鎂合金在汽車上的應(yīng)用簡介

1、鎂合金在汽車上的應(yīng)用簡介節(jié)能、環(huán)保、安全是當今世界汽車工業(yè)關(guān)注的主要話題，汽車輕量化技術(shù)是實 現(xiàn)這一目標的重要途徑。研究表明，車重每減輕 10%油耗可降低6%-8%。車身質(zhì) 量占整車質(zhì)量的40%所以車身的輕量化對于整車的輕量化起著舉足輕重的作用。汽車輕量化的實現(xiàn)主要有二種途徑：一是優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計；二是使用輕量化材料。 前者經(jīng)過不斷研究開發(fā)，日趨完善，空間已相對狹窄。后者隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和 新材料的不斷涌現(xiàn)，為汽車輕量化開辟了廣闊的空間。輕量化材料是指可用來減輕 汽車自重的材料，可分為兩大類：一類是高強度材料，如高強度鋼板；另一類是低 密度的輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、塑料和復(fù)合材料等。輕量

2、化材料對汽車工業(yè) 的可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義，它不僅關(guān)系到車輛的節(jié)能、減排、安全、成本等諸 多方面，而且汽車輕量化材料的應(yīng)用對世界能源、自然資源和環(huán)境保護具有深刻的 影響，它已成為汽車材料技術(shù)發(fā)展的主導(dǎo)方向。國外近幾年在汽車上的應(yīng)用，以年平均25%的速度快速增長。據(jù)資料介紹，汽 車上有60多種零部件可以采用鎂合金生產(chǎn)，我國經(jīng)過“十五”和“十一五”科技攻 關(guān)，也有20余種汽車零部件可以采用鎂合金生產(chǎn)。如儀表盤骨架、座椅骨架、進氣 歧管、賽車車輪、支架、轉(zhuǎn)向盤骨架、缸體、殼體類零件等，目前鎂合金件正向著 大型集成化發(fā)展。一、鎂合金的特點鎂合金是一種輕合金，熔點為650Eo金屬鎂及其合金是工程應(yīng)用中

3、最輕的金屬 結(jié)構(gòu)材料，純鎂的密度僅為1.738g -cm-3，而常規(guī)鎂合金如AZ91密度也只是1.81g -cm-3， 約為鋁的2/3，鋼的1/4，接近工程塑料的密度2，因此將鎂合金應(yīng)用在汽車領(lǐng)域中 可極大地減輕結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量。鎂在元素周期表中屬U A族堿土金屬，元素符號Mg英文名稱Magnesium，原子 序數(shù)12,原子量24.31，常見化合價+2,其電子殼層結(jié)構(gòu)為1s22s22p63s2,熔點648.8 E， 沸點1090E，原子半徑0.172nm,離子半0.072(+2)nm。鎂晶體為密排六方結(jié)構(gòu)，配 位數(shù)為12，25E時晶格常數(shù)為a=0.3202nm, c=0.5199nm,晶胞的軸比c

4、/a=1.6237， 原子間d1=0.31906、d2=0.32030?；葡禂?shù)較小，冷變形較困難，當溫度升高到250E 以上時，鎂合金的變形較容易，同時具有較好的可塑性。高純鎂具有良好物理性能 以及耐腐蝕性能，但是由于其力學(xué)性能差，生產(chǎn)純鎂的生產(chǎn)成本高，在工業(yè)生產(chǎn)和 結(jié)構(gòu)使用中純鎂受限，所以在純鎂中加入：鋁、鋅、鋯、錳及微量元素鎳等，它們 在鎂合金中起到固溶強化、沉淀強化、細晶強化、提高耐熱性等作用，可以作為結(jié) 構(gòu)材料廣泛應(yīng)用。二、鎂合金在汽車板的應(yīng)用優(yōu)勢與其它金屬相比鎂合金具有很多性能優(yōu)勢：（1）密度小，常用金屬中最輕的金屬 例如AZ91鎂合金的密度是1.81g cm-3， 約為鋁的2/3

5、，鋅的1/4，不到鋼或鑄鐵的1/4，接近工程塑料的密度。對于含 30% 玻璃纖維的聚碳酸酯復(fù)合材料來說，鎂的比重也不超過它的10%因此鎂合金的使用可有效減輕汽車的質(zhì)量。表一為幾種金屬的密度對比表1幾種常用金屬密度金屬名稱密度（g/cm3）與鎂比Mg1.7423Al2.7135Ti4.5058Zn7.1390Fe7.87100（2）比強度高 抗拉強度、屈服強度、伸長率與鋁合金鑄件相當。從設(shè)計者的 立場考慮，密度小的金屬若不具有高強度，將沒有意義。實驗顯示，鎂合金的比強 度比鋁合金和鋼高。因此在不降低零部件強度條件下，鎂合金鑄件比鋁鑄件的重量 減輕大約25%幾種常用的鎂合金性能見下表 2。表2常用

