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行业研究

新能源汽车镁合金零部件的开发应用
2020-11-18 10:48:11   来源:澳门新普京金属报    点击:

 
责编·作者:张文毓
 
  新能源与汽车
 
  新能源汽车是对以非常规车用燃料为动力来源的多种汽车的总称,它主要包括氢能源动力汽车、混合动力汽车、太阳能汽车、高效储能器汽车和天然气汽车等,其中,氢能源动力汽车是一种极具应用潜力的新能源汽车。但是,该类新能源汽车的关键零部件之一电池的研究至关重要,现有的储氢电池难以满足其容量需求,而镁合金储氢电池作为一种容量较大的储氢电池备受业界的关注,然而镁合金的耐蚀性较差,严重阻碍了镁合金在新能源汽车零部件上的应用。
 
  与锂相比,镁更适合充当电池,比如,镁是自然界中分布最广泛的元素之一,其价格比锂价便宜很多;镁以及相关化合物均无毒害作用或毒性极低,更有利于环保;镁没有锂那么活泼,相对更容易操作,加工方面也更为安全。正是由于镁的这些特质,发达工业化国家(特别是日本)在新型镁电池研究方面一直投入大量资源,并已取得了不错的成绩。
 
  由目前的研发状况可知,新能源汽车分类的主要依据是动力创新,主要可以分为以下3种:混合动力汽车,选择电动机加发动机的模式,利用电能和油耗来产生动力;纯电动汽车,电力驱动是研发新能源汽车的大方向,虽然它的优点很多,但是,车载电池储电、电池寿命、电车成本等是影响其发展的主要因素;氢动力汽车,传统的汽车油耗大,会排放大量的污染物,而氢能源汽车排放的则是纯净水。另外,新能源汽车还包括燃气汽车、空气动力汽车、甲醇汽车、飞轮储能汽车和超级电容汽车等。
 
  要想让新能源汽车真正超越传统能源汽车,就一定要加大对关键材料的研究力度,并有所突破。现阶段,这些关键材料的研发工作已经基本完成。这些材料主要有:驱动电机材料,它是将能源转化成汽车驱动力的核心材料;动力电池材料,它能够保证汽车的电力存储;轻量化材料,它能适应新能源驱动,减少能源消耗。
 
  出于能源安全战略的考虑和在节能减排效益的刺激下,各国制定具体政策,鼓励并推动世界各大汽车公司开发新能源汽车,力争将汽车的能耗和排放降低到最小,并顺利过渡到以新能源为动力的后汽车时代。汽车行业在政策的引导和自身利益的推动下沿两种思路发展:一是以高容量电池为中介,实现新能源(电能、氢能)替代传统的化学能(石油);二是广泛采用镁合金、高分子材料替代传统材质,降低汽车重量,据测试,轿车质量每减轻100kg,油耗可降低5%,所以说减重可最终达到节能的目标。
 
  在前一种思路的指引下,日本丰田、美国通用、德国宝马、澳门比亚迪等公司已研发出新型电池,分别推出新能源汽车,动力系统从矿物燃料引擎升级为汽油一电力混合系统或纯电力驱动系统,使用的能源由汽油更换为电;后一种思路在世界范围引起汽车镁合金化的趋势,澳门科技部、美国能源部、加拿人能源部合作推进镁合金汽车前端研究开发项目。该项目计划开发镁合金的高致密度铸造、挤压铸造、板材成形、焊接等手段,扩大镁合金在汽车上的用量,实现汽车前端的镁合金化,使镁合金在汽车上的使用规模由单个零部件上升至系统性应用。德国大众、德国奔驰、日本丰田等汽车巨头加大力度研发镁合金材质的零部件,其出产的汽车镁合金含量均达到20~40kg;国内的一汽、东风、长安、奇瑞等汽车公司均引进压铸设备,开发镁合金压铸件,现已实现气门室罩盖、变速箱上盖、变速箱左右盖等零部件的批量生产。
 
  目前,交通运输业面临的两大问题:能源危机和环境污染。若汽车自重减轻10%,其燃油效率即可提高15%、耗油量可降低6%~8%,排污量减少10%。而镁作为最轻的金属结构材料,具有比重最小、比强度高、比刚度高、吸振降噪、电磁屏蔽、容易回收的优点,因此,近年来被大量使用在汽车行业。汽车行业是目前镁合金应用量最大也是增长最快的行业,全球汽车用镁合金量年增长率超过15%。
 
