車用鎂合金性能對汽車輕量化發(fā)展的影響

金　霄，湯梓銘

(1.長春吉大附中實驗學校，吉林 長春 130021；2.延邊大學 工學院，吉林 延吉 133002)

車用鎂合金性能對汽車輕量化發(fā)展的影響

金霄1，湯梓銘2

(1.長春吉大附中實驗學校，吉林 長春 130021；2.延邊大學 工學院，吉林 延吉 133002)

摘要：車體質(zhì)量對燃油經(jīng)濟性和CO2排放量有非常大的影響，減重是目前汽車工業(yè)面臨的重大技術(shù)課題。與鋁合金相比，鎂合金具有更高的比強度和減振性，是汽車輕量化發(fā)展進程中極其重要的替代材料。全球各大汽車公司都已經(jīng)開展了用鎂合金替代現(xiàn)有材料的研發(fā)項目以實現(xiàn)減重的目的，并已經(jīng)將技術(shù)成果應(yīng)用在某些新車型中。討論了鎂合金在汽車輕量化發(fā)展中的優(yōu)勢及技術(shù)瓶頸，闡述了其在車身、動力總成、底盤和內(nèi)飾零部件中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展?jié)摿?，分析了車用鎂合金技術(shù)的發(fā)展方向。通過基體強化、晶界強化和表面處理等方法，可以提高鎂合金抗蠕變能力和耐腐蝕性，為鎂合金汽車零部件的批量規(guī)?；a(chǎn)提供有力的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：鎂合金；蠕變；耐腐蝕性；汽車；表面處理

汽車行業(yè)普遍認為，車重每減少100 kg，百公里耗油量會減少0.5 L[1]；車重每減少10%，轎車燃油經(jīng)濟性會提高6%，輕卡的燃油經(jīng)濟性會提高8%[2]。隨著對燃油經(jīng)濟性和降低排放需求的日益增大，越來越多的汽車廠商開始通過減重來提高發(fā)動機效率，并已經(jīng)開始尋找比鋁和鑄鐵更輕的合金材料，使汽車材料向輕質(zhì)、環(huán)保的方向發(fā)展[3-4]。由于鎂比鋁更輕，可為燃料電池、混合動力和內(nèi)燃機提供最佳的材料解決方案，所以鎂合金已經(jīng)成為開創(chuàng)更輕、更高效的汽車新時代的關(guān)鍵材料。本文結(jié)合鎂合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析鎂合金材料的優(yōu)缺點，討論其在抗蠕變性和耐腐蝕性方面的技術(shù)提升空間。

1鎂合金的優(yōu)點和發(fā)展瓶頸

鎂在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)金屬中密度最小，具有較高的強度和剛度，比強度遠高于鋁合金，十分有利于整體構(gòu)件的設(shè)計；鎂合金具有良好的減振性，在受到?jīng)_擊載荷時吸收的能量比鋁高50%，因而是車輪等受沖擊[5]零件的理想材料，其高阻尼容量的特性也可以有效減小振動和噪聲；鎂合金也具有優(yōu)異的切削加工特性[6]，易加工，切削速度快且加工成本低，容易達到穩(wěn)定的尺寸精度和較低的表面粗糙度。作為鎂資源大國，我國的鎂產(chǎn)量世界第一，占全球鎂產(chǎn)量的一半，具有得天獨厚的原材料優(yōu)勢。

然而，鎂合金高溫抗蠕變性和耐腐蝕性差[7]等缺點也限制了其在汽車中的應(yīng)用。大部分鎂合金都是只有4個獨立滑移系的六方結(jié)構(gòu)，塑性變形能力差。鎂合金的蠕變方式主要是位錯滑移和晶界滑移，AZ91系鎂合金[8]高溫蠕變能力弱是由于晶界處β相(Mg17Al12)的熔點很低，容易高溫變形，無法穩(wěn)定晶界，晶界滑動進而引起蠕變的產(chǎn)生。鎂是活潑的化學元素，與其他金屬接觸時易發(fā)生電偶腐蝕現(xiàn)象，并充當陽極。室溫下的鎂在空氣中形成致密系數(shù)僅為0.79的氧化鎂薄膜，體積縮小，導致耐蝕性很差。

