鎂合金鑄件在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用與研究狀況

為了提高汽車(chē)的燃油效率和降低其廢氣排放，減輕汽車(chē)的重量至關(guān)重要。為了達(dá)到這一目的，用鎂合金來(lái)制造合適的汽車(chē)零部件似乎是一種顯而易見(jiàn)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(chē)整車(chē)質(zhì)量有關(guān)， 減輕汽車(chē)整車(chē)質(zhì)量可以有效降低油耗及排放。減輕整車(chē)質(zhì)量，還可以明顯減小動(dòng)力傳動(dòng)負(fù)荷，可在較低的牽引負(fù)荷下達(dá)到更好的操控性能。在保證汽年零部件強(qiáng)度和剛度要求下盡可能選用質(zhì)量較輕的材料，是汽車(chē)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(chǔ)量豐富，因而成為汽車(chē)減重以提高其燃油經(jīng)濟(jì)性和可操控性的首選材料。

02 鎂合金用于汽車(chē)工業(yè)的優(yōu)勢(shì)
鎂合金部件應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)中主要有如下優(yōu)勢(shì)：
質(zhì)量輕，其密度只有鋁合金的2/3；
比強(qiáng)度高于鋁合金和鑄鐵，略低于比強(qiáng)度最 高的纖維增強(qiáng)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(dòng)，從而提高汽車(chē)的安全性和舒適性；
抗電磁干擾及屏蔽性好，減少噪聲；
對(duì)環(huán)境污染小，可重復(fù)利用。

03 國(guó)內(nèi)外鎂合金汽車(chē)零部件的應(yīng)用概況
3.1 國(guó)外應(yīng)用概況
德國(guó)大眾汽車(chē)公司是最早在汽車(chē)上大規(guī)模應(yīng)用鎂合金的汽車(chē)公司，早在20世紀(jì)30年代，大眾汽車(chē)就開(kāi)始使用鎂合金，特別是90年代以來(lái)，德國(guó)在鎂合金領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先地位；奔馳汽車(chē)公司最早將鎂合金壓力鑄造件應(yīng)用于汽車(chē)座支架，奧迪汽車(chē)公司第一個(gè)推出鎂合金壓力鑄造儀表板。近年來(lái)，帕薩特、奧迪A4和奧迪A6等汽車(chē)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(guó)在1948~1962年間，采用壓力鑄造生產(chǎn)了數(shù)百萬(wàn)件鎂合金鑄件供汽車(chē)使用。美國(guó)的福特、通用和克萊斯勒等汽車(chē)公司在過(guò)去的十幾年里一直致力于鎂合金汽車(chē)鑄件如轉(zhuǎn)向柱架、離合 器殼體、進(jìn)氣管、離合器片、汽缸蓋、座架、濾油器殼體等的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，替代效果明顯，大大促進(jìn)了鎂合金的發(fā)展。

日本開(kāi)發(fā)出鎂合金低壓力鑄造造裝置，由此， 經(jīng)過(guò)研究相繼開(kāi)發(fā)了一系列鎂合金壓力鑄造產(chǎn) 品，如豐田汽車(chē)公司首先制造出鎂合金汽車(chē)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(chē)公司都生產(chǎn)和應(yīng)用了大量鎂合金殼體類(lèi)壓力鑄造件。

3.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用概況
在我國(guó)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(jī)輪和機(jī)座等，在汽車(chē)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(chē)公司及長(zhǎng)安汽車(chē)在研究和開(kāi)發(fā)鎂合 金在汽車(chē)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(guó)內(nèi)最早將鎂合金 應(yīng)用在汽車(chē)上，首次在桑塔納轎車(chē)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(chē)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(jī)殼體鑄件正在電動(dòng)汽車(chē)上進(jìn)行裝車(chē)試驗(yàn)。

一汽開(kāi)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(chē)動(dòng)力系統(tǒng)部件，還成功開(kāi)發(fā)出腳踏板、氣缸罩蓋、增壓器殼體、轉(zhuǎn)向盤(pán)、傳動(dòng)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(chē)公司結(jié)合我國(guó)汽車(chē)零部件壓力鑄造生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)了鎂合金冷室壓力鑄造 工藝生產(chǎn)汽車(chē)零部件的全套技術(shù)。

長(zhǎng)安汽車(chē)在國(guó)家科技支撐計(jì)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(jì)、分析、模具開(kāi)發(fā)制造和樣件生產(chǎn)，成功開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)第一 個(gè)鎂合金座椅并裝車(chē)通過(guò)法規(guī)試驗(yàn)驗(yàn)證，并聯(lián)合重慶大學(xué)開(kāi)發(fā)了擠壓力鑄造造鎂合金汽車(chē)輪轂。

3.3 典型零件


目前，鎂合金在汽車(chē)上應(yīng)用的零部件有100多 種，可分為兩類(lèi)：
殼體類(lèi)，如離合器殼體、閥蓋、閥板、變速器 殼體、儀表板、曲軸箱、發(fā)動(dòng)機(jī)前蓋、氣缸箱、儀表 板、過(guò)濾器殼體等，這類(lèi)件不僅可以減輕整車(chē)質(zhì) 量，而且由于鎂合金的阻尼衰減能力強(qiáng)，可以降低 汽車(chē)運(yùn)行時(shí)的噪聲；

