鎂合金材料是當(dāng)今最輕的工程結(jié)構(gòu)材料，采用它們制造汽車特別是新能源電動(dòng)車零部件可取得明顯的節(jié)能減排效果，現(xiàn)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家正在向著采用盡量多的輕質(zhì)材料制造汽車零部件目標(biāo)前進(jìn)。2019年，北美、歐洲、日本、韓國(guó)汽車的平均用鎂量已達(dá)約68kg/輛，2030年的有可能超過105 kg/輛，中國(guó)2019年汽車的平均用鎂量?jī)H約18kg/輛，與發(fā)達(dá)國(guó)家的相比差距過大，上海特斯拉汽車公司的投產(chǎn)，必將拉動(dòng)鎂在中國(guó)汽車中的應(yīng)用，特斯拉汽車公司是外商在中國(guó)首家獨(dú)資汽車制造廠。
特斯拉上海廠投產(chǎn)
點(diǎn)亮鎂應(yīng)用又一盞燈
1月7日，美國(guó)特斯拉汽車公司（Tesla）向中國(guó)公眾交付了首批國(guó)產(chǎn)版汽車Model3，標(biāo)志著該公司在全球推動(dòng)電動(dòng)汽車普及的工作向前跨出了穩(wěn)健的一大步，標(biāo)志著特斯拉上海廠正式投產(chǎn)了。這次交付非同小可，意義重大，特斯拉公司CEO（總經(jīng)理）E·馬斯克專乘私人機(jī)從洛杉磯趕到上海參加交付儀式，上海市市長(zhǎng)應(yīng)勇、副市長(zhǎng)吳清也雙雙出席。在交付儀式上，馬斯克宣布中國(guó)制造Model Y電動(dòng)車項(xiàng)目正式啟動(dòng)，但是有人認(rèn)為,特斯拉公司目前的重心還是在Model 3型車的量產(chǎn)與交付上。據(jù)市場(chǎng)預(yù)測(cè)，中國(guó)產(chǎn)Model Y車可能要到2021年才能啟動(dòng)，等待國(guó)產(chǎn)Model 3車產(chǎn)能與交付穩(wěn)定之后。
特斯拉汽車公司總經(jīng)理馬斯克是一個(gè)億萬富翁，對(duì)上海廠的投資為20億美元，這個(gè)廠的正式名稱為“超級(jí)工廠3”，是首家在中國(guó)建設(shè)的外商獨(dú)資汽車制造企業(yè)，這表明中國(guó)對(duì)外開放的大門越開越大。為了加速這家汽車廠的建設(shè)，上海市政府提供了優(yōu)惠政策，得以在很短的時(shí)間內(nèi)建成投產(chǎn)，與此同時(shí)，中國(guó)對(duì)所產(chǎn)的汽車減免10%的購(gòu)置稅。
特斯拉上海汽車制造廠的投產(chǎn)帶來了喜也帶來了憂，喜的是，帶來了投資、帶來了就業(yè)、帶來了競(jìng)爭(zhēng)、帶來了優(yōu)勝劣汰、帶來了技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)、帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，憂的是對(duì)中國(guó)的汽車企業(yè)會(huì)有一定的壓力，會(huì)對(duì)蔚來、小鵬等汽車帶來沖擊。特別是上海產(chǎn)的同一類型特斯拉電動(dòng)車的售價(jià)據(jù)稱比進(jìn)口車售價(jià)約低1/3，上海特斯拉車的價(jià)格還不到30萬元/輛，國(guó)內(nèi)車的壓力較大。不過有點(diǎn)壓力也是好事，可以激勵(lì)國(guó)內(nèi)企業(yè)更好更快地前進(jìn)。
特斯拉汽車今年的產(chǎn)量可超過1000輛。特斯拉汽車是一類新能源電動(dòng)車，在確保安全與乘座舒適的條件下，其自身質(zhì)量當(dāng)然是越輕越好了，在充電相等的情況下，續(xù)航里程可遠(yuǎn)一些，在當(dāng)前除了在設(shè)計(jì)方面多加改進(jìn)外，盡量多地用輕質(zhì)材料制造零部件，是減輕車輛凈重的最佳措施，鋁和鎂是最可取的輕質(zhì)材料，鋁的密度為2.70g/cm3，而鎂的密度只有1.74g/cm3。因此，鎂的減重效果比鋁的更大，鎂及鎂合金成了制造特斯拉電動(dòng)汽車的最佳材料之一。
