新能源與汽車

新能源汽車是對以非常規(guī)車用燃料為動力來源的多種汽車的總稱，它主要包括氫能源動力汽車、混合動力汽車、太陽能汽車、高效儲能器汽車和天然氣汽車等，其中，氫能源動力汽車是一種極具應(yīng)用潛力的新能源汽車。但是，該類新能源汽車的關(guān)鍵零部件之一電池的研究至關(guān)重要，現(xiàn)有的儲氫電池難以滿足其容量需求，而鎂合金儲氫電池作為一種容量較大的儲氫電池備受業(yè)界的關(guān)注，然而鎂合金的耐蝕性較差，嚴(yán)重阻礙了鎂合金在新能源汽車零部件上的應(yīng)用。

與鋰相比，鎂更適合充當(dāng)電池，比如，鎂是自然界中分布最廣泛的元素之一，其價格比鋰價便宜很多；鎂以及相關(guān)化合物均無毒害作用或毒性極低，更有利于環(huán)保；鎂沒有鋰那么活潑，相對更容易操作，加工方面也更為安全。正是由于鎂的這些特質(zhì)，發(fā)達工業(yè)化國家（特別是日本）在新型鎂電池研究方面一直投入大量資源，并已取得了不錯的成績。

由目前的研發(fā)狀況可知，新能源汽車分類的主要依據(jù)是動力創(chuàng)新，主要可以分為以下3種：混合動力汽車，選擇電動機加發(fā)動機的模式，利用電能和油耗來產(chǎn)生動力；純電動汽車，電力驅(qū)動是研發(fā)新能源汽車的大方向，雖然它的優(yōu)點很多，但是，車載電池儲電、電池壽命、電車成本等是影響其發(fā)展的主要因素；氫動力汽車，傳統(tǒng)的汽車油耗大，會排放大量的污染物，而氫能源汽車排放的則是純凈水。另外，新能源汽車還包括燃?xì)馄?、空氣動力汽車、甲醇汽車、飛輪儲能汽車和超級電容汽車等。

要想讓新能源汽車真正超越傳統(tǒng)能源汽車，就一定要加大對關(guān)鍵材料的研究力度，并有所突破?，F(xiàn)階段，這些關(guān)鍵材料的研發(fā)工作已經(jīng)基本完成。這些材料主要有：驅(qū)動電機材料，它是將能源轉(zhuǎn)化成汽車驅(qū)動力的核心材料；動力電池材料，它能夠保證汽車的電力存儲；輕量化材料，它能適應(yīng)新能源驅(qū)動，減少能源消耗。

出于能源安全戰(zhàn)略的考慮和在節(jié)能減排效益的刺激下，各國制定具體政策，鼓勵并推動世界各大汽車公司開發(fā)新能源汽車，力爭將汽車的能耗和排放降低到最小，并順利過渡到以新能源為動力的后汽車時代。汽車行業(yè)在政策的引導(dǎo)和自身利益的推動下沿兩種思路發(fā)展：一是以高容量電池為中介，實現(xiàn)新能源（電能、氫能）替代傳統(tǒng)的化學(xué)能（石油）；二是廣泛采用鎂合金、高分子材料替代傳統(tǒng)材質(zhì)，降低汽車重量，據(jù)測試，轎車質(zhì)量每減輕100kg，油耗可降低5%，所以說減重可最終達到節(jié)能的目標(biāo)。

