汽车用镁合金的现状和发展前景
时间：2020-12-13 08:08:54 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
(中国兵器工业第五二研究所，内蒙古 包头 014034)
摘 要：介绍了镁及镁合金材料及其优点，综述了镁合金在汽车工业中的应用现状。分析了镁合金在汽车工业中的发展前景，提出了镁合金应用研究中存在的一些问题以及今后的研发方向。
关键词：镁合金；
汽车工业；
镁；
绿色材料
中图分类号：U465.2+2 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2008)09—0073—02
汽车工业已成为镁合金应用增长的主要驱动力。由于汽车尾气排放量占了大气污染总量的65%，世界石油储量到2013年将用完一半，而汽车重量是影响能源消耗的重要因素。汽车质量每降低100kg，每百公里油耗可减少0.7L，汽车自重每降低10%，燃油效率可以提高5.5%，故发达国家不断加强对汽车等交通工具能源消耗、废气污染和噪音的限制，促使汽车制造厂重视汽车轻量化发展。镁合金具有在体积相同时比铝合金轻36%，比锌合金轻73%、比钢轻77%的特点，具有很大的减重潜力，已成为汽车材料的必然选择，其开发应用已受到了各国的重视。
本文主要综述了镁及镁合金在汽车工业中的应用现状和发展前景，提出了镁合金应用研究中存在的一些问题以及今后的研发方向。
1 镁合金材料
镁的原子序数为12，原子量为24.3，晶体结构为密排六方结构。镁合金按化学成分可分为二元、三元或多元合金系。国际上大多采用美国ASTM标准，依据镁合金所含的1～2种主要合金元素简写命名法，将镁合金分为M系(Mg-Mn)、AZ系(Mg-Al-Zn)、AM系(Mg-Al-Mn)，Mg-Al-Ca系(AX)、Mg-Al-Ca-Sr系(AXJ)、ZC系(Mg-Zn-Cu)、ZK系(Mg-Zn-Zr)、EK系(Mg-RE-Zr)、HM系(Mg-Th-Mn)、QE系(Mg-Ag-RE)、LA系(Mg-Li-Al)和WE系(Mg-Y-Nd)。
镁合金按成型方法不同，分为铸造镁合金、变形镁合金和特种镁合金。我国铸造镁合金代号为ZM，变形镁合金代号为MB。铸造镁合金远比变形镁合金的种类多，且适合于各种铸造方法。其中95%以上的镁合金铸件采用压铸技术成型。变形镁合金主要用于薄板、挤压件和锻件。特种镁合金指利用特种技术制造的具有特殊性能或功能的镁合金。例如快速耐热镁合金、超导镁合金、储氢镁合金、非晶镁合金和镁基复合材料。
2 镁及镁合金的优点
2.1 比刚度和比强度高
常温常压下镁的密度只有1.74，仅相当于铝的2/3,钢的1/4，Mg-Li合金甚至可以漂浮在水面上。就目前的性能水平与常用金属材料、工程塑料相比，镁合金的比刚度和比强度分别处于第一位和第二位。
2.2 独特的阻尼减振性能
在所有的金属结构材料中，镁具有最优良的阻尼减振性能，其衰减系数是铸铁的5倍，铝合金的12倍，特别适合于减振降噪的功能/结构一体化要求，改善工作环境。
2.3 优良的铸造、切削加工性能
镁合金具有良好的铸造性能，压铸性能优于铝合金，切削加工进刀快、速度高、断屑好，切削精度和光洁度高。
2.4 经济优势
镁由于资源丰富，开采熔炼技术成熟经济，目前镁价格与铝基本持平。镁合金比铝合金更轻，比钛合金和树脂基复合材料更经济。
2.5 资源优势
镁在地壳中丰度2.1%，海水中丰度0.14%，在地球上储量排位第四。我国镁资源储量居世界首位。目前我国镁生产能力占全球的3/4，产量占2/3，已成为主导世界镁市场的力量。
3 镁合金在汽车工业中的应用现状
