隨著國際燃油資源的持續(xù)減少,面對汽車制造領(lǐng)域?qū)p合金材料的巨大需求和競爭壓力,鎂合金作為最輕的工業(yè)材料具有比重低、比強度高、減震性能好等優(yōu)勢。同時,鎂合金在汽車領(lǐng)域應(yīng)用也面臨著資金支持、技術(shù)人員、生產(chǎn)成本等瓶頸。鎂合金的發(fā)展需要從加強研發(fā)力度入手,提升材料性能,降低生產(chǎn)成本以適應(yīng)汽車制造業(yè)發(fā)展的需求。
一、鎂合金的產(chǎn)業(yè)背景
進(jìn)入21世紀(jì),鎂合金在全球汽車市場的應(yīng)用正呈迅猛發(fā)展之勢,尤其是北美及歐洲地區(qū)為最,日本也在逐步擴大其應(yīng)用。此外,中國憑借礦產(chǎn)資源的優(yōu)勢,也在積極推進(jìn)鎂合金的應(yīng)用步伐。對于汽車零部件,鎂合金替代傳統(tǒng)材料可取得比鋁合金更為顯著的減重效果(鎂合金替代鋼、鑄鐵為60%-75%;鋁合金替代鋼、鑄鐵為40%-60%)。因此,鎂合金作為汽車輕量化材料的應(yīng)用,符合目前全球節(jié)能、減排、資源再生利用與清潔生產(chǎn)等環(huán)保要求。迄今為止,傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)在鎂合金汽車零部件制造方面仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展,汽車結(jié)構(gòu)件對材料及其制造技術(shù)提出了更高的要求,高致密度、高強度、高結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和低成本等將成為鎂合金鑄造未來的發(fā)展趨勢。其中箱體因其形狀復(fù)雜、質(zhì)量較大,成為鎂合金鑄造技術(shù)在汽車方面應(yīng)用的重要方向,并具有巨大的經(jīng)濟潛力。因此,在汽車工業(yè)科技競爭日趨激烈的今天,加速我國以鎂為代表的輕質(zhì)材料及其鑄造技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要的意義。
同時我們也應(yīng)當(dāng)看到,鎂合金在汽車上的應(yīng)用也受到了諸多限制,其中資金支持、技術(shù)人員、生產(chǎn)成本成為了當(dāng)前主要的三大瓶頸。鎂合金目前還不是汽車的主要金屬材料,和鋁、鋼及塑料相比有很大差距,鎂合金在汽車上的用量僅占到汽車總重量的0.4%。
二、科研發(fā)展趨勢
隨著科技的發(fā)展,以上鎂合金技術(shù)所受到的應(yīng)用局限,正在逐漸發(fā)生改變。
首先,就汽車性能方面,鎂合金擁有比鋁合金更輕的比重。而通過減少自重,汽車本身的操控性與制動性能將得到進(jìn)一步提升。面對中高端客戶的廣大的市場需求以及國際汽車市場激烈的技術(shù)競爭,國外例如寶馬、大眾等著名廠商以及美國汽車材料公司等科研機構(gòu)已開始增加相應(yīng)的研究投入,并且取得了包括曲軸箱、變速箱、輪轂等方面的重要技術(shù)突破。同時,隨著科研投入的加大,全世界從事鎂合金汽車部件開發(fā)設(shè)計的科學(xué)家與工程師數(shù)量也在迅速增加。以歐洲為例,在德國已成立了由44個業(yè)內(nèi)機構(gòu)和5個大學(xué)共同組建的“MADAICA”在鎂合金的CAD建模、模具制造、壓鑄、砂鑄、焊接和機加工等領(lǐng)域進(jìn)行研究。
三、應(yīng)用實例
以汽車變速器箱體以及曲軸箱體鎂合金的應(yīng)用為例。
1.在汽車變速器箱體方面,主要以新型高強度鎂合金替代鋁合金為主要方式實現(xiàn)箱體減重。
