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汽車輕量化應用中最輕的是啥?

2021-03-09 17:44:45·  來源:汽車工藝師  作者:唐靖林
 
在節能減排和性能提升的雙重推動下,汽車輕量化已經成為不可逆轉的發展趨勢。汽車輕量化能夠有效改善燃油經濟性、減少污染物和降低汽車碳排放,汽車行業為此付出了諸多努力。 概括來講,汽車輕量化主要有三大途徑, 即輕量化材料應用、結構優化設計和先進制造
在節能減排和性能提升的雙重推動下,汽車輕量化已經成為不可逆轉的發展趨勢。汽車輕量化能夠有效改善燃油經濟性、減少污染物和降低汽車碳排放,汽車行業為此付出了諸多努力。

概括來講,汽車輕量化主要有三大途徑, 即輕量化材料應用、結構優化設計和先進制造工藝,其中輕質材料的應用是輕量化發展最有效的手段之一。鎂合金是最輕的工程結構金屬材料,越來越受到汽車行業的關注。

汽車輕量化概述
 
在《中國制造2025》關于汽車發展的整體規劃中,強調了“輕量化仍然是重中之重”。“輕量化”已成為國家的重要戰略,越來越多的研究機構和汽車企業將其研究工作的重點放在汽車輕量化上,汽車輕量化已經成為世界各國汽車制造商最新核心競爭力的體現。
 
當前,新能源汽車被列為“國家戰略性新興產業”,國家也密集出臺了多項扶持新能源汽車發展的相關政策,在此背景下,我國的新能源汽車產業駛入快車道。研究結果表明,新能源汽車車身質量、電池能量密度與續駛里程存在重要的關系,其中整車輕量化以提高電池能量密度是提高續駛里程和降低生產成本的基本技術方案。
 
汽車輕量化已成為傳統汽車和新能源汽車領域的共性技術。但新能源汽車搭載了“三電”系統和大量智能化設備,相對傳統汽車增重比較大,因而對輕量化的需求更為迫切,甚至對輕量化的要求更高。
 
汽車輕量化有結構、材料、工藝三條技術路徑,其中,設計是龍頭,材料是基礎,工藝是紐帶;裝備是保證。盡管目前汽車輕量化已有明確的目標,但輕量化發展所面臨的挑戰依然廣泛存在,而解決挑戰的重中之重在于如何實現持續的技術創新。汽車輕量化技術是在考慮生產成本和生產效率的前提下,汽車整車和零部件結構的優化創新和輕質材料的應用,以及由此帶來的裝備和工藝創新。
 
汽車輕量化并非簡單地將汽車小型化,也并非是單純地減少車身和零部件的質量,而是在保證汽車性能的前提下,在減重、性能、節能和成本之間尋求平衡。這需要主機廠和系統供應商相互配合進行交互設計,對材料、制造工藝和應用場合進行全面分析,以實現在給定的邊界條件下實現所需要的功能,因此汽車輕量化是一個系統工程。
 
汽車輕量化設計和工程應該是不同材料、不同專業的優勢集成,而汽車輕量化材料隨著科技的進步呈現出多元化的發展趨勢。在質量、強度和剛度要求不斷提高的前提下,汽車輕量化的道路充滿機遇和挑戰。
 
車用材料產業是汽車工業發展的有力支撐,車用輕質材料是行業未來發展的重要方向。鎂合金比鋁合金輕33% ,比鋼輕 75% ,具有良好的減振性、導電性、導熱性和壓鑄性能。鎂合金壓鑄率先在汽車上得到了較廣泛的應用,但由于鎂合金自身耐腐蝕性、耐熱性、可焊性較差以及不易塑形加工等原因,在汽車上的材料使用占比還比較低。我國鎂資源豐富,原鎂產量世界第一,開發鎂合金在汽車上的應用有得天獨厚的綜合優勢。雖然我國對鎂合金的研發尚處于初期階段,但是成本優勢及本土市場規模優勢將是我們大力開發鎂合金應用的驅動力。
 
總之,汽車輕量化是系統工程,它以整車性能、質量、結構、價格等因素為前提條件,綜合考慮了集設計、材料和加工成形技術為有機整體,也是衡量一個國家汽車技術水平的關鍵。
 
我國鎂產業現狀
 
鎂合金是目前實際應用中最輕的金屬結構材料,具有較高的比強度和比剛度以及優良的阻尼性、切削加工性、導熱性、電磁屏蔽性和減振性,是交通工具、航空航天、軍工及生活消費類產品的首選輕量化迭代材料,被譽為“21世紀的綠色工程材料”。
 
我國的原鎂產量居世界首位,是“鎂”的資源大國、生產大國和出口大國,但產業發展極不平衡,鎂合金材料的應用嚴重滯后,加快鎂材料的開發和應用對其可持續發展具有戰略意義。
 
作為最輕的金屬結構材料,鎂合金的未來市場必然會與鋁產生很大的交集甚至競爭,鎂和鋁有較強的可比性。兩種材料的年產量及發展如圖1所示,2019年中國原鋁產量是原鎂的37倍,中國鎂業的體量遠遠小于鋁。
圖1    我國歷年原鋁、原鎂的產量
 
我國鎂行業最大的消費領域是冶金領域。在此領域,鎂用作鋁合金添加元素、金屬還原、煉鋼脫硫以及球鐵球化劑等冶金原料使用。2019年,我國原鎂產量約97萬t,國內消費量48.5萬t,其中冶金領域消費31.3萬t,工程應用領域(依次為交通工具、3C產品、國防等)消費16萬t。
 