早在1930年，Louris Chevrolet 就在一辆赛车上首次使用镁合金作活塞，大众公司“甲壳虫”轿车也在其发动机及传动系统上用了20多KG的镁合金。不过，那时侯，镁被认为是潜力有限的一种特殊材料。直到1970年中东的石油危机，镁合金在汽车工业中才日益受到重视。镁合金产品广泛应用于汽车始于20世纪90年代，目前，汽车工业中镁合金用量较多的地区和国家主要是北美、欧洲、日本和韩国，在1991年仅为24Kt，到1997年则增至64Kt，到2006年这些国家和地区汽车工业对镁合金的需求已达到每年200Kt。国外在汽车上大规模应用镁合金生产的零部件已超过60种，其中有7种部件镁合金的使用普及率最高，它们是仪表盘基座、座位框架、方向盘骨、发动机阀盖、变速箱壳体、进气歧管、汽车车身。
3.1 仪表盘基座
德国大众汽车公司率先采用AM系镁合金制作了仪表盘基座，应用于Audi V8型车上。有20种以上的车型采用此种部件。使用的最大部件达15kg。已有数百万辆汽车使用了镁合金仪表盘基座。
3.2 座椅框架
法国制造的TGV高速列车镁合金座椅框架重量从钢制的28kg降低到14kg。德国的Mercedes、美国Ford等汽车公司已广泛采用镁合金座椅框架。
3.3 驾驶杆元件
日本丰田使用镁合金制造了方向盘骨、键、制动器壳体、倾倒装置和其他驾驶杆元件。有(80～90)%装有气囊的汽车采用了镁合金方向盘骨，用量近1 000万个。驾驶杆支座比钢制减重近20kg。
3.4 发动机阀盖
众多汽车公司均采用了镁合金阀盖。Mercedes-Benz AG发动机阀盖采用AM60B制备，重量仅3.2kg，比原来的阀盖减重4kg。
3.5 手动变速箱
Volkswagen-Passat齿轮箱材料为AZ91D。Ford公司采用AZ91制造的四轮驱动变速器已成功应用了十余年，比铝合金轻25%。
3.6 进气歧管
GM公司用镁合金制造发动机的进气歧管。Mercedes Benz 3.2L V6发动机由于使用了镁合金进气歧管而被Wards Auto World认为是世界上最轻的V6发动机。
3.7 汽车车身
德国Mercedes Benz公司开发了镁合金汽车车身结构件，壁厚仅2.0～2.5mm。
3.8 其他零部件
Toyota公司在2000GT车上使用了镁合金轮毂和膝垫加强板。GM公司在别克Park Avenue两种车型上使用了膝垫加强板。意大利生产的第二代镁轮毂重量仅为5.4kg，比铝轮毂(7.4kg)减重28%。
镁合金应用还有辅助转动支架(AZ91D)、自动变速离合器活塞及定子(AS41B)、离合器壳(AZ91D)、反光镜支架(AZ91D)、大灯托座(AM60B)、机油过滤器壳体(AZ91D)、气门罩和凸轮罩(AZ91D)等。
4 镁合金研究中存在的问题及研发方向
4.1 存在问题
阻碍镁合金广泛应用的重要原因是耐腐蚀性、蠕变性能和高温性能较差，而耐腐蚀性已通过高纯化和表面技术得到较圆满的解决，今后应努力解决以下几个问题：①开发高强耐热镁合金，并降低成本；
②完善镁合金熔炼及保护技术，减少SF6气的使用；
③采用镁合金压铸新工艺(真空压铸、压缩成型、触摸压铸等)，提高压铸件品质；
④开发镁合金零件的表面处理技术及镁合金废料的二次利用技术。
4.2 研发方向
4.2.1 合金化研究。
