鎂合金在汽車工業(yè)應(yīng)用探究
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摘要：中國的鎂資源極其豐富，與其他金屬材料相比具有顯著的特性，被廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)和領(lǐng)域，鎂合金全部產(chǎn)量中有60%用在了汽車工業(yè)，并且呈現(xiàn)出增長趨勢。本文從鎂的特性入手，分析了其應(yīng)用于汽車工業(yè)的主要優(yōu)勢所在，通過闡述鎂合金在汽車工業(yè)的應(yīng)用情況，總結(jié)出未來一個時期內(nèi)，我國鎂合金產(chǎn)業(yè)將會處于一個新的變革時代，鎂產(chǎn)業(yè)將會實現(xiàn)規(guī)?；?、智能化、綠色化制造。
關(guān)鍵詞：鎂合金；主要特性；應(yīng)用優(yōu)勢；汽車工業(yè)
1鎂及鎂合金材料概述
1.1鎂的介紹
鎂是地球上儲量最豐富的輕金屬元素之一，鎂在地殼中的儲量在所有元素中排第8位，蘊藏量極其豐富，主要來源于白云巖、菱鎂礦、光鹵石、水鎂石、鹽湖、海水等，而全球范圍內(nèi)的鎂資源主要分布在中國，中國的鎂儲量產(chǎn)量高于其他國家，因此，便有了“世界鎂業(yè)看中國”的說法。鎂是一種具有延展性的輕質(zhì)金屬，密度為1.74g/cm3、熔點是648.8℃、沸點是1107℃，鎂的比重只有鋁的2/3、鋼的1/4、鈦的2/5。鎂合金則是以鎂為基礎(chǔ)加入其他相應(yīng)元素而形成的一種合金，根據(jù)其特性主要有阻燃鎂合金、高導(dǎo)熱鎂合金、耐熱鎂合金、高強高韌鎂合金、耐蝕鎂合金、超塑性鎂合金等，近年來儲氫鎂合金技術(shù)也逐漸成熟。
1.2主要特性
由于鎂的性能優(yōu)勢，被譽為“21世紀綠色工程材料”，相對其他金屬材料而言具有諸多優(yōu)勢。第一，密度小。鎂合金由于其輕量化特點很早就應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，密度為1.74g/cm3，比鋁、鋼、銅、鈦、錳、鎢等金屬都小。這一性能被廣泛應(yīng)用于手提產(chǎn)品及汽車的輕量化。第二，減震效果好。鎂合金是阻尼性能較好的金屬材料，有著極好的滯彈吸震性能，能夠吸收產(chǎn)生的震動與噪音，同時增強系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。第三，散熱效果好。鎂合金傳熱而本身又不容易發(fā)熱，具有高散熱性能，可將電子或電器產(chǎn)品內(nèi)部熱迅速散到外邊。第四，機械性能好。鎂合金比強度和比剛度性能優(yōu)于其他常用金屬材料，抗沖擊和耐凹陷性能好，當鎂合金鑄件受到外力時其表面形成的痕跡比其他金屬要小。第五，加工性能好。鎂合金的切削阻力小，約為鋁的1/3、鋼的1/10，能夠以很快的速度對材料進行機械加工，即使不使用切削液也可以保證表面光潔度。第六，電磁屏蔽性好。鎂合金能夠有效的阻隔電磁波，可屏蔽頻率的范圍廣泛，需防電磁干擾的產(chǎn)品非常青睞于鎂合金材料。第七，可循環(huán)利用。廢舊的鎂合金鑄件及邊角料可以直接熔化，再生使用而不影響其性能，廢料再生所耗能源僅為新材料的4%左右，對環(huán)境污染小，可重復(fù)利用。
1.3應(yīng)用領(lǐng)域
據(jù)查閱相關(guān)文獻，最早使用鎂材料是在德國，1906年在德國的國際航空展會上首次出現(xiàn)了鎂合金鑄造件，1936年鎂合金零部件應(yīng)用于德國產(chǎn)大眾系列“甲殼蟲”汽車，20世紀90年代以來，德國對鎂合金材料的研發(fā)生產(chǎn)領(lǐng)先于其他國家，奔馳、奧迪汽車對鎂合金材料的應(yīng)用取得重大突破。進入20世紀隨著工藝技術(shù)的完善，加之能源和環(huán)境問題的嚴峻性，在制造業(yè)領(lǐng)域鎂材料的優(yōu)勢日益明顯，鎂合金材料的應(yīng)用范圍越來越廣。很多行業(yè)和領(lǐng)域已經(jīng)或正在使用鎂合金材料替代傳統(tǒng)材料，并且呈增長趨勢，常見的有汽車、軍工、航空航天、化工、3C、物流、建筑、電池、生物醫(yī)療等行業(yè)，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在我國鎂合金下游領(lǐng)域的應(yīng)用中，汽車行業(yè)約占60%，3C行業(yè)約占25%，運輸、航空航天、化工等行業(yè)約占15%。