  汽车的轻量化就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力性,减少燃料消耗,降低排气污染。试验证明,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%~8%;汽车整备质量每减少100kg,百公里油耗可降低0.3~0.6L;汽车重量降低1%,油耗可降低0.7%。当前,由于环保和节能的需要,汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。主要包括采用轻量化材料和轻量化材料成形技术两方面。轻量化材料是指可用来减轻零件质量的材料,分为两大类:一类是低密度轻质材料,如铝合金、镁合金、钛合金、塑料和复合材料等;另一类是高强度材料,如高强度钢等。轻量化材料成形技术是指为了满足高强度材料的应用,以及实现零件集成化设计需要所采用的技术。目前,应用较为广泛的有激光拼焊板技术(TWB)、热压成形技术(HPF)和液压成形技术(HF)等。
 
  镁合金材料在零部件开发的中应用优势
 
  镁合金材料在零部件开发之中的应用优势大致有以下四点:第一,镁合金材料质量密度较小,将其应用于新能源汽车开发之中,能够显著减轻质量;第二,镁合金材料具备优异的减震性,能够承受较大的冲击以及振动,较之铝、钢等材料性能更为突出,对于维系汽车运行的稳定性效果奇佳;第三,比强度、比刚度良好,对比钢、铝合金而言,在相同质量条件下,镁合金的比刚度、比强度都更高一些;第四,镁合金材料可回收利用,镁合金材料的提取以再生资源为主,能够实现回收利用。此外,镁的熔点相对较低,回收利用所消耗的能源也相对较少。
 
  国内外新能源汽车镁合金零部件的研究现状
 
  北美作为镁合金使用量最大的区域,正在使用和研制的镁合金汽车零部件有100多种,欧洲则有60多种。当前世界单车用镁量2.1kg/辆;欧美单车用镁量5kg/辆;用镁车型单车用镁平均在20kg/辆左右。我国镁合金应用目前主要集中于中高端车、微车和卡车,单车用镁较少,仅为5~10kg,应用部位主要是动力系统部件,以压铸件为主流。但由于国内镁资源具有绝对价格优势,目前镁合金压铸件已能与铝合金平价竞争,东风汽车2009年就有6类部件因镁价上涨而改用铝材。因此,可以期待镁合金在中低端车上的推广。
 
  美国车协(USAMP)和欧美主要车厂均提出到2020年将单车用镁量提高到100kg/辆,相对于当前欧美20kg/辆的平均水平,仍有较大空间。到2020年全球汽车用镁市场需求将达100万吨,国内需求20万吨;其中,板带材需求分别为35万吨、7万吨。镁合金应用最主要的制约因素是价格,目前,澳门镁合金压铸件价格已降至2万~6万元/吨,已具有价格竞争力,具有大范围使用的条件,可以期待一个阶段性的爆发。但镁合金板带材的应用则有待观察,如成本无法控制、需求将受限,只能少量进入中高端市场。以每辆车用镁20kg计算,2000吨产能即意味着要攻下国产40%左右中高端车型的市场。对设计5万~10万吨产能,意味着必须主打欧美市场,且占据15%~30%左右市场份额。因此,如板带材无法形成价格竞争力,产业化前景不乐观。
 
  目前镁合金制造工艺技术能够有效的实现利用镁合金制造集成性能较高的车辆结构构件,一方面,镁合金具有良好的铸造性,加工条件较为简答,加工工艺简单,且加工有效性较高,不易产生废品;另一方面,镁合金较高的阻尼系数,能够增添汽车结构的抗震性,十分符合汽车工业制造对于材料的多项功能的追求目标。目前,镁合金在车辆结构构件的制造中广泛应用,例如在车辆的传动系统中,在离合器外壳、齿轮箱外壳、离变速箱外壳等零件的铸造方面就大量的使用了镁合金。在车体结构中,车门内衬、仪表板、车灯外壳、引擎盖、车身骨架、底盘系统转向架等也大量使用了镁合金压铸产品。许多国外发达国家对于镁合金的应用程度要远远高于国内汽车制造业,例如高端品牌兰博基尼、保时捷等都采用了镁合金减重设计,其车辆的相关性能都得到了很好的提升。但由于国内基于汽车安全性的考虑,对于镁合金材料的应用情况较少,仍多用铝合金的形式来对汽车重量进行控制。
 
  现阶段镁合金在汽车上的应用主要集中于车身、发动机和内饰件3大部分,产量持续快速增长。欧洲范围内,60多种汽车零部件已采用镁合金为材质,车用镁合金铸件的使用量正在以年均25%的速度增加;北美是世界上镁合金在汽车中用量最大,使用和研发中的镁合金零部件有100多种;日本汽车业在越来越多的零件上采用镁合金材质,包括变速杆、座椅架等。大众公司的帕萨特、奥迪A4和A6等汽车的齿轮箱壳体使用AZ91D镁合金,比铝合金部件减重25%。美国福特、美国通用、日本三菱等汽车公司已采用镁合金零部件替代原有的铝合金汽车零部件和塑料零部件,包括:发动机壳体和盖、变速箱壳体和盖、离合器壳体、液力变扭器壳体、发电机托架、刹车踏板支架、车身壳体框架、车门、车轮、方向盘、仪表盘、后桥驱动器、转向节、座椅支架、把手等100多种零部件。
 
