汽車行業(yè)產(chǎn)品性質(zhì)決定鎂合金使用量迅猛增長潛力巨大

　　美國汽車研究理事會的一個社團組織“美國汽車材料合作伙伴”在其研究報告“2020年鎂的應(yīng)用前景展望：北美汽車業(yè)對鎂的戰(zhàn)略構(gòu)想”中指出，與鋁相比，鎂具有更高的比強度、延展性和抗沖擊性;與鋼相比，鎂可以提供更好的緩沖阻尼和耐沖擊性;與塑料相比，鎂具有更高的強度和剛度，以及更好的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性。
 

　　此外，該報告指出，為了提高燃油經(jīng)濟性和減少廢氣排放，鎂的材料特性還可以提供許多好處，其中包括：
 

　　(1)通過使汽車重心后移，減輕前部重量，可以提高汽車的加速/減速、操控/轉(zhuǎn)向響應(yīng)性能。
 

　　(2)由于鎂合金可以鑄造出完整的大尺寸部件，而不必像鋼件那樣需由眾多單個零件組合而成(這些零件容易相互摩擦，并引起振動)，從而可將汽車噪聲減至最小。
 

　　(3)由于鎂鑄件可能比同樣的鋼制零件更廉價(尤其當年產(chǎn)量小于20萬件時)，因此可以降低制造成本。鎂鑄件的加工成本要低于由多部分構(gòu)成的鋼制沖壓件，因為加工沖壓件的每個部分都需要相應(yīng)的模具。例如，加工一件由30個部分構(gòu)成的鋼制儀表盤橫梁需要30套工裝，而鑄鎂件橫梁只需要6套工裝。
 

　　然而，在美國汽車制造商生產(chǎn)的汽車中，鎂合金零部件的重量平均只有大約12磅，僅占一輛汽車全部材料的0.3%左右。實際上，鎂在汽車上的應(yīng)用并不很普遍，因為它的成本比一些競爭性材料更高。由于企業(yè)的競爭本質(zhì)，它們會更多地使用價格比較低廉的材料。鎂合金零部件使用率的下降，部分也是因為北美市場的模鑄企業(yè)因關(guān)閉和合并而不斷減少，幾年前發(fā)生的金融危機和汽車行業(yè)遭遇的困境產(chǎn)生了很大的影響。
 

　　咨詢企業(yè)DuckerWorldwide公司發(fā)表的一份預(yù)測平均每輛輕型車所用材料凈重量變化(見表1)的報告時估計，鎂合金零部件將從2008年的每車8磅左右增加到2025年的22磅。這種用量的增加將全部集中在傳動零部件上(主要是進氣歧管)。鎂合金傳動件和傳動箱可能最終將會取代鋁合金傳動件和傳動箱，但不會用于制造結(jié)構(gòu)件。

 

　　表1 平均每輛輕型車所用材料凈重量的變化趨勢(單位：磅)

 

　　到2025年，汽車材料的這種變化，加上制造足跡減少2%，將使汽車的平均慣性重量和平均整備質(zhì)量(凈重)比2008年分別減輕10%和10.6%。該公司估計，到2025年，鎂的用量將增加到每車22磅。如果綜合考慮混合動力電動汽車44%的普及率，以及對發(fā)動機尺寸的適當調(diào)整，到2025年，在不降低安全性能、使用性能、功能性或舒適性的前提下，汽車的燃油經(jīng)濟性將能達到51英里/加侖。

 

　　在美國汽車上，目前主要有以下鎂合金零部件：
 

　　(1)底盤(如剎車支架和支架總成、剎車踏板支架、安全氣囊機架、離合器踏板支架和總成;
 

　　(2)內(nèi)部設(shè)施(如座椅基座、IP支撐柱和支架、方向盤骨架、轉(zhuǎn)向柱支架和輪轂);
 

　　(3)外部設(shè)施(如天窗蓋總成、外后視鏡骨架和頂棚框架);
 

　　(4)動力傳動系統(tǒng)(如交流發(fā)電機支架、閥蓋、凸輪蓋和變速箱)。
 

　　歐洲汽車往往使用更多的鎂合金零部件，增加的應(yīng)用包括幾個車輪、底盤前端框架、坐墊和靠背，以及動力傳動系統(tǒng)的齒輪箱(手動和自動)，甚至還包括汽缸體(可以大大降低發(fā)動機重量)。由于歐洲山路較多，因此歐洲人對汽車的操縱性能更感興趣。”

