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镁应用

全球汽车镁合金零部件发展应用现状

发布时间：2023-03-14 作者：综合管理部



中国目前正在大力实施“节能减排”和“双碳”战略。作为我国最具资源优势的轻金属材料，镁合金在汽车等领域的应用正在逐步扩大。重庆大学、上海交通大学和澳大利亚国立大学对镁合金的制备、性能和工艺进行了广泛的研究。在过去的20年里，镁合金在汽车工业中的比重逐渐扩大，而目前汽车用镁合金零部件的设计和开发却鲜有报道。因此，本文主要从整车四大系统(车身系统、底盘系统、动力系统、内饰系统和外饰系统)总结了镁合金的应用模式和典型零部件案例。

各大汽车零部件制造商都在投资生产和开发镁合金汽车压铸件。根据“节能与新能源汽车2.0技术路线图”的判断，整车轻量化系数将逐步降低。目前，全球单车镁合金使用量与2030年单车镁合金使用量目标值仍有巨大差距，汽车镁合金需求扩张潜力强劲。

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镁合金在汽车零部件的发展历程


汽车制造业在镁合金消费中所占份额最高，约为70%。镁合金汽车零件多种多样，结构零件(座椅框架和前端框架)、耐高温零件(气缸体)和运动零件(车轮)都具有承受低机械和化学载荷的共同特征。下图为汽车镁合金部件的发展历史。

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第一阶段

1808年，英国化学家汉弗莱·戴维分离出金属镁，但是直到1828年安托万-亚历山大·布西才从无水氯化镁中分离出纯镁。到19世纪80年代，德国建立了世界上第一家电解镁厂，开始工业化生产镁合金。早在20世纪30年代，德国就率先将镁合金应用于汽车制造业。几年后，苏联政府把镁合金投入到飞机的制造生产中。英国首次将镁合金应用于摩托车变速箱壳体。在此期间，镁合金的产量达到1200吨/年。


第二阶段

在第二次世界大战期间，由于军事装备的制造，镁合金的产量急剧增加。但1946年后，镁合金的发展开始趋于平稳。


第三阶段

直到20世纪90年代，受汽车尾气排放、能源消耗和环保政策的影响，世界各国开始重视镁合金的开发和研究。

第四阶段

到了21世纪10年代，凭借优异的材料性能，镁及铝合金在车身和封闭件上的应用迅速增长，特别是对于纯电动和混合动力汽车。特别是在最近20年，主要的原始设备制造商一直在提高镁合金在汽车中的使用，导致市场上出现了许多镁合金部件。

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镁合金在汽车上的应用领域
目前，AZ91D、AM60B和AM50是汽车镁合金应用中最常见的材料。
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镁合金零部件应用案例

车身系统



镁合金材料由于其优异的铸造流动性，非常适合用于薄壁结构件和大型内部结构件。

1.1车门

镁合金作为车门内板材料的优点是重量轻，一般选择抗拉强度大于220 MPa，延伸率大于10%。由于镁合金易腐蚀，连接一般不采用焊接，而是用螺栓或胶粘。

2004年，阿斯顿·马丁DB9的Mg侧门部件重量减轻了约43%。奔驰S级轿跑的整体压铸内板仅重4.56千克。

2009年，Mercedes继续使用这项技术开发E级T型车车门。Lotus Engineering对2009款Toyota Venza跨界车进行的减重评估发现，侧门和举升门内使用了超过26千克的镁铸件，减重41%。

2012年，由通用汽车公司(GMC)牵头的能源部赞助项目开发了一种集成压铸Mg车门内部结构，在将车门扬声器纳入铸造设计的同时，减轻了50%的重量。

除了Mercedes，阿斯顿·马丁Vanquish S也在铸造镁合金侧门内板方面进行了一些开发工作，如所示图(a)。

菲亚特克莱斯勒汽车公司(Fiat Chrysler Automobiles)宣布，2018款全新Jeep牧马人后门采用Mg压铸件，如所示图(b)。

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车门应用中可用的有限空间和为部件顶出而设计的压铸件中开口部分的限制要求创造性的设计来满足刚度和碰撞要求。2010年，林肯MKT内门板是第一个压铸的Mg开闭部件，其核心技术是工程师在持续的设计优化过程中使用适当的加固和光滑的工具。对于2017款，克莱斯勒Pacifica在尾门中使用了镁合金压铸件，增加了一些加强筋和厚度，以提高尾门的性能。同时，集成设计取代了九个部件，总重量减少了50%，如所示图(c)。

