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新能源汽车镁合金零部件开发及应用趋势




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戳  匝  用 

新 能源汽 车镁 合金零部件开发及应 用趋 势 
介绍 了 当前新 能源汽 车轻量化 技术的必 要性和意义 。以及镁 合金材料 的特点 和在 汽车 中应 用的  优 势 ,讨论 了近年来镁 合金材料在 汽车 中的常规应 用 ,并介绍 了新能 源汽车 中镁 合金零部件 的应用 

与 开发技术 。分析 了镁 合金材料在 汽车产 业化应用 中尚需发展和 完善 的工艺与技 术 ,同时 阐述 了镁  合 金材料在 未来汽 车轻 量化技术 中的广泛 应用前景 。  

■ 

上海 汽车 集 团股份 有 限公司 新能 源汽 车 事业 部  冯 奇  范 军锋
郑松 林 

干  频 

一  上 海理 工 大学机 械 学院 ● 

同济 大学 汽车 学院  高 云凯 

自1 9 年 以来 ,镁 在 汽 车 中 的应 用 就 一 直 以 较  90 快 的 速度 增 长 ,汽 车用 镁正 以年 均 2 % 的 增 长速 度  0 迅速 发展 ,镁合 金 已成 为汽 车材 料 技术 发展 的 一个 重  要领 域 。 目前 ,国 内外 各汽 车企 业正 致 力于 研 究 占车  重 比例 大 的车 身 ( 0 ) 发 动机 ( 1 % )、 约3 % 、 约  8   传 动 系统 ( 1 % ) 行 走 系统 ( 1 % )、车 轮  约   5 、 约  6 ( % ) 钢或 铝零 部件 的 镁合 金化 。 约5 等  
钢  铜  锌  铝  镁 
17  .4

7 % 。 在 汽 车 上 使 用 镁 合 金 可在 很 大程 度 上 减 轻 汽  7 车 自身质 量 。   b减振 性能好 。镁 合金 具 有很 高 的阻 尼容 量和 良 .   好 的减 振性 能 ,可 承 受较 大冲 击振 动 ,性 能优 于铝 和 

1 镁 合金 材料 的特 点 和在汽 车 中应 用 

钢 ,适 于制 造承 受 冲 击载荷 和 振动 的 零部 件 ,使汽 车  行驶 更加 平 稳和 安全 、舒 适。  

的优 势 
镁 的密 度 为 17   c . g? m一,仅 为 铝 的23 4 / ,见 表 
1 。镁 晶格 具 有 密 排 六 方体 点 阵 ,其 滑 移 系数 较 小 ,   冷 变 形 较 困 难 。 当 温 度升 高 至2 0 ℃ 以上 时 ,变 形  5

C比强度 和 比 刚度 高 。在 相 同质 量 条件 下 ,镁合  .
金具 有 更高 刚度 。镁 合 金质 量 比钢 和铝 合金 轻 , 比强  度高 于铝 合金 和钢 ,比刚度 接 近铝 合金 。  

较 容 易 ,同 时 具 有 较 好 可 塑性 。通 常镁 合 金 元 素 有 
铝 、 锌 、 稀 土 元 素 、银 、锂 、锆 、锰 及 镍 等 ,合 金 

d铸 造 性 能 好 。 镁 合 金 具 有 良好 的铸 造   ̄ 尺  . ' I n i
寸稳 定 性 ,易 加 工 且 废 品 率 低 ,从 而 可 以 降低 生产  成本。   e 熔 点 低 。 镁合 金 的熔 点 和 比 热 容 较 低 ,熔 化  . 时耗 能 较 少 ,凝 固 速 度 快 ,动 力 学 粘 度 低 ,铸 造 充  型 性好 。   f回收 利用 性 好 。镁 合 金 可 以从 废 品 、废 料 的再  .
汽 车 工 艺 与 材 料 A & 【5   TM 1

元素常起到固溶强化 、沉淀强化 、微 晶强化和 提高 
耐热 性作 用 。  
镁合 金在 汽车 中应 用 的优势 如 下。  

a质 量密 度小 。镁合 金 的质量 密度 一般在 2gc   .  /m。 左 右 , 比铝 材 轻 3 % , 比 锌 合 金 轻 7 % , 比 钢 轻  6 3
2 1 年 第 1 期  O  0   1