在前一種思路的指引下，日本豐田、美國通用、德國寶馬、中國比亞迪等公司已研發(fā)出新型電池，分別推出新能源汽車，動力系統(tǒng)從礦物燃料引擎升級為汽油一電力混合系統(tǒng)或純電力驅(qū)動系統(tǒng)，使用的能源由汽油更換為電；后一種思路在世界范圍引起汽車鎂合金化的趨勢，中國科技部、美國能源部、加拿人能源部合作推進鎂合金汽車前端研究開發(fā)項目。該項目計劃開發(fā)鎂合金的高致密度鑄造、擠壓鑄造、板材成形、焊接等手段，擴大鎂合金在汽車上的用量，實現(xiàn)汽車前端的鎂合金化，使鎂合金在汽車上的使用規(guī)模由單個零部件上升至系統(tǒng)性應(yīng)用。德國大眾、德國奔馳、日本豐田等汽車巨頭加大力度研發(fā)鎂合金材質(zhì)的零部件，其出產(chǎn)的汽車鎂合金含量均達到20~40kg；國內(nèi)的一汽、東風(fēng)、長安、奇瑞等汽車公司均引進壓鑄設(shè)備，開發(fā)鎂合金壓鑄件，現(xiàn)已實現(xiàn)氣門室罩蓋、變速箱上蓋、變速箱左右蓋等零部件的批量生產(chǎn)。

目前，交通運輸業(yè)面臨的兩大問題：能源危機和環(huán)境污染。若汽車自重減輕10%，其燃油效率即可提高15%、耗油量可降低6%~8%，排污量減少10%。而鎂作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比重最小、比強度高、比剛度高、吸振降噪、電磁屏蔽、容易回收的優(yōu)點，因此，近年來被大量使用在汽車行業(yè)。汽車行業(yè)是目前鎂合金應(yīng)用量最大也是增長最快的行業(yè)，全球汽車用鎂合金量年增長率超過15%。

汽車的輕量化就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。試驗證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%~8%；汽車整備質(zhì)量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3~0.6L；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。當(dāng)前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。主要包括采用輕量化材料和輕量化材料成形技術(shù)兩方面。輕量化材料是指可用來減輕零件質(zhì)量的材料，分為兩大類：一類是低密度輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料和復(fù)合材料等；另一類是高強度材料，如高強度鋼等。輕量化材料成形技術(shù)是指為了滿足高強度材料的應(yīng)用，以及實現(xiàn)零件集成化設(shè)計需要所采用的技術(shù)。目前，應(yīng)用較為廣泛的有激光拼焊板技術(shù)（TWB）、熱壓成形技術(shù)（HPF）和液壓成形技術(shù)（HF）等。

鎂合金材料在零部件開發(fā)的中應(yīng)用優(yōu)勢

鎂合金材料在零部件開發(fā)之中的應(yīng)用優(yōu)勢大致有以下四點：第一，鎂合金材料質(zhì)量密度較小，將其應(yīng)用于新能源汽車開發(fā)之中，能夠顯著減輕質(zhì)量；第二，鎂合金材料具備優(yōu)異的減震性，能夠承受較大的沖擊以及振動，較之鋁、鋼等材料性能更為突出，對于維系汽車運行的穩(wěn)定性效果奇佳；第三，比強度、比剛度良好，對比鋼、鋁合金而言，在相同質(zhì)量條件下，鎂合金的比剛度、比強度都更高一些；第四，鎂合金材料可回收利用，鎂合金材料的提取以再生資源為主，能夠?qū)崿F(xiàn)回收利用。此外，鎂的熔點相對較低，回收利用所消耗的能源也相對較少。

國內(nèi)外新能源汽車鎂合金零部件的研究現(xiàn)狀

北美作為鎂合金使用量最大的區(qū)域，正在使用和研制的鎂合金汽車零部件有100多種，歐洲則有60多種。當(dāng)前世界單車用鎂量2.1kg/輛；歐美單車用鎂量5kg/輛；用鎂車型單車用鎂平均在20kg/輛左右。我國鎂合金應(yīng)用目前主要集中于中高端車、微車和卡車，單車用鎂較少，僅為5~10kg，應(yīng)用部位主要是動力系統(tǒng)部件，以壓鑄件為主流。但由于國內(nèi)鎂資源具有絕對價格優(yōu)勢，目前鎂合金壓鑄件已能與鋁合金平價競爭，東風(fēng)汽車2009年就有6類部件因鎂價上漲而改用鋁材。因此，可以期待鎂合金在中低端車上的推廣。

