镁合金在汽车上的应用.pdf

簟：箭分研究设计与开发 H N S A E 0 6 0 2 7 镁合金在汽车上的应用 马作坡 鹤壁金山镁业有限公司4 5 8 0 3 0 1 镁合金的特征 1 1 质量轻：镁在2 0 时的密度只有1 7 3 9 c m 3 ，比铝、锌、铁的密度分别低3 6 、7 3 和7 8 ，镁基 合金是目前所有应用的工程材料中质量最轻，也是比强度最高的金属材料。 作为轻质合金，镁基合金广泛地应用在一些对重量特别敏感的手提工具、体育器材、交通工具中。 1 2 抗震：与当前用途最广的轻金属铝合金相比，镁合金不但轻，而且抵抗振动和降低噪音能力也 非常的高。以镁合金A Z 9 1 D 为例，在3 5 M P a 应力水平下A Z 9 1 D 的衰减系数为2 5 ，而铝合金A 3 8 0 只有 1 ；在1 0 0 M P a 应力水平下A Z 9 I D 的衰减系数上升为5 3 ，而铝合金A 3 8 0 只达到4 。镁合金是一种非常 理想的减振材料。 1 3 抗干扰：镁合金还具有很高的屏蔽电磁干扰的性能。此外。镁合金还是非常易于回收的材料。 镁合金的熔化潜热比铝合金还要低，熔炼消耗的能量低。显然，镁合金的这些特性非常适合于3 C ( 计算 机、通讯器材和消费类电子) 产品的需要。镁合金与现代化紧密相连，被冠以“时代金属”和“2 l 世纪 金属”的称号。 1 4 其他：良好的耐蚀性：按照A S T MB 1 1 7 盐雾试验标准，腐蚀速率O 2 5 m g e m Z D a y ； 熔点低，有良好的压铸成型性能，铸件及加工尺寸精度高，可铸造薄壁件以及比铝、铁更复杂的零件； 良好的阻尼性；1 0 0 可回收再利用；对环境无污染，被誉为“2 1 世纪的绿色金属结构材料”。 2 镁可为制造业减藿 2 1 为汽车减重，节油、环保 汽车工业：能源、公害、安全法规：能源保护、废气排放、降低噪音、安全保障 法国5 1 、7 色标签、A G 、D 1 4 0 1 6 0 、7 1 高税 增加安全保护和电子设施重量增加；政府立法要求减少二氧化碳气体排放和燃油的消耗量；每降低 1 0 0 k g ，油耗可减少0 7 L 左右，每减1 L ，可减少2 5 9 二氧化碳。 2 2 镁的特性比较( 见表1 ) 菊、迫型镁铝钢工程塑料备注 比霞( g c m 3 ) 1 7 42 7 8 ( 2 3 )7 8 ( 1 4 ) 比强度岛1 1 5 一1 7 27 2 1 2 6 2 6 5 l 6 6 1 2 5强皮与质镀之比如作仪表板、横粱和支撵架等 比刚艘接近铝合铡 2 5 8 62 52 3l O 1 2 5刚度与质量比如作变速箱等 减振系数 3 0 6 02 5 1 0 一1 7 在弹性范围，受冲击载荷时，吸收的能量比铝大，又良好的抗震减噪性能 导热系数 1 5 72 4 7 8 0 2 0 5 0 3 鹤罐镁的慨况 裹1 镁的特性比较 我国是镁资源大国，具有储量、产量、出口量及成本最低四个世界第一。我国的菱镁矿储量约2 7 亿 吨，占世界储量的2 2 5 。同时，储量巨大的白云石矿和青海的盐湖，也含有十分丰富的镁资源。我国 的原镁产量占全球产量的4 0 。2 0 0 5 年全国原镁产量约4 7 万吨，但8 0 以上作为初级原材料低价出口。 鹤壁作为中国金属镁的发源地之一，原镁生产曾居全国首位。目前鹤壁具有定规模的金属镁及深 加工企业3 0 余家，年综合生产能达9 万吨，形成中国镁加T 产业集中区，在国内外具有较大影响力。 