和  戳 匝 胃     

生 资 源 中获得 ,可进 行 1 0 的回收 利用 ,且 由于镁  0%

熔 点低 ,回收再利 用 的耗 能也更 少 ,其再 生 比塑料和 

汽车厂 家 

采用镁 合金 制造 的部分 汽车零 件 

铁等其他材料的再生所需要的能源用量少。  
g镁 资源 丰富 。我 国镁 的蕴藏 十 分丰 富 ,菱 镁矿  . 资 源 占全球 总量 的2 .% ,储 量 巨大 的 白云石矿 和青  25
福 特 

通用  

气缸盖、滤油器  空气漶淹器甍誊配 电  | 器、挡泥板 支架、烟灰盒 门、转向盘柱。   前大灯罩、前大灯托 架、前大灯框架 
配 电器、档泥板支架、 离合器壳叠 制动  器及 离 合 器踏 板托 架 、转 向柱 定位 机 、分 
动器 茺  0  

海 的盐 湖 ,也含 有十 分丰 富 的镁 资源 ,见 表2 1 9   。  9 9
年 ,我 国原 镁产 量达 到 1 万t   2 ,首 次超 过 美 国 ,成 为  世界 上第 一大 镁生产 国 ,年总产 量 占全球产 量 的6 %  0
左右 
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变 速器 尧俸

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气 连杆  寺  动连许 、车I " 1  把寺 
藿j菜  l i }
仪 表板  
氐最 、氏 毒 染 、车轮   s

菱镁矿 
2  7

白云石  
4  0

氯化镁 
1   65

光 卤石  

铼时 捷  

金压 铸件 生产 线 ,可批量 生产 载 重车 的变速 器上 盖 、  

脚踏板 、真 空助 力器 隔板 、制动 阀体 等1 种 零件 ,并  6

2 镁合 金在汽 车轻量 化技 术 中的应用  与 开 发 
21 镁 合金材 料在 汽车 中的 常规应 用  .

已大 批量 装车进 入市 场销售 。   总而 言 之 ,镁 合 金 多 以压 铸件 形 式应 用 于 汽 车 
中 ,约 占全 球镁 合 金压 铸 件 产量 的8 %左 右 。2 0   0 05 年 ,全球 汽车 镁合金 压铸 件 由1 9 年 的56 增 加到    5 9 .万t 1 万t 镁合 金 压铸 件 主 要用 来 取代 铸铁 、铝 合金 、   。 6  

2 世 纪2 年代 ,德 国 率 先把 镁 合金 应 用 于 汽车  0 O 制 造 业 ;5 年 代 至 6 年 代 ,德 国大 众公 司 的 甲 壳虫  O 0 汽车 大量 使用 镁合 金作 为结 构零件 。 此后 ,欧 美汽车 
制造 企业 纷纷 应用镁 合金 零部件 。   目前 ,北 美是汽 车用 镁量最 大 的地 区 ,其 次是欧  洲 ,表 3 出了欧 美一 些汽 车 厂家 采用 镁 合金 制 造 的  列 汽车 零部 件。 美 国汽车 业 已广泛使 用 镁合 金压铸 件 ,  

塑料和钢制冲压焊装组合件等。  
镁在汽 车 中应用 的下 一 目标 是发 动机 等动力 系统  零件 。 为适应 发动机 零件 工作 温度 较高 的需 要 ,近年  来欧 美等 国 家先 后开 发 出了AE Mg AI Ca Mg   、 — — 、 — AI a R 、A 系列和 Z C8 O 等 高强度 抗蠕 变镁 合  —C — e J A 56 金 ,以及MRI0  、M R2 2 与 MR 2 3 等 高温 镁  21 S I0 S I0 S 合金 。最 近 ,正在开 发 或 已开 发成 功 的新型 镁合 金还  有耐蚀 镁合 金 、阻燃 镁合 金 、高 强高韧 镁合 金和 变形  镁合 金等 。   变 形 镁 合 金 在 车 身 上 的 应 用 也 具 有 很 大 的 潜 

