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全球汽車高端鎂合金零部件開發與應用現狀及趨勢

作者:

中國目前正在大力實施“節能減排”和“雙碳”戰略。作為我國最具資源優勢的輕金屬材料，鎂(Mg)合金在汽車等領域的應用正在逐步擴大。重慶大學、上海交通大學和澳大利亞國立大學對鎂合金的制備、性能和工藝進行了廣泛的研究。在過去的20年里，鎂合金在汽車工業中的比重逐漸擴大，而目前汽車用鎂合金零部件的設計和開發卻鮮有報道。因此，本文主要從整車四大系統(車身系統、底盤系統、動力系統、內飾系統和外飾系統)總結了鎂合金的應用模式和典型零部件案例。

　　各大汽車零部件制造商都在投資生產和開發鎂合金汽車壓鑄件。根據“節能與新能源汽車2.0技術路線圖”的判斷，整車輕量化系數將逐步降低[58]。目前，全球單車鎂合金使用量與2030年單車鎂合金使用量目標值仍有巨大差距，汽車鎂合金需求擴張潛力強勁。
　　汽車制造業在鎂合金消費中所占份額最高，約為70%[59]。鎂合金汽車零件多種多樣，結構零件(座椅框架和前端框架)、耐高溫零件(氣缸體)和運動零件(車輪)都具有承受低機械和化學載荷的共同特征。圖一總結了汽車鎂合金部件的發展歷史，并給出了OEM的實例。鎂合金的發展與政策、環境、需求等因素密切相關。本文以時間和OEM鎂合金產品案例為線索，將鎂合金的發展分為四個階段。本文著重總結了近20年來OEM成功的案例，主要集中在第四階段。
一、鎂合金在汽車零部件發展的歷史進程中

圖1鎂合金在汽車零部件發展的歷史進程中

　　第一階段:1808年，英國化學家漢弗萊·戴維分離出金屬鎂[60],[61],[62]，但是直到1828年安托萬-亞歷山大·布西才從無水氯化鎂中分離出純鎂[63]。到19世紀80年代，德國建立了世界上第一家電解鎂廠，開始工業化生產鎂合金。早在20世紀30年代，德國就率先將鎂合金應用于汽車制造業。幾年后，蘇聯政府把鎂合金投入到飛機的制造生產中。英國首次將鎂合金應用于摩托車變速箱殼體。在此期間，鎂合金的產量達到1200噸/年。
　　第二階段:在第二次世界大戰期間，由于軍事裝備的制造，鎂合金的產量急劇增加[64]。但1946年后，鎂合金的發展開始趨于平穩。
　　第三階段:直到20世紀90年代，受汽車尾氣排放、能源消耗和環保政策的影響，世界各國開始重視鎂合金的開發和研究。
　　第四階段:到了21世紀10年代，憑借優異的材料性能，鎂及鋁合金在車身和封閉件上的應用迅速增長，特別是對于純電動和混合動力汽車。特別是在最近20年，主要的原始設備制造商一直在提高鎂合金在汽車中的使用，導致市場上出現了許多鎂合金部件。
二、鎂合金系列在車身上的應用領域
　　表2全面概述了汽車部件用不同系列鎂合金的映射關系[45]。目前，AZ91D、AM60B和AM50是汽車鎂合金應用中最常見的材料。因此，本節回顧并總結了鎂合金在車身系統、底盤系統、動力系統以及內外飾系統中的應用[21,29,65,66]。

表2鎂合金系列在車身上的應用領域

總結與展望
　　作為一種工程材料，鎂以其優異的性能在汽車工業中站穩了腳跟。綜述的主要目的是用實例說明鎂合金在汽車工業中的廣泛應用，以增加主機廠開發新零件的信心。同時，鎂合金的應用仍然遵循在合適的地方使用合適的材料的原則，充分發揮其密度輕、流動性好等優點，盡量避免強度低、易腐蝕等缺點。由此，得到以下核心結論:
　　(1)汽車應用中的主流材料是AM50/60、AZ91D系列鎂合金，成型工藝最常見的是壓鑄工藝。
　　(2)為了避免材料本身承載性能不高的缺點，在承載要求非常高的梁系結構件中不使用Mg，但在汽車拆解的總成件中一般以骨架或支架的形式使用。
　　(3)鎂適用于不易受以下因素影響的環境電偶腐蝕，比如用塑料包裹的方向盤骨，放在儀表盤里的CCB，用泡沫和皮革包裹的座椅骨架。
　　(4)在原材料成本居高不下的基礎上，進行結構設計和優化，試圖突破降低成本。
　　令人鼓舞的是，鎂是一種很有前途的材料。許多跨國和跨學科合作正在研究鎂合金增材制造和儲氫技術。大量的研究正在積極地幫助開發鎂合金作為優質輕質材料，包括不完整的數據庫系統、連接和組裝過程、窄的熱加工溫度范圍、不均勻的塑性流動、虛擬軟件開發、成本居高不下、用于儲存氫的材料等。
　　工藝和成本問題、技術創新能力不足、產業結構矛盾等問題使得鎂合金在汽車行業的發展受到限制。然而，這充分證明了該應用是有前途的。為了使鎂合金成為具有額外環境和經濟效益的替代材料，汽車部件的生產必須更接近消費者。此外，在政策支持下，更多嘗試采用綠色電力電解鎂技術是一種可循環、生態的方式。這些挑戰是全球性的，需要產業鏈的大力合作。在不久的將來，新的鎂合金結構和技術取得突破將更好地滿足日益增長的汽車輕量化需求。
來源：汽車材料網
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