  汽车产业中镁合金用量较多的国家和地区主要是北美、欧洲、日本和韩国,1991年汽车工业中镁合金的用量仅为2.4万吨,到1997年则增至6.4 万吨,目前这些国家和地区汽车工业对镁合金的需求已达到每年40万吨。欧洲正在使用和研制的镁合金汽车零部件已超过60种,单车镁合金用量9.3公斤~20.3公斤;北美正在使用和研制的镁合金汽车零部件已超过100 种,单车镁合金用量5.8公斤~26.3公斤;我国汽车镁合金产业的总体技术水平不高,在汽车镁合金部件设计、制造加工等方面还有较大差距,平均单车用镁量不足1公斤。经过近几年的发展,已有20余种汽车零部件可以采用镁合金生产。
 
  我国在汽车轻量化方面起步较晚,最早将镁合金应用到汽车上的企业是上汽集团。上世纪90年代,首次在桑塔纳轿车上采用镁合金变速箱壳体、壳盖和离合器外壳,单车用镁合金共约8.5kg。一汽集团开发了抗蠕变镁合金,用于制造高温负载条件下的汽车动力系统部件,同时顺利研发出气缸盖罩盖等镁合金压铸件。同时,东风汽车公司、长安汽车集团也参与到镁合金零部件的生产之中,尤其需要指出的是长安集团生产的“长安之星”微型车上实现了单车用镁8kg的水平,达到了目前的国际先进水平。在镁合金工艺方面,镁合金汽车轮毂成型技术无疑是一大亮点。
 
  在国家重点研发计划的支持下,在与东风汽车股份有限公司合作中,上海交大正在针对进行有关汽车用减震台和副车架结构设计,旨在早日实现镁合金在减震塔和副车架两类大型复杂薄壁部件的成型技术与应用上的突破。
 
  目前,汽车工业平均用镁量在10 公斤以内。从2000年开始,各国政府和研发机构投入大量的资源进行镁合金的研发和产品的推广,特别是我国作为镁合金资源的大国,一直希望将镁合金在汽车工业中的用量进一步提高。但是,车用镁合金的用量并没有出现预期的大幅增长,主要的镁合金牌号还是以AZ91D和AM50为主,主要的镁合金产品以方向盘骨架、仪表盘骨架、座椅骨架等内饰部件。限制镁合金大规模应用的一个主要原因还是由镁合金特性决定的,镁合金的耐腐蚀性能差,特别是电偶腐蚀是困扰镁合金在非内饰承载部件系统中应用的最大阻力。
 
  汽车轻量化和部件集成化的发展趋势,能够发挥镁合金材料流动性好、易成形大型复杂结构件的优势,将促使镁合金的新的大规模应用,例如:车门内板和行李箱后盖内板,采用压铸镁合金可以实现最优轻量化和结构优化的效果。目前,我国具有最多的镁合金矿产和冶炼资源,也具有最大吨位压铸装备的下游生产企业,在该领域我国已经形成了全球最为完整的产业链,能够实现从原镁到高端镁合金压铸件的全流程生产和制造。
 
  镁合金零部件在新能源汽车中的应用
 
  20世纪初,德国率先将镁合金应用于汽车制造之中,直至二十世纪中叶,大众公司在汽车结构零件的研发之中已应用了大量的镁合金材料。随后,欧美等国家均纷纷投入到镁合金零部件的开发研究之中。目前,欧美等发达国家在汽车用镁量方面要远远高于世界其他各国。在亚洲范围之内,日本在镁合金零部件的开发研究之中居于领先地位,虽远不及欧美等国家,不过伴随着科学技术的发展,日企对于镁合金材料的应用日益广泛。譬如,丰田便研发了镁合金转向盘、镁合金骨架座椅等。相较而言,我国汽车行业对于镁合金的应用相对较晚,现如今尚处于开发阶段,上汽、一汽、二汽等企业均开始广泛投入到镁合金汽车零部件的研究开发之中,也取得了一定的成果。直至今日,镁合金在新能源汽车之中开发研究主要集中于动力系统零件。考虑到发动机零部件在运行期间的温度,欧美等发达国家致力于对高强度镁合金材料展开了研究开发。目前,诸如耐蚀镁合金、变形镁合金、阻燃镁合金等新型镁合金材料相继研发成功,在新能源汽车之中得以广泛的应用。
 
 
 
