镁合金在汽车领域中的应用一镁合金在汽车领域的应用背景和发展现状

万方数据　万方数据一画‰黼出的优点，由于比强度高，因此可以在相同质量下获得较高的强度，而且阻尼性能良好并具有很高的抗冲击韧性，尤其适用于制造经常承受冲击的部件。

如转向轴经常承受较大的扭矩，座椅架和轮毂长时间承受冲击，采用阻尼性良好的镁合金后，既减轻了汽车的自重，又提高了汽车行驶过程中的平稳性和安全性。

到目前为止，已经开发和应用的镁合金汽车部件如图２所示，在汽车上得到广泛运用，特别是在高档轿车和“特殊用途的车辆”中。

大排量汽车中的用镁量也呈增长态势。

在跑车、厢式车、ＳＵＶ等车型中，虽然镁制件的成本较高，但由于其质量轻，能够抵消成本高的缺点。

图２已经开发和应用的镁合金汽车部件目前镁合金在汽车工业上的应用状况是，每辆车在０．５～１７ｋｇ之间变化，平均使用量是每辆车３ｋｇ。

德国大众汽车公司帕萨特车目前用镁量为１４ｋｇ，占车重的１％，不久将可能增至３０～５０ｋｇ。

镁合金在大众公司的汽车上主要应用是在驱动设备和内部结构件上。

随着技术的发展，镁合金结构件应用的数量将会增加。

奥迪Ａ６轿车单车的镁合金压铸件总用量目前已达１４．２ｋｇ，其未来的目标是将单车的镁合金总用量增至５０＂－＂８０ｋｇ。

美国通用和福特汽车公司预计在今后的２０年内每辆汽车的镁合金用量将从目前的３ｋｇ提高到１００ｋｇ。

２００４年４月，大众汽车公司首次正式推出了新研制成功的超级经济型轿车，属于迷你型，其燃油效率达到了每百ｋｍ耗油少于ｌＬ。

该车型也是大众公司“甲壳虫”车型的延伸产品。

它的原材料采用镁合金和碳纤维制成，该车的最高时速可达１２０ｋｍ；整车框架由金属镁制成，镁框架外裹有用于加强的塑料表皮。

●３６Ｉ２００７．第４Ｗｌ３．１汽车行业常用镁合金材料压铸镁合金材料应用于汽车零部件，约占整个需求量的ｌ／３～１／４。

结构用镁合金根据不同的用途，有时添加Ａｌ、Ｚｎ等元素，大致上分为Ｍｇ－ＡＩ系和Ｍｇ－Ｚｎ系两类。

与铝合金相同，可采用铸造（砂型，模具，压铸），挤压，轧制，锻造等方法成形。

按照ＡＳＴＭ标准，汽车行业使用最多的铸造镁合金是代号为ＡＺ９１的镁合金材料，它主要由Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ三种元素组成，其中铝质量分数为９％，锌质量分数为ｌ％。

ＡＺ９１是具有代表性的力学性能、耐腐蚀性和铸造性能均良好的镁合金。

近年来开发出的ＡＺ９ｌＤ、ＡＺ９１Ｅ、ＡＺ９１ＨＰ等高纯耐腐蚀镁合金，利用注射成形工艺制造汽车结构用零部件，使其性价比有了很大的提高，且零件表面细腻，并形成呈环状的Ｍｇ－ＡＩ金属化合物，提高了耐腐蚀性。