以美国 曾经的 三大汽 车公 司为例 ,福特 公 司采 用 了3   O
个 镁 合金 压 铸件 、通 用 公 司4 个 、克 菜 斯勒 2 个 , 5 0   单 车 用镁 合金 2 ~ 0 k O 4   g。就 镁合 金 在汽 车 上 的 应用  而言 , 日本要 落后 于欧 美 国家 ,最 早仅 限于 气缸 盖 、   座椅 架 、仪表板 等 。但 近年来 发展 迅速 ,如 丰 田公司 

开发 使用 了镁 合金 转 向盘 、轮毂 ,之后 又推 出了前排 
座椅 为镁合 金 骨架的 网状结 构。  

力 ,主要 用于 车身组 件 ( 门、行 李箱 、发 动机罩 盖  车 等 )的外 板 、车 门窗 框 架 、座 椅 框 架 、底 盘 框 架 、  
车 身框 架 等 。 变 形 镁 合 金 主 要 有 Mg AI Z — — n系合 金 
( 31 AZ   AZ A、 AZ 0 ) 口 —Z — r 合 金   C、 61 8 A 禾 Mg n Z 系

我国汽 车工业 用镁 较 晚 ,多 处于研 究开 发阶段 。   上汽率 先将 镁合 金用 于桑 塔纳 轿车 的 变速 器 壳体 、壳  盖和 离合器 外 壳 :一 汽 已试制 开发 发动机 罩盖 、 离合  器 壳 、齿 轮 室和齿 轮 盖等 小批量 样件 ;二 汽镁 合金研  发体 系也 已形成 ,近期 投产 的6 0 0 和 1 0 镁 合  3 、8 0   0 6 5 汽 车 工 艺 与 材 料 A&   2} TM

( K 0)两大 类。 Z6  

22上汽新能源汽车镁合金零部件的开发应用 _  
为 贯 彻 落 实 国 家 能 源主 战 略 ,推 进 上 海 新 能 源  2 1 年第 1 期 0  O     1

赫 

猫  叵  用 

汽车 发展 ,实现 中 国汽车 工业 “ 十一 五 ”发 展规 划 提  出的2 1 年 目标 ,培 养 和 加 强上 汽 在 新 能 源汽 车 新  0  0
技术 方面 的创 新 、设 计和 开 发能 力 ,同 时使 上汽 掌握  汽 车开 发 新技 术 ,并 引领 国 内乃至 世 界汽 车业 发展 ,   2 0 年 1 月 ,上 汽 新 能 源 汽 车事 业 部 立 项 实施 “ 08   O 汽 

座椅的法规要求 ,为满足原车性能要求 ,本项 目中的  
副 驾驶 座椅 骨 架 的镁 合金 替代 仅 限于 靠背 骨 架。 该骨  架 主要 采 用挤压 、弯 曲和 冲压 工 艺制 造 ,镁合 金件 之  间 采用 氩 弧焊连 接 ,不同材 料 零件 之 间采 用结 构胶 粘  接 并用铝 螺 栓增 加连 接 的可靠 性 。   轻量化后 的镁合金副驾驶座椅骨架质量 为1.   ,  6 k   12g 与原件相 比减 重92 ,其 中靠背骨架质 量为1 2  g _ % . 4k ,  
与原钢件相 比减重4 .%,数模见 图2   88 。

车 轻量 化 技术开 发 ”项 目,并 获得 上海 市 科委 重点 攻  关 项 目和上 海 汽车 工业 科技 发展 基 金 会产 、学 、研 项 
目的支 持 。  

该项 目以荣威 7 0 料 电池 车 为 平 台 ,采用 多 种  5燃 轻量 化 技术 对整 车进 行 改制 ,改制 后 的轻量 化样 车 将  较 原 型车 减 轻 质 量 7 1 % 。 车 身和 底 盘 中多 个 零  %~   O 件采 用镁 合金 材 料替 代是 该 车轻 量化 技 术之 一 ,其 中  
包括 仪表 板 骨架 ( B ) 副驾 驶 与后排 座椅 骨 架 、 CC 、   前副 车架 、后 副 车架 、轮 辋及 前 舱支 架 等 ,各零 件 的  轻量 化技 术 方法如 下。   ( 1)镁合 金仪 表板 骨架 ( B) CC  

