新材料与工艺手册

新能源汽车镁合金零部件开发及应用趋势

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发表于 2011-6-24 21:55:15 | 显示全部楼层 |阅读模式

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1990年以来,镁在汽车中的应用就一直以较快的速度增长,汽车用镁正以年均20%的增长速度迅速发展,镁合金已成为汽车材料技术发展的一个重要领域。目前,国内外各汽车企业正致力于研究占车重比例大的车身(约30%)、发动机(约18%)、传动系统(约15%)、行走系统(约16%)、车轮(约5%)等钢或铝零部件的镁合金化。
1 镁合金材料的特点和在汽车中应用的优势

镁的密度为1.74 g·cm-3,仅为铝的2/3,见表1。镁晶格具有密排六方体点阵,其滑移系数较小,冷变形较困难。当温度升高至250 ℃以上时,变形较容易,同时具有较好可塑性。通常镁合金元素有铝、锌、稀土元素、银、锂、锆、锰及镍等,合金元素常起到固溶强化、沉淀强化、微晶强化和提高耐热性作用。
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镁合金在汽车中应用的优势如下。
a.质量密度小。镁合金的质量密度一般在2 g/cm3左右,比铝材轻36%,比锌合金轻73%,比钢轻77%。在汽车上使用镁合金可在很大程度上减轻汽车自身质量。
b.减振性能好。镁合金具有很高的阻尼容量和良好的减振性能,可承受较大冲击振动,性能优于铝和钢,适于制造承受冲击载荷和振动的零部件,使汽车行驶更加平稳和安全、舒适。
c.比强度和比刚度高。在相同质量条件下,镁合金具有更高刚度。镁合金质量比钢和铝合金轻,比强度高于铝合金和钢,比刚度接近铝合金。
d.铸造性能好。镁合金具有良好的铸造性和尺寸稳定性,易加工且废品率低,从而可以降低生产成本。
e.熔点低。镁合金的熔点和比热容较低,熔化时耗能较少,凝固速度快,动力学粘度低,铸造充型性好。
f.回收利用性好。镁合金可以从废品、废料的再生资源中获得,可进行100%的回收利用,且由于镁熔点低,回收再利用的耗能也更少,其再生比塑料和铁等其他材料的再生所需要的能源用量少。
g.镁资源丰富。我国镁的蕴藏十分丰富,菱镁矿资源占全球总量的22.5%,储量巨大的白云石矿和青海的盐湖,也含有十分丰富的镁资源,见表21999年,我国原镁产量达到12t,首次超过美国,成为世界上第一大镁生产国,年总产量占全球产量的60%左右。
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2 镁合金在汽车轻量化技术中的应用与开发