1.2前端框架和前上部部件

用压铸镁合金代替液压成型钢、管状钢、挤压铝和塑料复合材料作为前端框架部件，有助于降低额外的可变成本。2003年，福特为F-150轻型卡车开发了前端支撑组件，重量减轻了约4.6千克。到目前为止，福特已经巧妙地利用镁合金压铸的灵活性来保持其产品在市场上的竞争力。

2007年，中国科技部、美国和加拿大启动了“车辆镁前端框架研发”（Research and Development of Front-End Structures for Magnesium Vehicles）项目，这是推动前端框架轻量化的一个很好的例子。

Tesla Model S于2012年开发，采用整体压铸镁合金前端框架，重量仅为6.49千克，如所示图(a)。保时捷Panamera G2的前端框架由AM50A制成，重量减轻了3.5千克(图(b))。揽胜的前端载体材料为AM60B，实现了7.1 kg的减重(图(c))。

在2009年，捷豹XJ的前上部组件由镁合金AM60B制成，重量为4.6千克，如所示图(d)。与上一代液压膨胀铝管解决方案相比，重量减轻了30%。

在2015年，梅赛德斯-奔驰AMG GT前上部组件由镁合金AM60B制成，如所示图(e)。总重量为3.5千克，连接用螺栓固定。

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1.3板式车顶

1997年，雪佛兰C-5 Corvette推出了一体式压铸镁合金车顶，GMC和宝马3系敞篷车一直沿用至今。

Mg还用于凯迪拉克XLR敞篷车的硬顶和车顶框架。

梅赛德斯-奔驰SL/SLK系列汽车也使用了Mg折叠式车顶，如所示图(a)。

克莱斯勒在其高燃料汽车项目中引入了一种轻质镁密集型车身结构，与传统钢结构相比，使用镁合金替代面板车顶材料可将重量减轻40%以上，如所示图(b)。

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1.4发动机罩和行李箱盖

早在1951年，GMC就为别克LeSabre制造了原型发动机罩，随后在1957年为雪佛兰Corvette SS赛车制造了各种车身面板，并在1961年制造了发动机罩。

梅赛德斯-奔驰还尝试用AM50制造E系列旅行车的行李箱盖，重量为15，310克。

底盘系统




镁合金在汽车底盘中的应用对汽车的轻量化、安全性能、强度、塑性和耐腐蚀性都是考虑因素。
2.1车轮
与铝材料相比，镁合金车轮具有更高的强度和韧性。美观、减震性能和散热也是镁合金车轮的主要优点。在我们所知道的卡丁车系列中，镁合金轮毂的平均重量在560 g左右，而同类型产品重量则提升了300 g左右。车轮是汽车的簧下旋转部件，整车的操纵性能和舒适性能与镁合金车轮密切相关。
然而，由于镁合金的可变成本较高以及适用性差的问题，目前仅适用于高性能运动或赛车。
1967年，法拉利将330P3车型升级为330P4车型，采用镁合金轮毂和更宽的轮胎。法拉利立即将它们用于比赛，直到1992年第一套BBS镁合金锻造车轮问世。
德国Posche公司自1970年以来一直使用AM60A镁合金压铸车轮。
自1998年以来，GMC一直在light duty corvettes上使用镁合金车轮。图(a)显示了雪佛兰Corvette的低压铸造镁合金车轮。
特别是美国已经研制出一种镁合金车轮，即使在轮胎被刺破后，也能以不超过48公里/小时的速度继续行驶。
长安EADO EV不仅提供了动力转换系统，还采用了多辐ZK61车轮。锻造工艺减少了轮拱和轮毂之间的间隙，从而减轻了重量。

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2014年，Wang在专利中披露一种利用镁合金、铝合金等其他金属正反挤压生产车轮的制备方法，为工业化生产提供了前提和保障。随后，Wang授权林州市镁业科技有限公司、德威有限公司开发了超塑成形在一个过程中锻造正向和反向挤压的过程，其仅需要一个压机，并且通过一个正向和反向挤压成形过程提高材料利用率并降低成本。技术流程如所示图5(j)包括坯料切割，通过正向和反向挤压后一次成型均化作用处理、加工和表面涂层。

