镁合金、铝合金在汽车轻量化上的应用及发展趋势
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作者:张金玲
摘 要：随着汽车产量和销量的增加，在汽车生产和使用过程中所产生的能源消耗和污染物的排放日益增加，与此同时给环境带来的污染也日益突出。因此为推进汽车工业的可持续发展，在保证汽车的刚度、强度、安全性能的前提下，通过改变汽车结构和零部件的材料，实现汽车轻量化，对提高汽车的燃油效率和减少污染物的排放具有非常大的促进作用。汽车轻量化不仅可以节能减排，还可以提升汽车在驾驶过程中的稳定性和动力学性能。本文主要阐述的是当前应用最广的汽车轻量化材料镁合金、铝合金，分析了他们的特点和优势，以及未来在汽车轻量化上的发展趋势。
关键词：汽车 轻量化 镁合金 铝合金
中图分类号：TG146 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）10（a）-0092-02
从目前的发展趋势来看，为了保护环境、节约能源和资源，未来汽车研发将更注重汽车轻量化设计。在汽车生产制造中采用高强钢、铝合金、镁合金、复合材料等轻量化材料可以有效实现汽车轻量化，另外采用先进化的制造工艺，比如热成型、激光拼焊、液压成型等也可以实现汽车的轻量化。铝合金凭借低密度、良好的耐蚀性、易于加工性等优点在汽车轻量化过车中得到了广泛的应用。镁合金因其密度最低，且具有良好的压铸成型性、尺寸稳定性和良好的阻尼系数，在汽车轻量化中也具有不可替代的优势[1]。
1 镁合金
1.1 镁合金的优势
镁合金是目前工业用金属材料中最轻的合金，同时具有良好的抗振和降噪能力，在汽车驱动和传动部件上应用镁合金可以很好地吸收因震动产生的能量，起到减震效果。镁合金还具有很好的抗干扰能力，可以屏蔽电磁引起的干扰。
镁合金具有良好的铸造性能和切削加工性能，镁合金的熔点比铝合金要低，镁合金的融化潜热低，在铸造过程中，镁合金充型性好，凝固速度快，非常适合铸造薄壁零件，在熔化再回收过程中消耗的能量也比较少，所以镁合金还具有良好的可回收性能。由于镁合金单位体积的比热容比其他轻合金小得多，使其具有良好的导热性。
1.2 镁合金在汽车轻量化上的应用
目前在汽车上应用较多的是铸造镁合金，比如等在铸造过程中均使用了铸造镁合金，在车体结构中，等也大量使用了镁合金压铸产品，具体应用如表1所示。
镁合金在汽车结构件上的应用范围与日俱增，从仪表盘到发动机内部件，到底盘结构件，镁合金件正向着大集成化方向发展。方向盘、转向架、轮毂等是应用镁合金较多的零件，相比于铝合金轮毂，采用镁合金制造的轮毂可以减重30%左右，轻量化效果非常显著同时还可以提升车辆的使用性能，目前鎂合金轮毂多用于赛车和高档汽车上[2]。
1.3 镁合金在汽车轻量化上的发展趋势
限制镁合金在汽车零部件上应用的主要问题就是电化学腐蚀，镁的化学性质较活泼，非常容易被氧化，这样大大增加了镁合金的加工难度。尽管目前镁合金在汽车制造业的使用还远远少于铝合金和钢，但随着汽车产业发展，未来镁合金的使用量迅猛增加的潜力最大。
提高镁合金的强度和韧性，扩大镁合金在汽车轻量化中的应用范围。固溶处理和时效处理是可以提高镁合金材料强度和韧性的常见处理方法，添加稀土元素也可有效改善合金的强韧性。大多数镁合金的性能受第二相影响较大，在保证压铸件致密度的基础上，可通过适当的热处理改善第二相的形貌、分布及数量，从而提高压铸镁合金的强韧性。
2 铝合金
2.1 铝合金的优势
铝是一种轻金属，具有良好的导电、导热性，还具有良好的耐蚀性能。同时铝合金的机械加工性能相对于传统的金属材料也要好一些，铝的熔点低，在整个使用和回收利用过程中铝的回收率不低于90%，铝合金具有非常好的再生性，因此铝合金是目前实现汽车轻量化最理想的材料。
汽车上使用铝合金零部件，可以有效降低汽车整车重量，使得汽车重心降低，真正实现汽车轻量化。汽车轻量化后，在汽车驾驶中，汽车加速性能会得到提高，同时汽车行驶也会更加稳定、舒适，噪音、震动方面也均会有改善[3]。
2.2 铝合金在汽车轻量化上的应用
铝合金在汽车轻量化上的应用主要有铝合金锻件、金属模铸件、铝合金挤压和拉延产品等，具体应用如表2所示。
铸造铝合金在目前的汽车轻量化过程中应用最多，主要用于汽车的发动机、底盘、轮毂等结构上，发动机一直被称为是汽车的“心脏”部件，在汽缸盖、缸体、活塞等零件上应用铝合金不仅可以有效降低发动机的整体重量，还可以及时将发动机工作工程中产生的热量散发出去，提高发动机的工作效率。
2.3 铝合金在汽车轻量化上的发展趋势
铝合金板材在使用过程中其可焊性较钢材要差一些，改善铝合金板材的焊接性能和焊接质量，提高铝合金的应用范围。应用热成型技术、超塑性成型技术和电磁符合成型技术改善铝合金覆盖件的成型性和成型质量。目前除了传统的铝合金金属材料，铝基复合材料凭着低密度、高强度、高耐蚀性等优势，在汽车轻量化中也制造中得到了很好的应用，用铝基复合材料制造的汽车发动机活塞相对于传统的铸铁活塞，其重量减轻了10%左右，而散热性却提高了4倍。受到价格及生产质量控制等方面的制约，铝基复合材料还没有形成很大的规模，但在部分汽车零件上已经显示出其卓越的性能[4]。
3 结语
在经济社会高速发展的今天，面对新的能源危机和环境问题，通过汽车轻量化可以有效提高汽车的燃油效率，进而减少污染物的排放。在汽车轻量化过程中，镁合金、铝合金等金属材料凭借着其优势与特点均得到了广泛的应用，未来通过技术改进降低材料的成本，提高材料的利用率，开发兼具环保性和可回收性的新材料，也是汽车轻量化研究开发的必然趋势。
参考文献
[1] 高阳.汽车轻量化技术方案及应用实例[J].汽车工程学报，2018，8（1）：1-9.
[2] 赵鑫.镁合金在车辆结构构件上的应用[J].科技与企业，2016（7）：210-211.
[3] 朱则刚.铝合金复合材料在汽车轻量化上的应用[J].轻金属，2011（10）：3-6.
[4] 马鸣图，马露霞.铝合金在汽车轻量化中的应用及其前瞻技术[J].新材料产业，2008（9）：43-50.
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