镁合金在汽车工业的应用研究

张玉平

摘要： 中国的镁资源极其丰富，与其他金属材料相比具有显著的特性，被广泛应用于许多行业和领域，镁合金全部产量中有60%用在了汽车工业，并且呈现出增长趋势。本文从镁的特性入手，分析了其应用于汽车工业的主要优势所在，通过阐述镁合金在汽车工业的应用情况，总结出未来一个时期内，我国镁合金产业将会处于一个新的变革时代，镁产业将会实现规模化、智能化、绿色化制造。

Abstract： China's magnesium resources are extremely rich and have significant characteristics compared with other metal materials. They are widely used in many industries and fields. 60% of the total output of magnesium alloys is used in the automotive industry， and it is showing a growing trend. This article starts with the characteristics of magnesium and analyzes its main advantages when applied to the automobile industry. By explaining the application of magnesium alloys in the automobile industry， it is concluded that China's magnesium alloy industry will be in a new era of change in the future. The magnesium industry will realize large-scale， intelligent and green manufacturing.

关键词： 镁合金;主要特性;应用优势;汽车工业

Key words： magnesium alloy;main characteristics;application advantages;automobile industry

中图分类号：F407.471                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）20-0191-02

1  镁及镁合金材料概述

1.1 镁的介绍  镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，镁在地壳中的储量在所有元素中排第8位，蕴藏量极其丰富，主要来源于白云岩、菱镁矿、光卤石、水镁石、盐湖、海水等，而全球范围内的镁资源主要分布在中国，中国的镁储量产量高于其他国家，因此，便有了“世界镁业看中国”的说法。镁是一种具有延展性的轻质金属，密度为1.74g/cm3、熔点是648.8℃、沸点是1107℃，镁的比重只有铝的2/3、钢的1/4、钛的2/5。镁合金则是以镁为基础加入其他相应元素而形成的一种合金，根据其特性主要有阻燃镁合金、高导热镁合金、耐热镁合金、高强高韧镁合金、耐蚀镁合金、超塑性镁合金等，近年来储氢镁合金技术也逐渐成熟。

1.2 主要特性  由于镁的性能优势，被誉为“21世纪绿色工程材料”，相对其他金属材料而言具有诸多优势。第一，密度小。镁合金由于其轻量化特点很早就应用于工业领域，密度为1.74g/cm3，比铝、钢、铜、钛、锰、钨等金属都小。这一性能被广泛应用于手提产品及汽车的轻量化。第二，减震效果好。镁合金是阻尼性能较好的金属材料，有着极好的滞弹吸震性能，能够吸收产生的震动与噪音，同时增强系统结构的稳定性。第三，散热效果好。镁合金传热而本身又不容易发热，具有高散热性能，可將电子或电器产品内部热迅速散到外边。第四，机械性能好。镁合金比强度和比刚度性能优于其他常用金属材料，抗冲击和耐凹陷性能好，当镁合金铸件受到外力时其表面形成的痕迹比其他金属要小。第五，加工性能好。镁合金的切削阻力小，约为铝的1/3、钢的1/10，能够以很快的速度对材料进行机械加工，即使不使用切削液也可以保证表面光洁度。第六，电磁屏蔽性好。镁合金能够有效的阻隔电磁波，可屏蔽频率的范围广泛，需防电磁干扰的产品非常青睐于镁合金材料。第七，可循环利用。废旧的镁合金铸件及边角料可以直接熔化，再生使用而不影响其性能，废料再生所耗能源仅为新材料的4%左右，对环境污染小，可重复利用。

1.3 应用领域  据查阅相关文献，最早使用镁材料是在德国，1906年在德国的国际航空展会上首次出现了镁合金铸造件，1936年镁合金零部件应用于德国产大众系列“甲壳虫”汽车，20世纪90年代以来，德国对镁合金材料的研发生产领先于其他国家，奔驰、奥迪汽车对镁合金材料的应用取得重大突破。进入20世纪随着工艺技术的完善，加之能源和环境问题的严峻性，在制造业领域镁材料的优势日益明显，镁合金材料的应用范围越来越广。很多行业和领域已经或正在使用镁合金材料替代传统材料，并且呈增长趋势，常见的有汽车、军工、航空航天、化工、3C、物流、建筑、电池、生物医疗等行业，据相关数据显示，在我国镁合金下游领域的应用中，汽车行业约占60%，3C行业约占25%，运输、航空航天、化工等行业约占15%。

2  镁在汽车工业的应用优势分析

近年来，根据镁合金材料的发展和应用情况，国家相关部门陆续出台了一系列支持政策，进一步推进镁合金行业的快速发展。在《产业结构调整指导目录（2019年本）》《新材料产业发展指南》《汽车产业中长期发展规划》《中国制造2025》等文件中，都有明确条款指出要加快镁合金材料应用或支持推广轻量化材料的内容。由于镁合金材料与其他材料相比具有的明显特性，在汽车工业方面的应用优势比较显著。