鹤壁白云岩储量1 0 亿吨以上，已探明白云岩品质高，M g O ( 氧化镁) 平均含量在2 1 以上，铁、铜 等杂质元素含量低，最适合生产特种镁及高纯镁，符合金属镁深加工产品国际标准要求，在全国同行业 产品中具有独特优势。 国内外镁产业对比 国外：电解法，投资大、回报率低、成本高；与用户结盟，直接销售、稳定供货；形成了完整的生 产应用回收产业链；外部环境好，欧洲l 、2 、3 粤s 标准。 国内：皮江法，投资小、门槛低、成本低；规模小、集中供货能力差；没有形成完整的产业链，主 要靠原镁出口；被歧 ! ! l ! 为“非市场经济体制国家”，受歧视性反倾销制裁。 4 世界镁合金材料应用及发展趋势 4 1 镁的发展过程与应用进展 1 7 5 5 年，人类发现了镁的化合物。1 8 8 6 年，在德国首先把镁应用于工业领域。1 9 0 9 年，在德国首次 8 3 = 骨珥究谴甘与并奠一 出现了州镁合金铸件。1 9 1 6 年美周道屋D O W 化学公司开始生产电解铝。1 9 2 7 1 9 3 0 年，在德国生产的汽 车上，每辆车平均用7 38 k g 镁合盒。1 9 3 6 1 9 4 0 年，德l 目大众汽车( 巴两) 公司生产的“甲壳虫”汽车上 的曲轴箱、传动箱壳体，累计用了4 万吨镁台金。1 9 4 8 1 9 6 2 年，美国采用热室压铸机生产数自万件镁压 铸件供汽车用。2 0 世纪7 0 年代，镁舍金材料价格t 扬，应用受阻。2 0 世纪8 0 年代起，汽车轻量化呼声强 烈，镁压铸件麻用增加。2 0 世纪9 0 年代中期原镁产晕剧增，价格与铝相近，压铸工艺技术设备完善， 镁应用进入成熟阶段，发展空前。J 9 9 1 年，全球汽车用镁压铸件25 万吨。1 9 9 5 年，全球汽车用镁压铸件 5 6 万吨。2 0 0 0 年，仝球汽车用镁压铸什1 4 5 万吨，占全球镁压铸件产品的8 0 。2 0 0 5 年全球镁压铸件 增速达到8 ，西方日家需求大约在1 6 万吨，压铸件占镁仝部需求的3 4 。 4 2 铗台金在汽车零挪件巾的应甩 传动系统：齿轮箱外壳、离合器外壳、变速箱外壳 引擎系统：汽缸盖、油泵外壳、进气歧管、汽缸体、油盆、阀盖、轮盖 车体系统：仪表扳、座椅颦、移动式车顶架、车门内村、安全气囊外壳、加油箱盖、车灯外壳、引 擎盖、车顶扳、前簧架支撑组件、车身骨架 底盘系统转向架、锁架外壳、方向盘、轮圈、刹车及离合器踏板托架 4 3 汽车零部件常用的镁合金材料( 见祀) 4 4 世界镁台金材料应用进艟及发展趋势( 见表3 ) 4 ” 影响因索：世界经济的繁荣发展 石油需求量大增：伞球环境的变化。 寰3 # $ I n 月* * # ” 镁可使汽车轻量化以提高燃油效率：近年石油价格的t 涨；将来 2 0 0 5 年镁在压铸领域的消费占镁总消费的3 8 ， 到2 0 0 8 年将增长到4 2 。捌估计，2 0 0 8 年镁消费的年 增长率为1 3 ，而镁在压铸领域的消费增比率将高i 妞5 。 4 4 应用进展实倒 ”仪表板( 见陶2 、图3 ) 第一代镁仪表板的磴计壁厚约35 4O m m ，重量约 83 k g ，第二代镁仪表板，壁厚约27 30 m ，重量 ：2 0 0 5 4 n 目i H * # * 1 6 W * $ * I M 目5 年2 B * # 越45 5O k g 。