镁合金在轻量化汽车中的应用

贺岩松，杨诚

（重庆大学汽车工程系，重庆，400044）

摘要：介绍了镁及其合金材料的特点及在汽车中的应用，综述了世界主要汽车厂家应用镁合金零部件对减轻汽车自身质量所取得的成绩及其发展趋势，探讨了镁合金材料在我国汽车工业中应用存在的主要障碍。

关键词：镁合金；汽车；压铸

研究表明，一辆轿车的质量若能减少10Oh，则其燃油经济性可提高3％～4％，同时汽车的排放也会相应降低。为此，各国的汽车制造厂家和研究机构都致力于从技术和经济角度分析和改善汽车材料及工艺条件，探索应用新材料、新工艺的可行性，期望在保证性能、控制成本的前提下，减小汽车自身的质量，以适应发展。轻质材料，如高强度钢、夹层板。铝合金及镁合金材料在汽车零部件中的大量运用，也促使人们必须对其进行更深人的研究。本文对镁及其合金材料的特点及在汽车中的应用作一介绍，以期能得到更广泛的认识，促进汽车轻量化的发展。

1 镁及其合金材料的特点

镁是常用金属中最轻的一种，镁的熔点为650℃，与铝熔点相近，在空气中加热能够燃烧并能发出强烈的火焰。在镁材中添加其它的金属元素，如铝、锌、锰等，它会成为有较高强度和刚度、铸造性能和减振性能良好的轻质合金材料。镁及其合金的突出特点如下。

a．镁的质量轻，密度仅为1700kg／m³，是铝的2／3，钢的l／4。汽车上如果换用镁合金零件，就能减轻整车质量，降低燃油消耗量。

b．镁合金的比强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能够承受较大的负荷。

c．具有良好的铸造性和尺寸稳定性。镁与铁的反应性低，压铸时压铸模的熔损小，铸模的使用寿命长；镁在单位容量下的热焓低，其压铸速度比铝高，且镁铸件的铸造和加工尺寸精度高，可进行高速机械加工，生产效率高，成本低，适于汽车工业的大批量生产。

d．具有良好的阻尼系数，减振性高于铝合金和铸铁，用于壳体等可以降低噪声，用于座椅、轮圈等处可以减少振动，提高汽车的安全性和舒适性。

e．镁在一定条件下可获得满意的耐腐蚀性，在碱性环境下是稳定的，但在酸性和氯气环境下易腐蚀。镁有较高溶解电位，在与其它金属材料接触并有电解液存在时镁合金会产生电腐蚀，在汽车零部件应用中也要注意其应力腐蚀。

f．镁的焊接强度大，约为其自身强度的95％，可以制造复杂结构零件，且耐磨性也较好。

g．具有良好的电磁干扰屏蔽性能。

h．镁制零件的回收成本较低，费用少。

2 镁合在汽车工业中的应用

汽车用镁合金零件绝大部分是压铸件，对减少汽车质量、提高燃料经济性、保护环境、提高安全性和驾驶性、增强竞争能力等方面效果显著，在汽车行业应用大有潜力。

从上世纪20年代起，镁制零件就开始在赛车上应用。1936年，德国大众汽车公司开始用压铸镁合金生产“甲壳虫”汽车的曲轴箱、传动箱壳体等发动机、传动系零件。到1946年，每车用镁合金18kg左右，后由于镁的价格上升及当时镁合金性能不能满足汽车技术进步的要求等原因才停止使用。80年代初，由于采用了新的工艺，严格限制铁、铜、镍等杂质元素的含量，使镁合金的耐蚀性得到解决，高温强度及抗疲劳性能得到较大提高，同时成本的下降又大大促进了镁合金在汽车上的应用。到1980年，大众公司共生产了1900万辆甲壳虫汽车，用镁合金铸件共达38万t。而北美汽车用镁合金铸件在80年代中期之前数量较小，只是在开发出高纯度镁合金后，才有实质性的增长。

从90年代开始，欧美、日本、韩国的汽车厂商开始将镁合金用于汽车零件上。1992年，美国三大公司采用镁合金压铸的零件分别为30个零件（福特），45个零件（通用）和20个零件（克莱斯勒），到1993年，几乎增加了1倍，三大公司各生产约60个不同镁铸件，而1983年则仅有5个零部件；1993年三大公司镁合金铸件用量占北美镁的总消耗量的70%，达14282t，其中福特消耗最多，为8258t，通用为3436t，克莱斯勒为2588t。这些镁合金主要用来制造离合器壳体、转向盘／柱、制动踏板支架、阀盖、阀板、仪表板、变速器壳体、车窗马达壳体、油滤接头。发动机前盖、进气歧管、镜罩、辅件托架及照明灯架等汽车零部件。近年汽车用镁铸件又有新的进展憋了整体式镁合金铸造座椅外，在1997年展出的梅塞德斯一奔驰的SLK车型上，燃料箱和行李箱之间的隔板也采用质量为3.19kg的压铸镁代替质量为6kg的钢件；通用EV1车型采用的整体铸镁转向盘等；福特着眼于2000年后中型车100km油耗少于3L的目标，于1998年元月推出的轻质概念车P2000，所采用的铸镁车轮每个质量3.1kg，比钢板冲压件减少5kg。日本1990年每辆汽车用镁量仅5kg，而1997－1998年度对汽车用镁压铸件需求大幅度增加，由1996—1997年度镁压铸件的2450t，增至1997－1998年度的3300t。日本三菱铝业公司正与澳大利亚工业科技部合作开发一种超轻质量的镁发动机。目前，我国汽车上使用镁压铸件只有桑塔纳轿车的变速器箱体和箱盖。