  镁合金转向管柱支架
  现在在一款新能源车型的转向系统的开发中,引用了以镁合金为材料设计成型的转向支架和导向筒。由于镁合金的刚度极大,不会在安装后随车身支架的变形而产生变形,全面保证转向系统在整车碰撞过程中转向管柱可以按照设计的行程和吸能曲线完成整个动态溃缩过程,提供整车碰撞的安全性,并且大大提高了这个转向系统的刚度和频率,而且做到了轻量化设计,其质量较之常规车型原件减轻了5%以上。
  镁合金仪表板骨架
  常规车型的仪表板骨架更多是采用钢件焊接制成,为了满足汽车轻量化这一要求,需要在保证原本功能的基础上,确保装配面与孔的部位不改变,所以,将仪表板骨架零部件替换为镁合金。镁合金仪表板骨架制作时主要应用挤压、弯曲这两种工艺,所有镁合金件之间以氢弧焊进行连接。因为,镁合金与钢这两种材料接触之后会被腐蚀,所以仪表板骨架和车身、仪表板等零部件进行连接,建议采用钢质渗铝螺栓作为连接件。经过实践得知,轻量化镁合金仪表板骨架的质量是1.957kg,相比常规车型所采用的原钢件质量减轻了62.9%。
  镁合金副驾驶座椅骨架
  常规车型的驾驶座椅骨架主要为钢件,其中包括靠背骨架、座垫骨架和滑轨。因为,常规车型的改制存在一定的限制,按照轿车座椅设计的有关规定,为了保证汽车性能,将副驾驶座位的椅骨架替换为镁合金。制作工艺主要应用挤压、弯曲和冲压,镁合金件的焊接技术为氢弧焊,使用结构胶连接所有材料零部件。经过实践之后,镁合金副驾驶座椅骨架的质量显示为12.66kg,和钢结构件对比质量减轻了8.3%。
  镁合金前、后副车架
  为保证镁合金前、后副车架技术参数能够满足规定要求,需要完善原本的结构设计。设计过程中,通过楔形加强筋、局部位置设置纵向加强梁以及局部增厚这三种要求进行结构设计,并对最终设计成果展开验证、分析,可以得出设计而成的镁合金前、后副车架技术参数与规定相符。这一部分所应用的工艺主要有挤压、弯曲和整形,焊接制造则是以分段制造、环形焊与角焊为主,结束焊接操作之后压入支承套橡胶内衬,使用螺栓连接轿车,同时设置复合材料垫圈,达到良好的联接效果。经过轻量化设计之后的镁合金前、后副车架,其质量与钢件相比分别减轻了50.5%、62.3%。
  镁合金轮辋
  按照镁合金制造的有关规定,轮辋小辐条根部位置必须要进行挖深处理,镁合金车轮必须要满足性能要求,弯曲疲劳、径向疲劳的最大应力相比镁合金材料的疲劳强度必须小于110MPa,使用期限超过107次。经过实践可知,轻量化设计之后的镁合金轮辋质量降低为7.9kg,相比铝合金材料的轮惘减轻了37%。
  3D打印
  3D打印技术是诸多新技术的一种,是以新车模型、工具的实际运用为前提研发的先进技术。通过扫描镜、激光束等部件制作镁合金零部件,有效提升了零部件制作的速度。如今,3D打印技术已经在汽车企业中实现普及,节省研发成本的同时很好的提升了研发效率,可以满足要求多、批量小的客户。
  用于制造汽车零部件的镁合金种类较多,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,因为添加Al元素能提高镁合金的强度及铸造性能,而且成本较低。在Mg-Al合金加入少量Mn元素可降低杂质Fe的含量比。基于Al、Mn元素设计的镁合金牌号有AZ系列的AZ91D和AM系列的AM60等。
  汽车行业作为能源消耗的重点行业,必须提前实现以下两个目标:一是 提早布局,抢先进入新能源汽车时代;二是推动汽车轻量化,提高能源利用效率,降低尾气排放量。对汽车行业来说,着力发展镁基氢能动力汽车以及镁合金材质的新能源汽车正是实现两个目标的最优选择。
  镁合金现一般用于座椅骨架、仪表盘、转向盘和转向柱、轮圈、发动机气缸盖、变速器壳、离合器壳等零件,其中,转向盘和转向柱、轮圈是应用镁合金较多的零件。现已采用镁合金铸件的汽车公司有美国的福特、通用、克莱斯勒,德国的大众,日本的丰田等20余家。国际上已把单车镁合金用量作为汽车先进性的标志之一。欧洲单车镁合金用量已达9~20kg,正在使用和研发的镁合金汽车零部件已超过60多种,北美正在使用和研发的镁合金汽车零部件多达100多种。
  国内外汽车零部件常用镁合金主要有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,广泛应用的仍然为铸造镁合金,目前已开发应用镁合金汽车零部件。
  镁合金主要有铸造与变形两种类型。汽车上应用的镁合金主要是压铸件,应用于车身和底盘零件,如仪表盘骨架与横梁、座椅骨架、转向盘、进气歧管以及各种支架、罩盖等。
  (作者单位:澳门船舶重工集团公司第七二五研究所)

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