优点：压铸镁仪表板结构件与多件钢焊接件比，可减重约5 0 ，提高尺寸稳定性安装效 率提高满足减震降噪、防摘性性能要求。趋势：进一步碱重，壁厚可以达到23 m m 。 2m *目3 m 这种牢问型的结构件，可以进一步减轻重量选2 5 ，目标是减轻重达4 5 一= 甘研究，谴计与开冀 2 ) 座椅框架及后背f 见例4 、5 、6 、7 ) 美洲虎s 型和x J 掣采用压铸镁座椅后背和衬挚，已通过撞击测试。( 见剐 4 、5 、6 、) 采用了6 0 k4 0 j f 两排切分的庠椅后背概念，比钢的设甜节约了4 通过所有撞 击测试可减重达5 0 j 6 。( 见N 7 ) 目5 w m s i目6 m s J g 目7 克藁斯勒迷你箱式汽个后背框架在第二排粟用了镁座椅，具有可折装选择性。( 见圈8 ) 优点：提供减重和部件集成的效果，镁压铸尺寸精确，保证了安装和降噪，有利于制造商和消费者 目8i # * * * 镕g $ g * # * 3 ) 发动机拖架( 最近与将来的应用) ( 见图9 、1 0 ) B y d r o 镁业，2 0 0 5 午开发一种新犁的山A E 4 4 - 白湍抗蠕变镁合金眶铸件舣代铝合金压铸件，工作在 1 2 5 ( 2 成功地进行了骨架试验和汽车确认试验，通过所钉测试已人规模生产，镁合金压铸件发动机 拖架，将应用于轻巡洋舰Z 0 6 汽车上，U 以满址平台刚度和耐用性目标。 在汽车的部可减重达45 k g ，与铝比，减轻T3 4 A E 4 4 合金可提供和铝合金样的强度和韧性，确 保了对汽车的冲击没有影响。( F _ 步将减重55 k g ) 。 4 5 中国汽车_ 【= 业用镁台盒压铸件的进展 4 5 10 5 1 i 镁在国内消费领域比较表( 见表4 ) 5 一A 镕o 目目* F 自 # 4 t $ 镁铸件、压铸件消费母占总消费量的2 45 5 ，全球的3 8 ，应用还有很大差距。 H 2 0 0 0 2 0 0 5 。镁 合台零部件增K ，5 4 75 。“ 五”期问随着汽乍川k 、电，上业的快速发塍，需求1 涧h 大。 = 廿研宜谴甘与开重 4 5 2 国内汽车生产企业镁台金诗件进展情况( 见表56 、7 ) 中国镁音台应埘在2 0 世纪5 0 年代末的E 机制造的机构件：7 0 f l 二代初应用J ：风动上具( 凿岩机) 上： 8 0 年代末I 海桑塔纳轿车L 的变速箱上F 壳体用镁合金压铸：“九血”期间，北京有色金属研究总院与 东风汽印公刊共同承担丁国家“九五”科技攻关项目，对镁合金在汽 上应用进行丁专题攻关研究； “十五”期间国家把“镁台金开发应用及产业化”列为重大专项，其中把交通工具用镁台金零部件及应 用列为子课题。 = z J 鬻 16 群J 6 一| 5 + w ；l。 _ $ | 8 *$J6 螂 B g i J o 甜、斛_ 盹目H * 州：要：尝! 警詈= 。 7 帆 $ * 月* 5 F 镕E 镕# t H * & 6 $ 目 $ * “十i “# * 自月P n * m 目 一 一。 。 上海交人开挂了高温抗蠕变镬台金，藩合台在1 7 5 摄氏度F 的1 0 0 d , 时总蠕变率小于01 ，拉伸强度 人于1 2 0 M P a 满足自动变速辅等汽1 。发动机系统零部件的使用要求，已在通用汽车公司获得应用。