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

　　美國(guó)汽車研究理事會(huì)的一個(gè)社團(tuán)組織“美國(guó)汽車材料合作伙伴”在其研究報(bào)告“2020年鎂的應(yīng)用前景展望：北美汽車業(yè)對(duì)鎂的戰(zhàn)略構(gòu)想”中指出，與鋁相比，鎂具有更高的比強(qiáng)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(qiáng)度和剛度，以及更好的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性。
 

　　此外，該報(bào)告指出，為了提高燃油經(jīng)濟(jì)性和減少?gòu)U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(guò)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(gè)零件組合而成(這些零件容易相互摩擦，并引起振動(dòng))，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(jià)(尤其當(dāng)年產(chǎn)量小于20萬(wàn)件時(shí))，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?yàn)榧庸_壓件的每個(gè)部分都需要相應(yīng)的模具。例如，加工一件由30個(gè)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(guó)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(shí)際上，鎂在汽車上的應(yīng)用并不很普遍，因?yàn)樗某杀颈纫恍└?jìng)爭(zhēng)性材料更高。由于企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)本質(zhì)，它們會(huì)更多地使用價(jià)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?yàn)楸泵朗袌?chǎng)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(jī)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(cè)平均每輛輕型車所用材料凈重量變化(見表1)的報(bào)告時(shí)估計(jì)，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(dòng)零部件上(主要是進(jìn)氣歧管)。鎂合金傳動(dòng)件和傳動(dòng)箱可能最終將會(huì)取代鋁合金傳動(dòng)件和傳動(dòng)箱，但不會(huì)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(shì)(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(jì)，到2025年，鎂的用量將增加到每車22磅。如果綜合考慮混合動(dòng)力電動(dòng)汽車44%的普及率，以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸的適當(dāng)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(jì)性將能達(dá)到51英里/加侖。

 

　　在美國(guó)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(jī)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(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)(如交流發(fā)電機(jī)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(gè)車輪、底盤前端框架、坐墊和靠背，以及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪箱(手動(dòng)和自動(dòng))，甚至還包括汽缸體(可以大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量)。由于歐洲山路較多，因此歐洲人對(duì)汽車的操縱性能更感興趣。”

　　在美國(guó)，鎂的價(jià)格比在歐洲更昂貴，因?yàn)槊绹?guó)控制原材料進(jìn)口的國(guó)際貿(mào)易委員會(huì)對(duì)從中國(guó)進(jìn)口的鎂征收反補(bǔ)貼關(guān)稅，而絕大部分鎂都產(chǎn)自中國(guó)。全世界的鎂大約有85%都是在中國(guó)生產(chǎn)的。征收關(guān)稅有效地將產(chǎn)自中國(guó)的鎂擋在美國(guó)市場(chǎng)門外。而在北美，只有美國(guó)鎂業(yè)公司一家生產(chǎn)商。美國(guó)鎂業(yè)公司位于鹽湖城。由于鎂主要來(lái)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(diǎn)。
 

　　如果一輛采用直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車用鎂代替鋁、鋼、鐵、鋅或塑料來(lái)制造所有合適的零部件，則鎂的總用量將達(dá)到380磅左右，而該車重量可以減輕300磅。汽車制造商通過(guò)改進(jìn)動(dòng)力總成、變速箱和停止/啟動(dòng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)提高燃效標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)的75%，其余25%則需要通過(guò)汽車輕量化來(lái)實(shí)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(gè)存在爭(zhēng)議的問題。在一項(xiàng)由能源基金會(huì)(由一些對(duì)可持續(xù)能源解決方案感興趣的重要基金會(huì)聯(lián)合組成)資助的研究中，路特斯工程(美國(guó))公司(Lotus Engineering USA)試圖確定對(duì)一種選定的基準(zhǔn)型汽車——2009款豐田Venza(代表CUV多用途車)進(jìn)行減重的可能性。據(jù)該公司報(bào)告，它已研發(fā)出兩種該車的基本架構(gòu)：采用2014年計(jì)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(guò)動(dòng)力總成輕量化實(shí)現(xiàn)減重21%(611磅)，其鎂合金材料使用量可達(dá)2%;采用2017年計(jì)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(shí)現(xiàn)減重38%(1,093磅)，其鎂合金使用量達(dá)到16%。

 

　　圖1 “高發(fā)展水平”Venza CUV的車身設(shè)計(jì)

 

　　Lotus公司分別從技術(shù)和商業(yè)的角度開展了此項(xiàng)研究，技術(shù)方面主要針對(duì)汽車的結(jié)構(gòu)完整性和防撞性等，而商業(yè)方面則重點(diǎn)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(lái)研究汽車的基本架構(gòu)，材料的選擇是基于其實(shí)現(xiàn)技術(shù)和商業(yè)目標(biāo)的能力，圍繞汽車結(jié)構(gòu)來(lái)配置的。為了在合適的部位采用合適的材料，對(duì)汽車結(jié)構(gòu)和架構(gòu)策略進(jìn)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(jì)，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(diǎn)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(gè)鎂合金鑄件來(lái)替代整個(gè)部件。Lotus公司一直通過(guò)輕量化和優(yōu)雅、簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)來(lái)提高汽車性能。這是自Colin Chapman在1952年創(chuàng)立Lotus公司以來(lái)一直秉持的理念，也是該公司在這項(xiàng)特定研究中所采用來(lái)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(gè)減少到221個(gè)。零部件的削減也減少了相關(guān)的加工量。Lotus公司通過(guò)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(gè)構(gòu)件整合為一體外，還使零件設(shè)計(jì)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(shí)廢棄的材料。當(dāng)沖裁大尺寸構(gòu)件(如車門框架或車體側(cè)面窗框)時(shí)，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?gòu)U料。
 