6、鎂合金的性能合金抗拉強度MPa拉伸屈服強度MPa拉壓屈服強度Mpa延伸 率彈性模量GPaAM60A205115115645AS21X12401301309AS41A,XB220150150445D230150165345A350325160471（3）熱傳導(dǎo)性好 具有良好的耐腐蝕性能、電磁屏蔽性能、 防輻射性能，可進 行高精度機械加工，且熱傳導(dǎo)性好，雖然鎂合金的導(dǎo)熱系數(shù)不及鋁合金，但是比鋼 高近1倍，比塑料材料高10倍。因此鎂合金已廣泛用于壓鑄汽車輪轂上， 可有效散 發(fā)制動摩擦熱量，提高制動穩(wěn)定性。(4) 良好的焊接和鑄造性能鎂合金的熔點、比熱容和相變潛熱比鋁合金低，融化耗能較少，固化速度快，

7、動力粘度低具有良好的壓鑄成形性能和尺寸穩(wěn)定性， 壓鑄件生產(chǎn)周期比鋁合金短，易形成薄壁結(jié)構(gòu)件，壓鑄件壁厚最小可達0. 15 mm鎂與鐵的親和力小，固溶鐵的能力低，不易粘模，鑄模壽命比生產(chǎn)鋁合金高2, 3倍，適合制造各類汽車壓鑄件。(5) 對振動、沖擊的吸收性能好 具有良好的阻尼系數(shù)，鎂合金對振動能量的 吸收能力強，消震性能優(yōu)于鋁合金和鑄鐵，用于驅(qū)動和傳動部件上可以降低噪聲，用于座椅、輪圈、方向盤可以減少振動，在汽車發(fā)出碰撞后很好地吸收沖擊能量， 提高汽車的安全性和舒適性。(6) 抗凹陷性能好 鎂合金與其他金屬相比抗變形能力強，由沖擊而引起的凹 陷小于其它金屬。(7) 易于機械加工 鎂合金非常易于

8、機械加工，在無冷卻液、無潤滑劑的情況 下能實現(xiàn)高負荷加工，得到光潔的加工面，衡量機械加工的指標之一是動力消耗量。 表3是以鎂合金為1的情況下，各種合金機械加工時的動力消耗量比較。由表 3可 知鎂合金具有良好的機械加工性。表3機加工時動力消耗量比較合金種類動力消耗量之比合金種類動力消耗量之比鎂合金1.0鑄鐵3.5鋁合金1.8軟銅6.3黃銅2.3鎳合金10(8) 易于回收再生?；厥盏逆V合金可直接熔化再進行澆鑄，且不降低其力學(xué)性 能。鎂合金同其它金屬相比，熔點低，比熱小，在再生溶解時所消耗的能源是新材 料制造所消耗能源的4%此外，鎂合金的電磁波屏蔽性好，外表美觀。更為重要的是，鎂是自然界中分布最廣的

9、元素之一，約占地殼質(zhì)量的2.35%,列第八位，僅次于 O Si、Al、Fe、Ca Na、K,由于鎂本征化學(xué)性質(zhì)活潑，在自 然界中主要以化合物的形式存在，在陸地上的含量為1.930%，海水中的含量為0.42%，達2.1 X 1015t。我國是世界上鎂礦資源最富有的國家。主要含鎂資源包括菱 鎂礦：資源總量31.45億t，居世界首位；白云石：資源總量約40億t ;鹽湖鹵水:柴達木盆地鎂鹽保有儲量48.15億t4。豐富的鎂礦資源為我國鎂產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展 提供了最可靠的資源保障。相反，鐵礦及鋁礦資源則相對貧乏一些。已探明世界儲 量的鐵礦石與鋁土礦的可采儲量保障年限只有約70年和50年。我國的鐵、鋁資源更

10、加貧乏，儲量僅占世界比例18.7%和2.3%,可采儲量保障年限分別在30年左右和 10年以下。從污染角度講，鋼鐵的質(zhì)量密度大，消費量大，其制品在使用過程中易造成高 能耗和污染排放；鋁雖為輕質(zhì)材料，但僅鋁電解一個工藝環(huán)節(jié)的電耗就占到整個有 色工業(yè)的90%，并也間接導(dǎo)致高污染排放。而被冠以“ 21世紀綠色結(jié)構(gòu)材料” 美譽的金屬鎂在這些方面則相對好一些。據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2008年1-8月份全國共產(chǎn)原鎂44.89萬噸, 同比增長16.8%。需要說明的是，由于受到國際各種金屬材料的影響，剛才價格的 上升，使鎂合金成本方面的劣勢進一步減小，鎂合金的綜合優(yōu)勢進一步明顯。因此，對于盛產(chǎn)鎂合金資