上海 变大采用商性能镁合金材料，通过调压铸造、真空铸造、精峦铸造等先进加工上艺开发了汽车自动变速 箱、摩托车发动机箱体，高马赫导弹簧、反坦克发动机罩、诱饵鱼雷壳体、无线通讯天线管等多种新型 镁合金产品。 上海乾通汽车附件公司L j M e r i d i a n 台资组建上海镁镁台金压铸有限公司。过去乾通的主要产品供上 海人众的桑塔纳轿车变速箱上下壳体，每年的镁台金用量为85 k 窖， 2 0 0 0 年生产规模达3 0 0 0 吨。台资公司组建后，将生产汽、机车镁压 ”。一 铸件，5 0 的产品埘于出u 。长安汽车公司9 种镁合金零部件已装车、 v 5 万辆。二| 。o _ _ 一 南京华宏集闭镬( 铅) 台金压铸件生产十1 9 9 7 午建成投产，每 R tq $ n # 女* n 一 女t 、 年2 0 0 0 吨镁( 铝) 台金压铸件和加工6 万件压铸件的能力；压铸机昔：嵩警某藩蔷篡嚣禁：害矗 月* - 5 6 0 吨与15 0 0 吨，进n 意大利、瑞典、德国的压铸机，土要产品：变速箱外壳、方向盘、曲轴箱，年生产 雎铸件2 0 0 0 吨，为桑塔纳、柳卅微型汽车提供变速箱外壳，产品主要供上海乾通公司。 辫堂黛删 。瓣豢= 等 逡瑟整盎_ 蓝盎晶辫嘲 臻国一 一：骨研究遣甘与开冀 4 6 国外汽车用镁研究与开发 ( 1 ) 北美 美国能源部和美国汽牟研究理事会( 克莱斯勒、福特和通用) 的C A R 合作项H ，包括新型筮动机概 念、轻量化材料和混合推进器。镁是在研究的轻量化材料之一，轻量化对短期目标证是长期日标都是非 常霞要的。崮为应用混合和燃料电池动力系统的早期，其重量和诚本要高于现肯的内燃汽汕和柴 l l | 动力系统。 美围能源部宣布2 1 世纪k 车合作计划三山面增加减重部什可制造能力的开发技术；概念设计以及 为L 程设计人员所提供材料数据库的开发技术和其它支撑技术的开发。 加拿大足个重要的压铸件、砂型铸件，挤压型材和镁粉生产国。N o r a n d a 技术巾心开笈的一种高温 机蠕变的M g A I S r 合金，已经片j 在B M W 发动机组。 加拿大联邦实验窜( 具有中试规模) 由铸造镬( 采用砂型、币力和低压金属铸造、失蜡铸造和挤压 铸造；焊接和镁基复台材料的牛产) 。 ( 2 ) 西敞 德国是西欧研究镬的主要国家。1 9 9 5 f 初，在学术界和研究所中成立T 4 0 多个中小规模的研究团 体。2 0 0 0 年，研究力量开始集中。在基础与应用研究方而，最 的研究团对设在克劳斯特尔工业大学、 汉诺成大学、阿伦应卅科学大学、弗赖姒格工业大学和科特巾斯工业大学，还有镁技术研究中心、镁应 用技术研究群。这些大学、研究中心经常与来自企业界或研究机构的国际伙伴进行台作研究。 另外，欧洲镁合金制造商如H y d r o 也有自己的研究部门。 研究项目由欧盟资助，以支持建立欧洲各国公司、大学和研究机构之间的台作研究网络。 德田科学教育和德围研究委员会也支持与镁具相关课题的研究，如：防腐、镁变形城犁性、焊接、 新型变形镁合金、镁基复合材料、铸件质鼋的控制、新的涂层、纳米复合涂按以及同收利用等。 5 镁台金压铸件生产设备( 见图1 6 、1 7 ) 噩一 j 镕# m P * “B m # * 目, 3 1 m ) R a u ch e 镕p ( * t l “0 目, 3 1 m ) 6 建议 目1 6 # t E * # ，m * 建议汽车及零部什制造商多了解、认识镁的特征，国内外汽车用镁的情况，在我们国家自主支持产权