2鎂在汽車工業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢分析
近年來，根據(jù)鎂合金材料的發(fā)展和應(yīng)用情況，國家相關(guān)部門陸續(xù)出臺了一系列支持政策，進一步推進鎂合金行業(yè)的快速發(fā)展。在《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2019年本）》《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》《中國制造2025》等文件中，都有明確條款指出要加快鎂合金材料應(yīng)用或支持推廣輕量化材料的內(nèi)容。由于鎂合金材料與其他材料相比具有的明顯特性，在汽車工業(yè)方面的應(yīng)用優(yōu)勢比較顯著。
2.1鎂合金材料的輕量化
汽車的油耗水平60%以上與整車重量有關(guān)，節(jié)能減排首先要從減輕汽車重量入手。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，汽車自身的重量每減少100kg，則百公里油耗可減少約0.7L，汽車自重每降低10%，燃油效率可以提高5.5%，電動車整車重量若降低10%，則平均續(xù)航里程可相應(yīng)增加5～8%。燃油車每節(jié)約1L燃料可減少CO2排放量2.5克，每年至少可以減少30%以上的排放量，所以整車的輕量化成必然趨勢，而減輕整車自身重量優(yōu)先考慮到關(guān)鍵零部件的制造材料，鎂合金則是最佳選擇，汽車相關(guān)零部件用鎂合金替代鋁和鋼鐵。具體效果詳見表1。
2.2鎂合金材料的安全性
鎂合金材料在汽車行業(yè)應(yīng)用的安全性主要體現(xiàn)在其比強度和比剛度的特性上，鎂合金相對比強度高，比剛度與鋁合金和鋼的差別不大，但遠大于工程塑料，據(jù)相關(guān)記載，某機構(gòu)研發(fā)出一種超輕高強鎂合金Mg-14Li-7Al（LA147，wt.%），其比強度為～350kNm/kg，是其他所有工程合金無法相比的。在同等剛性條件下，1kg鎂合金的堅固程度幾乎等同于1.8kg鋁或2.1kg鋼的效果，汽車使用鎂合金材料制作的座椅、轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱等零部件后，極大了提高了行車的安全性、舒適性和操作性。
2.3鎂合金材料的阻尼性
良好的阻尼性是鎂合金材料與其他金屬材料相比具有的另一個明顯特性，它可以承受較大的沖擊震動負荷，其減震效果比鋁材料高出約20倍，在彈性范圍內(nèi)，當汽車鎂合金零部件受到外力沖擊時吸收的能量遠遠高出鋁，相關(guān)性能參數(shù)詳見表2。用鎂合金材料制作汽車輪轂、殼體等結(jié)構(gòu)件，能夠有效減輕汽車運行中產(chǎn)生的震動和噪音，達到抗震減噪效果，從而降低該因素引起的人工疲勞，提升駕駛舒適性。
3鎂合金在汽車工業(yè)的應(yīng)用
3.1當前應(yīng)用情況