德国大众公司的Ｖｗｐａｓｓａｔ轿车的变速箱壳体就首次批量采用ＡＺ９１ＨＰ材料制造。

此外，还有新开发的ＡＭ５０、ＡＭ６０等铝镁合金材料，具有优异的延展性，也多采用压铸工艺制造汽车车身结构零部件，如整个车门部件可采用ＡＭ６０真空压铸而成。

ＡＭ５０、ＡＭ６０也可以用来制造气胎的转向轮芯等。

目前汽车用镁合金的大致成分和一般性能见表ｌ所列。

ＺＡ９１Ｄ（Ｍｇ－９ＡＩ－０．７Ｚｎ－０．２Ｍｎ）和ＡＭ６０Ｂ（Ｍｇ－６Ａ１－０．２Ｍｎ）是室温应用的压铸镁合金。

ＡＺ９１Ｄ常用于离合器支架、转向盘轴凸轮盖支架等，ＡＭ６０Ｂ常用于座位支架和设备仪表板。

ＡＳ４ＩＡ过去常用于空冷型汽车发动机的曲轴和风扇套及电机支架，最近ＧＭ公司用于叶片定子和离合器活塞。

表１汽车用镁合金的成分和性能厶厶大致成分屈服强度抗拉强度伸长率冲击韧性。

斑（％）ＩｄＰａＭＰａ（％）Ｊ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　万方数据镁合金在汽车领域中的应用（一）——镁合金在汽车领域的应用背景和发展现状胡斌等少了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ＥＶｌ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ｌｋｇ；而用ＡＺ９１ＤＮ作锁套，比用锌减少质量７５％；其卡车离合器壳改用ＡＺ９１Ｄ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。

３．２国外镁合金在汽车上的应用汽车生产制造厂商利用镁合金来减轻汽车重量，已有７０多年的历史。

德国大众汽车公司是最早在汽车上大规模应用镁合金的汽车公司，早在２０世纪３０年代大众汽车就使用镁合金。

１９３０年德国首次在汽车上运用镁合金７３．８ｋｇ。

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；到１９８０年，大众公司共生产了ｌ９００万辆甲壳虫汽车，用镁合金铸件共达３８万ｔ，创批量生产镁合金的最高纪录，只是后来由于镁的价格上涨才停止了使用。

长期以来，尤其是９０年代以来，德国在镁合金领域一直在世界上处于领先地位，著名的奔驰汽车公司最早将镁合金压铸件应用于汽车座支架，奥迪汽车公司第一个推出镁合金压铸仪表板，可以说德国是推动镁合金压铸发展的先驱与主力军。

近年来，汽车用镁合金又有新的进展，除了整体式镁合金铸造座椅外，在１９９７年梅塞德斯一奔驰的ＳＬＫ车型上，燃料箱和行李箱之间的隔板也采用质量为３．１９ｋｇ的镁合金代替６ｋｇ的钢件。

大众汽车公司２００２年推出的每百ｋｍ耗油（柴油）ｌＬ（实际仅０．８９Ｌ）的双座微型概念车，该车净重为２６０ｋｇ，其中镁合金占３５ｋｇ。

图５为该车中铝合金与镁合金结构件的构成图。

２００４年６月，德国宝马发布了采用镁合金的直７０６缸引擎，如图６，曲轴箱（ＣｒａｎｋＳｈａｆｔ）内部采用铝合金，外部采用镁合金，排量３．０Ｌ，最大输出功率为１９０ｋＷ（２５８ＰＳ），最大扭矩为３００Ｎ－ｍ，是全球最轻的直列６缸引擎，新型引擎重１６１ｋｇ，通过使用镁合金，使质量降低了７％（１０ｋｇ）。

曲轴自身质量在使用普通铸铁时可控制到原来的５７％，比使用铝合金时轻２４％。

图５１Ｌ车中铝合金与镁合金图６Ｂ椭镁合金直列６缸引擎美国在１９４８年至１９６２年的１０余年间，采用热压铸生产了数百万件镁铸件供汽车上使用。

美国著名的汽车公司如福特、通用和克莱斯勒等公司在过去的十几年里一直致力于新型镁合金和镁合金离合器壳体、转向柱架、进气管及照明夹持器等汽车零部件的开发和应用，替代效果十分明显，促进了镁合金的发展。

１９９２年，美国三大公司采用镁合金压铸的零件分别为３０个（福特）４５个（通用）和２０个（克莱斯勒），到１９９３年，几乎增加了１倍，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。

通用汽车公司于１９９７年成功地开发出镁合金汽车轮毂，福特汽车公司也于１９９７年采用半固态压铸技术生产出镁合金赛车离合器片与汽车传递零件。

福特公司的Ｆ—１５卡车和克莱斯勒微型货车镁合金配件用量分别为１５ｋｇ和６ｋｇ。

福特汽车公司ＡｅｒｏｓｔａｒＭｉｍｉ－Ｖａｎｓ牌汽车的中座以及后座（仅此每年需要１００ｔ以上的镁合金ＡＭ６０），Ｒａｎｇｅｒ型轻型卡车的离合器体和刹车踏板支撑托架，通用公司的汽缸盖、滤油器壳体等１０种零件都是镁合金制成的。