2車用鎂合金的應(yīng)用范圍

汽車主要零部件在全車中的質(zhì)量分布[9]圖如圖1所示。用鎂材料替代鋁和鋼后的減重比例[10]圖如圖2所示。從圖2可以看出，被鎂和鎂合金替代后的汽車部件減重比例達到20%～70%，可以在車身、動力總成、底盤和內(nèi)飾等4個部分實現(xiàn)材料替換。

圖1　汽車質(zhì)量分布

圖2　采用鎂材料替換鋁和鋼后的汽車減重情況

車身在整體車重中所占比例最高，也是結(jié)構(gòu)材料的首選[11]；但高成本和市場價格不穩(wěn)定等因素阻礙了鎂應(yīng)用在大型薄板的生產(chǎn)中，從而限制了鎂在車身材料中的應(yīng)用。鎂合金車身材料[12]依然得到了快速發(fā)展，通用公司早在1997年就C-5Corvette中采用了鎂合金車頂框架，凱迪拉克XLR和福特F-150等車型的框架中也大量使用了鎂合金，德國的大眾和奔馳公司首先在車身板中使用了薄壁鎂合金零件。

動力總成是通過各種機械耦合將發(fā)動機和傳動系統(tǒng)連接在一起，其材料性能極其重要，加入稀土元素并成功強化抗蠕變性能的鎂合金材料在這個領(lǐng)域中有很大的應(yīng)用潛力[13]。澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織(CSIRO)將新合金AM-SC1應(yīng)用在一種新型低壓砂鑄鎂缸體中，發(fā)現(xiàn)其不僅具有更高的強度—質(zhì)量比，而且與鋁和鋼相比能夠更好地抑制噪聲和振動[14]。該合金在質(zhì)量上比鋁合金輕33%，而且比相同質(zhì)量的鋼強度更高，滿足了發(fā)動機缸體和變速箱殼在150～200 ℃溫度條件下保持高強度金屬性能的要求，因此，福特、通用、克萊斯勒以及美國能源局正在協(xié)助澳大利亞AMT(Advanced Magnesium Technologies)公司開發(fā)一種輕量鎂發(fā)動機，可以使汽車在壽命時間內(nèi)排放的溫室氣體減少2.75 t。

在解決了成本及耐腐蝕性問題之后，鎂合金在底盤零部件中的應(yīng)用潛力將會被大大開發(fā)，這將從本質(zhì)上優(yōu)化輪轂、發(fā)動機懸架以及控制臂等零部件的工藝水平。耐腐蝕、抗疲勞和沖擊強度高的鎂合金材料非常有助于底盤質(zhì)量的整體提升。

將鎂合金大量用于汽車內(nèi)飾材料中[15]，可以合理規(guī)避鎂合金耐腐蝕性差的缺點。采用壓鑄成型的鎂合金主要應(yīng)用在儀表板、方向盤、轉(zhuǎn)向桿和座椅骨架上，這主要是利用了鎂的高比強度、優(yōu)異的延展性和出色的能量吸收特性。方向盤和儀表盤是全世界最被認可和接受的鎂合金部件，菲亞特在最新車型儀表盤管梁中使用了1個單體鎂鑄件替換了原來由18個零件組成的點焊組裝件，減少了所需的零件數(shù)量和組裝工作量；通用GM H-van車型在采用鎂儀表盤之后由原來鋼材質(zhì)量為18 kg減輕到12 kg。20世紀90年代，奔馳公司首先在SL Roadster中采用了鎂合金座椅，使車重明顯減輕，AM50和AM20鎂合金也已經(jīng)被用于汽車座椅結(jié)構(gòu)上。近年來，各汽車廠商在不同車型不同零部件中使用的鋁合金情況見表1，鎂合金部件外形圖如圖3所示。

