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汽車輕量化——鎂合金材料前景廣闊

查榮榮 2019-01-07 2893 132

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隨著中國汽車產量的不斷增加和燃油消耗指標的日益嚴格,汽車輕量化技術已成為推動汽車工業可持續發展的重要手段。最輕質的鎂合金金屬結構材料,以及新成型技術的不斷創新,已引起汽車行業的廣泛關注。本文將從國家政策推動、鎂合金資源豐富以及技術應用方面概述其廣闊發展前景。

摘要:隨著中國汽車產量的不斷增加和燃油消耗指標的日益嚴格,汽車輕量化技術已成為推動汽車工業可持續發展的重要手段。最輕質的鎂合金金屬結構材料,以及新成型技術的不斷創新,已引起汽車行業的廣泛關注。本文將從國家政策推動、鎂合金資源豐富以及技術應用方面概述其廣闊發展前景。

輕量化是指在確保車輛安全性和功能性的前提下,有效減輕車輛重量并實現節能減排的目的。用于汽車工業的鎂,是指基于鎂的合金,由于其獨特的減震性能和重量輕,是汽車輕型汽車零部件的有效材料。

油耗指標、國六標準日益嚴厲,汽車輕量化勢在必行

國務院發布的《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020)》指出,到2020年,當年生產的乘用車平均油耗降至5.0升/100公里。在2015年的目標值(6.9升/100公里)基礎上下降38%。工業和信息化部統計數據顯示,2017年中國乘用車的平均油耗約為6.24升/100公里,仍遠未達到2020年目標。此外,《中國制造2025》提出,到2025年,中國乘用車的總體消費量將進一步降至4.0升/ 100公里,該指數甚至遠低于歐盟。然而,單純依靠汽車發電機、EGR技術(排氣再循環,內燃機在燃燒后將排出氣體的一部分分離出、并導入進氣側使其再度燃燒的技術。)、變速器技術提升、能量傳輸損失降低、熱動能量轉換效率提高等手段達到目標值仍有很大難度。因此,通過汽車材料輕量化,降低汽車行駛過程中所需能量是達到降油耗目的的有效途徑。

根據原環境保護部和原國家質檢總局聯合發布的《輕型汽油車污染物排放限值與測量方法(中國第六階段)》,根據正常實施進度,國家第六標準將分為兩個排放限制方案a和b,分別于2020年7月1日和2023年7月1日實施。根據國家六項排放標準,在排除工作條件和試驗影響的情況下,汽油車輛排放的CO排放量需要減少33%。總烴和非甲烷總烴排放減少33%,氮氧化物排放減少42%。國六排放標準較國五標準排放更加嚴格,汽車輕量化也同樣面臨挑戰。

鎂合金材料的獨特性能

根據數據顯示,汽車整體油耗的約75%與整體重量有關,汽車重量每下降10%,排放下降4%,油耗下降8%,燃油效率可提升6%-8%。與傳統合金材料相比,鎂合金是傳統金屬結構中最輕的。鎂合金的密度小,約占鋼的1/4,鋁合金的2/3,比剛度和比強度優于鋼和鋁合金,遠高于工程塑料。此外,鎂合金材料具有良好的阻尼性能,并具有良好的電磁屏蔽、散熱、切割、無毒、可降解、易回收等性能,成為未來發展潛力極好的金屬材料。

表1 主要輕量化材料性能及應用前景比較

(資料來源:百度百科)

鎂合金未來對鋁合金有一定替代性

從發展路徑來看,汽車輕量化將經歷高強度鋼→鋁合金→鎂合金發展過程。鎂鋁加工近年來保持恒定的價格差,1噸鋁合金對應鎂合金的需求量約為0.7噸,按鎂合金的成本計算約為1.4萬元(鎂合金2萬元/噸、鋁合金1.45萬元/噸),在不考慮加工難度、加工成本的前提下,鎂甚至比鋁更加便宜。當然,材料本質上的區別導致鎂合金對鋁合金只能部分替代:鎂合金質脆,最大的風險在于斷裂,在碰撞荷載下會發生大變形,因此不太適合用于大變形的結構,如保險杠、門欄梁、B柱等,然而鎂合金可以用于方向盤、座椅骨架、儀表盤的支出結構等,這些部件在碰撞的時候不需要承受大變形的壓力,因此鎂合金在上述部件中相比鋁合金擁有較強的競爭力。整體來看,鎂合金結構件的使用可以在鋁合金結構件的基礎上實現30%左右的減重效果。

豐富的鎂資源助力汽車鎂合金工藝發展

我國鎂資源豐富,整體數量占全球50%以上。并且,鎂合金產量整體呈現增長態勢。相關數據表明,在我國已探明可開采白云石鎂礦超過200億噸、菱鎂礦超過30億噸、鹽湖氯化鎂儲量40億噸,占世界鎂礦資源的70%以上。數據顯示,2018年1-10月中國鎂錠總產量66.81萬噸,出口量17.74萬噸,表觀消費量49.06萬噸。

表2 2018年1-10月鎂錠產量、出口量、表觀消費量

(數據來源:百川資訊,表觀消費量=當年進口量-當年出口量+當年生產量)

亞洲金屬網數據中心數據顯示,2018年11月中國鎂合金產量為2.5萬噸,較去年同期2.2萬噸增加14.5%。

圖1 2017年1月-2018年11月中國鎂合金產量

(數據來源:亞洲金屬網)

鎂合金應用國際標準化

2018年12月,國際標準化組織 ISO/ TC79/ SC5發布公告,我國申請立項的《(鎂及鎂合金擠壓管/棒/型材)》和《(變形鎂及鎂合金板材)》兩項標準提案獲得立項投票通過,它打破了尷尬的局面,即鎂和鎂合金國際標準化技術委員會近40年來沒有的產品標準。

鎂合金材料的汽車應用層出不窮

近幾年來,鎂合金的新加工技術和創新應用更是在全世界不斷涌現。在汽車工業中,鎂合金逐漸用作汽車零件的原材料,例如方向盤、汽車輪轂、變速器殼體和發動機罩。

表3鎂合金材料應用于汽車上的零部件

(數據來源:公開數據)

結語

近年來,在節能減排和油耗標準的大致形勢下,汽車輕量化已成為汽車發展的重要方向。鎂合金因其密度低、吸振性好、尺寸穩定性高、無磁性、可用于電磁屏蔽、熱導率高、耐磨性好等物性優勢,同時,鎂合金具有豐富的礦產資源,必將有效推動我國汽車輕量化的進程。


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