　　在美國，鎂的價格比在歐洲更昂貴，因為美國控制原材料進口的國際貿(mào)易委員會對從中國進口的鎂征收反補貼關(guān)稅，而絕大部分鎂都產(chǎn)自中國。全世界的鎂大約有85%都是在中國生產(chǎn)的。征收關(guān)稅有效地將產(chǎn)自中國的鎂擋在美國市場門外。而在北美，只有美國鎂業(yè)公司一家生產(chǎn)商。美國鎂業(yè)公司位于鹽湖城。由于鎂主要來自天然氯化鎂，因此，那些擁有高濃度鹽水資源的地方(如大鹽湖和死海)是生產(chǎn)鎂的理想地點。
 

　　如果一輛采用直列六缸發(fā)動機的汽車用鎂代替鋁、鋼、鐵、鋅或塑料來制造所有合適的零部件，則鎂的總用量將達到380磅左右，而該車重量可以減輕300磅。汽車制造商通過改進動力總成、變速箱和停止/啟動技術(shù)，可以實現(xiàn)提高燃效標準目標的75%，其余25%則需要通過汽車輕量化來實現(xiàn)，而鎂將在汽車輕量化中發(fā)揮作用。
 

　　這種作用到底有多大，仍然是一個存在爭議的問題。在一項由能源基金會(由一些對可持續(xù)能源解決方案感興趣的重要基金會聯(lián)合組成)資助的研究中，路特斯工程(美國)公司(Lotus Engineering USA)試圖確定對一種選定的基準型汽車——2009款豐田Venza(代表CUV多用途車)進行減重的可能性。據(jù)該公司報告，它已研發(fā)出兩種該車的基本架構(gòu)：采用2014年計劃啟用的適用技術(shù)和2017年投產(chǎn)的“低發(fā)展水平”汽車可通過動力總成輕量化實現(xiàn)減重21%(611磅)，其鎂合金材料使用量可達2%;采用2017年計劃啟用的技術(shù)和2020年投產(chǎn)的“高發(fā)展水平”汽車(圖1)可實現(xiàn)減重38%(1,093磅)，其鎂合金使用量達到16%。

 

　　圖1 “高發(fā)展水平”Venza CUV的車身設(shè)計

 

　　Lotus公司分別從技術(shù)和商業(yè)的角度開展了此項研究，技術(shù)方面主要針對汽車的結(jié)構(gòu)完整性和防撞性等，而商業(yè)方面則重點關(guān)注加工、零部件和裝配成本。Lotus公司從最高的層面(即系統(tǒng)層面)來研究汽車的基本架構(gòu)，材料的選擇是基于其實現(xiàn)技術(shù)和商業(yè)目標的能力，圍繞汽車結(jié)構(gòu)來配置的。為了在合適的部位采用合適的材料，對汽車結(jié)構(gòu)和架構(gòu)策略進行了優(yōu)化。

　　Lotus公司已將鎂合金應(yīng)用于所有的汽車開閉件，在市售的汽車(如林肯MKT)上也能發(fā)現(xiàn)其身影。據(jù)子午線輕量化技術(shù)公司(Meridian Lightweight Technologies)估計，用鎂合金鑄件(與林肯MKT掀背式車門所用鑄件類似)和鋁合金外面板組成的開閉件比Venza CUV用鋼沖壓件制成的相同部件重量減輕了大約40%(圖2)。

 

　　圖2 林肯MKT多用途SUV掀背式鑄鎂車門框的重量比相同的沖壓鋼門框輕40%

 

　　采用鎂合金的優(yōu)點是可以大幅降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。例如，儀表盤結(jié)構(gòu)通常由許多鋼制構(gòu)件焊接而成，我們可以用一個鎂合金鑄件來替代整個部件。Lotus公司一直通過輕量化和優(yōu)雅、簡潔的設(shè)計來提高汽車性能。這是自Colin Chapman在1952年創(chuàng)立Lotus公司以來一直秉持的理念，也是該公司在這項特定研究中所采用來降低Venza復(fù)雜性的主要架構(gòu)方法之一。
 

　　以Venza的車身結(jié)構(gòu)為例，Lotus公司已將其零部件數(shù)量從400多個減少到221個。零部件的削減也減少了相關(guān)的加工量。Lotus公司通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的零部件，也附帶減少了其他系統(tǒng)(如懸掛系統(tǒng)和內(nèi)飾系統(tǒng))的零部件數(shù)量。