圖3　鎂合金汽車零部件

組件制造商和汽車型號發(fā)動機 寶馬(諾蘭達AJ62合金發(fā)動機缸體)方向盤骨架 福特(福特雷鳥、美洲獅、金牛座和黑豹),克萊斯勒(克萊斯勒普利茅斯),豐田,寶馬(迷你),雷克薩斯(雷克薩斯LS430)座椅架 通用(impect),梅賽德斯奔馳(奔馳跑車300/400/500SL),雷克薩斯(雷克薩斯LS430)儀表板 通用汽車,克萊斯勒(jeep),福特,奧迪(A8),豐田(豐田世紀)輪組 豐田2000GT,速霸,豐田(GTVRomeo),保時捷(AG911系列)氣缸蓋 道奇(道奇生),本田汽車(HondaMotor城市渦輪),阿爾法羅密歐(GTV),AutoZAZ-Daewoo(SlavutaTavriaDaewoo-Sens),本田,寶馬,福特,五十鈴汽車,沃爾沃汽車(LCP),克萊斯勒離合器箱 DodgeAutoZAZ-Daewoo(TavriaSlavutaDaewoo-Sens),沃爾沃汽車(LCP),阿爾法羅密歐(GTV)變速箱 AutoZAZ-DaewooAutoZAZ-Daewoo(TavriaSla-vutaDaewoo-Sens),沃爾沃汽車(LCP),保時捷(AG911系列),大眾汽車(帕薩特),奧迪(A4、A6),梅賽德斯-奔馳下曲軸箱 克萊斯勒吉普,阿爾法羅密歐(GTV),通用(奧茲莫比爾),邁凱輪汽車公司(F1-V12)氣缸座 通用(龐蒂亞克、輕巡洋艦)進氣歧管 通用(V8北極星電動機),克萊斯勒進氣系統(tǒng) 寶馬V8轉(zhuǎn)向鏈接支承 通用(LH中型)油泵體 邁凱輪汽車(F1-V12)凸輪軸驅(qū)動鏈箱 保時捷AG(911系列)換檔機構(gòu) AutoZAZ-Daewoo(Tavria、Slavuta、Daewoo-Sens) 空氣壓縮機支架、轉(zhuǎn)向增壓泵和發(fā)電機 大眾汽車公司(克萊斯勒汽車公司、大眾)

3鎂合金抗蠕變性的改善方法

借助析出強化、固溶強化和彌散強化等基體強化的手段，可以提高鎂合金的抗蠕變能力[16-17]。固溶強化是通過溶質(zhì)元素注入形成固溶體，當溶質(zhì)原子濃度達到適當程度時，位錯運動阻力增加使滑移難度加大，進而增強材料的抗蠕變能力。析出時效強化就是在時效期間，合金元素的固溶度隨溫度降低而形成彌散分布的析出相與位錯的作用增大了合金的屈服強度。用這種方法增強鎂合金抗蠕變性的核心是采用合適的合金元素優(yōu)化析出相的晶體結(jié)構(gòu)來降低其與鎂基體的點陣常數(shù)錯配度，并提高析出相的熱穩(wěn)定性以降低其擴散性，使析出強化機制在服役條件下產(chǎn)生效果，以提高鎂合金的蠕變能力。與析出強化相比，彌散強化對溫度的敏感性要小得多。彌散相具有較高的熔點和熱穩(wěn)定性，溶解度低，彌散分布在晶界、晶內(nèi)，限制了晶粒變形、晶界的滑動以及位錯運動，進而使合金的抗蠕變能力適應(yīng)溫度環(huán)境的變化。

晶界強化也是一種行之有效的金屬性能強化方法。鎂合金在高溫條件下的工作特性在一定程度上取決于晶粒的大小，對晶粒度的限制可以通過改變合金制備工藝或在冷凝時添加合適的合金元素來獲得。當工作溫度低于等強溫度時，晶界延緩了晶內(nèi)位錯攀移，因此，小尺寸晶粒會增加鎂合金抗蠕變性；而當工作溫度高于等強溫度時，晶界滑動變得更加劇烈，因而，數(shù)量少但尺寸較大的晶粒則會增強鎂合金的抗蠕變性，但晶粒尺寸不宜過大，否則有可能使材料在鑄造時產(chǎn)生微觀缺陷。實現(xiàn)晶界強化的主要途徑是凈化，其作用是減少雜質(zhì)偏聚。此外，通過微合金化元素在晶界附近的偏析，也可以有效提高鎂合金的熱強性能。單獨采用上述各種強化方法，不一定能夠明顯提高材料的抗蠕變性，往往需要合并多種強化措施以突出強化效果。