原 型车 中C B C 骨架 为钢件 焊 接而 成 ,在轻 量 化设  计 时 ,以满足 原件 功 能并 保证 装 配面 及孔 位 置不 变 为  
原 则 ,对 构成 仪表板 骨架 的所 有部 件均 采 用镁 合金 材 
图2 镁合 金 副驾驶 座 椅靠 背骨 架数 模 图  

料 进行 替换 。镁 合 金C 8 C 骨架主 要 采用 挤压 和 弯 曲的  制 造工 艺 ,各 镁合 金件 问 采用 氩弧 焊连 接工 艺 。 由于  镁合 金和 钢 之 间直接 接触 会 产生 腐蚀 ,因而 在C B C 骨 
架 与车身 或仪表 板周 围连接 件连 接 时 ,采用 钢质 渗 铝  螺栓 ,可 以防止腐 蚀 发生 。   轻 量 化 的镁合 金CCB 骨架质 量 19 7 k .5   g,与 原钢 

( 3)镁 合金 前 、后 副车架 

为 使 镁 合 金 前 、 后 副 车 架 的 强度 、位 移 、动 态  刚度 达到 原 始副 车架 的 水平 ,对 原 结构 进行 了 改进设  计 。 采用 楔 形加 强筋 、 局部 增加 纵 向加 强梁 和局 部增 
厚 等 结构 进行 设计 ,经过 有 限 元验证 分 析 ,新设计 的 

镁 合 金前 、后 副 车架 的 强度 、位移 、动态 刚度 达 到 了   原 始 前 、后 副车 架 的设计 水平 。 镁合 金前 、后 副 车架  主 要 工艺 为挤压 、弯 曲 、整形 ,采 用 分段 制造 、环 形  焊和 角 焊连 接 ,支 承套 橡胶 内衬在 焊 装完成 后 压入 ,   与 轿车 本体 联 接 时采用 螺栓 并 增加 复合 材 料垫 圈进 行 
联接 。   轻 量 化 后 的 镁 合 金 前 、 后 副 车 架 质 量 分 别 为  2 .8k Y 35 6 k 29  g ̄ .4  g,与 原钢 件相 比 分别减 重5 .2 U 24 % 

件相 比减 重6 .% ,数模 见 图1  47 。

图 1 镁合 金C 骨架 数模 图  CB

 ̄I40 r .4% ,数 模 分别 见图3 、 图3 。 6 a b  ( 镁 合金 轮辋  4) 镁 合 金 轮 辋 采 用 铸 造 工 艺 ,见 图4 。 根据 镁 合  a

( 镁合 金副 驾驶座 椅 骨架  2)
原 副驾 驶座 椅 骨架 为钢件 , 由靠 背 骨架 、座 垫骨 

架 及 滑轨 组成 。 受到原 型 车 改制 的局 限 ,并依 据 轿车 

金 的铸 造工 艺 要 求 ,轮 辋小 辐 条根 部 需要挖 深 ,挖 深 

21年第1期 00       1

汽车工艺与材料 A&  5  TM I 3  
1  

枥 

料  匝  用 

充型顺 序, s  

( )前 副车 架  a
( )铸造 过程 示意 图 a  

( b)后 副 车 架 

( b)挖 深 示 意 图  

图3 镁合 金副车 架数模 图  

图4 镁合 金轮 辋 

的位 置见 图4 。镁合 金车轮达 到原 车性 能要 求 ,弯 曲 b   疲 劳与径 向疲 劳 最 大应 力均 小于 材 料 的疲 劳强度 1    0 1

安 全措 施 ,其制造 和再 生 的工 艺性都 不如铝 ,因此 它  
在 汽车上 的利 用价值 没有铝 高 。   c镁 合金 的 品种规 格有 限 ,汽 车用 的镁 合金 品种  .

