鎂合金鑄件在汽車工業(yè)中的應(yīng)用與研究狀況

為了提高汽車的燃油效率和降低其廢氣排放，減輕汽車的重量至關(guān)重要。為了達到這一目的，用鎂合金來制造合適的汽車零部件似乎是一種顯而易見的明智之舉。作為一種最輕的結(jié)構(gòu)金屬，鎂比鋼輕75%，比鋁輕33%左右。

01 前沿

研究表明，約75%的油耗與汽車整車質(zhì)量有關(guān)， 減輕汽車整車質(zhì)量可以有效降低油耗及排放。減輕整車質(zhì)量，還可以明顯減小動力傳動負(fù)荷，可在較低的牽引負(fù)荷下達到更好的操控性能。在保證汽年零部件強度和剛度要求下盡可能選用質(zhì)量較輕的材料，是汽車輕量化的重要途徑之一。鎂合金是當(dāng)前常用金屬結(jié)構(gòu)材料中最輕的，而且儲量豐富，因而成為汽車減重以提高其燃油經(jīng)濟性和可操控性的首選材料。

02 鎂合金用于汽車工業(yè)的優(yōu)勢
鎂合金部件應(yīng)用于汽車工業(yè)中主要有如下優(yōu)勢：
質(zhì)量輕，其密度只有鋁合金的2/3；
比強度高于鋁合金和鑄鐵，略低于比強度最 高的纖維增強塑料，有一定的承載能力；
比剛度與其他幾種材料基本相同，可以取代鋁合金和鋼部件；
具有良好的鑄造性能和尺寸穩(wěn)定性，易于加工，廢品率低；
具有良好的阻尼系數(shù)，減振量大于鋁合金和鑄鐵，用于制造殼體可以降低噪聲，用于制造座椅、輪圈可以減小振動，從而提高汽車的安全性和舒適性；
抗電磁干擾及屏蔽性好，減少噪聲；
對環(huán)境污染小，可重復(fù)利用。

03 國內(nèi)外鎂合金汽車零部件的應(yīng)用概況
3.1 國外應(yīng)用概況
德國大眾汽車公司是最早在汽車上大規(guī)模應(yīng)用鎂合金的汽車公司，早在20世紀(jì)30年代，大眾汽車就開始使用鎂合金，特別是90年代以來，德國在鎂合金領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先地位；奔馳汽車公司最早將鎂合金壓力鑄造件應(yīng)用于汽車座支架，奧迪汽車公司第一個推出鎂合金壓力鑄造儀表板。近年來，帕薩特、奧迪A4和奧迪A6等汽車的齒輪箱殼體使用AZ91D鎂合金，與鋁合金部件相比減重25%。

美國在1948~1962年間，采用壓力鑄造生產(chǎn)了數(shù)百萬件鎂合金鑄件供汽車使用。美國的福特、通用和克萊斯勒等汽車公司在過去的十幾年里一直致力于鎂合金汽車鑄件如轉(zhuǎn)向柱架、離合 器殼體、進氣管、離合器片、汽缸蓋、座架、濾油器殼體等的開發(fā)和應(yīng)用，替代效果明顯，大大促進了鎂合金的發(fā)展。

日本開發(fā)出鎂合金低壓力鑄造造裝置，由此， 經(jīng)過研究相繼開發(fā)了一系列鎂合金壓力鑄造產(chǎn) 品，如豐田汽車公司首先制造出鎂合金汽車輪轂、轉(zhuǎn)向軸系統(tǒng)、凸輪罩等零部件，目前，日本的各家汽車公司都生產(chǎn)和應(yīng)用了大量鎂合金殼體類壓力鑄造件。

3.2 國內(nèi)應(yīng)用概況
在我國采用鑄造鎂合金已有30多年的歷史， 但最初主要用于航空航天工業(yè)的殼體、機輪和機座等，在汽車行業(yè)起步較晚，目前僅近百家企業(yè)從事鎂合金壓力鑄造件的生產(chǎn)和研究。上汽、一 汽、東風(fēng)汽車公司及長安汽車在研究和開發(fā)鎂合 金在汽車領(lǐng)域應(yīng)用方面發(fā)揮了重要作用。

