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新能源汽車鎂合金零部件的開發應用
2020-11-18 10:48:11   來源:中國有色金屬報    點擊:

 
責編·作者:張文毓
 
  新能源與汽車
 
  新能源汽車是對以非常規車用燃料為動力來源的多種汽車的總稱,它主要包括氫能源動力汽車、混合動力汽車、太陽能汽車、高效儲能器汽車和天然氣汽車等,其中,氫能源動力汽車是一種極具應用潛力的新能源汽車。但是,該類新能源汽車的關鍵零部件之一電池的研究至關重要,現有的儲氫電池難以滿足其容量需求,而鎂合金儲氫電池作為一種容量較大的儲氫電池備受業界的關注,然而鎂合金的耐蝕性較差,嚴重阻礙了鎂合金在新能源汽車零部件上的應用。
 
  與鋰相比,鎂更適合充當電池,比如,鎂是自然界中分布最廣泛的元素之一,其價格比鋰價便宜很多;鎂以及相關化合物均無毒害作用或毒性極低,更有利于環保;鎂沒有鋰那么活潑,相對更容易操作,加工方面也更為安全。正是由于鎂的這些特質,發達工業化國家(特別是日本)在新型鎂電池研究方面一直投入大量資源,并已取得了不錯的成績。
 
  由目前的研發狀況可知,新能源汽車分類的主要依據是動力創新,主要可以分為以下3種:混合動力汽車,選擇電動機加發動機的模式,利用電能和油耗來產生動力;純電動汽車,電力驅動是研發新能源汽車的大方向,雖然它的優點很多,但是,車載電池儲電、電池壽命、電車成本等是影響其發展的主要因素;氫動力汽車,傳統的汽車油耗大,會排放大量的污染物,而氫能源汽車排放的則是純凈水。另外,新能源汽車還包括燃氣汽車、空氣動力汽車、甲醇汽車、飛輪儲能汽車和超級電容汽車等。
 
  要想讓新能源汽車真正超越傳統能源汽車,就一定要加大對關鍵材料的研究力度,并有所突破。現階段,這些關鍵材料的研發工作已經基本完成。這些材料主要有:驅動電機材料,它是將能源轉化成汽車驅動力的核心材料;動力電池材料,它能夠保證汽車的電力存儲;輕量化材料,它能適應新能源驅動,減少能源消耗。
 
  出于能源安全戰略的考慮和在節能減排效益的刺激下,各國制定具體政策,鼓勵并推動世界各大汽車公司開發新能源汽車,力爭將汽車的能耗和排放降低到最小,并順利過渡到以新能源為動力的后汽車時代。汽車行業在政策的引導和自身利益的推動下沿兩種思路發展:一是以高容量電池為中介,實現新能源(電能、氫能)替代傳統的化學能(石油);二是廣泛采用鎂合金、高分子材料替代傳統材質,降低汽車重量,據測試,轎車質量每減輕100kg,油耗可降低5%,所以說減重可最終達到節能的目標。
 
  在前一種思路的指引下,日本豐田、美國通用、德國寶馬、中國比亞迪等公司已研發出新型電池,分別推出新能源汽車,動力系統從礦物燃料引擎升級為汽油一電力混合系統或純電力驅動系統,使用的能源由汽油更換為電;后一種思路在世界范圍引起汽車鎂合金化的趨勢,中國科技部、美國能源部、加拿人能源部合作推進鎂合金汽車前端研究開發項目。該項目計劃開發鎂合金的高致密度鑄造、擠壓鑄造、板材成形、焊接等手段,擴大鎂合金在汽車上的用量,實現汽車前端的鎂合金化,使鎂合金在汽車上的使用規模由單個零部件上升至系統性應用。德國大眾、德國奔馳、日本豐田等汽車巨頭加大力度研發鎂合金材質的零部件,其出產的汽車鎂合金含量均達到20~40kg;國內的一汽、東風、長安、奇瑞等汽車公司均引進壓鑄設備,開發鎂合金壓鑄件,現已實現氣門室罩蓋、變速箱上蓋、變速箱左右蓋等零部件的批量生產。
 