采用鎂合金制造電動(dòng)車的優(yōu)點(diǎn)可歸納為：顯著減輕車的凈重、降低電耗、減少溫室氣體排放；提高零部件集成度，降低零部件加工制造和裝配費(fèi)用；設(shè)計(jì)靈活性大，采用成形性能好的鎂合金可以提高車的抗震性及抗撞性；改善車的剛度；提高廢舊零部件回收率；改善車的安全性能和可操作性能。汽車每減重10%，可以節(jié)省約5.6%的燃料，相應(yīng)地可降低溫室氣體排放。
鎂與其他常用結(jié)構(gòu)材料的性能比較見表1，由所列數(shù)據(jù)可看出，鎂合金是制造汽車、摩托車等交通運(yùn)輸裝備的上乘材料，不僅能降低車的凈質(zhì)量、減少能耗，提高整車加速、制動(dòng)性能，還能顯著降低行駛震動(dòng)和噪聲，提高駕駛和乘座舒適性。
鎂合金在汽車中的應(yīng)用以壓鑄件與鑄件為主，特別是壓鑄件，當(dāng)前75 %以上的壓鑄件用于汽車與摩托車制造業(yè)。
可用鎂合金制造的汽車零件
汽車用的幾乎全是壓鑄鎂合金，最早用的是鑄造鎂合金，鎂在汽車中的應(yīng)用已有近100年的歷史，早在1921年，美國(guó)福特汽車公司就鑄造出鎂活塞，但由于當(dāng)時(shí)價(jià)格過高、鑄造難度也大而未得到應(yīng)用，稍后還用板材制造出了喇叭盤、鑄造成功采煤車的輪心與卡車車輪。20世紀(jì)30年代，德國(guó)大眾汽車公司的比特爾（Volkawagen Beetle）汽車的曲軸箱、轉(zhuǎn)送箱，葉片罩和發(fā)動(dòng)機(jī)托架采用鎂合金鑄造，總重17kg，與鑄鐵件的相比減重5kg，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)位于尾部的汽車這種減震尤顯重要，可以大大提高車的穩(wěn)定性，比特爾型汽車先后生產(chǎn)了1900萬輛，約用了400kt鎂合金。
在20世紀(jì)30年代，采用鎂合金的汽車零件有曲軸箱、油泵、發(fā)動(dòng)機(jī)支座和機(jī)體、配電器和磁鐵殼、頭燈托架、風(fēng)機(jī)葉片、凸輪曲蓋、油過濾器、離合器殼體、油盤、變速箱。
20世紀(jì)60~70年代出現(xiàn)的鎂合金汽車零配件就更多了：控制面板、油泵齒輪箱、離合器和傳送箱殼體、車輪、汽罐蓋、配電器支座、濾油器支座、燃油發(fā)電機(jī)通氣閥體、油泵喇叭管、平油塞、六缸體曲軸箱、差動(dòng)齒輪箱、汽化器、離合器箱體、車窗開閉調(diào)節(jié)導(dǎo)桿、搖桿套。
進(jìn)入20世紀(jì)80年代，世界汽車鎂合金壓鑄件的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，采用鎂合金制備的汽車配件有：控制桿構(gòu)件、剎車滑輪、吸塵器殼體、搖桿蓋、手套箱框、變速手柄、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、氣缸體蓋、閥體、風(fēng)扇、葉片、進(jìn)氣岐管、燈頭框、吸氣柵、前輪主動(dòng)蓋、四輪傳送箱、冷凍機(jī)葉片用隔板框架、黏滯葉片傳動(dòng)裝置、剎車及離合器踏板。
進(jìn)入90年代后，其年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)15%，增長(zhǎng)速度最快的是北美、西歐和日本。目前，汽車上有70多個(gè)零件是由鎂合金制造的，其中90% 以上為壓鑄件與鑄件，而用的最多的是儀表盤基座、座位框架、方向盤軸、發(fā)動(dòng)機(jī)閥蓋、變速箱殼、進(jìn)氣岐管、車身及車輪。
——儀表盤基座
儀表盤基座對(duì)制造材料的要求：良好的變形性能、質(zhì)量輕、高的尺寸精度、簡(jiǎn)化零件結(jié)構(gòu)等，鎂合金都能滿足這些要求。20世紀(jì)80年代德國(guó)大眾汽車公司率先用Mg-Al-Zn系合金（AM系）鑄造了儀表盤基座，用于Audi V8型車，是一個(gè)整體壓鑄件，長(zhǎng)1440mm、壁厚3.5mm、質(zhì)量約4.3kg，與鋼件相比，質(zhì)量減輕了約65%，結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，它將過去需要30個(gè)～60個(gè)零件組裝的基座集成為一塊整體。這種整體式基座可以為“A”型支柱、HVAC（采暖通風(fēng)和空調(diào)）控制器、安全氣囊箱、空調(diào)器管路、駕駛桿、剎車、離合器踏板及其他零部件提供支撐結(jié)構(gòu)，近期又加上了橫梁和速度表、收音機(jī)及手套箱支架。