11、源的中國來說，中高檔轎車采用鎂合金制作汽車零件也就更加彰 顯優(yōu)勢了。三、鎂合金的新發(fā)展盡管鎂合金在汽車上的應(yīng)用具有其它金屬不可比擬的優(yōu)點，但在過去幾十年中， 由于價格和生產(chǎn)技術(shù)方面的原因，鎂合金一直未得到廣泛應(yīng)用，近年來隨著鎂價格 逐漸下降，使鎂合金在汽車中全面應(yīng)用逐漸成為可能，世界范圍內(nèi)各主要汽車生產(chǎn) 國不斷加大在鎂合金開發(fā)和應(yīng)用技術(shù)研究上的投入，從而一些新技術(shù)相繼問世。1.耐蝕鎂合金鎂合金的耐蝕性的問題可通過 2個方面來解決： 嚴格限制鎂合金中的Fe、 Cu Ni等雜質(zhì)元素的含量。例如，高純 AZ91HPB合金（Mg Al、Zn）在鹽霧試驗 中的耐蝕性大約是AZ91C鎂合金（Mg Al、Z

12、n）的100倍，超過了壓鑄鋁合金 A380（Mg Al、Zn）比低碳鋼還要好。對鎂合金進行表面處理。根據(jù)不同的耐蝕性要 求，可選擇化學(xué)表面處理，陽極氧化處理、有機物涂覆、電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂等 方法處理。例如，經(jīng)化學(xué)鍍的鎂合金，其耐蝕性超過了不銹鋼。2耐熱鎂合金耐熱性差是阻礙鎂合金廣泛應(yīng)用的主要原因之一。當溫度升高時，鎂合金的強度和強蠕變性能大幅度下降，使它難以作為關(guān)鍵零件（如發(fā)動機零件）材料 在汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用。耐熱鎂合金的研究與開發(fā)主要圍繞新合金研究和改善 現(xiàn)有鎂合金的高溫性能兩個方面進行。Mg-AI-Si （AS）系合金是德國大眾汽車公司開發(fā)的壓鑄鎂合金。當在175C 時，AS41合金

13、的蠕變強度明顯高于 AZ91 （Mg Al、Zn）和AM60（Mg Al、Zn） 合金。20世紀80年代，國外致力于利用 Ca來提高鎂合金的高溫拉強度和蠕變性 能表現(xiàn)良好。日本東北大學(xué)采用快速凝固法制成的具有100-200nm晶粒尺寸的高強鎂合金，強度為超級鋁合金的3倍，并具有超塑性、高耐熱性和高耐蝕性。 3阻燃鎂合金鎂合金在熔煉燒鑄過程中易發(fā)生劇烈的氧化燃燒。上海交通大學(xué)輕合金精密 成型國家工程中心通過同時加入幾種元素，開發(fā)了一種阻燃性能和力學(xué)性能均 良好的轎車用阻燃鎂合金，成功進行了轎車變速箱蓋的工業(yè)試驗。4 高強高韌鎂合金現(xiàn)有鎂合金的常溫強度和塑韌性均有待進一步提高。在Mg-Zn和Mg-

14、Y合金中加入Ca Zr可顯著細化晶粒，提高其抗拉強度和屈服強度；加入 Ag和Th能 夠提高Mg-稀土-Zr合金的力學(xué)性能，如含有Ag的QE22A合金具有較高的室溫 拉伸性能和抗蠕變性能。5 變形的鎂合金雖然目前鑄造鎂合金產(chǎn)品用量大于變形鎂合金，但經(jīng)變形的鎂合金材料可獲得更高的強度、延展性及更多樣化的力學(xué)性能，可滿足不同場合結(jié)構(gòu)件的使用 要求。因此開發(fā)變形鎂合金具有長遠的發(fā)展趨勢。美國成功研制了各種系列的變形鎂合金產(chǎn)品。通過擠壓和熱處理得到的Zk60（ Mg Al、Zn）高強變形鎂合金，其強度及斷裂韌性相當于失效狀態(tài)的AI7075（Mg、Al、Zn）或 AI7475（ Mg Al、Zn）合金。而

15、采用快速凝固（RS、粉 末治金（PM和熱擠壓工藝開發(fā)的 Mg-Al-Zn系EA55RS變形鎂合金，成為迄今 報到的性能最佳的鎂合金，其性能不但超過常規(guī)鎂合金，比強度甚至超過7075鋁合金（Mg Al、Zn）,并具有超塑性（300C, 436C）,腐蝕速率與 2024-T6 合金（Mg Al、Zn）相當，成為先進鎂合金材料的典范。日本最近開發(fā)出超高 強度的Mg-丫系變形鎂合金材料，可冷壓加工的鎂合金板材。6 鎂合金成形技術(shù)鎂合金成形分成變形和鑄造兩種方法，當前主要使用鑄造成形工藝。壓鑄是 應(yīng)用最廣泛的鎂合金成形方法。近年來發(fā)展起來的鎂合金壓鑄新技術(shù)有真空壓 鑄和充氧壓鑄，前者已成功生產(chǎn)出 AM6