2.1 镁合金材料在汽车中的常规应用
20世纪20年代,德国率先把镁合金应用于汽车制造业;50年代至60年代,德国大众公司的甲壳虫汽车大量使用镁合金作为结构零件。此后,欧美汽车制造企业纷纷应用镁合金零部件。
目前,北美是汽车用镁量最大的地区,其次是欧洲,表3列出了欧美一些汽车厂家采用镁合金制造的汽车零部件。美国汽车业已广泛使用镁合金压铸件,以美国曾经的三大汽车公司为例,福特公司采用了30个镁合金压铸件、通用公司45个、克莱斯勒20个,单车用镁合金20~40 kg。就镁合金在汽车上的应用而言,日本要落后于欧美国家,最早仅限于气缸盖、座椅架、仪表板等。但近年来发展迅速,如丰田公司开发使用了镁合金转向盘、轮毂,之后又推出了前排座椅为镁合金骨架的网状结构。
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我国汽车工业用镁较晚,多处于研究开发阶段。上汽率先将镁合金用于桑塔纳轿车的变速器壳体、壳盖和离合器外壳;一汽已试制开发发动机罩盖、离合器壳、齿轮室和齿轮盖等小批量样件;二汽镁合金研发体系也已形成,近期投产的6308001600镁合金压铸件生产线,可批量生产载重车的变速器上盖、脚踏板、真空助力器隔板、制动阀体等16种零件,并已大批量装车进入市场销售。
总而言之,镁合金多以压铸件形式应用于汽车中,约占全球镁合金压铸件产量的80%左右。2005年,全球汽车镁合金压铸件由1995年的5.6t增加到16t。镁合金压铸件主要用来取代铸铁、铝合金、塑料和钢制冲压焊装组合件等。
镁在汽车中应用的下一目标是发动机等动力系统零件。为适应发动机零件工作温度较高的需要,近年来欧美等国家先后开发出了AEMg-Al-CaMg-Al-Ca-ReAJ系列和ZAC8506等高强度抗蠕变镁合金,以及MRI201SMRI202SMRI203S等高温镁合金。最近,正在开发或已开发成功的新型镁合金还有耐蚀镁合金、阻燃镁合金、高强高韧镁合金和变形镁合金等。
变形镁合金在车身上的应用也具有很大的潜力,主要用于车身组件(车门、行李箱、发动机罩盖等)的外板、车门窗框架、座椅框架、底盘框架、车身框架等。变形镁合金主要有Mg-Al-Zn系合金(AZ31CAZ61AAZ80A)和Mg-Zn-Zr系合金(ZK60)两大类。
2.2 上汽新能源汽车镁合金零部件的开发应用
为贯彻落实国家能源主战略,推进上海新能源汽车发展,实现中国汽车工业“十一五”发展规划提出的2010年目标,培养和加强上汽在新能源汽车新技术方面的创新、设计和开发能力,同时使上汽掌握汽车开发新技术,并引领国内乃至世界汽车业发展,200810月,上汽新能源汽车事业部立项实施“汽车轻量化技术开发”项目,并获得上海市科委重点攻关项目和上海汽车工业科技发展基金会产、学、研项目的支持。
该项目以荣威750燃料电池车为平台,采用多种轻量化技术对整车进行改制,改制后的轻量化样车将较原型车减轻质量7%~10%。车身和底盘中多个零件采用镁合金材料替代是该车轻量化技术之一,其中包括仪表板骨架(CCB)、副驾驶与后排座椅骨架、前副车架、后副车架、轮辋及前舱支架等,各零件的轻量化技术方法如下。
1)镁合金仪表板骨架(CCB
原型车中CCB骨架为钢件焊接而成,在轻量化设计时,以满足原件功能并保证装配面及孔位置不变为原则,对构成仪表板骨架的所有部件均采用镁合金材料进行替换。镁合金CCB骨架主要采用挤压和弯曲的制造工艺,各镁合金件间采用氩弧焊连接工艺。由于镁合金和钢之间直接接触会产生腐蚀,因而在CCB骨架与车身或仪表板周围连接件连接时,采用钢质渗铝螺栓,可以防止腐蚀发生。
轻量化的镁合金CCB骨架质量1.957 kg,与原钢件相比减重64.7%,数模见图1
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2)镁合金副驾驶座椅骨架
原副驾驶座椅骨架为钢件,由靠背骨架、座垫骨架及滑轨组成。受到原型车改制的局限,并依据轿车座椅的法规要求,为满足原车性能要求,本项目中的副驾驶座椅骨架的镁合金替代仅限于靠背骨架。该骨架主要采用挤压、弯曲和冲压工艺制造,镁合金件之间采用氩弧焊连接,不同材料零件之间采用结构胶粘接并用铝螺栓增加连接的可靠性。
轻量化后的镁合金副驾驶座椅骨架质量为11.62 kg,与原件相比减重9.2%,其中靠背骨架质量为1. 24 kg,与原钢件相比减重48.8%,数模见图2
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3)镁合金前、后副车架
为使镁合金前、后副车架的强度、位移、动态刚度达到原始副车架的水平,对原结构进行了改进设计。采用楔形加强筋、局部增加纵向加强梁和局部增厚等结构进行设计,经过有限元验证分析,新设计的镁合金前、后副车架的强度、位移、动态刚度达到了原始前、后副车架的设计水平。镁合金前、后副车架主要工艺为挤压、弯曲、整形,采用分段制造、环形焊和角焊连接,支承套橡胶内衬在焊装完成后压入,与轿车本体联接时采用螺栓并增加复合材料垫圈进行联接。
轻量化后的镁合金前、后副车架质量分别为22.98 kg3.546 kg,与原钢件相比分别减重52.42%64.04%,数模分别见图3a、图3b
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4)镁合金轮辋
镁合金轮辋采用铸造工艺,见图4a。根据镁合金的铸造工艺要求,轮辋小辐条根部需要挖深,挖深的位置见图4b。镁合金车轮达到原车性能要求,弯曲疲劳与径向疲劳最大应力均小于材料的疲劳强度110MPa,寿命大于107次。
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轻量化后的镁合金轮辋质量为7.9 kg,与原铝合金轮辋相比减重达到33%


