镁合金在汽车轻量化上的应用前景分析

2015-4-7 21:34 1887 8 来自: 中国汽车报
简介
  一直以来,高强度钢、铝合金、工程塑料等轻量化材料广泛应用于汽车及汽车零部件制造的各个方面,而镁合金鉴于种种原因没有得到大力推广和使用,镁合金目前主要应用在发动机罩盖、方向盘、座椅支架、车内门板、变 ...
  一直以来,高强度钢铝合金、工程塑料轻量化材料广泛应用于汽车及汽车零部件制造的各个方面,而镁合金鉴于种种原因没有得到大力推广和使用,镁合金目前主要应用在发动机罩盖、方向盘、座椅支架、车内门板、变速器外壳等方面。
  数据显示,目前北美每辆汽车使用镁合金3.5kg,欧洲PASSAT和Audi A4上每辆车使用镁合金达到14kg,而国产汽车每辆用量平均仅1.5kg。专家预测,到2020年,欧美日汽车用镁合金的市场需求是77万吨,国内需求为5万~10万吨。“镁合金重量轻、吸震性能强、铸造性能好,自动化生产能力和模具寿命高、尺寸稳定,作为最轻的工程材料,镁合金不仅是最适合铸造汽车零部件的材料,也是最有效的汽车轻量化材料。”近日,重庆元和利泰镁合金制造有限公司总经理刘真在接受记者采访时表示。
  ■耐腐蚀性差、成本和废品率高是镁合金普及“拦路虎
  专家表示,汽车上可采用镁压铸件的领域大致可分为两大类:一类是以镁取代原来采用其他材料做压铸件的领域;另一类是直至目前还在采用焊接钢结构或铝板材料的场合。对于前者,最常见的是以镁压铸件替换铝压铸件,虽然两种材料有同等的铸造特性,但若全面衡量重量与成本因素,选用镁当然更加合理。
  我国是镁资源丰富的国家,资料显示,中国的镁资源总储量占全球的85%,位列世界第一位。不过,我国在镁资源利用方面却远远不够,专家表示,在汽车、国防、体育等镁合金产品的生产应用方面落后国外几十年。“实际上,镁合金在汽车领域已经有了很多应用,比如现在全球62%的汽车方向盘都是用镁合金做的,它不仅质量轻,减振效果好,在发生意外撞击时对人的伤害更小。”刘真表示,在车轮、汽车防碰撞横梁等部位使用镁合金零部件来替代塑料件,在保证汽车安全性的情况下,对减轻汽车自身质量、降低汽车能耗的效果特别显著。
  但是,我们也看到镁合金制造汽车零部件确实存在压铸成本高、废品率高、存在安全生产隐患等问题。“镁是一种很活泼的元素,耐腐蚀性很差,我国在镁合金零部件抗腐蚀性方面的技术能力要差一些。”中国汽车工业协会顾问杜芳慈告诉记者,“另外镁在加工过程中,容易发生燃烧和爆炸,存在安全生产问题。这两个问题解决不了,镁合金在汽车上的应用会大受影响。”
  此外,刘真还告诉记者,目前国内很多汽车厂不敢使用镁合金是存在思想认识问题和迫于制造成本的压力,如果没有政策性的鼓励和严格的整车重量要求,短期内这种情况是无法改变的。
 