AZ80镁合金挤压轮毂已小批量销售，生产效率大幅提高，发展前景广阔，市场空间巨大。
2018年，中国有色金属行业协会镁分会与专家探讨锻造镁合金汽车轮毂正反挤压一次成型专利技术。会议一致认为，该技术具有创新性，是实现汽车轻量化的重要技术突破，同时也是产业化和规模化生产的基础。
目前，镁合金轮毂的加工工艺主要是铸造和锻造，锻造工艺主要包括等温挤压、锻造旋压等工艺。锻造镁合金轮毂具有组织致密、力学性能优异的特点，已被大量应用于特种车辆和高端赛车。等温超塑模锻可用于在单个操作中形成AZ80汽车车轮，其减振性能比铝车轮高约30倍，总燃料节省超过16%，如所示图(d)、(e)和(f)。
为了提高轮辐部分的强度，Wang提出了一种新的空心坯料挤压成形方法，成功地用AZ80+合金挤压出了整体式镁合金轮毂。如所示图5(b)首款量产锻造旋压工艺Mg轮毂将作为凯迪拉克V系列的选装配置，2022款CT4-V BLACKWING和CT5-V BLACKWING也将于夏季在北美上市。
2022年，AMG Project One开始销售可选的9辐MG锻造车轮，采用专利仿生设计，如所示图(c)。
2022年4月，布加迪推出了凯龙星超级运动300+，全球仅生产30辆。碳纤维车身和镁合金车轮使这款超跑尽可能的轻，在弹簧的作用下重量进一步减轻了16千克，如所示图(g)。
2022年8月，保时捷正式推出新一代保时捷911 GT3 RS，采用镁合金锻造车轮，可减重8千克，如所示图(h)。
2022年9月，越南Bandit9 Motors推出了一款名为“摩纳哥”的单座赛车，长宽高分别为3815/1955/980 mm，轴距为2850 mm，重量为795 kg，车轮采用轻质镁合金，轮胎为315/35R20，如图所示图(i)。

2.2驾驶盘

镁合金在方向盘上的应用由于其能量吸收和振动阻尼性能而在世界上得到高度认可和接受。镁合金方向盘具有低碳钢、工程塑料等传统方向盘无法比拟的性能优势。

压铸成型工艺是目前镁合金方向盘最常用的方法。奇瑞AM50A镁合金方向盘骨架采用冷室压铸实现减重25%以上。

东风日产和神龙的乘用车镁合金方向盘的车身重量仅为876.5 g，沈阳工业大学将传统的焊接结构拼凑在一起，采用整体压铸的方式制作出高韧性的镁合金方向盘骨架。重庆镁业向上海GMC提供了7000多件A2401-002镁合金方向盘，如所示图(a)。由于取消了焊接工艺，镁合金方向盘的成本优势得到了大量主机厂的青睐。

2008年，Mao通过实验和扫描电镜对AM50HP-F的疲劳断裂进行了分析，并对其应用前景进行了探讨图(b)。利用Flow-3D软件对充型速度、结晶器温度、浇注温度等压铸工艺参数进行优化，同时该技术也为主机厂的实际制造提供了一定的开发支持。

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动力系统



由于镁合金优异的铸造性能，发动机缸体、气缸盖、变速箱和油底壳开始从最初的铝合金材料转变。目前，大众和奥迪都配备了镁合金发动机和变速器，材料工作温度低于120°C，这是镁合金实现轻量化最关键的机会。
3.1发动机和变速器壳
20世纪30年代，Louris Chevrolet首次在赛车上使用Mg活塞。
图(a)代表雪佛兰的镁合金曲轴箱。
德国大众甲壳虫汽车动力总成使用了约20公斤的镁铸件用于生产曲轴箱和变速器壳体，汽车镁的消耗再次加速并达到高峰。
大众德国的帕萨特、奥迪A4和A6以及福特的卡车变速箱外壳使用AZ91D镁合金。
奥迪汽车在其动力系统中也使用了更多的镁合金，如W12发动机的进气模块，V8发动机的气缸盖和五速手动变速器外壳。
大约600个由镁合金材料制成的变速箱每天都在大众的B型车中使用。
到20世纪90年代，模拟工具使得铸造更广泛的产品成为可能，包括CCB、座椅框架、方向盘、进气歧管等等。