  目前,交通運輸業面臨的兩大問題:能源危機和環境污染。若汽車自重減輕10%,其燃油效率即可提高15%、耗油量可降低6%~8%,排污量減少10%。而鎂作為最輕的金屬結構材料,具有比重最小、比強度高、比剛度高、吸振降噪、電磁屏蔽、容易回收的優點,因此,近年來被大量使用在汽車行業。汽車行業是目前鎂合金應用量最大也是增長最快的行業,全球汽車用鎂合金量年增長率超過15%。
 
  汽車的輕量化就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下,盡可能地降低汽車的整備質量,從而提高汽車的動力性,減少燃料消耗,降低排氣污染。試驗證明,若汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%~8%;汽車整備質量每減少100kg,百公里油耗可降低0.3~0.6L;汽車重量降低1%,油耗可降低0.7%。當前,由于環保和節能的需要,汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流。主要包括采用輕量化材料和輕量化材料成形技術兩方面。輕量化材料是指可用來減輕零件質量的材料,分為兩大類:一類是低密度輕質材料,如鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料和復合材料等;另一類是高強度材料,如高強度鋼等。輕量化材料成形技術是指為了滿足高強度材料的應用,以及實現零件集成化設計需要所采用的技術。目前,應用較為廣泛的有激光拼焊板技術(TWB)、熱壓成形技術(HPF)和液壓成形技術(HF)等。
 
  鎂合金材料在零部件開發的中應用優勢
 
  鎂合金材料在零部件開發之中的應用優勢大致有以下四點:第一,鎂合金材料質量密度較小,將其應用于新能源汽車開發之中,能夠顯著減輕質量;第二,鎂合金材料具備優異的減震性,能夠承受較大的沖擊以及振動,較之鋁、鋼等材料性能更為突出,對于維系汽車運行的穩定性效果奇佳;第三,比強度、比剛度良好,對比鋼、鋁合金而言,在相同質量條件下,鎂合金的比剛度、比強度都更高一些;第四,鎂合金材料可回收利用,鎂合金材料的提取以再生資源為主,能夠實現回收利用。此外,鎂的熔點相對較低,回收利用所消耗的能源也相對較少。
 
  國內外新能源汽車鎂合金零部件的研究現狀
 
  北美作為鎂合金使用量最大的區域,正在使用和研制的鎂合金汽車零部件有100多種,歐洲則有60多種。當前世界單車用鎂量2.1kg/輛;歐美單車用鎂量5kg/輛;用鎂車型單車用鎂平均在20kg/輛左右。我國鎂合金應用目前主要集中于中高端車、微車和卡車,單車用鎂較少,僅為5~10kg,應用部位主要是動力系統部件,以壓鑄件為主流。但由于國內鎂資源具有絕對價格優勢,目前鎂合金壓鑄件已能與鋁合金平價競爭,東風汽車2009年就有6類部件因鎂價上漲而改用鋁材。因此,可以期待鎂合金在中低端車上的推廣。
 
  美國車協(USAMP)和歐美主要車廠均提出到2020年將單車用鎂量提高到100kg/輛,相對于當前歐美20kg/輛的平均水平,仍有較大空間。到2020年全球汽車用鎂市場需求將達100萬噸,國內需求20萬噸;其中,板帶材需求分別為35萬噸、7萬噸。鎂合金應用最主要的制約因素是價格,目前,中國鎂合金壓鑄件價格已降至2萬~6萬元/噸,已具有價格競爭力,具有大范圍使用的條件,可以期待一個階段性的爆發。但鎂合金板帶材的應用則有待觀察,如成本無法控制、需求將受限,只能少量進入中高端市場。以每輛車用鎂20kg計算,2000噸產能即意味著要攻下國產40%左右中高端車型的市場。對設計5萬~10萬噸產能,意味著必須主打歐美市場,且占據15%~30%左右市場份額。因此,如板帶材無法形成價格競爭力,產業化前景不樂觀。
 