目前，汽車上的零部件有60多種是使用鎂合金材料加工而成，使用量還在逐年增加，特別是伴隨著能源危機以及碳排放標準的實施，更加快了鎂合金在汽車工業(yè)的應(yīng)用速度。隨著汽車技術(shù)的成熟完善，單車用鎂量將會持續(xù)上漲，詳見表3。鎂合金材料在汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，在時間和數(shù)量上國外都先于國內(nèi)。國外品牌中，美國通用汽車、福特汽車、克萊斯勒汽車等在單車上使用的鎂合金鑄件在數(shù)量上分別達到45個、30個、20個，單車用鎂合金量在20～40kg，福特公司在某款車型上單車用鎂合金量更是超過100kg；瑞典沃爾沃某車型使用鎂合金量超過50kg，包括離合器箱、輪轂、氣缸體、發(fā)動機架等重要部件；日本豐田汽車首先制造出了鎂合金汽車轉(zhuǎn)向軸系統(tǒng)等零部件。國內(nèi)汽車使用鎂合金件則起步較晚，在上世紀90年代初，上汽集團在國內(nèi)最早將鎂合金材料應(yīng)用在汽車上，在桑塔納轎車上使用鎂合金材料變速器殼蓋、殼體和離合器外殼；目前國內(nèi)一汽、東風(fēng)、長安等相當一部分車企都在不同程度地使用鎂合金壓鑄件。鎂合金材料在汽車上的應(yīng)用詳見表4。此外，國內(nèi)已有一些車企和線纜廠開始涉入銅鎂線纜的研發(fā)制造，經(jīng)試驗其導(dǎo)電性IACS>81%、強度>550MPa、延伸>1.5%，已能夠滿足行車要求，目前國內(nèi)合資汽車線束已經(jīng)開始使用銅鎂材料，未來必將成為一個新的增長點。
3.2應(yīng)用前景分析
近年來，國家采取多種措施支持金屬鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展，率先在河南省成立了全國行業(yè)內(nèi)唯一的國家鎂及鎂合金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心、建立了鎂交易中心，2019年10月，國家發(fā)改委頒布了《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2019年本）》，將鎂合金列為“鼓勵類”項目，鎂合金技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用取得了長足進展。未來一個時期內(nèi)，我國鎂合金產(chǎn)業(yè)將會處于一個新的變革時代，將從一般結(jié)構(gòu)鑄造件向著高性能精密合金結(jié)構(gòu)框架方向發(fā)展，同時加工技術(shù)向數(shù)控化、高速化、智能化技術(shù)方向發(fā)展。鎂合金在汽車上的應(yīng)用會形成一項集成的系統(tǒng)工程，21世紀汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展會更加的依賴鎂合金材料，鎂在汽車上的應(yīng)用會更加廣泛，單車用鎂量也會有更大突破，鎂產(chǎn)業(yè)將會實現(xiàn)規(guī)?；?、智能化、綠色化制造。
4未來展望
隨著人們消費水平的不斷提高，汽車已經(jīng)不再是一個簡單的代步工具，駕駛員更加關(guān)注其舒適性、安全性、環(huán)保性和個性化等因素，鎂合金以其獨特的性能倍受青睞。我國金屬鎂儲量豐富，該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展正處于產(chǎn)品生命周期的“成長期”，未來發(fā)展空間巨大，隨著我國能源和環(huán)保壓力的增加，必將推動鎂合金覆蓋汽車更多零部件，單車用鎂量也勢必增長。金屬鎂在汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用與發(fā)達國家還存在差距，我國車企要不斷開發(fā)鎂合金的潛在價值或開發(fā)新型鎂合金，攻關(guān)鎂合金在應(yīng)用中的技術(shù)難題，緊跟全球發(fā)展趨勢，創(chuàng)造中國的“鎂”好未來。
參考文獻：
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[3]陳虎，等.鎂合金的研究及其在汽車輕量化中的應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)與開發(fā)，2009.
作者:張玉平 單位:河南鎂業(yè)有限公司