镁合金汽车零件：制造商可及之处？

自1930年代以来，镁制的结构，车身和发动机零件已在汽车上使用。镁比钢轻75％，比铝轻33％，但目前的车辆平均仅使用不到1％的镁。那么，为什么汽车设计工程师不经常选择镁呢？

镁汽车应用

镁零件几乎已在车辆的所有地方使用，包括动力总成，车身和关闭件，悬架和底盘以及内饰。许多内部组件（例如方向盘电枢和转向柱支架）都是由镁制成的，因此不会造成腐蚀。一些最常见的镁应用包括发动机缸体，变速箱和离合器壳体，油底壳，车轮和发动机支架，在此处可以分散应力并避免高负荷。在这些应用中，与钢和铝相比，镁的重量分别减轻40％至50％和15％至33％。

图1-美国车辆中的镁零件来源：USAMP

大众在其车辆中使用镁质发动机缸体和曲轴箱已有多年历史。从1951年到1981年，大众汽车购买了Norsk Hydro镁总产量的60％，最终将年产量提高到50,000吨。镁合金在发动机缸体应用中效果很好，因为需要一定量的材料来容纳冷却液和机油润滑通道，并且缸体负载不高。宝马生产了第一台使用镁发动机缸体的水冷发动机BMW N52。BMW发动机具有铝合金内缸盖，可弥补镁的不足。铝衬里在较高的机械应变和极端温度下提供了耐腐蚀性和稳定性，而水冷却剂仅在铝中循环。

图2 –与低碳钢相比，汽车零件的重量减轻。

雪佛兰Corvette Z06具有镁合金发动机支架和车顶框架。与铝制托架相比，Z06托架的重量比铝制托架轻35％，并提供出色的发动机振动和噪音阻尼。跑车和豪华车除性能外，还经常将奇特的轻质材料（如镁和碳纤维）用于营销目的。在这些高端应用中，成本不是一个因素。

图3-通用汽车雪佛兰Corvette Z06具有几种镁成分。

镁是钢，铝和其他结构材料的可行替代品，并且有潜力在未来的汽车中显着减轻重量。然而，与更广泛使用的汽车材料相比，镁具有一定的局限性，后者限制了其扩展利用。

镁特性

镁的密度约为铝的密度的三分之二（镁为1.8 g / cm3，而镁合金为2.7 g / cm3），并且接近碳纤维复合材料的密度（1.6 g / cm3）。镁合金比铝合金轻，但强度取决于所比较的合金。与铝或低碳钢相比，镁在承受高负荷方面有局限性，并且制成的零件的延展性较低。尽管某些镁合金与低碳钢或低碳钢和铝相比可以具有更高的比强度或强度重量比，但是高级高强度钢（AHSS）和航空铝合金将具有更高的比强度。

图4-根据UTS或断裂强度和密度计算的比强度。

用镁或其他轻质材料代替钢和铝不仅需要足够的比强度，还需要足够的刚度或比弹性模量。镁的模量比钢或铝低，因此需要增加截面厚度才能提供同等的刚度。但是，镁的比模量仅略低于铝和钢合金的比模量。镁的高阻尼能力可以在减少车辆设计过程中的噪音，振动和粗糙度（NVH）方面发挥优势。根据美国矿产，金属与材料学会（TMS）的镁材料数据，压铸AZ91的阻尼能力比压铸Al380铝高30倍。

镁的研发工作尚未像铝和钢合金那样广泛，因此与铝和钢相比，镁的合金集有限。镁合金不具有钢的抗蠕变性，这限制了它们在高温发动机零件应用中的使用。已开发出在150至200摄氏度范围内具有改善的抗蠕变性的镁合金，可在汽车传动系统应用中经历的高温下运行。镁合金的抗蠕变性可通过添加硅，钙，锶和稀土元素来增强。冶金学家继续研究和开发新合金以改善材料性能和潜在应用。