  目前鎂合金制造工藝技術能夠有效的實現利用鎂合金制造集成性能較高的車輛結構構件,一方面,鎂合金具有良好的鑄造性,加工條件較為簡答,加工工藝簡單,且加工有效性較高,不易產生廢品;另一方面,鎂合金較高的阻尼系數,能夠增添汽車結構的抗震性,十分符合汽車工業制造對于材料的多項功能的追求目標。目前,鎂合金在車輛結構構件的制造中廣泛應用,例如在車輛的傳動系統中,在離合器外殼、齒輪箱外殼、離變速箱外殼等零件的鑄造方面就大量的使用了鎂合金。在車體結構中,車門內襯、儀表板、車燈外殼、引擎蓋、車身骨架、底盤系統轉向架等也大量使用了鎂合金壓鑄產品。許多國外發達國家對于鎂合金的應用程度要遠遠高于國內汽車制造業,例如高端品牌蘭博基尼、保時捷等都采用了鎂合金減重設計,其車輛的相關性能都得到了很好的提升。但由于國內基于汽車安全性的考慮,對于鎂合金材料的應用情況較少,仍多用鋁合金的形式來對汽車重量進行控制。
 
  現階段鎂合金在汽車上的應用主要集中于車身、發動機和內飾件3大部分,產量持續快速增長。歐洲范圍內,60多種汽車零部件已采用鎂合金為材質,車用鎂合金鑄件的使用量正在以年均25%的速度增加;北美是世界上鎂合金在汽車中用量最大,使用和研發中的鎂合金零部件有100多種;日本汽車業在越來越多的零件上采用鎂合金材質,包括變速桿、座椅架等。大眾公司的帕薩特、奧迪A4和A6等汽車的齒輪箱殼體使用AZ91D鎂合金,比鋁合金部件減重25%。美國福特、美國通用、日本三菱等汽車公司已采用鎂合金零部件替代原有的鋁合金汽車零部件和塑料零部件,包括:發動機殼體和蓋、變速箱殼體和蓋、離合器殼體、液力變扭器殼體、發電機托架、剎車踏板支架、車身殼體框架、車門、車輪、方向盤、儀表盤、后橋驅動器、轉向節、座椅支架、把手等100多種零部件。
 
  汽車產業中鎂合金用量較多的國家和地區主要是北美、歐洲、日本和韓國,1991年汽車工業中鎂合金的用量僅為2.4萬噸,到1997年則增至6.4 萬噸,目前這些國家和地區汽車工業對鎂合金的需求已達到每年40萬噸。歐洲正在使用和研制的鎂合金汽車零部件已超過60種,單車鎂合金用量9.3公斤~20.3公斤;北美正在使用和研制的鎂合金汽車零部件已超過100 種,單車鎂合金用量5.8公斤~26.3公斤;我國汽車鎂合金產業的總體技術水平不高,在汽車鎂合金部件設計、制造加工等方面還有較大差距,平均單車用鎂量不足1公斤。經過近幾年的發展,已有20余種汽車零部件可以采用鎂合金生產。
 
  我國在汽車輕量化方面起步較晚,最早將鎂合金應用到汽車上的企業是上汽集團。上世紀90年代,首次在桑塔納轎車上采用鎂合金變速箱殼體、殼蓋和離合器外殼,單車用鎂合金共約8.5kg。一汽集團開發了抗蠕變鎂合金,用于制造高溫負載條件下的汽車動力系統部件,同時順利研發出氣缸蓋罩蓋等鎂合金壓鑄件。同時,東風汽車公司、長安汽車集團也參與到鎂合金零部件的生產之中,尤其需要指出的是長安集團生產的“長安之星”微型車上實現了單車用鎂8kg的水平,達到了目前的國際先進水平。在鎂合金工藝方面,鎂合金汽車輪轂成型技術無疑是一大亮點。
 
  在國家重點研發計劃的支持下,在與東風汽車股份有限公司合作中,上海交大正在針對進行有關汽車用減震臺和副車架結構設計,旨在早日實現鎂合金在減震塔和副車架兩類大型復雜薄壁部件的成型技術與應用上的突破。
 