MP ,寿 命大于 1    a 0次。 轻 量化后 的镁合 金轮辋 质 量 为7  g . k ,与 原铝 合  9 金 轮辋 相 比减 重达 到3 %。 3  

及 牌 号 不 多 ,尤其 是 板 材 与 型 材 缺 乏。 高 性 能 的镁  合 金 其 研 究开 发 的成 本 极 高 ,而 且 镁 合金 的基 础 数 

据积累不够 ,缺 少统一 的检测标准和系统 的力学性 

3 镁 合 金 材 料 在 汽 车 中应 用 的 制 约  因 素 
虽然 汽车业 用镁 量呈 现 出不断增 加 的趋 势 ,但是  镁 合金在 汽车 上 的应用 还相 当有 限。 目前 ,汽车 制造 

能 测 试 ,在腐 蚀 、热 膨 胀 及 模 具 设 计 等 方面 的数 据  也 不 足 ,因而 增 加 了零 件 设 计 的难 度 ,并 导 致 成 本 
增加 。  

d镁 合金 生产 加工 过程 中的环境 问题 也是 制约 因 .   素之一 。镁 合金 加工成 本和 能耗 都 很大 ,且在 冶炼 时 
使用S 。 F 气体 保 护 会 产生 很 强 的 温室 效 应 ,是 CO, 产 

的 主要材 料仍 然是 钢 ,其 次是 铝。 导致 镁合 金应 用 受  
到制 约 的因素如 下。  

a镁合 金 自身 的某 些性 能不够 好 ,如耐 腐蚀 性和  高温蠕 变性 等。  

生 温室效 应 的2  0 倍 ,环境 污染严 重 ,因而 制约 了 49 0   它的应用 。但 该材 料在 回收 过程 中能耗 较小 ,如 果充 

b镁合 金 的低温 工作 能 力及 屈服极 限有 限 ,镁合  . 金加 工需  ̄;温 ,成 形工 艺复 杂 ,且需 要较 为严格 的  -i b

分回收各种切削和报废件,可减少能耗。  
利 用 “ 命 周 期评 估 ”理 论 对 镁 零 件 从原 材 料  生

5  4 汽车工艺与材料 A M I T  &
I  

201   第 11 0年   期 

栅 

戳  匝  用。  

生产 到汽 车报 废整 个 生命 周期 过程 对 环境 的影 响 进行  评 价后 发 现 ,镁所 占比重 较大 的汽 车 使用 初始 阶段 对 
环 境 的影 响 比较 显著 ,然 而 因镁 的密 度小 ,大幅减 轻  汽 车 的质 量 ,使油 耗 更小 ,当行 驶里 程超 过4 k 以  万 m

; 隹,同aN定 “ 电回收法规”等 ,这些环保政策的  - , / 家
实行 ,无疑 将对 机 动车 的减 重 降耗 、减 少废 气 排放 产 
生积 极 的促 进作 用 ,也 将 有力 地促 进 镁合 金材 料开 发  应 用 ,形成 法规 驱动 机 制。  

后 ,它则 具有 明显 的优 越 性。 因一 般 汽车 行驶 里程 都  将 超 过 1 万 k , 因而 从全 生 命 周期 的角 度来 看 ,镁  0 m
合 金是 绿 色环 保材 料 ,是 汽车减 重 最具 潜 力 的轻质 材 
料 之一 

未来几年,镁消费将会持续保持较快增长态势 ,  
预计 西 方国 家对 镁 的消 费量 仍将 以每 年 1 %左 右 的速    0
度稳 定 增长 , ̄ 2 1 年镁 消 费量 有 望超 过 6 万t 从  J 0  0 5 。 地 区发展 来 看 ,亚洲 、 欧洲 将是 镁 消费 增长 较 快 的区 

域 ,特 别是 亚 洲 ,在 中 国3 % 左 右 高 增 长 速度 的 带  0

4 镁 合金在 汽 车工 业 中的产 业化应 用 
前 景 
随着 人们 对环境 保 护 意识 的增 强 ,绿 色产 品 市场  迅 速壮 大 。镁 合金 作 为2 世纪令 人瞩 目的绿 色工程 材  1

动 下 ,亚 洲将成 为全 球 镁消 费最 大 的地 区。 从行业 来  看 ,压 铸 行业 将 是镁 消 费的 主要 增长 点 ,如果 以年均 

增长率1 %计算 ,2 1 年 ,该领域 的镁消费量将超  O 00
过2 万 t 如 果 镁压 铸 件 能大 量 应 用于 汽 车 ,则 该 数  5 。 字将 非 常可 观。  

