长安汽车镁合金技术研究与应用进展

AT1禳界长安汽车镁合金技术研究与应用进展摘要介绍了镁合金材料的优点及其在汽车轻量化中的应用趋势，重点介绍了长安汽车在“十五”、“十一五”期间镁合金技术方面的研究成果，同时对当前正在进行的研究项目做了简单介绍。对当前镁合金应用中产生的问题进行了分析，提出推广镁合金在汽车上批量应用的对策。关键词汽车镁合金轻量化技术中图分类号U46522文献标识码A重庆长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院刘波黎予生李晓青刘建才1镁合金在汽车轻量化中的应用随着能源紧缺、环境污染问题的日益突出，全世界的汽车制造厂正面临降低排放量和节约能源的压力。汽车制造商正在采取措施减轻汽车的质量，一方面是来自政府的命令，另一方面是市场对更加省油汽车的需求。为了减轻汽车自重，一是在提高材料强度和可靠性的基础上，利用有限元方法使其结构实现最优化设计；二是采用轻量化材料。镁合金被誉为21世纪的最有发展前景的绿色环保材料。镁的密度只有174GCM。，因此镁合金比铝合金轻约36，比锌合金轻约73，比钢轻约77。镁合金的比强度高于铝合金和钢，比刚度与铝合金和钢相近。镁合金能承受较大的冲击振动负荷、减振性好、具有优良的切削加工和抛光性能、易于铸造。而且，镁合金具有加工成本低，加工能量仅为铝合金的70和易回收的优点。另外，镁合金的导电性和导热性好、电磁屏蔽性能优良。与铝和铁相比，镁合金的优点如下。A镁合金是金属结构材料中最轻的金属，其屈服强度与铝合金大体相当，与铝合金、钢铁相比具有较低的弹性模量，在同样受力条件下，可消耗更大的变形功，具有降噪、减振功能，可承受较大的冲击振动负荷。各种材料的相关力学性能对比见表1。2012年第1期汽车1艺B材料ATMI17IATM碗界B镁合金具有较好的铸造性能和加工性能。铸造镁合金的铸造性能良好，镁合金压铸件的最小壁厚可达06MM，而铝合金的为1215MM。镁合金具有相当好的切削加工性能，镁合金、铝合金、铸铁、低合金钢切削同样零件消耗的功率比值为10183563OC镁合金电磁屏蔽性能和导热性均较好，同时具有较好的耐磨性。D镁合金有较高的尺寸稳定性和稳定的收缩率，铸件和加工件的尺寸精度高。因此，镁合金在航空航天工业、汽车工业、电子通讯业得到了较多应用。镁合金被用来减轻汽车质量已有70年的历史。据测算，汽车自重每减轻10，燃油效率可以提高55，如果每辆车能使用7OKG镁，CO的年排放量就能减少30以上。世界各大汽车公司都非常重视开发镁合金零部件。欧洲正在使用和研制中的镁合金汽车零部件有60多种，单车用镁合金为93203KG。_II；美正在使用和研制中的镁合金汽车零部件有100多种，单车用镁合金为58263KG。美国通用和福特汽车公司预计在今后的20年内每辆车的镁合金用量将从3KG提高到100KG。从2O世纪90年代开始，欧美、日本、韩国的汽车商逐渐开始把镁合金用于许多汽车零件上。国外近几年镁合金在汽车上的应用，以年均25的速度快速增长。我国经过“十五”和“十一五”科技攻关，也有20余种汽车零部件采用镁合金材料。长春一汽集团已形成了年产1500T镁合金压铸件的生产能力，开发的几种汽车零部件已经实现量产已批量生产镁合金转向盘30万件，镁合金气缸罩盖10万件天汽生产气缸罩盖和链条室罩盖20万件，其性能达到或超过国外同类产品水平，产品合格率达95以上。长安汽车通过“十五”和“十一五”期间的镁合金技术研究，突破了大型复杂镁合金铸件在汽车上集成应用的技术瓶颈，实现单车集成用镁量2O1KG，轻量化水平居国内领先地位。本文主要介绍长安汽车“十五”和“十一五”镁合金技术研究成果及正在研究的项目，并针对镁合金应用研究和产业化中存在的问题，提出相应的对策。2长安汽车镁合金技术研究成果长安汽车为了支持镁合金在汽车上的应用，早在“十五”初期2001年就启动了“镁合金在长安微型汽车中的应用”专题项目，该项目于2003年12月顺利通过国家科技部组织的验收。