等方面看，废料回收及再生利用是时代的要求。目前，我国镁行业在镁合金废料回收及再生利用领域还没有形成完善的标准和再生体系，一般由镁合金厂或压铸厂自行回收解决。随着镁合金应用的不断发展，镁合金废料量也越来越大，镁合金废料回收及再生产业的闭环发展必将要提到议事日程上来，如图2所示。

图2 镁产业链废料回收及再利用闭环发展

镁合金废料直接重熔将显著增加产品的杂质含量，进而影响其性能。随着对镁合金加工产品的要求越来越高，未来将由专业化的处理厂按照严格的工艺规范进行镁的回收及处理，以去除分型剂、氧化物和金属杂质等不纯物，使废料的品质经回收再生后达到再利用合金锭的水准，这往往是衡量镁行业是否具有国际竞争力的重要因素。

对于镁废料的回收及再生利用，今后研究开发工作的重点是：

1）开发有效的杂质去除技术和建立质量评价体系。

2）开发从复合材料和异种材料组合的废料中分离金属的技术。

3）建立更广泛的废弃料分级及经济回收的社会体系。

除了回收再生，也可使用废料来制造泡沫镁合金材料。泡沫材料具有特殊压缩性能，因此是极佳的吸振轻量化材料，例如汽车保险杠内的填充材料。发泡合金对于材料的品质要求较低，是镁合金废料再利用的其他出路。

建立有效的镁合金轻量化设计手段和产品数据库

对于镁合金轻量化技术，在研发阶段需要材料、加工、设计等方面的专业人才密切协作，将多学科、多种技术融为一体，开展轻量化成本与性能收益平衡的系统研究，以获得更广阔的发展空间。

我们在追求汽车轻量化效果的同时也不能忽视产品的性价比，而产品性价比取决于轻量化材料的价格、成形加工成本以及由材料性能决定的减重潜力，需要随着发展不断更新材料及工程参数，见表1。

表1 不同材料与钢成本相比的性能成本指数

*PCI是材料的性能成本指数，相对于材料机械、物理性能的成本量，值越大成本越高。

在汽车轻量化设计中，在满足使用性能要求的前提下，需要综合评估材料价格和工艺（包括成形、机加、涂装、连接、腐蚀防护及装配等）成本与整体减重效果的关系，即要考虑轻量化后的整体技术经济特征，在新材料替代原有材料时这方面的工作非常重要。在基于镁的产品设计时，除了材料本身的物性参数，还需要不断完善常用材料在性能、成形加工、工艺设计以及制造特征等方面的数据库，以对不同材料的使用效果综合对比，见表2～表4。

表2 凸轮/阀盖应用的不同材料各方面性能全面综合比较

表3 镁、铝和塑料的设计参数及制造特征比较

表4 材料达到与钢相同的弯曲刚度及弯曲强度的设计参数

综上所述，镁合金在汽车领域的应用必须要从系统整体出发，对汽车轻量化展开系统性考量与实践，从车身轻量化设计、零部件轻量化设计、造型轻量化设计等方面，对汽车的轻量化策略进行探讨。

在现代汽车工业中，CAE 技术是汽车轻量化设计的重要手段。利用CAE技术，可以对汽车的零备件及整体结构进行优化处理，以提高汽车的轻量化水平。结合参数化模型的构建与优化、拓扑优化、断面优化、成型性与材料利用率的优化，对提高汽车的轻量化水平、稳定性、安全性、强度及刚度，降低生产成本、材料成本、高动力经济性等都有非常积极的作用。

关于我国镁产业发展的其他建议1.组建具有国际竞争能力的企业集团和现代化专业工厂

当前，国内镁企业大多实力不强，很少能直接参与国际市场竞争，一个重要原因就是镁行业中的生产企业小而分散、条块分割和各行其事，造成了财力、物力和人力的耗散。镁行业未来需要更多的企业是技术装备先进、具备完整的加工体系、能提供大批量高质量产品的工厂或大型企业集团，以形成在国内行业中起骨干主导地位和在国际上有强大竞争能力的规模经济。

2.开发大型高速、连续、自动化、高精化和智能化的工艺装备

建立高效、优质、高产、现代化专业工厂或集团的前提是配置大型、高速、连续、自动化、高精化和智能化的工艺装备，而这正是当前镁行业的短板。

3.开发高效节能、低成本、短流程以及提高产品精度和性能的新工艺新技术

在合金制备方面，开发专题主要有以下几点。

1）集中熔化、快速连续熔化、无溶剂熔化新工艺新技术。

2）熔体处理关键技术，包括：组织控制技术、微量元素控制技术、熔体净化技术。

3）现代化的炉前检测技术、设备及标准。

在挤压方面，提高材料利用率、挤压精度、挤压生产效率是镁挤压领域亟待解决的问题。挤压工艺装备要向大型化、现代化、精密化和智能化方向发展。镁合金的等温等速挤压、快速连续挤压、半固态挤压、短流程挤压等新技术、新工艺也将提到议事日程。

当前的轧制工艺使镁合金板带价格居高不下，在很大程度上制约了镁合金板带的推广与应用。因此，低成本的镁板带生产新技术和新工艺的研究开发是镁行业的当务之急。中国镁板带的消费量达到5万t/年，全世界的达到15万t/年时，以铸轧带坯为原料的全尺寸(full size)卷-卷可逆式温轧生产技术是未来理想的选择。当难燃镁合金板的价格降到约为铝材的1.8倍，零部件的制造成品率几乎与铝相当，这样的镁加工材就可以在轻量化材料领域与铝材展开竞争。

4.开发适应汽车工业发展的新合金和新材料品种

在汽车领域，未来的镁合金零部件会向着高精度、高性能、低成本、有利于环境保护与资源综合利用等方向发展，从而对镁合金材料也提出了更高的要求。随着铸造工艺向着多元化方向发展，各种铸造镁合金将向着提高合金纯度、综合性能等方向发展。镁合金塑形加工难度大于铝合金、加工成本高，开发高性能、高纯度、加工性良好、难燃的系列变形合金是镁合金加工材在汽车领域大量应用的一个亟待解决的挑战性课题。

结语

汽车轻量化已成为汽车行业未来发展的必然趋势，作为最轻的工程结构金属材料，镁合金材料的应用还存在着诸多有待突破的“瓶颈”问题，这就需要汽车行业和镁行业的多方力量密切合作，加大研发力度，共同推进汽车轻量化的工业化发展进程。