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2001年，美国汽车材料合作组织(USAMP)和美国能源部启动了镁合金密集型V6发动机项目，该项目成功开发了Mg合金设计和通用规格的数据库，其中29%的部件由合金替代，如所示图(b)。
其他重要应用包括梅赛德斯-奔驰的新型7G-Tronic七速自动变速器外壳(参见图(c))。
长安的变速器和气缸盖等零部件通过了台架试验和道路试验，并于2004年大量进入市场。
3.2油盘
汽车在中低速时的噪声主要来源于发动机的辐射噪声，而油底壳、气缸盖罩和正时齿轮罩等薄壁零件的辐射噪声在整个噪声中占有相当大的比重。此外，油底壳对各种机械性能有明确的要求，尤其是抗拉强度。目前大部分油底壳都是铝合金材质。降低振动和噪音的趋势导致需要寻找更轻的材料，而镁合金由于其优点在这方面受到青睐。
在北美和欧洲已经用AJ合金进行了几次压铸试验。气门盖在图(a)和油底壳在图(b)使用冷室机器压铸在斯巴达轻金属产品上。在这些合金中观察到优异的浇注性能，没有堵塞或破裂的趋势，并且具有良好的流动性能。
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油底壳由耐热镁合金制成，与铝合金相比，其重量最多可减轻33%。本田Insight和CA20的镁合金油底壳实现了大比例的重量减轻，如所示图(c)和(d)项。
内部系统



镁合金汽车内饰件应具有良好的强度、塑性、能量吸收和铸造性能，因为它关系到汽车的安全性能。一些典型的内部系统包括座椅框架、CCB、中央控制台支架、转向外壳等。
4.1座架
前排座椅一般功能更多，结构更复杂，而后排座椅功能更少，结构更简单。目前，镁合金在座椅上的应用主要是靠背骨架和座盆骨架。
在20世纪90年代，集成式三点式安全带首次广泛应用于生产车辆。梅赛德斯-奔驰跑车的座椅采用了全新的镁合金压铸工艺，将复杂的部件整合为靠背和座盆两部分，总重量为8.5千克。AM50(用于靠背侧支撑和整个座椅框架)和AM20(用于靠背外壳)是两种完美适应镁合金座椅一般要求的材料，这使得生产具有高刚性和框架部件优异延展性的汽车成为可能。
近年来，镁合金座椅的设计和制造也经历了重大改进。
阿尔法·罗密欧156车型采用镁合金前排座椅骨架，靠背重量为1.0千克，座椅盆重量为1.2千克，相比原结构钢骨架减轻了2.8千克。
戴姆勒克莱斯勒500 SEL跑车和现代Genesis coupe车型都采用了压铸Mg座椅骨架。
2009年，长安汽车为欧尚E01车型开发了镁合金座椅骨架，实现了25–30%的减重和90%以上的成品率，如所示图(a)。
前途K50车型座椅采用Al–Mg合金骨架，靠背重量1.18 kg，座盆重量1.4 kg。表面覆盖有皮革+ Alcantara拼接材料，如所示图(b)。

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4.2中控台支架
与镁铸件相比，锻造镁在许多内饰应用中提供了进一步节约成本的机会，例如中控台支架。目前，保时捷Cayman和保时捷PO系列的Mg中控台尺寸较小。
此外，沃尔沃S80和XC60都有一个由AM50A制成的中心支架，重量分别为1千克和2.2千克。
东莞电子科技有限公司引进了AZ91D材料中控支架，由2000–2500t压铸机压铸而成。零件重量轻，减震效果好，壁厚只有2 mm。

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作为一种工程材料，镁以其优异的性能在汽车工业中站稳了脚跟。本文主要用实例说明镁合金在汽车工业中的广泛应用，以增加主机厂开发新零件的信心。同时，镁合金的应用仍然遵循在合适的地方使用合适的材料的原则，充分发挥其密度轻、流动性好等优点，尽量避免强度低、易腐蚀等缺点。
工艺和成本问题、技术创新能力不足、产业结构矛盾等问题使得镁合金在汽车行业的发展受到限制。然而，这充分证明了该应用是有前途的。为了使镁合金成为具有额外环境和经济效益的替代材料，汽车部件的生产必须更接近消费者。此外，在政策支持下，更多尝试采用绿色电力电解镁技术是一种可循环、生态的方式。这些挑战是全球性的，需要产业链的大力合作。在不久的将来，新的镁合金结构和技术取得突破将更好地满足日益增长的汽车轻量化需求。

来源：汽车材料网


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