镁合金在汽车领域的应用及发展

1/8本科生课程论文论文题目：镁合金在汽车领域的应用及发展2/8镁合金在汽车领域的应用及发展【摘要】：通过材料科学概论的学习和查阅许多学术论文，发现汽车工业对轻合金材料的有很大的需求，特别是镁合金。文章介绍镁合金在汽车领域的应用及发展和简述《材料科学概论》的学习心得。【关键词】：汽车，镁合金，应用，发展【正文】：21世纪，自然资源和环境已经成为人类可持续发展的首要问题。镁作为一种轻质工程材料，潜力尚未充分挖掘出来；开发利用远不如钢铁、铜、铝等成熟。今天，许多传统金属矿产趋于枯竭，加速升级开发镁金属是社会可持续发展的重要措施之一。当前，汽车工业正面临来自资源，能源和环境等方面的压力和制约，汽车领域的竞争也是越来越激烈，汽车轻量化以轻质材料逐渐代替钢铁材料用于制造高性能，结构复杂的部件已经是必然趋势。因此，以镁合金这种轻质，可再循环，铸造能力好的材料成为汽车材料的首选。一、镁合金的特点：镁在地壳中含量高达2.1%，在地球上存在的元素中居第八位，作为工业用金属，仅次于铝，地壳中铝占8.1%，铁占5%。但是镁的比重只有1.74g/m3.镁合金作为结构材料，日益引人注目，这与它具有下列基本特性密切相关：①密度低，比强度高，比刚度高。这样就可以用来减轻发动机和其他机器零件的重量。镁的最突出特性是密度小，镁的最突出特性是比重轻，大约为1.74g/m3，是铝合金的2/3，铁的1/4，而在刚性相同条件下，镁的重量仅为钢的1/2。镁主要用来制造各种轻合金。例如，镁跟铝、铜、锡、锰、钛、铍等金属元素形成的多种合金(约含镁质量分数为80%)，密度只有1.74g/cm3左右，但硬度和强度都较大。这些特性表明了镁在减轻重量方面的巨大潜力。②比铝合金有较大的承受冲击载荷能力，有可能利用镁合金来制造受猛烈碰撞的零件。镁合金还有绝佳的抗冲击性，是塑料的20倍。3/8③低的熔化黏滞性和良好的填注成型特性。这一特性使镁合金易于铸成复杂、薄壁结构，并把多个功能零件集成一件，以取代以往常见的多钢件焊接或装配结构，达到了减重、减少装配工作、消除可能出现的尺寸误差和减少运行噪音产生的目的。④镁合金具有优良的可切削加工性和可抛光性。镁合金是所有常用金属中最容易加工的材料而且不需要磨削和抛光，用切削液就可以达到十分光洁的表面。⑤可再生利用。镁被誉为“21世纪绿色金属结构材料”有595-650℃的低熔化温度、280-370KJ/Kg低熔融比热，适于接受再生加工。可利用铸造剩料、切屑和废件重新熔化制作新零件。⑥储量高，且可大规模生产。我国镁资源蕴藏丰富，高品位镁资源储量居世界第一。青海盐湖蕴藏着十分丰富的镁资源，其中氯化镁32亿吨、硫酸镁16亿吨世界上只有在青海柴达木盆地独特的自然地理和气候条件下，提钾后的老卤经过简单盐田蒸发，可获得高品质的氯化镁，具有很高的开发应用价值。加上利于环保的再循环能力，以及高的压铸生产率，都为其适于大规模生产提供了条件。高的模铸生产率，一般来说，其生产率比铝高出40%-50%，最高时可达铝的两倍。二、镁合金的分类镁合金主要分为铸造镁合金和变形镁合金。变形镁合金适宜塑料成型，塑形变形中镁合金仍保持纯镁的特性。变形镁合金大多在热状态下进行塑料成型，以轧制、挤压、锻造、拉拔等工艺方法制成板、棒、管、丝。锻件等半成品。变形镁合金按化学成分可分：①Mg-Mn系列：主要用于制造飞机的壁板，外形复杂的模锻件和汽油系统要求抗腐蚀性能高的零件。