　　當(dāng)然，通過(guò)使用鎂等材料，汽車重量的減輕也會(huì)降低燃油消耗。根據(jù)美國(guó)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(shí)現(xiàn)總重量(包括動(dòng)力總成)減輕38%的目標(biāo)后，將使油耗降低23%。
 

　　鎂合金零部件除了比其他競(jìng)爭(zhēng)性輕質(zhì)材料的原材料成本更高以外，通常還需要進(jìn)行表面涂層以避免電化學(xué)腐蝕，從而會(huì)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(dāng)鎂與其他金屬接觸并存在電解質(zhì)(如鹽水)時(shí)，就會(huì)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(xì)小顆粒引起的表面污染，它會(huì)造成嚴(yán)重的點(diǎn)蝕。含有二硫化鉬和碳的模具潤(rùn)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(shí)從模具中轉(zhuǎn)移出來(lái)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(huì)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(bǔ)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(guò)，有時(shí)汽車制造商還必須發(fā)明一些獨(dú)具特色的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)托盤都需要對(duì)連接件及墊圈、墊片和螺栓材料進(jìn)行大量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)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(dòng)力總成和其韌性比變形能力更重要的機(jī)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(jìn)行切削加工。雖然人們并不認(rèn)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(shí)產(chǎn)生的切屑可能比粗加工切屑更容易著火，因?yàn)檫@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(huì)生成易燃的氫氣，而過(guò)長(zhǎng)的停機(jī)時(shí)間和低進(jìn)給率也會(huì)增加發(fā)生火災(zāi)的可能性。
 

　　切削加工鎂合金零件時(shí)，可能需要配備專用滅火器材，因?yàn)榍邢鲿r(shí)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(lái)監(jiān)測(cè)鎂屑燃燒發(fā)出的亮光，并在著火的小切屑掉進(jìn)切屑堆使火災(zāi)蔓延之前對(duì)其進(jìn)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(duì)過(guò)濾器進(jìn)行精心維護(hù)，防止冷卻液中鎂微粒越積越多。必須持續(xù)監(jiān)測(cè)冷卻液中氫抑制劑的濃度。所有機(jī)床隔離罩內(nèi)都需要安裝氫濃度監(jiān)測(cè)儀。只要正確進(jìn)行維護(hù)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(yuǎn)遠(yuǎn)少于鋁和鋼，但鎂材料業(yè)正躍躍欲試，準(zhǔn)備大舉進(jìn)入該行業(yè)。這是因?yàn)榕c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(zhǎng)的潛力最大。
 

　　最終，市場(chǎng)將會(huì)決定有助于滿足未來(lái)汽車廢氣排放和燃油效率標(biāo)準(zhǔn)(如前不久奧巴馬政府提出的到2025年，將在美國(guó)銷售的轎車和輕型卡車的“企業(yè)平均燃油經(jīng)濟(jì)性”標(biāo)準(zhǔn)提高到54.5英里/加侖)的適當(dāng)材料組合。
 

　　Lotus公司的目標(biāo)是采用最合適的材料來(lái)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(shí)有效并具有商業(yè)可行性。解決這個(gè)問題的真正訣竅是設(shè)計(jì)出成本效益更好、重量更輕的汽車，并確保對(duì)零部件進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)所有的系統(tǒng)。如果采用零敲碎打的方式，就不可能實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)。
 

　　德國(guó)夫瑯和費(fèi)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(jì)性更好的零部件。例如，夫瑯和費(fèi)機(jī)床和成形技術(shù)研究所(IWU)開發(fā)的鎂合金車門(圖3)重量?jī)H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(fèi)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(fèi)IWU的研究團(tuán)隊(duì)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(duì)鎂合金進(jìn)行成形加工。不過(guò)，雖然作為一種示范，該研究所能對(duì)AZ31鎂合金車門進(jìn)行成形加工，但還沒有找到該工藝的正確潤(rùn)滑方法。
 

　　由于需要對(duì)成形工具表面進(jìn)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(dá)到250℃，該研究所的目標(biāo)是將溫度降低到200℃。另一個(gè)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(shí)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(jìn)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(shuō)，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(duì)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(bào)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(zhǎng)纖維增強(qiáng)聚丙烯材料制造行李廂地板和用長(zhǎng)纖維增強(qiáng)聚氨酯材料制造貨廂地板，以減少零件數(shù)量、縮短裝配時(shí)間，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)剛度。Lotus公司在此項(xiàng)研究中主要使用了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
 

　　Lotus公司設(shè)計(jì)的復(fù)合材料零件形狀比較簡(jiǎn)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。