AM系鎂合金有較好的可成形性，拉伸率約6%，其零部件受到?jīng)_擊時(shí)僅發(fā)生變形而不易斷裂。通用汽車公司（GM）G-Van使用的儀表盤基座的質(zhì)量達(dá)15kg，可能是目前使用的最大的。此外如梅賽德斯（Mercedes）、克萊斯勒（Chrysler）、菲亞特（Fiat）汽車公司等的一些車上都用了鎂合金整體式儀表盤基座（儀表板）。
——座椅框架
汽車、高鐵座椅框是可以用鎂合金壓鑄的又一典型零件，因?yàn)殒V合金具有成型性好、密度小、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)效果好等特點(diǎn)，還具有易實(shí)現(xiàn)零件集成化、提高抗震性等優(yōu)點(diǎn)。菲亞特汽車公司用AM60合金壓鑄Alfa Romeo Meridian MPI座椅框架，德國(guó)梅賽德斯汽車公司用AM系鎂合金壓鑄座椅框架，由5件鎂合金厚壁壓鑄件裝配而成，重僅8.5kg，比原來的鋼框架輕了11.5kg，即輕了57.5%，以后又研制成功僅2kg的座椅框架，由一件座底框和一件座背框組成，他們的壁厚緊2mm～4mm，組裝前不需要進(jìn)行機(jī)械切削深加工。
法國(guó)TGV高速列車座椅框架是用AM系鎂合金壓鑄的，含泡沫塑料、紡織品的總質(zhì)量為14kg，比鋼框架輕50%。
美國(guó)福特汽車公司在微型貨車上用AM60鎂合金座位支架取代了鋼支架，使質(zhì)量從4kg下降到1kg。鎂合金座椅框架的應(yīng)用大大刺激了鎂應(yīng)用的發(fā)展，以鎂代鋼、鋁可以取得顯著的減重效果與節(jié)能減排，并提高了車的抗沖擊性能。
——駕駛系統(tǒng)
在駕駛系統(tǒng)中加入氣袋后增加了其質(zhì)量，從而影響到車的可操縱性，如果一部分零件改用鎂合金制造則可以顯著降低質(zhì)量，提高車的駕駛性能。日本豐田汽車公司（Toyota Motor Corp．）用AM60鎂合金壓鑄方向盤，它的盤芯用AM50合金壓鑄，其他的零件用的是AZ91合金，整個(gè)方向盤的質(zhì)量減輕45%以上。鎂合金具有質(zhì)量輕、操作性能好、價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn)。
福特汽車公司壓鑄的集成鎂合金方向桿件由3個(gè)零件組成，以AM系合金壓鑄，總質(zhì)量1.2kg。奧迪汽車公司用AZ91D（Mg-Al-Zn系合金）壓鑄Zitzmannt車的駕駛桿支座，比鋼制的減重約20kg。
——發(fā)動(dòng)機(jī)閥蓋
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)閥蓋可用鋁、鎂、鋼、塑料等制造，但是當(dāng)前各大汽車公司用鎂合金壓鑄的還是比較多一些，是主流與發(fā)展趨勢(shì)，梅賽德斯-奔馳汽車公司(Mercedes-Benz)用AM60B合金壓鑄的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)閥蓋，僅3.2kg，比鋼蓋輕約4kg。其主要優(yōu)點(diǎn)：輕量化效益大；可一次壓鑄成型，深加工費(fèi)大幅下降；杜絕了漏油，抗蠕變性能高，經(jīng)久耐用等。
—— 進(jìn)氣岐管與發(fā)動(dòng)機(jī)支架
20世紀(jì)90年代初美國(guó)通用汽車公司就用鎂合金制造發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣岐管，岐管箱質(zhì)量2.7kg，箱蓋質(zhì)量0.9kg。德國(guó)皮爾堡公司（Pierburg）開發(fā)出了幾種鎂合金進(jìn)氣岐管系統(tǒng)，供給梅賽德斯奔馳汽車公司，由于Mercedes Ben23.2L V6發(fā)動(dòng)機(jī)使用了鎂合金進(jìn)氣岐管而被沃茲《汽車世界（Wards Auto World）》評(píng)為世界上最輕的V6發(fā)動(dòng)機(jī)。
發(fā)動(dòng)機(jī)支架也是可用鎂合金壓鑄的主要零件，具有明顯的減重和吸震效果，獲得了廣泛的應(yīng)用。
——車輪及其它零部件