2.1 镁合金材料的轻量化  汽车的油耗水平60%以上與整车重量有关，节能减排首先要从减轻汽车重量入手。根据统计数据显示，汽车自身的重量每减少100kg，则百公里油耗可减少约0.7L，汽车自重每降低10%，燃油效率可以提高5.5%，电动车整车重量若降低10%，则平均续航里程可相应增加5～8%。燃油车每节约1L燃料可减少CO2排放量2.5克，每年至少可以减少30%以上的排放量，所以整车的轻量化成必然趋势，而减轻整车自身重量优先考虑到关键零部件的制造材料，镁合金则是最佳选择，汽车相关零部件用镁合金替代铝和钢铁。具体效果详见表1。

2.2 镁合金材料的安全性  镁合金材料在汽车行业应用的安全性主要体现在其比强度和比刚度的特性上，镁合金相对比强度高，比刚度与铝合金和钢的差别不大，但远大于工程塑料，据相关记载，某机构研发出一种超轻高强镁合金Mg-14Li-7Al（LA147，wt.%），其比强度为～350kNm/kg，是其他所有工程合金无法相比的。在同等刚性条件下，1kg镁合金的坚固程度几乎等同于1.8kg铝或2.1kg钢的效果，汽车使用镁合金材料制作的座椅、转向盘、转向柱等零部件后，极大了提高了行车的安全性、舒适性和操作性。

2.3 镁合金材料的阻尼性  良好的阻尼性是镁合金材料与其他金属材料相比具有的另一个明显特性，它可以承受较大的冲击震动负荷，其减震效果比铝材料高出约20倍，在弹性范围内，当汽车镁合金零部件受到外力冲击时吸收的能量远远高出铝，相关性能参数详见表2。用镁合金材料制作汽车轮毂、壳体等结构件，能够有效减轻汽车运行中产生的震动和噪音，达到抗震减噪效果，从而降低该因素引起的人工疲劳，提升驾驶舒适性。

3  镁合金在汽车工业的应用

3.1 当前应用情况  目前，汽车上的零部件有60多种是使用镁合金材料加工而成，使用量还在逐年增加，特别是伴随着能源危机以及碳排放标准的实施，更加快了镁合金在汽车工业的应用速度。随着汽车技术的成熟完善，单车用镁量将会持续上涨，详见表3。

镁合金材料在汽车产业的应用，在时间和数量上国外都先于国内。国外品牌中，美国通用汽车、福特汽车、克莱斯勒汽车等在单车上使用的镁合金铸件在数量上分别达到45个、30个、20个，单车用镁合金量在20～40kg，福特公司在某款车型上单车用镁合金量更是超过100kg;瑞典沃尔沃某车型使用镁合金量超过50kg，包括离合器箱、轮毂、气缸体、发动机架等重要部件;日本丰田汽车首先制造出了镁合金汽车转向轴系统等零部件。国内汽车使用镁合金件则起步较晚，在上世纪90年代初，上汽集团在国内最早将镁合金材料应用在汽车上，在桑塔纳轿车上使用镁合金材料变速器壳盖、壳体和离合器外壳;目前国内一汽、东风、长安等相当一部分车企都在不同程度地使用镁合金压铸件。镁合金材料在汽车上的应用详见表4。

此外，国内已有一些车企和线缆厂开始涉入铜镁线缆的研发制造，经试验其导电性IACS>81%、强度>550MPa、延伸>1.5%，已能够满足行车要求，目前国内合资汽车线束已经开始使用铜镁材料，未来必将成为一个新的增长点。

3.2 应用前景分析  近年来，国家采取多种措施支持金属镁产业发展，率先在河南省成立了全国行业内唯一的国家镁及镁合金产品质量监督检验中心、建立了镁交易中心，2019年10月，国家发改委颁布了《产业结构调整指导目录（2019年本）》，将镁合金列为“鼓励类”项目，镁合金技术的开发和应用取得了长足进展。未来一个时期内，我国镁合金产业将会处于一个新的变革时代，将从一般结构铸造件向着高性能精密合金结构框架方向发展，同时加工技术向数控化、高速化、智能化技术方向发展。镁合金在汽车上的应用会形成一项集成的系统工程，21世纪汽车产业的发展会更加的依赖镁合金材料，镁在汽车上的应用会更加广泛，单车用镁量也会有更大突破，镁产业将会实现规模化、智能化、绿色化制造。

4  未来展望

随着人们消费水平的不断提高，汽车已经不再是一个简单的代步工具，驾驶员更加关注其舒适性、安全性、环保性和个性化等因素，镁合金以其独特的性能倍受青睐。我国金属镁储量丰富，该产业的发展正处于产品生命周期的“成长期”，未来发展空间巨大，随着我国能源和环保压力的增加，必将推动镁合金覆盖汽车更多零部件，单车用镁量也势必增长。金属镁在汽车产业的应用与发达国家还存在差距，我国车企要不断开发镁合金的潜在价值或开发新型镁合金，攻关镁合金在应用中的技术难题，紧跟全球发展趋势，创造中国的“镁”好未来。

参考文献：

[1]纪宏超，等.镁合金在汽车零部件中的应用与发展[J].铸造技术，2019.

[2]2020年中国镁合金行业市场现状汽车轻量化推动行业高速发展.华经情报网，2020年11月5日.

[3]陈虎，等.镁合金的研究及其在汽车轻量化中的应用[J].企业技术与开发，2009.