4鎂合金耐腐蝕性的改善方法

鎂合金耐腐蝕性差的缺陷可以通過改變合金雜質(zhì)比例增加合金純度，改進鎂合金成形和熱處理工藝或表面處理等方法來彌補。

鎂合金中的Fe和Ni等雜質(zhì)成分影響了材料的耐腐蝕性，降低這些雜質(zhì)成分的比例使其低于相應(yīng)臨界值，可以緩解腐蝕現(xiàn)象。在鎂基材料中添加稀土元素能將晶粒細化，使晶界和相界擴散滲透性減小，限制H+在陰極的析出，從而減慢腐蝕過程。在鎂合金中添加其他金屬如Al、Mn和Zn等元素在減慢腐蝕速率、提高鎂材料耐蝕能力方面也具有積極的作用。

在材料加工工藝方面，速凝技術(shù)增加了固溶度，改善了鎂合金內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，使材料更均勻，晶粒尺寸更小，缺陷更少，使其耐腐蝕性明顯優(yōu)于常規(guī)鑄造鎂合金。綜合運用合金化和材料加工工藝可以使鎂合金兼?zhèn)漭^好的耐腐蝕性和機械特性。熱處理工藝在一定程度上可以改變其成分分布和晶粒大小，尤其對變形鎂合金熱耐蝕性的提高效果明顯。

在批量化規(guī)?；嚵悴考a(chǎn)中，應(yīng)對鎂合金進行表面處理?；瘜W轉(zhuǎn)化膜是鎂合金與鉻酸鹽、有機酸等化學溶液相互作用在材料表面形成的一層保護薄膜，制備成本低但僅限于腐蝕強度不大的工作環(huán)境。通過陽極氧化在合金表面形成的沉積膜比化學轉(zhuǎn)化膜具有更好的結(jié)合力，更加耐磨損、耐腐蝕和耐沖擊，是一種鎂合金最常用的表面處理方法。在陽極氧化液中，添加適量的Si-Al溶膠可以增強膜層的致密程度并減低孔隙比例，提高耐蝕性。金屬鍍層也是保護鎂合金不受腐蝕的措施之一，盡管由于鎂化學活性高等特點影響了鍍層的成形和致密性，但采用多層混合鍍的方式也可以改善鎂合金晶粒尺寸和孔隙率，延緩外界侵蝕。隨著激光功率和穩(wěn)定性大幅提高，可以利用固體激光或光纖激光對鎂合金表面進行熔覆處理，并快速冷卻實現(xiàn)退火,將表面鎂合金晶粒細化，從而提高材料的耐磨、耐腐蝕和抗氧化特性。

5結(jié)語

隨著環(huán)保受到全球的廣泛關(guān)注，發(fā)展節(jié)能減排的綠色汽車工業(yè)的需求日益迫切，使鎂合金在汽車輕量化發(fā)展中的應(yīng)用越來越廣。鎂合金在技術(shù)上具有廣闊的研發(fā)空間，同時還需要優(yōu)化鎂零件加工工藝，提高合金開發(fā)能力，改善鎂合金抗蠕變性和耐腐蝕性，合理增加鎂產(chǎn)量，控制鎂合金價格，從而滿足汽車工業(yè)對輕型材料的要求。此外，國家的戰(zhàn)略性投資和積極的扶持政策會促進鎂材料應(yīng)用的普及與技術(shù)進步，加快國內(nèi)汽車工業(yè)在新材料新技術(shù)上的突破。

參考文獻

[1] Andure M W, Jirapure S C, Dhamande L P. Advance automobile material for light weight future-A review[J]. International Journal of Computer Applications, 2012(1):15-22.

[2] James M, Kihiu J M, Rading G O, et al. Use of magnesium alloys in optimizing the weight of automobile: current trends and opportunities[J]. Sustainable Research and Innovation Proceedings, 2011(3): 49.