 

　　豐田venza

 

　　與鋼制沖壓件相比，鎂合金鑄件除了能將多個構(gòu)件整合為一體外，還使零件設(shè)計師可以減小零件的尺寸(如厚度)。鎂合金鑄件還能最大限度地減少加工時廢棄的材料。當沖裁大尺寸構(gòu)件(如車門框架或車體側(cè)面窗框)時，約有20%-30%的材料變成廢料。而鎂合金鑄件可以最大限度地減少廢料。
 

　　當然，通過使用鎂等材料，汽車重量的減輕也會降低燃油消耗。根據(jù)美國能源部的估算，汽車重量減輕10%，可以節(jié)省7%的燃油。Lotus公司表示，其2020年投產(chǎn)的“高發(fā)展水平”Venza CUV實現(xiàn)總重量(包括動力總成)減輕38%的目標后，將使油耗降低23%。
 

　　鎂合金零部件除了比其他競爭性輕質(zhì)材料的原材料成本更高以外，通常還需要進行表面涂層以避免電化學(xué)腐蝕，從而會增加其制造成本。據(jù)輕量化戰(zhàn)略咨詢公司的Cole博士介紹，電化學(xué)腐蝕是限制鎂合金用于汽車零部件的關(guān)鍵問題之一。當鎂與其他金屬接觸并存在電解質(zhì)(如鹽水)時，就會遭受電化學(xué)腐蝕。
 

　　電化學(xué)腐蝕的另一種形式是由某種其他金屬的細小顆粒引起的表面污染，它會造成嚴重的點蝕。含有二硫化鉬和碳的模具潤滑劑、存在于噴砂清理介質(zhì)中的重金屬顆粒以及在鑄造、鍛造、擠壓、軋制和沖壓加工時從模具中轉(zhuǎn)移出來的鐵粒子都有可能造成這種腐蝕，必須確保用多種材料制造的汽車不會出現(xiàn)腐蝕問題。
 

　　在緊固件(尤其是鋼制緊固件)上最容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。最有效的補救方法是選擇具有兼容性的連接件材料和減小陰極表面積。不過，有時汽車制造商還必須發(fā)明一些獨具特色的設(shè)計方案。例如，福特F-150卡車的前端裝配支架和通用Corvette跑車的發(fā)動機托盤都需要對連接件及墊圈、墊片和螺栓材料進行大量現(xiàn)場設(shè)計工作。他還指出，由于歐洲汽車允許使用鋁合金緊固件，因此較少出現(xiàn)此類問題。
 

　　據(jù)子午線輕量化技術(shù)公司介紹，AZ91D鎂合金具有非常好的耐腐蝕性。這種最常見的高壓模鑄鎂合金通常用于制造動力總成和其韌性比變形能力更重要的機械零部件。
 

　　在被裝配到汽車上之前，即使是近凈成形的鎂合金鑄件也需要進行切削加工。雖然人們并不認為鎂是一種難加工金屬材料，但鎂合金零件的切屑卻具有易燃性，而且在精加工時產(chǎn)生的切屑可能比粗加工切屑更容易著火，因為這些切屑更薄，具有更大的表面體積比。此外，鎂在不含抑制劑的水溶性切削液中可能會生成易燃的氫氣，而過長的停機時間和低進給率也會增加發(fā)生火災(zāi)的可能性。
 

　　切削加工鎂合金零件時，可能需要配備專用滅火器材，因為切削時存在產(chǎn)生火花的可能性(尤其在工件沒有接地的情況下)。企業(yè)可采用一種光學(xué)裝置來監(jiān)測鎂屑燃燒發(fā)出的亮光，并在著火的小切屑掉進切屑堆使火災(zāi)蔓延之前對其進行處理。
 

　　由于鎂可溶于水(生成氫氣)和容易氧化，從而增大了易燃性，因此最好采用干式切削，或使用添加有氫抑制劑或抗氧化劑的冷卻液。此外，必須對過濾器進行精心維護，防止冷卻液中鎂微粒越積越多。必須持續(xù)監(jiān)測冷卻液中氫抑制劑的濃度。所有機床隔離罩內(nèi)都需要安裝氫濃度監(jiān)測儀。只要正確進行維護管理，鎂合金的切削加工就并不困難。
 