美國車協(xié)（USAMP）和歐美主要車廠均提出到2020年將單車用鎂量提高到100kg/輛，相對于當(dāng)前歐美20kg/輛的平均水平，仍有較大空間。到2020年全球汽車用鎂市場需求將達100萬噸，國內(nèi)需求20萬噸；其中，板帶材需求分別為35萬噸、7萬噸。鎂合金應(yīng)用最主要的制約因素是價格，目前，中國鎂合金壓鑄件價格已降至2萬~6萬元/噸，已具有價格競爭力，具有大范圍使用的條件，可以期待一個階段性的爆發(fā)。但鎂合金板帶材的應(yīng)用則有待觀察，如成本無法控制、需求將受限，只能少量進入中高端市場。以每輛車用鎂20kg計算，2000噸產(chǎn)能即意味著要攻下國產(chǎn)40%左右中高端車型的市場。對設(shè)計5萬~10萬噸產(chǎn)能，意味著必須主打歐美市場，且占據(jù)15%~30%左右市場份額。因此，如板帶材無法形成價格競爭力，產(chǎn)業(yè)化前景不樂觀。

目前鎂合金制造工藝技術(shù)能夠有效的實現(xiàn)利用鎂合金制造集成性能較高的車輛結(jié)構(gòu)構(gòu)件，一方面，鎂合金具有良好的鑄造性，加工條件較為簡答，加工工藝簡單，且加工有效性較高，不易產(chǎn)生廢品；另一方面，鎂合金較高的阻尼系數(shù)，能夠增添汽車結(jié)構(gòu)的抗震性，十分符合汽車工業(yè)制造對于材料的多項功能的追求目標(biāo)。目前，鎂合金在車輛結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制造中廣泛應(yīng)用，例如在車輛的傳動系統(tǒng)中，在離合器外殼、齒輪箱外殼、離變速箱外殼等零件的鑄造方面就大量的使用了鎂合金。在車體結(jié)構(gòu)中，車門內(nèi)襯、儀表板、車燈外殼、引擎蓋、車身骨架、底盤系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架等也大量使用了鎂合金壓鑄產(chǎn)品。許多國外發(fā)達國家對于鎂合金的應(yīng)用程度要遠遠高于國內(nèi)汽車制造業(yè)，例如高端品牌蘭博基尼、保時捷等都采用了鎂合金減重設(shè)計，其車輛的相關(guān)性能都得到了很好的提升。但由于國內(nèi)基于汽車安全性的考慮，對于鎂合金材料的應(yīng)用情況較少，仍多用鋁合金的形式來對汽車重量進行控制。

現(xiàn)階段鎂合金在汽車上的應(yīng)用主要集中于車身、發(fā)動機和內(nèi)飾件3大部分，產(chǎn)量持續(xù)快速增長。歐洲范圍內(nèi)，60多種汽車零部件已采用鎂合金為材質(zhì)，車用鎂合金鑄件的使用量正在以年均25%的速度增加；北美是世界上鎂合金在汽車中用量最大，使用和研發(fā)中的鎂合金零部件有100多種；日本汽車業(yè)在越來越多的零件上采用鎂合金材質(zhì)，包括變速桿、座椅架等。大眾公司的帕薩特、奧迪A4和A6等汽車的齒輪箱殼體使用AZ91D鎂合金，比鋁合金部件減重25%。美國福特、美國通用、日本三菱等汽車公司已采用鎂合金零部件替代原有的鋁合金汽車零部件和塑料零部件，包括：發(fā)動機殼體和蓋、變速箱殼體和蓋、離合器殼體、液力變扭器殼體、發(fā)電機托架、剎車踏板支架、車身殼體框架、車門、車輪、方向盤、儀表盤、后橋驅(qū)動器、轉(zhuǎn)向節(jié)、座椅支架、把手等100多種零部件。