据国际镁协（ＭＡ）的预测，随着汽车工业的发展，Ｎ２０ｌＯ年，全球镁合金在汽●２００７９９４期ｌ３７　万方数据一画‰黼车上的应用由２０００年的３ｋｇ／辆增加到４０ｋｇ／辆。

除了传统汽车外，镁合金在电动汽车上的使用也已进入研究阶段，福特公司１９９８年推出的Ｐ２０００系列（如图７）的Ｄｉａｔａ混合动力轻质概念车使用了１０３ｋｇ镁合金，这是目前单车使用镁合金的最高记录。

图７福特Ｐ２０００轻质概念车日本镁合金的开发与应用也十分迅速，１９９０年每辆汽车用镁量仅５ｋｇ，而１９９７＂一１９９８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。

８０年代末期，日本开发出镁合金低压铸造装置，为镁合金的开发与应用提供了保证由此，经过研究相继开发了一系列镁合金压铸产品，如丰田汽车公司首先制造出镁合金汽车轮毂、转向轴系统、凸轮罩等零部件，２００１年，丰田推出的４座轻量小型概念车ＥＳ３（如图８），在前排座椅后部采用以镁合金为框架的网状结构。

目前，日本的各家汽车公司都生产和应用了大量的镁合金壳体类压铸件。

２００４年３月，日本独立行政法人产业技术综合研究所利用阻燃性镁合金挤压材料制作而成的汽车顶箱，与市场ＦＲＰ强化塑料产品相比，重量大约可减轻２５％。

图８丰田４座轻微型概念车澳大利亚ＣＡＳＴ公司于２００４年９月成功研制出可在高温下使用并用于制造未来汽车引擎的镁合金ＡＭ－ＳＣＩ，这种合金可减少引擎重量的７０％，该合金已在德国大众汽车上进行了５．６万ｋｍ运行试验，美国福特汽车制造厂于２００４年底率先使用该合金生产福特２．５ＬＤｕＲＡＴＥＣ引擎。

２０世纪７０年代以来，各国尤其是发达国家对汽车的节能和尾气排放提出了越来越严格的限制，汽车轻量化呼声很强烈。

１９９３年欧洲汽车制造商提出“３Ｌ汽油轿车”的新概念；美国提出Ｉ３８Ｉ２００７年第４期了“ＰＮＧＶ”（新一代交通工具）的合作计划。

其目标是生产出消费者可承受的每百ｋｍ耗油３Ｌ的轿车，且整车至少８０％以上的部件可以回收。

这些要求迫使汽车制造商采用更多高新技术，生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车。

单车用镁合金的质量已经成为衡量汽车性能的标准之一，１９９９年全球单车平均用镁合金铸件３ｋｇ，欧美单车用镁量较高，如“甲壳虫”单车用镁量已经超过２０ｋｇ，预计２０年后平均单车用镁量会超过１００ｋｇ。

３．３国内镁合金在汽车上的应用在我国采用铸造镁合金已有３０多年的历史，但主要用于航空航天工业的飞机机轮、壳体、机座等等，在汽车行业则起步较晚，目前仅有十余家企业从事镁合金压铸件的生产和研究。

我国研究者通过在ＡＺ系合金中加入钙、硅、锑、锡、铋、稀土等元素，研制成功一系列新型高温抗蠕变镁合金。

通过这些合金元素的微合金化作用，使ＡＺ９ｌＤ合金从原来只应用于汽车的结构部件（阀套、离合器壳体、方向盘轴、凸轮罩、刹车托板支架等）扩大到高温部件（齿轮箱、曲轴箱、发动机壳体、油盘等）。

上汽、一汽、二汽以及长安汽车公司在研究和开发镁合金在汽车领域应用发挥了重要作用Ｉｓ］。

上汽在国内最早将镁合金应用在汽车上。

２０世纪９０年代初，上海大众公司首次在桑塔纳轿车上采用镁合金变速器壳体、壳盖和离合器外壳。