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

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

04 鑄造工藝方式
目前，在汽車(chē)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(chē)達(dá)到30~40 kg)，壓力鑄造生產(chǎn)的鎂合金約占車(chē)用鎂合金總量的80%。

4.1 壓力鑄造
從國(guó)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(chē)零部件大多采用壓力鑄 造工藝進(jìn)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(xì)密、強(qiáng)度和硬度較高等特點(diǎn)。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(lái)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(jìn)行熱處理強(qiáng)化，為了消 除這些缺陷，提高壓力鑄造件的質(zhì)量，近年來(lái)美國(guó)、日本等相繼開(kāi)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(shí)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(lái)，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(dá)1.5mm，真空度≦80kPa，充填時(shí)間 大大減小，鑄件強(qiáng)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(diǎn)，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(shí)，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(xì)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(jìn)行熱處理強(qiáng)化。日本輕金屬株式會(huì)社用充氧壓 力鑄造法成批生產(chǎn)了AM60鎂合金汽車(chē)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(duì)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(jìn)行熱處理工藝，以獲取更 細(xì)小的組織晶粒。重慶大學(xué)蔣德平、龍思遠(yuǎn)對(duì)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(diǎn)，科研人員開(kāi)發(fā)了一些適合于 擠壓力鑄造的鎂合金體系，如英國(guó)的HTMI鎂合金， 在180 ℃下具有優(yōu)異的強(qiáng)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(guò)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(jiǎn)單、安全、效率高和環(huán)保等一系列優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，在成形過(guò)程中，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)鑄件 形狀、尺寸和使用性能的精確控制。實(shí)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(shí)，立即施加一個(gè)變形力，打碎已經(jīng)凝固的枝晶組織，進(jìn)行細(xì)晶強(qiáng)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(diǎn)，主要用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜和強(qiáng)度要求高的汽車(chē)零 部件。

05 存在問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)
鎂合金的耐蝕性較差，存在高溫蠕變性，強(qiáng)度不高等缺點(diǎn)，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(kāi)發(fā)。目前鎂合金的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累還不夠，沒(méi)有系統(tǒng)的力 學(xué)性能測(cè)試，在腐蝕、熱膨脹及模具設(shè)計(jì)等方面的數(shù)據(jù)也不夠，使得汽車(chē)零部件的設(shè)計(jì)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(lái)，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(lái)，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(guó)內(nèi)的研究大多數(shù)還在實(shí)驗(yàn)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(chē)生產(chǎn)商的機(jī)密技術(shù)，無(wú)法在汽車(chē)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用 推廣。鎂合金鑄造是一個(gè)系統(tǒng)工程，它集設(shè)計(jì)、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(shí)、經(jīng)驗(yàn)及研究開(kāi)發(fā)能力。新的鑄造技術(shù)要有新型的設(shè)備來(lái)與其匹配，以生產(chǎn)出性能更 好的鑄件，擴(kuò)大鎂合金的應(yīng)用范圍。但是新型設(shè)備投資、運(yùn)行的成本較高，可以對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改 進(jìn)，以降低其生產(chǎn)成本、減少生產(chǎn)周期，最終擴(kuò)大鎂合金在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用范圍。

北美鎂戰(zhàn)略聯(lián)盟計(jì)劃到2020年車(chē)用鎂平均質(zhì)量約達(dá)158 kg。我國(guó)按照目前車(chē)用鎂平均質(zhì)量3 kg、年 增長(zhǎng)20%計(jì)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?yàn)椋?br />
提高鎂合金的材料性能。

鎂合金耐蝕性較差，對(duì)于暴露在外特別是沿海地區(qū)的汽車(chē)底盤(pán)和行走系統(tǒng)零部件，應(yīng)能滿(mǎn)足使用環(huán)境對(duì)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(shí)因析出相的分解和軟化，使 其抗蠕變性能較差，對(duì)于工作溫度超過(guò)130 ℃的高 性能齒輪箱和曲軸箱，現(xiàn)有的鎂合金很難滿(mǎn)足使用要求。高耐熱鎂合金開(kāi)發(fā)與應(yīng)用是將來(lái)鎂合金 在汽車(chē)工業(yè)應(yīng)用的重要領(lǐng)域;在汽車(chē)部件輕量化 的同時(shí)，其安全可靠性非常重要，重要的車(chē)內(nèi)部件如轉(zhuǎn)向盤(pán)、轉(zhuǎn)向盤(pán)立柱、座椅骨架和車(chē)門(mén)框等，除 了要滿(mǎn)足成型性要求，更重要的是材料要具有高 強(qiáng)韌性，能減振并使零件受重?fù)魰r(shí)不斷裂，應(yīng)用較多的如 AM60，AM50 其合金塑性較好，但強(qiáng)度偏低，并且鑄造流動(dòng)性和耐蝕性不理想，具有更高強(qiáng) 度和韌性，又具有優(yōu)良鑄造流動(dòng)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。