　　盡管目前鎂在汽車制造業(yè)的使用量還遠遠少于鋁和鋼，但鎂材料業(yè)正躍躍欲試，準備大舉進入該行業(yè)。這是因為與其他含鎂的商品相比，汽車的生產(chǎn)批量巨大，材料用量可觀。汽車行業(yè)其產(chǎn)品性質(zhì)決定了鎂合金使用量迅猛增長的潛力最大。
 

　　最終，市場將會決定有助于滿足未來汽車廢氣排放和燃油效率標準(如前不久奧巴馬政府提出的到2025年，將在美國銷售的轎車和輕型卡車的“企業(yè)平均燃油經(jīng)濟性”標準提高到54.5英里/加侖)的適當材料組合。
 

　　Lotus公司的目標是采用最合適的材料來制造汽車零部件，不在乎它是鋼、鋁、鎂或其他什么材料，只要它確實有效并具有商業(yè)可行性。解決這個問題的真正訣竅是設(shè)計出成本效益更好、重量更輕的汽車，并確保對零部件進行一體化設(shè)計，同時設(shè)計所有的系統(tǒng)。如果采用零敲碎打的方式，就不可能實現(xiàn)整體優(yōu)化設(shè)計，例如，由于減輕了汽車的重量，就可以改變懸掛系統(tǒng)的設(shè)計。
 

　　德國夫瑯和費汽車生產(chǎn)聯(lián)盟正在幫助汽車制造商生產(chǎn)重量更輕、經(jīng)濟性更好的零部件。例如，夫瑯和費機床和成形技術(shù)研究所(IWU)開發(fā)的鎂合金車門(圖3)重量僅為4.7公斤，而同樣的鋼制車門重量為10.7公斤。

 

　　圖3 夫瑯和費IWU開發(fā)的鎂合金車門

 

　　雖然鎂比鋼和鋁更輕，但其成形加工的難度也更大。夫瑯和費IWU的研究團隊目前還沒有成熟的鎂合金成形技術(shù)。生產(chǎn)這種車門表明其可以對鎂合金進行成形加工。不過，雖然作為一種示范，該研究所能對AZ31鎂合金車門進行成形加工，但還沒有找到該工藝的正確潤滑方法。
 

　　由于需要對成形工具表面進行加熱，因此該工藝耗能很高。為了使鎂合金成型，要求工具溫度達到250℃，該研究所的目標是將溫度降低到200℃。另一個困難是缺少寬度大于700mm的鎂合金板(700mm寬的板材用于加工車門時太窄)。為此，該所開發(fā)了一種鎂合金激光焊接新工藝。鎂合金的表面涂覆也具有一定挑戰(zhàn)性，與鋁合金相比，需要增加一道工藝步驟。
 

　　盡管存在各種挑戰(zhàn)，但將鎂合金應(yīng)用于汽車行業(yè)可以獲得各種好處。世界上的鎂資源十分豐富。鎂制零部件可以進行鑄模加工。例如，鎂制車門具有與鋼制車門幾乎相同的性能，比如說，它們的剛性就不相上下。
 

　　除了鎂合金以外，一些非金屬材料也對汽車的輕量化發(fā)揮了重要作用。Lotus公司在關(guān)于豐田Venza CUV(多用途車)減重可能性的研究報告中指出，復(fù)合材料已被用在大批量生產(chǎn)的多種車型上(如土星汽車和通用汽車早期的小型貨車)，而這種應(yīng)用正被拓展到利基車型和專用車輛的結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。這些材料包括復(fù)合板材、在發(fā)泡芯板的正面或背面采用疊層材料(如鋁或玻璃纖維)的多層復(fù)合材料和碳纖維復(fù)合材料。

 

　　圖4 阿斯頓·馬丁Vanquish跑車的前部緩沖結(jié)構(gòu)主要采用碳纖維復(fù)合材料制成

 

　　其他可能的應(yīng)用還包括用長纖維增強聚丙烯材料制造行李廂地板和用長纖維增強聚氨酯材料制造貨廂地板，以減少零件數(shù)量、縮短裝配時間，同時保持結(jié)構(gòu)剛度。Lotus公司在此項研究中主要使用了玻璃纖維增強復(fù)合材料。
 

　　Lotus公司設(shè)計的復(fù)合材料零件形狀比較簡單，但包括了一些彎曲的結(jié)構(gòu)特征，如模塑成型的后排座椅彎曲形狀。并采用了輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，并去掉了一些在后排座位常見的、非常重的零部件，如座椅升降裝置和座椅支架。