图5-镁和其他金属的着火温度。

镁在本质上被认为是易燃或发火的，这可能妨碍镁的更多使用。与铝和钢相比，镁的自燃温度较低，但铝和铁粉也可点燃或燃烧。在许多汽车应用（车身，底盘，内部和动力总成零件）中，点燃镁零件的可能性不是问题。显然，不应在暴露于热气体或燃烧温度的组件上使用镁。添加2％的钙合金会产生不易燃烧的变形镁合金AMCa602。钙的反应性更高，会在合金表面形成氧化层，从而抑制着火。

镁的耐腐蚀性不如铝，因此，如果组件处于潮湿，腐蚀性的环境中，则需要保护涂层。镁与其他材料的组装和结合是另一个问题，因为所有结构金属都是镁的阴极或比镁贵的金属，因此会加剧腐蚀。与任何其他常见工程技术相比，镁具有更低的阳极指数或更大的负电势。在潮湿，咸的条件下，当镁与任何其他金属接触时，将发生电化腐蚀。镁部分将充当牺牲阳极。多材料系统中的腐蚀问题导致零件的连接，维修和回收变得困难。

图6-各种金属的电偶腐蚀电位。

制造与设计

镁机械比铝和钢更容易加工，但应注意避免镁屑着火。与铝合金相比，镁合金更容易铸造。铸造镁与铝相比，压铸模具的使用寿命更长。与铝相比，熔融镁的流动性更高，可以铸造成复杂的模具并形成非常薄的壁部件。镁压铸件的卓越功能可以用单个复杂的镁压铸件替换由多个组件组装而成的结构。零件合并简化了设计，降低了装配成本，提高了可靠性，最小化了工装成本并减少了接头，紧固件和焊接。实际上，当前所有镁汽车部件都是压铸件。

图7-镁合金压铸底盘演示了复杂，轻巧的压铸件如何通过更换多个零件来提高生产率并降低成本。

但是，某些高压压铸（HPDC）零件的性能却不一致。铸件可能具有诸如凝固收缩，夹杂物和偏析等内部孔隙的缺陷。锻造合金经过热机械加工，例如轧制，挤压或锻造，这会破坏夹杂物，增加均质性并封闭孔隙率。不幸的是，镁片很难在环境温度下形成，因此车身面板的应用可能受到限制。正在开发更新的“暖”镁片成形技术，该技术利用热量来增加冲压过程中镁的可成形性。在2012年，通用汽车公司率先使用轻质镁金属薄板）。改进的锻造镁合金也在开发中。

图8-2013年，通用汽车对轻质镁金属板材进行了行业首创的热成型工艺和专有的耐腐蚀处理测试。

用镁零件代替钢或铝零件比选择替代材料需要更多的努力，这导致额外的工程成本和可能更长的设计时间。材料的变化通常会影响汽车设计和制造的其他方面。设计工程师将必须了解和调整零件的几何形状，以解决镁的特性限制。

使用新材料总是会带来与耐撞性，腐蚀和结构完整性有关的新风险。为了克服使用替代材料的风险规避，可能需要进行其他分析和测试。汽车零件通常在多个汽车平台上共享，这可能会限制重新设计的灵活性，包括动力总成组件以及车身和底盘零件。在新的车辆开发过程的早期，需要应用足够的资源来创建“镁设计”方法，以便设计可在多个车辆平台上共享的镁组件。

镁零件的持久性

许多汽车制造商已经在新的车辆设计中为特定零件选择了镁，但是在以后的车型年中，镁零件经常被替换为使用成本更低或性能更好的材料进行重新设计的零件。在某些情况下，由于腐蚀，蠕变或所选镁合金的其他限制，镁零件的使用可能已停止。生产工程师通常承担降低制造成本的任务，以提高利润率，因此，由镁等成本较高的材料制成的零件可以为工程师提供降低成本的机会。廉价的镁供应和改良的镁合金可能导致长期使用更多的汽车镁部件。

本文转载自工程社区CR4 工业汇