20世紀(jì)90年代初，上汽在國內(nèi)最早將鎂合金 應(yīng)用在汽車上，首次在桑塔納轎車上采用鎂合金變 速器殼蓋、殼體和離合器外殼。目前，其鎂合金 汽車變速器外殼生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)十分成熟，鎂合金電機殼體鑄件正在電動汽車上進行裝車試驗。

一汽開發(fā)了高性能鎂合金，可用于制造高溫負(fù)載條件下的汽車動力系統(tǒng)部件，還成功開發(fā)出腳踏板、氣缸罩蓋、增壓器殼體、轉(zhuǎn)向盤、傳動箱罩 蓋等鎂合金壓力鑄造件，并已應(yīng)用于生產(chǎn)。

東風(fēng)汽車公司結(jié)合我國汽車零部件壓力鑄造生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備現(xiàn)狀，開發(fā)了鎂合金冷室壓力鑄造 工藝生產(chǎn)汽車零部件的全套技術(shù)。

長安汽車在國家科技支撐計劃的支持下，完成了以鎂合金變速器殼體、油底殼和氣缸蓋罩為 代表的大型復(fù)雜鎂合金壓力鑄造件的設(shè)計、分析、模具開發(fā)制造和樣件生產(chǎn)，成功開發(fā)出國內(nèi)第一 個鎂合金座椅并裝車通過法規(guī)試驗驗證，并聯(lián)合重慶大學(xué)開發(fā)了擠壓力鑄造造鎂合金汽車輪轂。

3.3 典型零件


目前，鎂合金在汽車上應(yīng)用的零部件有100多 種，可分為兩類：
殼體類，如離合器殼體、閥蓋、閥板、變速器 殼體、儀表板、曲軸箱、發(fā)動機前蓋、氣缸箱、儀表 板、過濾器殼體等，這類件不僅可以減輕整車質(zhì) 量，而且由于鎂合金的阻尼衰減能力強，可以降低 汽車運行時的噪聲；

支架類，如轉(zhuǎn)向支架、轉(zhuǎn)向盤、燈托架、制動 器、離合器踏板托架、制動支架、座椅框架、車鏡支 架、分配支架和輪轂等，這類件有很好的抗沖擊韌 性，大大提高了汽車行駛過程中的平穩(wěn)性和安全性。

隨著鎂合金汽車零部件的開發(fā)，鎂合金在汽 車上的應(yīng)用有如下特點，由體積小的零件過渡到體積大的零件；由結(jié)構(gòu)簡單件過渡到復(fù)雜件；由簡單受力件過渡到適應(yīng)特殊性能要求的件；由分件 組合向過渡到集成化設(shè)計。

04 鑄造工藝方式
目前，在汽車中鎂型材、變形鎂合金的應(yīng)用較少(平均用鎂量不到3 kg)，主要應(yīng)用的都是鑄件 (單車達到30~40 kg)，壓力鑄造生產(chǎn)的鎂合金約占車用鎂合金總量的80%。

4.1 壓力鑄造
從國內(nèi)、外的研究應(yīng)用情況看，鎂合金的鑄造成型方法較多，當(dāng)前汽車零部件大多采用壓力鑄 造工藝進行生產(chǎn)。采用壓力鑄造工藝生產(chǎn)的鑄件 具有輪廓清晰、表面質(zhì)量高、尺寸精確穩(wěn)定、加工 余量小，組織細密、強度和硬度較高等特點。另外，利用壓力鑄造工藝可以生產(chǎn)形狀復(fù)雜的薄壁 鑄件，生產(chǎn)效率高。

在鎂合金壓力鑄造中，鎂合金的比熱容小、填充鑄模型腔速度快，彌散狀態(tài)的金屬流與模型腔內(nèi)的空氣高度混合，氣體來不及排出，最終在壓力 鑄造件內(nèi)形成氣孔、澆不足、冷隔等缺陷。鎂合金壓力鑄造件一般不能進行熱處理強化，為了消 除這些缺陷，提高壓力鑄造件的質(zhì)量，近年來美國、日本等相繼開發(fā)出了真空壓力鑄造、充氧壓力鑄造、擠壓力鑄造造、半固態(tài)觸變注射成形和鑄鍛 雙控成形等新工藝。