  ■工艺改进克弱点 规模普及待扶持
  任何一种材料在应用推广过程中都会遇到问题,但随着技术的进步这些问题都会得到解决。镁合金也不例外。杜芳慈和刘真对未来镁合金在汽车上的大规模应用充满信心。近年来,国内对镁合金深加工产业化的研究与应用已经有所发展,主要集中在汽车方向盘、中控支架及一些较小的零件,这些产品不暴露在外,因此就规避了镁合金表面处理的难题。
  重庆元和利泰是专注于镁合金汽车零部件的生产企业,与国内5所大专院校科研单位共同历时6年对镁合金深加工产业化进行了系统研究并掌握了多种方式的加工生产技术,2016年底将具备年产130万件镁合金汽车零部件及200万只镁合金轿车轮毂的生产能力。记者在参观重庆元和利泰时也发现,他们通过改进工艺、完善生产设备,已经解决了镁合金生产过程中易燃易爆和产品废品率高等问题,刘真告诉记者,现在重庆元和利泰可针对镁合金废料基本实现100%回收利用,这对降低镁合金零部件成本有很大作用。
  刘真还表示,其实只要通过一些生产工艺的改进就可以使镁合金零部件的生产成本降低。“镁合金从熔化至产品成型的过程中需要使用气体保护而铝合金不需要,熔化设备投入也略高于铝合金,而且镁合金铸造时温度低不易成型且零部件后期表面防腐处理费用也高于铝合金。”刘真表示,“但如果企业根据用量自行配置气体发生器将会很大程度降低用气费用。镁合金的铸造温度比铝合金低,冷却速度相应要快,而且在后序机加工环节镁合金易加工,切削速度快,镁合金防腐处理上可根据零件不同的使用条件要求以不同的方式处理。综上所述,镁合金生产综合成本仅高于铝合金5%左右。”
  英大证券的一份研究报告称,当镁铝价比小于1.3时,作为铝合金替代品的镁合金材料将会得到大量使用。此前,记者也通过采访了解到,目前国内镁合金在汽车上的应用以压铸件为主,压铸件工艺已较成熟,成本下降至应用临界点,但镁合金板带材市场不成熟,应用技术仍有待完善。
  刘真认为,当前欧美、日本等国对镁合金的推广和应用都有相应的支持,希望我国政府也能出台一些政策来支持和鼓励汽车企业在确保质量的前提下适度应用镁合金零部件,真正走上轻量化道路。“就像国家对新能源汽车大力扶持使得大批电动汽车企业研发蜂拥而上,如果国家对镁合金有对新能源汽车一半的扶持力度,镁合金汽车零部件的应用僵局也将会打破。”刘真感叹道。
  ■汽车内部构造
  虽然镁合金耐腐蚀性差,但是对于汽车内部构造来说,防腐不是主要考虑的问题,因此镁合金在汽车内部构造得到了比较广泛的应用,尤其是在仪表盘和转向结构中。据悉,第一只镁合金仪表盘支柱是由通用公司在1961年压铸生产,比使用锌合金压铸生产的同样部件节省了4kg材料。过去十多年间,采用镁合金压铸的仪表盘支柱取得了极大进展。
  镁合金在座椅上应用始于1990年代的德国,主要是奔驰公司在 SL Roadster中使用了镁压铸生产的带有三点安全带的座椅结构。与镁合金在仪表盘上的应用情况相似,近几年,采用镁合金设计、制造的座椅也经历了一个明显提高的过程。现在采用镁合金的座椅结构最薄可以达到2mm,大大减轻了重量。虽然其他材料如高强度钢、铝、复合材料等也得到使用,但是专家预测镁合金未来将会成为汽车座椅部件轻量化和具有成本效益的一个主要材料。
  车身
  虽然镁合金在车身应用中受限但是也得到了整车厂的应用。通用汽车在1997年引进C-5 Corvette 时,使用了整片镁合金压铸的车顶框架,此外,镁合金也被应用在凯迪拉克XLR 敞篷车的可伸缩硬顶敞篷车顶和顶部框架,福特F-150卡车和SUV也使用了有涂层镁铸件作为散热器的支架。在欧洲,大众汽车公司和奔驰已率先实现了薄壁镁合金铸件在车身面板中的应用。
  目前,提高镁合金在汽车车身结构上应用的一个项目就是由加拿大、中国、美国三国政府及USAMP(美国汽车材料联盟,克莱斯勒,福特和通用汽车公司组成的财团)资助的“镁前端研究与发展”项目。该项目汇集了来自美国、中国和加拿大国际范围的独特团队,并已开发出汽车用镁应用的一些关键技术和知识库。在这个项目中开发的技术和知识库,不仅有利于作为测试的前端结构的汽车用镁的应用,同时也促进原镁生产、零部件制造、基础研究以及先进计算工具的开发。
  ■底盘
  当前,铸造或锻造镁合金车轮已被用于许多高价位的赛车或高性能跑车。然而,相对较高的成本和镁合金车轮潜在的腐蚀问题阻止其在大批量生产车辆上的应用。
  未来,轻量化、低成本的镁合金底盘部件,如轮毂、发动机悬架以及控制臂等零部件的生产将依赖镁合金铸造工艺的大力提高,已经在铝合金轮毂和底盘部件上开发的各种铸造工艺经过改造后可以成功适用于镁合金。此外,低成本、耐腐蚀图层和新的具有抗疲劳和高冲击强度的镁合金开发也都将加速镁合金在底盘上的应用。
  ■动力总成
  动力总成的大部分铸造件如发动机缸体、汽缸盖、传动箱、油底壳等是由铝合金制成。目前,北美生产的皮卡和SUV已经镁合金变速器,大众和奥迪的镁合金手动变速器也在欧洲和中国大批量生产。
  当前,通过对镁强化的发动机原型进行的测功仪试验已经取得了有效的进展,这就意味着未来在动力系统中会有更多镁合金得到应用。美国汽车材料联盟镁动力系统铸件项目(MPCC)的目标是使镁合金能够完全替代V block en-gine发动机中的主要铝合金部件。该项目中气缸缸体成功实现了减重25%(全部铝铸件的29%被替换为镁铸件)


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