汽車產(chǎn)業(yè)中鎂合金用量較多的國家和地區(qū)主要是北美、歐洲、日本和韓國，1991年汽車工業(yè)中鎂合金的用量僅為2.4萬噸，到1997年則增至6.4 萬噸，目前這些國家和地區(qū)汽車工業(yè)對鎂合金的需求已達到每年40萬噸。歐洲正在使用和研制的鎂合金汽車零部件已超過60種，單車鎂合金用量9.3公斤～20.3公斤；北美正在使用和研制的鎂合金汽車零部件已超過100 種，單車鎂合金用量5.8公斤～26.3公斤；我國汽車鎂合金產(chǎn)業(yè)的總體技術(shù)水平不高，在汽車鎂合金部件設(shè)計、制造加工等方面還有較大差距，平均單車用鎂量不足1公斤。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，已有20余種汽車零部件可以采用鎂合金生產(chǎn)。

我國在汽車輕量化方面起步較晚，最早將鎂合金應(yīng)用到汽車上的企業(yè)是上汽集團。上世紀(jì)90年代，首次在桑塔納轎車上采用鎂合金變速箱殼體、殼蓋和離合器外殼，單車用鎂合金共約8.5kg。一汽集團開發(fā)了抗蠕變鎂合金，用于制造高溫負(fù)載條件下的汽車動力系統(tǒng)部件，同時順利研發(fā)出氣缸蓋罩蓋等鎂合金壓鑄件。同時，東風(fēng)汽車公司、長安汽車集團也參與到鎂合金零部件的生產(chǎn)之中，尤其需要指出的是長安集團生產(chǎn)的“長安之星”微型車上實現(xiàn)了單車用鎂8kg的水平，達到了目前的國際先進水平。在鎂合金工藝方面，鎂合金汽車輪轂成型技術(shù)無疑是一大亮點。

在國家重點研發(fā)計劃的支持下，在與東風(fēng)汽車股份有限公司合作中，上海交大正在針對進行有關(guān)汽車用減震臺和副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計，旨在早日實現(xiàn)鎂合金在減震塔和副車架兩類大型復(fù)雜薄壁部件的成型技術(shù)與應(yīng)用上的突破。

目前，汽車工業(yè)平均用鎂量在10 公斤以內(nèi)。從2000年開始，各國政府和研發(fā)機構(gòu)投入大量的資源進行鎂合金的研發(fā)和產(chǎn)品的推廣，特別是我國作為鎂合金資源的大國，一直希望將鎂合金在汽車工業(yè)中的用量進一步提高。但是，車用鎂合金的用量并沒有出現(xiàn)預(yù)期的大幅增長，主要的鎂合金牌號還是以AZ91D和AM50為主，主要的鎂合金產(chǎn)品以方向盤骨架、儀表盤骨架、座椅骨架等內(nèi)飾部件。限制鎂合金大規(guī)模應(yīng)用的一個主要原因還是由鎂合金特性決定的，鎂合金的耐腐蝕性能差，特別是電偶腐蝕是困擾鎂合金在非內(nèi)飾承載部件系統(tǒng)中應(yīng)用的最大阻力。

汽車輕量化和部件集成化的發(fā)展趨勢，能夠發(fā)揮鎂合金材料流動性好、易成形大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的優(yōu)勢，將促使鎂合金的新的大規(guī)模應(yīng)用，例如：車門內(nèi)板和行李箱后蓋內(nèi)板，采用壓鑄鎂合金可以實現(xiàn)最優(yōu)輕量化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果。目前，我國具有最多的鎂合金礦產(chǎn)和冶煉資源，也具有最大噸位壓鑄裝備的下游生產(chǎn)企業(yè)，在該領(lǐng)域我國已經(jīng)形成了全球最為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，能夠?qū)崿F(xiàn)從原鎂到高端鎂合金壓鑄件的全流程生產(chǎn)和制造。