 楼主| 发表于 2011-6-24 21:55:31 | 显示全部楼层
3 镁合金材料在汽车中应用的制约因素
虽然汽车业用镁量呈现出不断增加的趋势,但是镁合金在汽车上的应用还相当有限。目前,汽车制造的主要材料仍然是钢,其次是铝。导致镁合金应用受到制约的因素如下。
a.镁合金自身的某些性能不够好,如耐腐蚀性和高温蠕变性等。
b.镁合金的低温工作能力及屈服极限有限,镁合金加工需要加温,成形工艺复杂,且需要较为严格的安全措施,其制造和再生的工艺性都不如铝,因此它在汽车上的利用价值没有铝高。
c.镁合金的品种规格有限,汽车用的镁合金品种及牌号不多,尤其是板材与型材缺乏。高性能的镁合金其研究开发的成本极高,而且镁合金的基础数据积累不够,缺少统一的检测标准和系统的力学性能测试,在腐蚀、热膨胀及模具设计等方面的数据也不足,因而增加了零件设计的难度,并导致成本增加。
d.镁合金生产加工过程中的环境问题也是制约因素之一。镁合金加工成本和能耗都很大,且在冶炼时使用SF6气体保护会产生很强的温室效应,是CO2产生温室效应的24900倍,环境污染严重,因而制约了它的应用。但该材料在回收过程中能耗较小,如果充分回收各种切削和报废件,可减少能耗。
利用“生命周期评估”理论对镁零件从原材料生产到汽车报废整个生命周期过程对环境的影响进行评价后发现,镁所占比重较大的汽车使用初始阶段对环境的影响比较显著,然而因镁的密度小,大幅减轻汽车的质量,使油耗更小,当行驶里程超过4km以后,它则具有明显的优越性。因一般汽车行驶里程都将超过10km,因而从全生命周期的角度来看,镁合金是绿色环保材料,是汽车减重最具潜力的轻质材料之一。
4 镁合金在汽车工业中的产业化应用前景
随着人们对环境保护意识的增强,绿色产品市场迅速壮大。镁合金作为21世纪令人瞩目的绿色工程材料,成为各国企业投资和研究的热点,也成为供应商投资开发的着眼点之一。目前,我国正在进行汽车产品的结构调整,低排放、低污染、节能的绿色环保汽车逐渐成为主旋律。
综上所述,在未来的发展中,镁合金除了在目前的应用领域(如车轮、发动机气缸盖及进气管、变速器等)继续改善其性能并拓展其在不同轿车车型中的应用之外,在一些大型铸件上,也将拓展其应用范围,如顶盖、发动机罩盖、后备箱盖、内门板及框架、仪表板等。目的是不仅减轻质量,而且可以使几个零部件优化设计成一个镁合金铸件,节省加工工具的成本,提高装配效率,因此为镁合金的发展提供了新的机遇。另外,其他的需要安全及高断裂韧性的零部件,如座椅框架、转向柱、车身保护板、散热器格栅加强板、副车架及一些车身结构支撑件等,也将成为镁合金正在并将继续深入拓展应用的领域。
为推动镁合金的开发应用,结合社会发展和环境保护的需要,在国家层面上也制定和推行了一系列法规和标准。欧洲推出了汽车燃油油耗标准,日本在环境法规建设方面制定了家电回收法等。这些法规与标准既保障了社会和公众的利益,又有利于促进镁合金产品的开发与应用。中国也推行欧洲III号汽车排放标准,同时制定“家电回收法规”等,这些环保政策的实行,无疑将对机动车的减重降耗、减少废气排放产生积极的促进作用,也将有力地促进镁合金材料开发应用,形成法规驱动机制。
未来几年,镁消费将会持续保持较快增长态势,预计西方国家对镁的消费量仍将以每年10%左右的速度稳定增长,到2010年镁消费量有望超过65t。从地区发展来看,亚洲、欧洲将是镁消费增长较快的区域,特别是亚洲,在中国30%左右高增长速度的带动下,亚洲将成为全球镁消费最大的地区。从行业来看,压铸行业将是镁消费的主要增长点,如果以年均增长率10%计算,2010年,该领域的镁消费量将超过25t。如果镁压铸件能大量应用于汽车,则该数字将非常可观。
5 结束语
虽然镁合金用于汽车零件有自身的局限性,但是镁合金具有其他材料无可替代的密度和比强度、比刚度优势,具有优异的回收再利用性,以及良好的铸造及尺寸稳定性、抗振阻尼特性等,是汽车轻量化技术中替代钢材、铝材、塑料复合材料的理想和首选的材料。我国镁资源蕴藏丰富,适于大力发展镁合金产业。依据目前镁合金在汽车中应用开发情况,镁合金材料势必将形成产业化并广泛应用于汽车工业。
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发表于 2012-7-3 07:49:35 | 显示全部楼层
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发表于 2017-2-14 20:56:22 | 显示全部楼层
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发表于 2017-4-15 20:03:12 | 显示全部楼层
轻量化后的镁合金轮辋质量为7.9 kg,与原铝合金轮辋相比减重达到33%。
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