16、0B鎂合金（Mg Al、Zn）汽車輪轂和方 向盤，后者已用于生產(chǎn)汽車上的鎂合金零件。鎂合金半固態(tài)觸變鑄造（Thixo-Molding、成形新技術(shù)近年來受到美國、日 本和加拿大等國的重視。與傳統(tǒng)壓鑄相比，觸變鑄造無需熔煉、澆鑄及氣體保 護。生產(chǎn)過程更清潔、安全和節(jié)能。但目前可供使用的半固態(tài)鑄造鎂合金材料 相對選擇性小，需要進一步發(fā)展適用于半固態(tài)鑄造鎂合金的鎂合金系列。其它正在發(fā)展的鎂合金鑄造成形新技術(shù)有：鎂合金消失模鑄造、擠壓鑄造、低壓鑄造結(jié)合法、擠壓鑄造、流變鑄造結(jié)合法和真空傾轉(zhuǎn)法差壓鑄造等。四、鎂合金在汽車上的使用部位自1970年中東石油危機以來，為減輕汽車質(zhì)量以降低油耗和污染，提高安全性

17、能，鎂合金材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用與日俱增。目前，汽車工業(yè)中鎂合金用量較多 的地區(qū)和國家主要是北美、歐洲、日本和韓國。綜合部分廠家的使用情況，到目前 為止，汽車上共有60多個零部件采用鎂合金：車內(nèi)構(gòu)件：儀表盤、座椅架、坐位升降器、操縱臺架、氣囊外罩、轉(zhuǎn)向盤、鎖 合裝置罩、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向柱支架、收音機殼、小工具箱門、車窗馬達罩、剎車與離 合器踏板托架、氣動托架踏板等。(2) 車體構(gòu)件：門框、尾板、車頂框、車頂板、IP橫梁等。(3) 發(fā)動機及傳動系統(tǒng)：閥蓋、凸輪蓋、四輪驅(qū)動變速箱體、手動換擋變速器、離 合器外殼活塞、進氣管、機油盤、交流電機支架、變速器殼體、齒輪箱殼體、油過 濾器接頭、馬達罩蓋、氣缸頭

18、蓋、分配盤支架、油泵殼、油箱、濾油器支架、左側(cè) 半曲軸箱、右側(cè)半曲軸箱、空機罩、左抽氣管、右抽氣管等。(4) 底盤：輪轂、引擎托架、前后吊桿、尾盤支架。鎂合金減速器外殼鎂合金減速器外殼采用壓鑄的方法制造，具有重量輕，噪音低的優(yōu)點輪轂采用鎂合金輪轂?zāi)苓_到輕量化的目的，與鋁合金輪轂相比，重量減輕30%左右同時還能提高汽車的使用性能。因此在賽車及某些高檔車上開始使用鎂合金輪轂。五、鎂合金應(yīng)用存在的問題。鎂合金是汽車上最具有潛力的結(jié)構(gòu)材料，21世紀將是鎂合金應(yīng)用飛速發(fā)展的時 代，以顯著的減重節(jié)能效果、優(yōu)良的可回收再生性、良好的鑄造及尺寸穩(wěn)定性和抗 震等特性，受到世界汽車工業(yè)的青睞。它是汽車輕量化中取代鋼鐵及部分鋁合金和 塑料的首選材料，同時我國鎂資源豐富，鎂合金的發(fā)展有可靠的原料來源。目前， 汽車上使用鎂合金件的量越來越大，但鎂合金應(yīng)用還存在一些問題。一是廢鎂回收 方法少，回收成本高。二是腐蝕問題。鎂是活潑金屬，很容易氧化和腐蝕，幾乎沒 有低成本的方法來保證穩(wěn)定的生產(chǎn)工序。三是鎂合金沒有足夠的性能數(shù)據(jù)庫。目前 鎂合金基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不夠，無負責(zé)收集整理和宣傳生產(chǎn)數(shù)據(jù)的機構(gòu)，無系統(tǒng)的力學(xué)性能 測試數(shù)據(jù)，在腐蝕、熱膨脹和模具設(shè)計等方面數(shù)據(jù)也不夠。因此，應(yīng)該建立充分的 鎂合金數(shù)據(jù)庫，設(shè)計出成本低、質(zhì)量好的部件。中國汽車工業(yè)應(yīng)緊跟世界汽車用材 的發(fā)展趨勢，大力開發(fā)鎂合金在汽車上的應(yīng)用。