鎂合金零部件在新能源汽車中的應(yīng)用

20世紀(jì)初，德國率先將鎂合金應(yīng)用于汽車制造之中，直至二十世紀(jì)中葉，大眾公司在汽車結(jié)構(gòu)零件的研發(fā)之中已應(yīng)用了大量的鎂合金材料。隨后，歐美等國家均紛紛投入到鎂合金零部件的開發(fā)研究之中。目前，歐美等發(fā)達國家在汽車用鎂量方面要遠遠高于世界其他各國。在亞洲范圍之內(nèi)，日本在鎂合金零部件的開發(fā)研究之中居于領(lǐng)先地位，雖遠不及歐美等國家，不過伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，日企對于鎂合金材料的應(yīng)用日益廣泛。譬如，豐田便研發(fā)了鎂合金轉(zhuǎn)向盤、鎂合金骨架座椅等。相較而言，我國汽車行業(yè)對于鎂合金的應(yīng)用相對較晚，現(xiàn)如今尚處于開發(fā)階段，上汽、一汽、二汽等企業(yè)均開始廣泛投入到鎂合金汽車零部件的研究開發(fā)之中，也取得了一定的成果。直至今日，鎂合金在新能源汽車之中開發(fā)研究主要集中于動力系統(tǒng)零件?？紤]到發(fā)動機零部件在運行期間的溫度，歐美等發(fā)達國家致力于對高強度鎂合金材料展開了研究開發(fā)。目前，諸如耐蝕鎂合金、變形鎂合金、阻燃鎂合金等新型鎂合金材料相繼研發(fā)成功，在新能源汽車之中得以廣泛的應(yīng)用。

鎂合金轉(zhuǎn)向管柱支架

現(xiàn)在在一款新能源車型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開發(fā)中，引用了以鎂合金為材料設(shè)計成型的轉(zhuǎn)向支架和導(dǎo)向筒。由于鎂合金的剛度極大，不會在安裝后隨車身支架的變形而產(chǎn)生變形，全面保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在整車碰撞過程中轉(zhuǎn)向管柱可以按照設(shè)計的行程和吸能曲線完成整個動態(tài)潰縮過程，提供整車碰撞的安全性，并且大大提高了這個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度和頻率，而且做到了輕量化設(shè)計，其質(zhì)量較之常規(guī)車型原件減輕了5%以上。

鎂合金儀表板骨架

常規(guī)車型的儀表板骨架更多是采用鋼件焊接制成，為了滿足汽車輕量化這一要求，需要在保證原本功能的基礎(chǔ)上，確保裝配面與孔的部位不改變，所以，將儀表板骨架零部件替換為鎂合金。鎂合金儀表板骨架制作時主要應(yīng)用擠壓、彎曲這兩種工藝，所有鎂合金件之間以氫弧焊進行連接。因為，鎂合金與鋼這兩種材料接觸之后會被腐蝕，所以儀表板骨架和車身、儀表板等零部件進行連接，建議采用鋼質(zhì)滲鋁螺栓作為連接件。經(jīng)過實踐得知，輕量化鎂合金儀表板骨架的質(zhì)量是1.957kg，相比常規(guī)車型所采用的原鋼件質(zhì)量減輕了62.9%。

鎂合金副駕駛座椅骨架

常規(guī)車型的駕駛座椅骨架主要為鋼件，其中包括靠背骨架、座墊骨架和滑軌。因為，常規(guī)車型的改制存在一定的限制，按照轎車座椅設(shè)計的有關(guān)規(guī)定，為了保證汽車性能，將副駕駛座位的椅骨架替換為鎂合金。制作工藝主要應(yīng)用擠壓、彎曲和沖壓，鎂合金件的焊接技術(shù)為氫弧焊，使用結(jié)構(gòu)膠連接所有材料零部件。經(jīng)過實踐之后，鎂合金副駕駛座椅骨架的質(zhì)量顯示為12.66kg，和鋼結(jié)構(gòu)件對比質(zhì)量減輕了8.3%。