4.2 真空壓力鑄造
鎂合金真空壓力鑄造是利用真空技術(shù)把模型 腔中的空氣抽空，同時輔助降低模型腔中的氣壓， 使得充填成型和合金熔液中的氣體排出，使合金熔 液在壓力作用下充填模型腔，并在壓力下凝固而獲 得致密件。真空壓力鑄造件不僅可消除表面氣 孔、疏松，提高表面質(zhì)量，還能改善鑄件致密度、解 決涂料脫皮、電鍍起泡及盲孔缺料等工藝難題。近 年來，隨著鎂合金真空壓力鑄造工藝日益精良，鑄 件壁厚最低可達1.5mm，真空度≦80kPa，充填時間 大大減小，鑄件強度和韌性都得到相應(yīng)提高。

4.3 充氧壓力鑄造
鎂合金的充氧壓力鑄造是充分利用熔化狀態(tài)的鎂合金易與氧氣或其他活性氣體發(fā)生反應(yīng)的特 點，在金屬液充填壓力鑄造模型腔前充入活性氣體置換模穴內(nèi)的空氣，當(dāng)鎂熔液壓入模型腔時，活 性氣體與其反應(yīng)生成金屬氧化物顆粒彌散分布在鑄件中，從而消除鑄件內(nèi)的氣體。充氧壓力鑄造 能夠減少甚至消除壓力鑄造件的氣孔，細化鑄件組織，從而提高鑄件致密度和力學(xué)性能，并使其可進行熱處理強化。日本輕金屬株式會社用充氧壓 力鑄造法成批生產(chǎn)了AM60鎂合金汽車輪轂，比鋁 輪轂質(zhì)量減輕15%。

4.4 擠壓力鑄造
利用高壓使鎂熔液低速擠入模型腔內(nèi)，凝固和微小的塑性變形之后得到鑄件的方法就是擠壓力 鑄造。利用該工藝所得到的鑄件具有很高的致密 度、優(yōu)良的力學(xué)性能及較高的尺寸精度等，對鑄件 的疏松、氣孔等缺陷有很好的改善作用。此外， 得到的鑄件還可以直接進行熱處理工藝，以獲取更 細小的組織晶粒。重慶大學(xué)蔣德平、龍思遠對鎂合 金輪轂做了一系列研究，采用擠壓力鑄造的鎂合金 輪轂具有良好的力學(xué)性能，工藝流程更短，生產(chǎn)效 率也更高。由于擠壓力鑄造的壓力可以改變鎂 合金的固溶度和熔點，科研人員開發(fā)了一些適合于 擠壓力鑄造的鎂合金體系，如英國的HTMI鎂合金， 在180 ℃下具有優(yōu)異的強度和抗蠕變性能。

4.5 半固態(tài)觸變注射成形
鎂合金的觸變注射成形是一種充分利用注塑成形原理讓金屬半固態(tài)觸變成形工藝。模具和成 形材料與壓力鑄造工藝相似，工藝過程則接近于 注塑成形工藝。該工藝不但可使鑄件組織致密、 凝固收縮小、成形溫度低和尺寸精度高，還具有操 作簡單、安全、效率高和環(huán)保等一系列優(yōu)點，適 合形狀復(fù)雜、致密度高、薄壁和高性能零件的生 產(chǎn)。觸變注射成形技術(shù)是目前唯一用于鎂合金工 業(yè)生產(chǎn)的半固態(tài)成形技術(shù)，具有巨大的應(yīng)用潛力。

