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全球汽車高端鎂合金零部件開發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢

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中國目前正在大力實(shí)施“節(jié)能減排”和“雙碳”戰(zhàn)略。作為我國最具資源優(yōu)勢的輕金屬材料，鎂(Mg)合金在汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用正在逐步擴(kuò)大。重慶大學(xué)、上海交通大學(xué)和澳大利亞國立大學(xué)對(duì)鎂合金的制備、性能和工藝進(jìn)行了廣泛的研究。在過去的20年里，鎂合金在汽車工業(yè)中的比重逐漸擴(kuò)大，而目前汽車用鎂合金零部件的設(shè)計(jì)和開發(fā)卻鮮有報(bào)道。因此，本文主要從整車四大系統(tǒng)(車身系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、內(nèi)飾系統(tǒng)和外飾系統(tǒng))總結(jié)了鎂合金的應(yīng)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(chǎn)和開發(fā)鎂合金汽車壓鑄件。根據(jù)“節(jié)能與新能源汽車2.0技術(shù)路線圖”的判斷，整車輕量化系數(shù)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(biāo)值仍有巨大差距，汽車鎂合金需求擴(kuò)張潛力強(qiáng)勁。
　　汽車制造業(yè)在鎂合金消費(fèi)中所占份額最高，約為70%[59]。鎂合金汽車零件多種多樣，結(jié)構(gòu)零件(座椅框架和前端框架)、耐高溫零件(氣缸體)和運(yùn)動(dòng)零件(車輪)都具有承受低機(jī)械和化學(xué)載荷的共同特征。圖一總結(jié)了汽車鎂合金部件的發(fā)展歷史，并給出了OEM的實(shí)例。鎂合金的發(fā)展與政策、環(huán)境、需求等因素密切相關(guān)。本文以時(shí)間和OEM鎂合金產(chǎn)品案例為線索，將鎂合金的發(fā)展分為四個(gè)階段。本文著重總結(jié)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(fā)展的歷史進(jìn)程中

圖1鎂合金在汽車零部件發(fā)展的歷史進(jìn)程中

　　第一階段:1808年，英國化學(xué)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(jì)80年代，德國建立了世界上第一家電解鎂廠，開始工業(yè)化生產(chǎn)鎂合金。早在20世紀(jì)30年代，德國就率先將鎂合金應(yīng)用于汽車制造業(yè)。幾年后，蘇聯(lián)政府把鎂合金投入到飛機(jī)的制造生產(chǎn)中。英國首次將鎂合金應(yīng)用于摩托車變速箱殼體。在此期間，鎂合金的產(chǎn)量達(dá)到1200噸/年。
　　第二階段:在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于軍事裝備的制造，鎂合金的產(chǎn)量急劇增加[64]。但1946年后，鎂合金的發(fā)展開始趨于平穩(wěn)。
　　第三階段:直到20世紀(jì)90年代，受汽車尾氣排放、能源消耗和環(huán)保政策的影響，世界各國開始重視鎂合金的開發(fā)和研究。
　　第四階段:到了21世紀(jì)10年代，憑借優(yōu)異的材料性能，鎂及鋁合金在車身和封閉件上的應(yīng)用迅速增長，特別是對(duì)于純電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車。特別是在最近20年，主要的原始設(shè)備制造商一直在提高鎂合金在汽車中的使用，導(dǎo)致市場上出現(xiàn)了許多鎂合金部件。
二、鎂合金系列在車身上的應(yīng)用領(lǐng)域
　　表2全面概述了汽車部件用不同系列鎂合金的映射關(guān)系[45]。目前，AZ91D、AM60B和AM50是汽車鎂合金應(yīng)用中最常見的材料。因此，本節(jié)回顧并總結(jié)了鎂合金在車身系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)以及內(nèi)外飾系統(tǒng)中的應(yīng)用[21,29,65,66]。

表2鎂合金系列在車身上的應(yīng)用領(lǐng)域

總結(jié)與展望
　　作為一種工程材料，鎂以其優(yōu)異的性能在汽車工業(yè)中站穩(wěn)了腳跟。綜述的主要目的是用實(shí)例說明鎂合金在汽車工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，以增加主機(jī)廠開發(fā)新零件的信心。同時(shí)，鎂合金的應(yīng)用仍然遵循在合適的地方使用合適的材料的原則，充分發(fā)揮其密度輕、流動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，盡量避免強(qiáng)度低、易腐蝕等缺點(diǎn)。由此，得到以下核心結(jié)論:
　　(1)汽車應(yīng)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(diǎn)，在承載要求非常高的梁系結(jié)構(gòu)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(huán)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(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)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(xué)科合作正在研究鎂合金增材制造和儲(chǔ)氫技術(shù)。大量的研究正在積極地幫助開發(fā)鎂合金作為優(yōu)質(zhì)輕質(zhì)材料，包括不完整的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、連接和組裝過程、窄的熱加工溫度范圍、不均勻的塑性流動(dòng)、虛擬軟件開發(fā)、成本居高不下、用于儲(chǔ)存氫的材料等。
　　工藝和成本問題、技術(shù)創(chuàng)新能力不足、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)矛盾等問題使得鎂合金在汽車行業(yè)的發(fā)展受到限制。然而，這充分證明了該應(yīng)用是有前途的。為了使鎂合金成為具有額外環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的替代材料，汽車部件的生產(chǎn)必須更接近消費(fèi)者。此外，在政策支持下，更多嘗試采用綠色電力電解鎂技術(shù)是一種可循環(huán)、生態(tài)的方式。這些挑戰(zhàn)是全球性的，需要產(chǎn)業(yè)鏈的大力合作。在不久的將來，新的鎂合金結(jié)構(gòu)和技術(shù)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(wǎng)
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