例如對MgA18Zn1合金,ZFFriedrichsnafenAGK.DaubJ.Fotn St.HockJ.Sauter等人的進(jìn)行的詳細(xì)試驗,從各項主要指標(biāo)上,證實了鎂合金變速箱體工業(yè)應(yīng)用的可行性。為了簡化工藝的原因,該試驗選擇了轎車用的一個手動換檔的5檔變速器箱體。為一個形狀復(fù)雜的雙聯(lián)箱體。它用鋁制成重量為811kg,用鎂為513kg。該試驗采用了與AlSi9Cu3相同壓鑄法和摸具壓鑄了30個材料是MgAl8Zn1的箱體,并提供了試驗計劃。根據(jù)試驗結(jié)果,該科研小組認(rèn)為,MgA18Zn1可以成為一種適于壓模鑄造箱體的材料。但應(yīng)該注意的是,在應(yīng)用過程中,其腐蝕特性要求充分注意其金屬雜質(zhì)的控制,使之完全可能用來限制電腐蝕。并且還必須注意熱和機械的數(shù)據(jù),特別對螺栓聯(lián)接要特別仔細(xì)測量。同時,設(shè)計時可充分利用其優(yōu)良的可鑄性采用合適的厚度制成質(zhì)量輕的制件,該優(yōu)良的可鑄性可進(jìn)一步改善加強筋結(jié)構(gòu)以增強箱體剛度、熱傳導(dǎo)和聲發(fā)射特性。最后,應(yīng)注意控制齒輪的修形使其聲響性能達(dá)到最佳狀態(tài)。此外,用Mg取代Al的大量采用還取決于燃油經(jīng)濟性政策,包括對車輛重量的理解以及價格率的提高狀況。
2.在曲軸箱應(yīng)用領(lǐng)域,因其內(nèi)部強度要求較高,多采復(fù)合成型技術(shù)。
德國寶馬汽車公司在世界上首次采用鎂鋁復(fù)合材料制造水冷式發(fā)動機的曲軸箱(crankcase)。為此,寶馬公司(BMW)還研發(fā)出了一種性能優(yōu)異的鎂合金,特別適合于此種用途。該曲軸箱主要用鎂合金制造箱的外殼,而用薄的鋁合金作內(nèi)殼,從而形成一種外鎂內(nèi)鋁的復(fù)合箱體,集鎂與鋁的優(yōu)點于一體,既有鋁的高抗腐蝕性能又有鎂的減重效果。同時內(nèi)部為鋁還提高了曲軸箱強度,它由上下兩部分組成,然后用螺栓固定,為了避免接觸腐蝕,不用鋼螺栓,而用高強度鋁合金螺栓。這種新型曲軸箱是用寶馬汽車公司新近開發(fā)的一種新型鎂合金,它具有:高的抗蠕變強度,相當(dāng)強的抗腐蝕性能,高的熱學(xué)性能與力學(xué)性能,另外還有良好的鑄造性能。為了避免鎂與其他材料間的接觸腐蝕,曲軸箱與發(fā)動機之間進(jìn)行了完全絕緣性密封。其生產(chǎn)工藝為,先鑄鋁合金內(nèi)襯,而后在鋁上鑄造鎂合金外殼。這種復(fù)合曲軸箱由擁有全球最大的壓鑄機企業(yè)生產(chǎn),位于德國蘭舒特(landshut)壓鑄中心。壓鑄模重60噸,鑄造完鋁合金內(nèi)殼后,關(guān)閉模,第二步是立即射注約700攝氏度的鎂熔體,射注時間僅為1/600s,壓力約為1000bar,于是鋁內(nèi)殼與鎂合金外殼在約400噸的外力作用下緊緊地熔接為一體。鎂合金在10s左右時間內(nèi)凝固完畢,再過20s由機器人取出鑄件,隨即交付熱處理與機械加工。
四、成本策略
在工藝成本方面,鑄造鎂合金相較于傳統(tǒng)材料,其科研成本、生產(chǎn)成本較高。但是,其較鋁合金更為優(yōu)秀的減重性以及比強度,使其在當(dāng)前汽車市場具有廣闊的發(fā)展前景。
首先,汽車輕量化更加有利于節(jié)省燃油消耗,減少廢氣排放。鎂合金在汽車工業(yè)的應(yīng)用,雖然目前提升了單車的生產(chǎn)成本,但從長遠(yuǎn)看,最終將為用戶節(jié)省大量的燃料費用。其次,鎂合金的使用打破了傳統(tǒng)汽車以鋁合金材料為主帶來的減重瓶頸,進(jìn)一步從材料方面提升了車輛性能,從而使汽車生產(chǎn)廠商在高端產(chǎn)品領(lǐng)域具有更強的競爭力,獲得更佳的經(jīng)濟效益。最后,中國是鎂的主要生產(chǎn)國,國內(nèi)材料研究和汽車制造企業(yè)在該合金的研究與生產(chǎn)中具一定的地域成本優(yōu)勢,可以節(jié)省相當(dāng)?shù)目蒲信c生產(chǎn)成本。