获得近乎最终使用形状和尺寸的毛坯。铸造镁合金按照使用特性可分为：一般铸造镁合金，高强度铸造镁合金和热强度铸造镁合金。工业铸造镁合金广泛应用于航空航天工业。由于其耐腐蚀性能差，因此镁铸件需要经过防腐处理才能在大气条件下长期使用。4/8三、镁合金大部分以压铸件形式作为汽车零部件未来汽车的发展趋势概括为“三化”，即轻量化、电子化和计算机信息化。所谓轻量化，是指采用高新技术开发的新材料，以减轻整个汽车的重量。能够使汽车实现轻量化的新材料主要是指：用轻质的有色金属材料取代钢、铁、铜等，如铝合金和镁合金。其中铝合金已得到广泛认同和应用，现在奥迪全铝车身、宝马全铝底盘等都生产出来了。而镁合金是近年来正在兴起的新材料，这是由于镁冶炼技术进一步提高，镁的价格逐渐下降了；镁与铝结合后表现出非常好的压铸性能和加工性能。一方面汽车要减轻自重，一方面汽车要折旧、报废、回收，于是，铝合金在汽车上的应用，又带来了镁合金的应用，有人预计，全世界对汽车镁合金的需求量每年将递增20%以上。汽车工业可能采用镁压铸件的场合大致可分成两大类：一类是以镁取代原先以其它材料用作压铸件的领域；另一类是直至目前还在采用焊接钢结构或铝板材料的场合。对于前者，最常见的是以镁压铸件替换锌压铸件。虽然这两种材料有同等的铸造特性，但若全面衡量重量与成本因素，选用镁显然更加合理。例如，点火装置外壳，变速箱外壳，进气岐管等，都有成功改用镁压铸件的实例。此外，镁或铝与硅、锰、锌的合金能在高温下快速降低蠕变张力，这对于例如要承受巨大机械应力和较高工作温度的引擎缸体，采用镁压铸件也是很理想的。在北美，一些大型豪华轿车和小型运输车都已采用单一镁铸件取代了过去的组合式钢结构来制作仪表盘座。近年来，很多种轿车铸件开始采用镁合金，以适应汽车轻量化的要求。如：离合器壳体、离合器踏板、制动踏板固定支架、仪表板、骨架、座椅、转向柱部件、转向盘轮芯、变速箱壳体、发动机悬置、气缸盖和气缸盖罩盖等。与传统的锌制转向柱支架相比，镁制件降重65%；与传统的钢制转向轮芯相比，镁制件降重45%；与全铝气缸盖相比，镁制件降重30%；与传统的钢制冲压焊接结构制动踏板支架相比，整体的镁铸件降重40%，同时其刚性也得以改善。但是，镁合金种类少，高温和抗蠕变性能差，后处理工艺复杂，以及材料和加工成本高，随着技术和价格两大瓶颈的突破，相信其应用前景必将更加广阔。已有超过60种零部件已采用或正在开发镁合金应用。5/8四、汽车工业用镁现状与前景从20世纪50年代以来，亚洲的万事得、丰田就已致力于用镁来减轻汽车重量。80年代，本田也在汽缸头盖、轮圈等零件上开发镁的应用。目前，钤木、大发、三菱和日产等也都加入了这一行列。而在韩国，也开始用镁制作方向盘锁定器罩等一些零件。对于汽车来说，减轻重量就意味着减少燃料消耗并减少了不受欢迎的排放物的产生。在北美一些国家甚至通过立法手段来强制这一目标的实现。在这方面，汽车制造商已经着手使目前的汽车重量比早期产品减轻40%，能实现这一成就，只有镁合金最能担此重任。在北美，80年代中后期利用镁合金减轻机动车辆重量的主要驱动因素是安全考虑和避免罚款。为此，工程师们决定在引擎、车身和其它内部零件上进行镁合金应用的开发，并在消除人们对镁的腐蚀、易燃和成本等方面的疑虑上获得了突破性的进展。上世纪八、九十年代初，欧洲和日本开始了他们的用镁计划。丰田公司最先在方向盘轴柱部件上使用了镁压铸件，奔驰则制订了座架的用镁计划，而Audi则在欧洲市场最先推出了镁合金仪表盘座。