高强耐热耐蚀镁合金是重点研究方向，在提高耐热性能的合金化方面，稀土镁合金是当前的研究热点。镁与稀土元素Y、Nd、和Ce等形成的化合物Mg12Nd、Mg12Ce和Mg11NdY2等在高温极其稳定，可大幅度地提高镁合金的抗蠕变性能。镁对稀土元素Y、Nd具有很高的固溶度(Y：12.5wt％，Nd：３wt％)。稀土镁合金经固溶处理后，Mg-RE化合物可全部溶入基体中，在时效过程中将经历“GP”区、中间过渡相β＂、β(最后转变为稳定相β－Mg12Nd或β-Mg11NdY2等。研究发现，稀土镁合金表现出同铝合金同样的时效硬化特征，可以进一步改善镁合金的室温和高温机械性能。稀土与镁形成低熔点共晶体，合金的流动性增加，缩松、热裂倾向减少。使用稀土元素和Zr作为晶粒细化剂，是抗蠕变镁合金发展的基础。
4.2.2 形变强韧化研究。在应用形变强化与时效强化提高合金强韧性方面，通过挤压+热处理后的ZK60高强变形镁合金，其强度及断裂韧性得到极大的提高。通过对镁合金热机械处理与形变再结晶过程的基础性研究，试图在镁合金强韧性与再结晶组织控制，提高塑性成形能力方面取得突破。
在研究细化晶粒对镁合金性能的影响机制方面，采用快速凝固+粉末冶金+热挤压工艺，晶粒尺寸在0.3～5μm之间，抗拉强度可以超过500MPa，性能不但大大超过常规镁合金(未经快速凝固的镁合金其抗拉强度仅在250～300MPa)，比强度甚至超过7075铝合金，且具有超塑性(300℃，436%)，腐蚀速率与2024-T6铝合金相当。
4.2.3 腐蚀与防护研究。
发现Fe、Ni、Cu等杂质元素，Fe与Mn的比例，对镁合金耐蚀性有非常大的影响。高纯度镁中的Fe由(100～200)×10-6降至20×10-6，合金的耐蚀性能可提高100倍，在不经保护的状态下即可满足大部分汽车应用的要求。这一技术上的突破成为后期压铸镁合金在发达国家汽车上的应用得以飞跃式快速发展的一个关键的重要原因。
随着镁合金应用的日益广泛，其腐蚀防护处理技术已经成为技术关键，越来越为人们所关注。镁合金的表面防护技术研究的重点主要表现在两个方面，即进一步提高涂层的耐腐蚀性上和提高涂层硬度和耐磨性。
5 汽车用镁合金的发展前景
镁合金在汽车上的最新开发应用是车身上的一些大的压铸件，如门框架。目的是不仅要能减轻重量，而且能使几个零部件优化设计成一个镁合金铸件，另外也希望节省加工工具的成本，提高装配的效率，这就给镁合金的发展提供了新的机遇。
目前，轿车上采用镁合金的部件有：内部部件，包括座椅上一些部件、膝垫、转向柱部件、转向盘、制动与离合器踏板拖架、安全气囊限制装置、轿车音响用的散热器框架、镜拖架以及可开式车顶的一些部件；
轿车发动机中的汽缸盖、进气管、油泵壳体、辅助装置的支架以及电器接线装置；
其他的应用还有前大灯保持架、制动防抱死系统的拖架、车轮、油箱门、手动变速箱壳体及四轮驱动轿车的变速箱壳体。未来的发展中，镁合金除了在目前的应用领域，如车轮、发动机汽缸盖及 进气管、变速箱，继续改善其性能并拓展其在不同轿车车型中的应用之外，在一些大型压铸件上，也将拓展他的应用，如车顶、发动机盖、后舱盖、内门板框架、仪表板等。其他的如需要安全及高断裂韧性的零部件，也就是镁合金正在并将继续深入拓展应用的领域，如座椅框架、转向柱、车身保护板、发动机前的散热格栅加强板及一些车身结构支撑件。
6 结束语
镁及镁合金是目前密度最轻的金属结构材料，也是21世纪最富有开发和应用潜力的“绿色材料”，同时也是最有发展前景的金属之一。镁合金在汽车上的应用范围在不断扩大，随着镁合金成型工艺技术的进一步提高，新开发的镁合金结构件将采用高性能镁合金(如变形镁合金)，镁合金在汽车上的应用潜力将进一步发挥。合理地开发和利用我国丰富的镁资源，将会有利地推动我国镁合金材料和产品在汽车、航空航天、兵器、电子行业中的应用，充分发挥我国镁资源对国民经济发展的作用。
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