4.6 鑄鍛雙控成形
鎂合金的鑄鍛雙控成形集合了液態(tài)壓力鑄造和鍛造的優(yōu)點，在成形過程中，可同時實現(xiàn)鑄件 形狀、尺寸和使用性能的精確控制。實質(zhì)就是在壓力鑄造基礎(chǔ)上，待模型腔中的液態(tài)金屬還未完全凝固時，立即施加一個變形力，打碎已經(jīng)凝固的枝晶組織，進行細晶強化，使制件的力學(xué)性能得到顯著 提高，既解決了壓力鑄造件毛坯縮孔和疏松的缺陷，又解決了鍛造不能生產(chǎn)復(fù)雜高精度零件的缺 點，主要用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜和強度要求高的汽車零 部件。

05 存在問題與發(fā)展趨勢
鎂合金的耐蝕性較差，存在高溫蠕變性，強度不高等缺點，另外，鎂合金低溫工作能力及屈服 極限有限，高性能的鎂合金有待于研究開發(fā)。目前鎂合金的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累還不夠，沒有系統(tǒng)的力 學(xué)性能測試，在腐蝕、熱膨脹及模具設(shè)計等方面的數(shù)據(jù)也不夠，使得汽車零部件的設(shè)計難度增大，成本增加。

與鎂合金快速發(fā)展相適應(yīng)的新型鑄造技術(shù)、 技術(shù)人員、設(shè)備配備不足。近年來，真空壓力鑄造 技術(shù)、充氧壓力鑄造技術(shù)、擠壓力鑄造等一系列新 型鑄造技術(shù)發(fā)展起來，使得鎂合金性能得到了很 大提高。如鎂合金的連續(xù)鑄軋技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景，而目前國內(nèi)的研究大多數(shù)還在實驗室內(nèi)， 很少有工業(yè)化生產(chǎn)。另外，這些新型技術(shù)屬于汽 車生產(chǎn)商的機密技術(shù)，無法在汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用 推廣。鎂合金鑄造是一個系統(tǒng)工程，它集設(shè)計、制造及研究為一身，需要鎂合金鑄造工作者具有更全面的知識、經(jīng)驗及研究開發(fā)能力。新的鑄造技術(shù)要有新型的設(shè)備來與其匹配，以生產(chǎn)出性能更 好的鑄件，擴大鎂合金的應(yīng)用范圍。但是新型設(shè)備投資、運行的成本較高，可以對現(xiàn)有設(shè)備進行改 進，以降低其生產(chǎn)成本、減少生產(chǎn)周期，最終擴大鎂合金在汽車行業(yè)的應(yīng)用范圍。

北美鎂戰(zhàn)略聯(lián)盟計劃到2020年車用鎂平均質(zhì)量約達158 kg。我國按照目前車用鎂平均質(zhì)量3 kg、年 增長20%計算，到2020年與北美仍有很大差距。 要想縮小這種差距，今后的主要發(fā)展方向為：

提高鎂合金的材料性能。

鎂合金耐蝕性較差，對于暴露在外特別是沿海地區(qū)的汽車底盤和行走系統(tǒng)零部件，應(yīng)能滿足使用環(huán)境對耐蝕性的要求，高耐蝕鎂合金的研究成為鎂合金發(fā)展重要方向；目前廣泛使用的商業(yè)鎂合金，如AZ91D，在120 ℃以上溫度工作時因析出相的分解和軟化，使 其抗蠕變性能較差，對于工作溫度超過130 ℃的高 性能齒輪箱和曲軸箱，現(xiàn)有的鎂合金很難滿足使用要求。高耐熱鎂合金開發(fā)與應(yīng)用是將來鎂合金 在汽車工業(yè)應(yīng)用的重要領(lǐng)域;在汽車部件輕量化 的同時，其安全可靠性非常重要，重要的車內(nèi)部件如轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向盤立柱、座椅骨架和車門框等，除 了要滿足成型性要求，更重要的是材料要具有高 強韌性，能減振并使零件受重?fù)魰r不斷裂，應(yīng)用較多的如 AM60，AM50 其合金塑性較好，但強度偏低，并且鑄造流動性和耐蝕性不理想，具有更高強 度和韌性，又具有優(yōu)良鑄造流動性的鎂合金應(yīng)該 大力發(fā)展。

新型鑄造技術(shù)、高技能人才及新型設(shè)備將成為鎂合金鑄造發(fā)展三要素。