料 ,成 为 各 国企业 投 资和研 究 的热 点 ,也 成 为供应 商 
投 资开 发 的着 眼点 之一 。 目前 ,我 国正 在 进行 汽车 产 

品 的结 构调 整 ,低 排放 、低 污 染 、节 能 的绿 色环保 汽 
车 逐渐 成 为主旋 律 。   综 上 所 述 ,在 未来 的 发展 中 ,镁 合 金 除 了 在 目   前 的应 用 领 域 ( 车 轮 、 发动 机 气 缸 盖 及进 气 管 、 如   变 速 器 等 )继 续 改 善 其 性 能 并 拓 展 其 在 不 同 轿 车 车 

5 结束语 
虽然镁合金用于汽车零件 有 自身的局 限性 ,但 
是 镁 合 金 具 有 其 他 材 料 无 可 替代 的 密度 和 比 强度 、   比 刚 度 优 势 ,具 有 优 异 的 回 收再 利 用性 ,以及 良好 

的铸 造 及 尺 寸 稳 定 性 、抗 振 阻尼 特 性等 ,是 汽 车 轻 

型 中的 应 用 之 外 ,在 一 些 大 型 铸 件 上 ,也将 拓 展其 
应 用 范 围 ,如 顶 盖 、 发 动 机 罩 盖 、后 备箱 盖 、 内 门 

量化 技术中替代钢材 、铝材 、塑料复合材料 的理 想 
和 首 选 的材 料 。 我 国 镁 资 源 蕴 藏 丰 富 ,适 于 大 力 发  展 镁 合 金 产 业 。依 据 目前 镁 合 金 在 汽 车 中应 用 开 发 
情 况 ,镁 合 金材 料 势 必 将 形 成 产 业 化 并 广 泛 应 用 于 

板 及 框 架 、 仪 表 板 等 。 目 的是 不 仅 减 轻 质 量 ,而 且  可 以使 几 个 零部 件优 化 设 计 成 一 个 镁 合 金 铸 件 ,节  省 加 工工 具 的成 本 ,提 高 装 配 效 率 , 因此 为 镁 合 金  的 发展 提 供 了新 的机 遇 。 另 外 ,其 他 的需 要 安 全 及 
高 断裂 韧 性 的零 部 件 ,如 座椅 框 架 、 转 向柱 、车 身  保 护 板 、散 热 器 格 栅 加 强板 、 副 车 架 及 一 些 车 身 结  构 支 撑 件 等 ,也 将成 为 镁 合 金 正 在 并 将 继 续 深 入 拓 
展 应 用 的领域 。  

汽车-A。 圃   F  

轻量化材料让汽车 更绿色 
轻 量化 是 目前 国 内汽 车研 发 的 重 点之 一, 汽 
车在 实现 轻量 化的 同时, 还能 够 实现整 车安 全性 能 

的提 升, 以及 节 约能 源、 降低 排放 。  
整 车 轻 量 化技 术 的发 展 和 实现 途径 包括 : 采 

为推 动镁 合 金 的开发 应用 ,结 合 社会 发展 和环 境  保 护 的需要 ,在 国 家层 面上 也 制定 和推 行 了一 系列 法 
规和 标 ; 欧 洲推 出 了汽车 燃 油油 耗标 准 , 日本在 环  隹。 境 法规 建设 方面 制 定 了家 电回 收法 等 。这 些法 规与 标 

用轻质 或 新材 料, 如车 用 塑料 和复合 塑料 、 高强度 
钢 、铝 镁 舍 金  p 玻 璃 、玻 纤复 合 材料 、 新 型填  c 充材 料等 ;采 用先 进制 造 工艺 ,如 低压 成型 、模压 
成 型 、 气体 辅 助 注射 成型 、新 填 充 料 、 系统 集 成 

准既保障了社会和公众的利益 ,又有利于促进镁合金 
产 品 的开 发与 应 用 。 中国也推 行 欧 洲 … 汽 车 排放 标  号
2 1 年 第 1 期  0  0   1

等 ;零部 件结 构优 化设 计 及工 艺 

汽 车工艺 与材料

A &   5   TM l 5


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