  目前,汽車工業平均用鎂量在10 公斤以內。從2000年開始,各國政府和研發機構投入大量的資源進行鎂合金的研發和產品的推廣,特別是我國作為鎂合金資源的大國,一直希望將鎂合金在汽車工業中的用量進一步提高。但是,車用鎂合金的用量并沒有出現預期的大幅增長,主要的鎂合金牌號還是以AZ91D和AM50為主,主要的鎂合金產品以方向盤骨架、儀表盤骨架、座椅骨架等內飾部件。限制鎂合金大規模應用的一個主要原因還是由鎂合金特性決定的,鎂合金的耐腐蝕性能差,特別是電偶腐蝕是困擾鎂合金在非內飾承載部件系統中應用的最大阻力。
 
  汽車輕量化和部件集成化的發展趨勢,能夠發揮鎂合金材料流動性好、易成形大型復雜結構件的優勢,將促使鎂合金的新的大規模應用,例如:車門內板和行李箱后蓋內板,采用壓鑄鎂合金可以實現最優輕量化和結構優化的效果。目前,我國具有最多的鎂合金礦產和冶煉資源,也具有最大噸位壓鑄裝備的下游生產企業,在該領域我國已經形成了全球最為完整的產業鏈,能夠實現從原鎂到高端鎂合金壓鑄件的全流程生產和制造。
 
  鎂合金零部件在新能源汽車中的應用
 
  20世紀初,德國率先將鎂合金應用于汽車制造之中,直至二十世紀中葉,大眾公司在汽車結構零件的研發之中已應用了大量的鎂合金材料。隨后,歐美等國家均紛紛投入到鎂合金零部件的開發研究之中。目前,歐美等發達國家在汽車用鎂量方面要遠遠高于世界其他各國。在亞洲范圍之內,日本在鎂合金零部件的開發研究之中居于領先地位,雖遠不及歐美等國家,不過伴隨著科學技術的發展,日企對于鎂合金材料的應用日益廣泛。譬如,豐田便研發了鎂合金轉向盤、鎂合金骨架座椅等。相較而言,我國汽車行業對于鎂合金的應用相對較晚,現如今尚處于開發階段,上汽、一汽、二汽等企業均開始廣泛投入到鎂合金汽車零部件的研究開發之中,也取得了一定的成果。直至今日,鎂合金在新能源汽車之中開發研究主要集中于動力系統零件。考慮到發動機零部件在運行期間的溫度,歐美等發達國家致力于對高強度鎂合金材料展開了研究開發。目前,諸如耐蝕鎂合金、變形鎂合金、阻燃鎂合金等新型鎂合金材料相繼研發成功,在新能源汽車之中得以廣泛的應用。
 
 
 