上述數據說明,我國鎂作為工程材料應用才剛剛起步,如何通過全面創新提高鎂合金產品競爭力,大幅度提升鎂在工程領域的應用是迫在眉睫的問題,而汽車輕量化則為我國鎂業提供了巨大的發展機會。
 
當前,汽車行業的鎂合金零備件大部分采用壓鑄工藝生產,例如殼體、支架類零件。由于鎂合金是密排六方晶格結構,其室溫塑性較差,塑性加工難度大、成本高,因此鎂合金加工材,尤其是軋制、擠壓材的應用遠少于鑄件,但采用鍛造工藝生產的鎂合金輪轂鍛已開始少量應用。因此,開發新的變形鎂合金和塑性加工新工藝是鎂業的長期目標,生產高質量的板、棒、管、型等加工材是未來更長遠的發展趨勢??梢灶A見,隨著鎂合金塑性加工技術和成本瓶頸的逐漸突破,鎂合金加工材在汽車輕量化領域有巨大的發展空間。
 
雖然我國鎂產業在國際地位、產業規模和技術水平等方面已經取得了很大的進步,但綜合來看,我國鎂行業仍面臨企業數量多、規模小、布局分散、技術裝備水平參差不齊以及專業和管理人才短缺等問題,當前的鎂合金及其加工產品還不足以支撐下游市場大規模應用的需求。因此,中國鎂業需要進一步調整和轉型升級,向著產業集群化、規?;?、專業化和標準化等方向發展。
 
未來汽車市場對鎂合金材料
有巨大的需求
 
1. 未來汽車市場需求預測
2016年,我國節能與新能源汽車發展戰略咨詢委員會發布的節能與新能源汽車技術路線圖中預計,我國新能源汽車單車使用鎂合金量2030年將達到45kg。據行業專家預測,在2030年,我國汽車總產量將達到3800萬~4000萬輛,新能源汽車總產量將達到汽車總產量的40%~50%。按年產1500萬輛保守估算,我國2030年新能源汽車使用鎂合金總量將達到67.5萬t,如果加上燃油汽車,則使用量更高,預計達100萬t。無論汽車用鎂合金零部件采用鑄造還是塑性加工工藝,考慮到加工過程的材料利用率,鎂合金的消耗量預計為汽車使用量的2倍,屆時汽車行業對鎂合金的年需求量將達200萬t,這僅僅是內需。
 
2. 鎂產業的現狀及對策
汽車行業未來對鎂合金材料的需求將給我國鎂業帶來很大的發展空間。如前所述,我國工程應用中鎂的年消費量還不足20萬t,以此按工藝推算,我國鎂合金材料的年產生產能力應該不足40萬t。根據汽車行業對鎂合金材料的消費需求預測,到2030年,我國鎂合金的年生產能力必須擴大到當前的5倍,考慮到其他應用領域也在同步增長,實際年生產能力可能要遠大于此。
 
由此可以預測,僅就汽車行業的需求而言,在不到10年的時間里,我國鎂合金的年生產能力需要持續增長到當前至少5倍的規模,考慮到廢料回收和再利用,實際可能要略小于這個數字。
 
汽車輕量化將給我國鎂產業帶來很大的發展機遇,但同時又是巨大的挑戰。為了滿足未來快速增長的市場需求,我國鎂業不僅要解決鎂合金的產能問題,更是要解決整個鎂產業鏈聯動帶來的系統問題,這就需要鎂產業不斷調整優化產品結構,充分做好向汽車、軌道交通等領域轉型升級的布局和實施方案。與此同時,我們要集中各方力量解決鎂合金在汽車應用上的關鍵問題,例如合金種類少、易氧化、耐腐蝕性差、焊接難度大、加工成本高等一系列問題,并加大在新材料、新工藝、新技術等方面的開發力度。
 
總之,汽車輕量化發展與鎂合金材料的應用必將在鎂產業鏈上產生強烈的聯動效應,上下游企業需要密切合作,以緊跟全球汽車輕量化的發展步伐。
 
鎂合金廢料回收
及再生利用產業的閉環發展
 
從節能、節約資源、環保等方面看,廢料回收及再生利用是時代的要求。目前,我國鎂行業在鎂合金廢料回收及再生利用領域還沒有形成完善的標準和再生體系,一般由鎂合金廠或壓鑄廠自行回收解決。隨著鎂合金應用的不斷發展,鎂合金廢料量也越來越大,鎂合金廢料回收及再生產業的閉環發展必將要提到議事日程上來,如圖2所示。
圖2   鎂產業鏈廢料回收及再利用閉環發展
 
鎂合金廢料直接重熔將顯著增加產品的雜質含量,進而影響其性能。隨著對鎂合金加工產品的要求越來越高,未來將由專業化的處理廠按照嚴格的工藝規范進行鎂的回收及處理,以去除分型劑、氧化物和金屬雜質等不純物,使廢料的品質經回收再生后達到再利用合金錠的水準,這往往是衡量鎂行業是否具有國際競爭力的重要因素。
 
對于鎂廢料的回收及再生利用,今后研究開發工作的重點是:
  1. 開發有效的雜質去除技術和建立質量評價體系。
  2. 開發從復合材料和異種材料組合的廢料中分離金屬的技術。
  3. 建立更廣泛的廢棄料分級及經濟回收的社會體系。
 
除了回收再生,也可使用廢料來制造泡沫鎂合金材料。泡沫材料具有特殊壓縮性能,因此是極佳的吸振輕量化材料,例如汽車保險杠內的填充材料。發泡合金對于材料的品質要求較低,是鎂合金廢料再利用的其他出路。
 
本文已在《汽車工藝師》雜志
2021年第 1-2 合刊 “特別策劃” 欄目    P27-P31  發表,歡迎聯系小編索取。
 
 編輯:   暢 達   
 
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