[3] 王秋鵬. 鎂合金在現(xiàn)代鐵道車輛上的應(yīng)用[J]. 新技術(shù)新工藝, 2013(12):113-115.

[4] Tkachenko V G, Maksimchuk I N, Volosevich P Y, et al. Creep resistance and long-termstrength of structural magnesium alloys[J]. High Temp Mater Proc., 25(1/2):97-107.

[5] 李保成，張星，馬丹. 鎂合金沖擊性能研究[J]. 新技術(shù)新工藝, 2005(7):54-55.

[6] Schuman S. The paths and strategies for increased magnesium application in vehicles[J]. Mat Sci Forum, 2005, 488/489:1-8.

[7] Jain C C, Koo C H. Creep and corrosion properties of the extruded magnesium alloy containing rare earth[J]. Mater Tran., 2007(2):265-272.

[8] Tang B, Wang X S, Li S S, et al. Effects of Ca combined with Sr additions on microstructure and mechanical properties of AZ91D[J]. Mater Sci. Technol., 2005, 21(29):574-578.

[9] Kevorkijan V. Economic benefits of the substitution of traditional cast iron and steel by aluminium and magnesium based materials in automotive segment[J]. Metalurgija-Journal of Metallurgy, 2002, 8(3):251-258.

[10] Kulekci M K. Magnesium and its alloys applications in automotive industry[J]. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2008, 39(9/10):851-865.

[11] 郭冠偉，蘇鐵健，譚成文，等. 鎂合金腐蝕與防護研究現(xiàn)狀及進展[J]. 新技術(shù)新工藝，2007(9):69-73.

[12] Aghion E, Bronfin B, Von Buch F, et al. Newly developed magnesium alloys for powertrain applications[J]. Jom-J Miner Metals Mater Society, 2003, 55(11):30-33.

[13] Innovation S S. Magnesium in Motion[J]. Mg Showcase Issue, 2010, 847(7): 1-4.

[14] Dieringa H, Kainer K U. Magnesium-der zukunftswerkstoff für die automobilindustrie[J]. Mat-wiss U Werkstofftech, 2007, 38(2):91-95.

[15] Polmear I J. Magnesium alloys and applications[J]. Mater Sci. Technol., 1994,10(1):1-14.

[16] Shi Z M, Song G L, Atrens A. Influence of anodising current on the corrosion resistance of anodised AZ91D magnesium alloy[J]. Corros. Sci., 2006, 48(8):1939-1959.

[17] Dutta Majumdar J, Maiwald T, Galun R, et al. Laser surface alloying of an Mg alloy with Al + Mn to improve corrosion resistance[J]. J. Lasers in Engineering, 2002, 12(3):147-169.

責任編輯鄭練

The Influence of Properties of Vehicle-used Magnesium Alloys on the Development of Lightweight Vehicles

JIN Xiao1, TANG Ziming2

(1.Experimental High School Attached to Jilin University of Changchun, Changchun 130021, China;

2.Yanbian University of Technology, Yanji 133002, China)

Abstract：Body weight has very significant impacts on fuel economy and CO2emission, therefore weight reducing currently becomes a major technical issue which the automotive industry is facing. Magnesium alloy is one of the most essential alternative materials for lightweight automotive development process with higher specific strength and shock absorption comparing with aluminum alloy. The current article discusses the advantages and technical bottlenecks of magnesium alloy in the development of lightweight vehicles, describs its application status and potential for development in body, powertrain, chassis and interior parts, and analyzes the research direction of vehicle-used alloy magnesium. By matrix strengthening, grain boundary strengthening and surface treatment methods, the properties of creep resistance and corrosion resistance of magnesium alloys could be improved in order to provide strong technical support for large scale production of automotive magnesium alloy components.

Key words:magnesium alloys, creep, corrosion resistance, automobile, surface treatment

收稿日期：2015-04-28

作者簡介：金霄(1998-)，男，學生，主要從事新型汽車材料、汽車設(shè)計等方面的研究。

中圖分類號：U 465.2+2

文獻標志碼:A