  鎂合金轉向管柱支架
  現在在一款新能源車型的轉向系統的開發中,引用了以鎂合金為材料設計成型的轉向支架和導向筒。由于鎂合金的剛度極大,不會在安裝后隨車身支架的變形而產生變形,全面保證轉向系統在整車碰撞過程中轉向管柱可以按照設計的行程和吸能曲線完成整個動態潰縮過程,提供整車碰撞的安全性,并且大大提高了這個轉向系統的剛度和頻率,而且做到了輕量化設計,其質量較之常規車型原件減輕了5%以上。
  鎂合金儀表板骨架
  常規車型的儀表板骨架更多是采用鋼件焊接制成,為了滿足汽車輕量化這一要求,需要在保證原本功能的基礎上,確保裝配面與孔的部位不改變,所以,將儀表板骨架零部件替換為鎂合金。鎂合金儀表板骨架制作時主要應用擠壓、彎曲這兩種工藝,所有鎂合金件之間以氫弧焊進行連接。因為,鎂合金與鋼這兩種材料接觸之后會被腐蝕,所以儀表板骨架和車身、儀表板等零部件進行連接,建議采用鋼質滲鋁螺栓作為連接件。經過實踐得知,輕量化鎂合金儀表板骨架的質量是1.957kg,相比常規車型所采用的原鋼件質量減輕了62.9%。
  鎂合金副駕駛座椅骨架
  常規車型的駕駛座椅骨架主要為鋼件,其中包括靠背骨架、座墊骨架和滑軌。因為,常規車型的改制存在一定的限制,按照轎車座椅設計的有關規定,為了保證汽車性能,將副駕駛座位的椅骨架替換為鎂合金。制作工藝主要應用擠壓、彎曲和沖壓,鎂合金件的焊接技術為氫弧焊,使用結構膠連接所有材料零部件。經過實踐之后,鎂合金副駕駛座椅骨架的質量顯示為12.66kg,和鋼結構件對比質量減輕了8.3%。
  鎂合金前、后副車架
  為保證鎂合金前、后副車架技術參數能夠滿足規定要求,需要完善原本的結構設計。設計過程中,通過楔形加強筋、局部位置設置縱向加強梁以及局部增厚這三種要求進行結構設計,并對最終設計成果展開驗證、分析,可以得出設計而成的鎂合金前、后副車架技術參數與規定相符。這一部分所應用的工藝主要有擠壓、彎曲和整形,焊接制造則是以分段制造、環形焊與角焊為主,結束焊接操作之后壓入支承套橡膠內襯,使用螺栓連接轎車,同時設置復合材料墊圈,達到良好的聯接效果。經過輕量化設計之后的鎂合金前、后副車架,其質量與鋼件相比分別減輕了50.5%、62.3%。
  鎂合金輪輞
  按照鎂合金制造的有關規定,輪輞小輻條根部位置必須要進行挖深處理,鎂合金車輪必須要滿足性能要求,彎曲疲勞、徑向疲勞的最大應力相比鎂合金材料的疲勞強度必須小于110MPa,使用期限超過107次。經過實踐可知,輕量化設計之后的鎂合金輪輞質量降低為7.9kg,相比鋁合金材料的輪惘減輕了37%。
  3D打印
  3D打印技術是諸多新技術的一種,是以新車模型、工具的實際運用為前提研發的先進技術。通過掃描鏡、激光束等部件制作鎂合金零部件,有效提升了零部件制作的速度。如今,3D打印技術已經在汽車企業中實現普及,節省研發成本的同時很好的提升了研發效率,可以滿足要求多、批量小的客戶。
  用于制造汽車零部件的鎂合金種類較多,包括Mg-Mn合金、Mg-Zn合金和Mg-Al合金。其中,Mg-Al合金用量最大,因為添加Al元素能提高鎂合金的強度及鑄造性能,而且成本較低。在Mg-Al合金加入少量Mn元素可降低雜質Fe的含量比。基于Al、Mn元素設計的鎂合金牌號有AZ系列的AZ91D和AM系列的AM60等。
  汽車行業作為能源消耗的重點行業,必須提前實現以下兩個目標:一是 提早布局,搶先進入新能源汽車時代;二是推動汽車輕量化,提高能源利用效率,降低尾氣排放量。對汽車行業來說,著力發展鎂基氫能動力汽車以及鎂合金材質的新能源汽車正是實現兩個目標的最優選擇。
  鎂合金現一般用于座椅骨架、儀表盤、轉向盤和轉向柱、輪圈、發動機氣缸蓋、變速器殼、離合器殼等零件,其中,轉向盤和轉向柱、輪圈是應用鎂合金較多的零件。現已采用鎂合金鑄件的汽車公司有美國的福特、通用、克萊斯勒,德國的大眾,日本的豐田等20余家。國際上已把單車鎂合金用量作為汽車先進性的標志之一。歐洲單車鎂合金用量已達9~20kg,正在使用和研發的鎂合金汽車零部件已超過60多種,北美正在使用和研發的鎂合金汽車零部件多達100多種。
  國內外汽車零部件常用鎂合金主要有AZ(Mg-Al-Zn)系、AM(Mg-Al-Mn)系、AS(Mg-Al-Si)系和AE(Mg-Al-RE)系四大系列,廣泛應用的仍然為鑄造鎂合金,目前已開發應用鎂合金汽車零部件。
  鎂合金主要有鑄造與變形兩種類型。汽車上應用的鎂合金主要是壓鑄件,應用于車身和底盤零件,如儀表盤骨架與橫梁、座椅骨架、轉向盤、進氣歧管以及各種支架、罩蓋等。
  (作者單位:中國船舶重工集團公司第七二五研究所)

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