鎂合金前、后副車架

為保證鎂合金前、后副車架技術(shù)參數(shù)能夠滿足規(guī)定要求，需要完善原本的結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計過程中，通過楔形加強筋、局部位置設(shè)置縱向加強梁以及局部增厚這三種要求進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對最終設(shè)計成果展開驗證、分析，可以得出設(shè)計而成的鎂合金前、后副車架技術(shù)參數(shù)與規(guī)定相符。這一部分所應(yīng)用的工藝主要有擠壓、彎曲和整形，焊接制造則是以分段制造、環(huán)形焊與角焊為主，結(jié)束焊接操作之后壓入支承套橡膠內(nèi)襯，使用螺栓連接轎車，同時設(shè)置復(fù)合材料墊圈，達到良好的聯(lián)接效果。經(jīng)過輕量化設(shè)計之后的鎂合金前、后副車架，其質(zhì)量與鋼件相比分別減輕了50.5%、62.3%。

鎂合金輪輞

按照鎂合金制造的有關(guān)規(guī)定，輪輞小輻條根部位置必須要進行挖深處理，鎂合金車輪必須要滿足性能要求，彎曲疲勞、徑向疲勞的最大應(yīng)力相比鎂合金材料的疲勞強度必須小于110MPa，使用期限超過107次。經(jīng)過實踐可知，輕量化設(shè)計之后的鎂合金輪輞質(zhì)量降低為7.9kg，相比鋁合金材料的輪惘減輕了37%。

3D打印

3D打印技術(shù)是諸多新技術(shù)的一種，是以新車模型、工具的實際運用為前提研發(fā)的先進技術(shù)。通過掃描鏡、激光束等部件制作鎂合金零部件，有效提升了零部件制作的速度。如今，3D打印技術(shù)已經(jīng)在汽車企業(yè)中實現(xiàn)普及，節(jié)省研發(fā)成本的同時很好的提升了研發(fā)效率，可以滿足要求多、批量小的客戶。

用于制造汽車零部件的鎂合金種類較多，包括Mg-Mn合金、Mg-Zn合金和Mg-Al合金。其中，Mg-Al合金用量最大，因為添加Al元素能提高鎂合金的強度及鑄造性能，而且成本較低。在Mg-Al合金加入少量Mn元素可降低雜質(zhì)Fe的含量比?；贏l、Mn元素設(shè)計的鎂合金牌號有AZ系列的AZ91D和AM系列的AM60等。

汽車行業(yè)作為能源消耗的重點行業(yè)，必須提前實現(xiàn)以下兩個目標(biāo)：一是 提早布局，搶先進入新能源汽車時代；二是推動汽車輕量化，提高能源利用效率，降低尾氣排放量。對汽車行業(yè)來說，著力發(fā)展鎂基氫能動力汽車以及鎂合金材質(zhì)的新能源汽車正是實現(xiàn)兩個目標(biāo)的最優(yōu)選擇。

鎂合金現(xiàn)一般用于座椅骨架、儀表盤、轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱、輪圈、發(fā)動機氣缸蓋、變速器殼、離合器殼等零件，其中，轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱、輪圈是應(yīng)用鎂合金較多的零件?，F(xiàn)已采用鎂合金鑄件的汽車公司有美國的福特、通用、克萊斯勒，德國的大眾，日本的豐田等20余家。國際上已把單車鎂合金用量作為汽車先進性的標(biāo)志之一。歐洲單車鎂合金用量已達9～20kg，正在使用和研發(fā)的鎂合金汽車零部件已超過60多種，北美正在使用和研發(fā)的鎂合金汽車零部件多達100多種。

國內(nèi)外汽車零部件常用鎂合金主要有AZ（Mg-Al-Zn）系、AM（Mg-Al-Mn）系、AS（Mg-Al-Si）系和AE（Mg-Al-RE）系四大系列，廣泛應(yīng)用的仍然為鑄造鎂合金，目前已開發(fā)應(yīng)用鎂合金汽車零部件。

鎂合金主要有鑄造與變形兩種類型。汽車上應(yīng)用的鎂合金主要是壓鑄件，應(yīng)用于車身和底盤零件，如儀表盤骨架與橫梁、座椅骨架、轉(zhuǎn)向盤、進氣歧管以及各種支架、罩蓋等。

（作者單位：中國船舶重工集團公司第七二五研究所）