車輪、膝墊加強(qiáng)版也可以用AM60鎂合金壓鑄，1976年，日本豐田汽車公司就用鎂合金壓鑄2000GT汽車的車輪和膝墊加強(qiáng)板。1994年，美國(guó)通用汽車公司的Oldsmobile98和park（別克）Avenue兩種車型上使用了鎂合金膝墊加強(qiáng)板，尺寸為300mm×1470mm，平均壁厚約2mm，質(zhì)量1.8kg。意大利菲亞特汽車公司壓鑄的第二代鎂合金車輪僅重5.4kg比鋁合金的輕28%。
美國(guó)福特汽車公司、通用汽車公司，克萊斯勒汽車公司在每輛車上2004年的鎂合金壓鑄件用量分別為30個(gè)、45個(gè)和20個(gè)，瑞典沃爾沃汽車公司早先推出的CP，2000年版轎車的質(zhì)量雖只有700kg，但是鎂合金工件的用量卻高達(dá)50kg，鎂化率高達(dá)7.14%，是訖今鎂化率最高的小型車。
對(duì)鎂合金在汽車上應(yīng)用的預(yù)測(cè)
由于節(jié)能減排的迫切要求，汽車工業(yè)承受著巨大的壓力，特別是歐洲還通過立法手段限制汽車油耗，汽車制造公司紛紛生產(chǎn)新能源電動(dòng)車，中國(guó)已成為全球電動(dòng)車的全大生產(chǎn)者與領(lǐng)跑者，上海特斯拉汽車公司的投產(chǎn)，更加強(qiáng)了中國(guó)汽車工業(yè)在全球的地位與競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，毫無疑問，這將刺激鎂合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用。
20世紀(jì)20年代前期，國(guó)際鎂業(yè)協(xié)會(huì)和海德魯鎂業(yè)公司市場(chǎng)部(Hydro Magnesium Marketing)的調(diào)查顯示: 1991年西方國(guó)家壓鑄鎂合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用只有約20kt，2005年的用量則上升到約170kt，2014年上升150kt，幾乎每年增加10kt。1998年,D.馬克納斯(Magners)和J.威爾肯斯 (Willekens)預(yù)測(cè)，鎂合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用會(huì)不斷增長(zhǎng)。劉祚時(shí)、謝旭紅1999年確定中國(guó)汽車工業(yè)的用鎂量?jī)H8.5kg/輛，而國(guó)外汽車的鎂合金平均用量已達(dá)到40kg/輛。有人2001年（《輕合金加工技術(shù)》，2001，29（11）:1）說:“福特公司人士預(yù)測(cè)，2020年全世界每輛汽車平均用鎂可達(dá)100kg”。
2019年，中國(guó)汽車總產(chǎn)量約25000k輛，全球的總產(chǎn)量按50000k輛計(jì)算，今年的產(chǎn)量若按此數(shù)計(jì)算，如每輛汽車用鎂100kg，則全世界的用鎂量可達(dá)5000kt，這是不可能的，因?yàn)?019年全僅生產(chǎn)1100kt，所以福特公司的預(yù)測(cè)過于樂觀。筆者認(rèn)為，2019年國(guó)外汽車的用量約為68kg/輛，2030年的可達(dá)105kg/輛。2019年中國(guó)汽車的平均用鎂量約18kg/輛，2030年的可達(dá)28kg/輛或更多一些。如果此年中國(guó)的汽車產(chǎn)量能夠達(dá)到34000k輛，則對(duì)鎂的總需求為952kt。
結(jié)束語
上海特斯拉汽車公司的投產(chǎn)，新能源電動(dòng)汽車的進(jìn)入高速發(fā)展階段，福特汽車公司早些時(shí)候鎂合金概念車的推出，節(jié)能減排政策的推進(jìn)，無疑將帶動(dòng)與促進(jìn)鎂在汽車制造中的應(yīng)用，汽車用鎂高速發(fā)展期降臨了！但是，2019年中國(guó)單車的平均用鎂量差不多只有發(fā)達(dá)國(guó)家的1/2，差距甚大，必須擼起褲腿，奮力追趕。一些典型車的鎂合金用量可供參考見表2。
福特汽車公司推出的鎂合金概念車，幾乎達(dá)到以鎂代替所有鋁、鋼件的地步，凡是鋁制的零部件都通通變成鎂的，在制造成本上是否合算必須經(jīng)過精準(zhǔn)的核算。鎂及鎂材生產(chǎn)企業(yè)宜與汽車制造廠加強(qiáng)合作與溝通，派出技術(shù)人員與汽車廠工程師共同探討鎂合金工件制備，力爭(zhēng)向汽車廠提供盡量多的深加工，盡量少的原鎂錠與鎂合金材料。