为了加快镁合金的产业化步伐，长安公司于2004年启动“镁合金在长安汽车上的扩大应用”专题项目，所开发的镁合金零部件批量装车3万余辆，并销往全国各地，该项目于2005年11月通过了国家科技部组织的验收。长安汽车公司牵头负责了国家“十五”科技攻关重大项目“镁合金开发应用及产业化”，成功开发了“长安之星”微型车变速器壳体、气缸盖罩、气缸盖前端盖、曲轴后端盖、转向盘等镁合金零部件，建成了压铸、机加、表面处理生产线，实现了单车最大镁合金用量9KG，批量装车5万辆。“十五”长安汽车公司镁合金项目所开发的零部件见图1。图1“十五”长安汽车公司镁合金项目所开发的零部件在“十一五”期间，长安汽车充分利用军工技术研究成果和企业现有资源，以长安具有自主知识产权的CV系列车型为研究对象，对轻量化材料的应用及结构优化设计、分析技术进行研究；对汽车用大型、复杂镁合金压铸件产品的设计、开发及成本控制等关键技术进行应用研究。图2是长安汽车公司的镁合金车身前端集成设计的正向开发，将车身前端零件从61个集成为5个，设18L汽车工艺与材料ATM2012年第1期ATM襁界图2镁合金车身前端集成设计的正向开发计用镁28_4KG，减重22KG，改善了整车前后轴荷分布的平衡，在满足性能要求碰撞安全、NVH、疲劳耐久的同时提升了整车操控的稳定性。在国家科技支撑计划的支持下，长安汽车公司完成了以镁合金变速器壳体、油底壳和气缸盖罩为代表的大型复杂镁合金压铸件的设计、分析、模具开发制造和样件生产，成功开发出国内第一个镁合金座椅并装车通过法规试验验证。具体开发的零件及减重效果见表2。率先在自主品牌汽车上实现单车最大用镁量达到201KG，比采用传统材料减重114KG，形成了年产汽车用镁合金压铸件12O万件的能力。在完成大型复杂镁合金铸件的结构及工艺优化设计的基础上，建立了大型、复杂镁合金压铸工艺优化及模具设计规范，形成了大型、复杂镁合金构件协同设计技术体系，镁合金压铸工艺收得率达到639，工艺收得率提高了65。通过优选设备，使熔化能源消耗成本降低35。3长安汽车镁合金产品开发现状进入“十二五”以来，长安公司为了进一步实现车辆轻量化，为正在研发的新车型而开发的镁合金转向支撑总成见图3，该总成开发过程包括总成概念设计、CAE模态分析、碰撞安全仿真分析、结构优化、压铸工艺分析。该镁合金转向支撑总成组件质量为43KG，减重约43KG，减重率达到50。通过结构优化，提高了镁合金转向支撑总成的结构刚度，在减轻质量的同时，镁合金方案超过了钢质方案的NVH和碰撞安全性能要求。此外，长安公司还联合重庆大学开发了镁合金汽车轮毂，主要内容包含优化设计、CAE分析、工艺分析等。设计了2种型号的镁合金轮毂，见图4。舱镁合金轮毂15X6J替换前为72KG，单支减重23KG，整车共减重92KG，单支减重率为319；可采用2种工艺方案即锻压或挤压铸造。镁合金轮毂16X65J替换前为85KG，单支减重27KG，整车共减重108KG，单支减重率为317。现已完成试制轮毂的第一轮常规性能试验、结构优化、常规性能试验仿真分析。4镁合金应用推广存在的问题及对策长安汽车通过实施镁合金项目，掌握了镁合金材料替代后的整车和零部件结构再设计的关键技术。实现座椅骨架、动力总成、备胎架、转向盘骨架、轮毂等镁合金汽车零部件的产业化开发与应用。项目成果直接应用于长安CV11，还将应用于长安正在研发及后续开发的系列车型上。项目成果不仅使长安汽车达到减重、减排，节能环保，改善车辆的驾乘性能的目的，还使CV11车型成为当前国内应用轻合金最高的自主品牌汽车，达到国际上镁合金应用水平，显著提升了国内自主品牌汽车的市场竞争力和国内整车企业的形象。同时，还将显著推动我国镁合金材料从原料生产、零件加工到生产装备整个产业的持续健康发展。该项目的研究与实施，推动了重庆万盛地区原镁生产基地的建立，为重庆市打造镁合金产业链原镁台炼、产品研发、加工制造、批量应用提供了有力支撑，图5是重庆市镁合金产业链。项目的研究成果推广应用在长安福特蒙迪欧和沃尔沃80车型上，累计生产镁合金汽车零部件100万件，装车1O万辆。在项目后期，因为项目组在汽车