汽车上使用的镁压铸件对减轻质量和提高性能的影响是十分显著的。大众汽车公司的变速器用镁合金铸件，质量减轻4．5kg；丰田汽车的方向盘加装安全气囊后质量增加，采用AM60B镁合金压铸件后，质量比过去的钢制品、铝制品分别减少了45％和15％，并减少了转向系振动；奔驰公司用AM20和AM50的压铸座椅架，质量比过去的冲压一焊接钢结构件也大大减少；通用EVI型车用镁制仪表板将20个冲压及塑料零件组合成一个压铸件，不但减少3.6kg，而且增加了刚性，减少了装配工作量；福特公司用镁合金AM60生产车座支架安装在微型货车上，取代钢制支架，使座椅质量从4kg减为1kg；而用AZ91D制作锁套，比用锌减少质量75％；其卡车离合器壳改用AZ9lD镁合金压铸件不但无大气腐蚀问题，且耐海水腐蚀性也比铝合金壳体好，延长了使用寿命。

表1是1997年世界上镁合金用量最大的10个汽车生产厂家的镁合金用量。据估计，到2002年将由表中所示的45150t增至88600t。

表1 1997年世界上镁合金用量最大的10家汽车公司

汽车公司	1997年用量/t	汽车公司	1997年用量/t
Ford	17500	Audi	1600
GeneralMotors	9400	Volkswagen	1250
Chrysler	7050	BMW	700
Toyota	4200	Fiat	500
Mercedes	2700	Porsche	250

总计 4150

目前在汽车工业中镁合金用量最多的地区是北美，但欧洲紧追其后，年发展速度已达60％（北美为30％，世界平均为15％），其目标都是造出百公里耗油3L的轿车，日本、韩国也在加紧追赶。

3 我国镁合全应用存在的问题及其对策

我国目前镁厂年产能力在1000t以上的大约有50家生产，年产量接近10万t。1996年中国镁产量为4．5－5.0万t，国内镁消费量仅为1．4－1．5万t，70％－80％产量的镁用于出口。由于我国汽车工业的总体发展水平不高，铸造镁工艺和设备相对较为落后，镁合金在汽车上的应用还处于起步阶段。

目前镁合金的单位质量价格比铝合金贵，镁锭约高出铝锭20％。但由于镁合金密度小，相同体积的汽车零件，镁合金用量只是铝合金的2／3，因此用单位体积价格而不是单位质量价格来衡量，镁合金汽车零件的材料成本更为合适。有关资料认为，同等强度的镁合金制品耗电为35．7kW·h/kg，铝合金制品则为41．1kW·h，单位体积镁合金比铝合金价格便宜10％－20％，而质量小25％－30％。实际上，镁合金汽车零件成本中还应包括材料的加工成本，而其中模具成本所占的比例最大，由于压铸镁合金的模具使用寿命是铝合金的2－3倍，因此其工艺成本比铝合金明显要低。此外，应用镁合金汽车零件的经济性还与镁合金的生产、加工、使用和回收的各个环节相关。例如，镁合金的回收比其生产要容易得多，也比铝合金回收所消耗的能量少。所以，我们要全面考虑镁合金汽车零件的应用成本，计算其全寿命费用，给出综合评价。

耐蚀性也曾是镁合金扩大应用的一大障碍。因镁有极高的化学活性，当与不同类金属配合时易发生电解腐蚀和微电腐蚀，但通过正确的零部件设计和表面强化，能使阳极腐蚀减到最小；通过对铸造过程化学反应和微观组织的严格控制，可减小微电腐蚀。而在自然环境中，高纯度压铸镁合金的抗腐蚀能力优于铝合金A380，远远高于低碳钢，因而在应用中只要控制压铸镁合金中的杂质水平和铁锰比，改善镁合金纯度，就可提高其抗腐蚀能力。现在，镁合金压铸件可以不用任何表面处理而直接应用于汽车上，只须对车轮、轮我、发动机等关键部件进行必要的表面处理。

阻碍镁铸件不断扩大应用的其它障碍是缺少耐高温的压铸合金、缺乏足够的设计数据及漫长的研制周期。然而，汽车制造商和各国政府正投人更多的技术力量和资金去攻克这些技术难关，将使镁合金压铸件成为下个世纪初汽车上的主导材料。

4 结论

汽车用镁合金主要是压铸类产品，采用镁压铸件使汽车质量减轻，耗油量减少,排出废气减少；且镁合金压铸件具有降噪减振性能和铸造精度高等优点，综合经济效益好，是汽车轻量化最有希望的重要材料，具有广阔的应用前景。

汽车上使用的镁压铸件已扩展到方向盘、仪表盘架、制动马达、车身构件、发动机部件、座椅架、离合器壳、转向柱、手制动杆等，并开始用于制造悬架零件、制动盘和制动钳等重要部件，随着技术和工艺的发展将有更多的零件采用镁合金制造。

通过不断提高熔铸能力和生产效率，通过采用有限元等分析手段，对镁铸件进行重新设计和改良替代设计，以充分利用镁合金的性能（如薄壁整体可铸性，高比强度和低加工成本等）可使镁合金压铸件与钢、铝件相比在成本上具有更强的竞争力。

镁合金应用的发展需要有相应的经验、知识和技术作为基础，需要工厂、研究机构和政府部门的密切配合，以不断提高镁合金的熔炼、回收、零部件设计和表面处理水平。

Application of Magnesium Alloy in Automotive Industry

He Yan－song，YANG Cheng

（Chongqing University Automotive Engineering Department，Chongqing 400044，China）

Abstract：Characteristics of magnesium alloy and its application in automotive Industry were introduced．Application of magnesium alloy component in global mainly automotive factories was summarized．Main obstacle in application of magnesium alloy in our country automotive Industry was discussed．

Key words：Magnesium alloy； automobile； die-casting

《汽车工艺与材料》2002/06