与此同时，北美汽车制造商继续在驾驶座、仪表盘和气袋式车辆的方向盘部件上发展镁的应用。世界其它地区的主要汽车制造厂也在类似一些应用上亦步亦趋，追赶这一潮流。人们注意到，通用、福特和丰田正在计划调整他们的汽车部件用料。除了继续致力于现有镁压铸件，他们还将推出新的镁压铸产品。在日本，由于镁价比北美要高，以致在获得重量减轻同时，成本却上升了50%，另外，日本的OEM定单有时仍然利用廉价的和高度工程化钢结构来实现重量的减轻。然而，如今日本的OEM定单也在越来越多地要求用镁制作某些零件。可以预期，即使在日本，镁在汽车工业上的应用也会逐渐增多。同样在韩国，由于汽车采用了气袋式结构，其方向盘轴柱也会改用镁件，从而会增加用镁量。我国车用铸镁产业几乎从零开始。近年只有国产桑塔纳轿车采用了镁合金压铸件，用量仅为8.5Kg/辆，与国外汽车镁合金平均用量40Kg／辆相比，差距十分悬殊。汽车，摩托车镁合金铸件的生产应用技术开发，已列为国家“十五”科技攻关项目。在2007年的中国汽车及摩托车用镁国际研讨会中国有色金属工业协会镁业分会会长吴秀铭在总结中概括地说：“汽车摩托车用镁合6/8金，有利于交通轻量化、有利于环境保护、有利于培育新型产业链发展、有利于资源可持续发展，有利于中国汽车摩托车产业自主创新，应是新世纪里中国产业界的一项重要机遇和建立资源节约型社会的一国家战略。因此要建立官、产、学、研、用有机结合的新机制和实施新战略，才能使中国镁合金加工产业实现跨越式的发展，在业界共赢中引领全球轻金属材料产业发展，为中国交通轻梁化事业提供重要支撑，为中国制造减重！“。节能和环保这两个现代汽车领域的主题，推动了镁合金用的迅速增长,但目前镁合金的应用潜力远还没有得到充分的发挥。要不断提高镁合金的应用水平,还需要提高镁合金材料在性能及价格等方面的综合竞争能力。镁化学性质活泼,难以形成自钝化的氧化膜,故镁合金常常需要进行成本较高的腐蚀防护处理；深入进行腐蚀机理的研究,通过合金化与工艺相结合的方法制备可表面自钝化的镁合金或耐蚀梯度镁合金材料是一个重要的发展方向。在开发新型镁合金的同时,以降低镁合金生产成本、提高镁合金性能为中心,加强镁合金材料成形技术的研究,满足机械零件多样化使用性能的要求。如果能制备出良好伸长率镁合金板材,将有可能实现部分镁合金零件的室温冲压成形。此外,加强镁合金废旧材料的回收利用也很值得重视。建立二手镁合金材料市场,实现镁合金废旧品的有效回收利用是降低成本的有效途径。镁合金的生产、研究开发单位之间需要加强合作,共同努力,建立和完善镁合金生产技术的数据库,形成完善的镁合金原料、半成品、成品供应的产业链,推动镁合金产业化的发展。五、学习心得与体会在十周的材料科学概论的学习中，老师向同学们系统而全面地介绍了材料学方面的知识。人类使用材料的历史十分悠久，可以说，材料就是指人类社会可接受、能经济地制造有用器件或物品的固体物质。材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。在第一节课上，老师给我们介绍了材料的发展史，从遥远的石器时代、青铜器时代、铁器时代、到现在的信息时代，材料的发展可谓是翻天覆地。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革7/8命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。现今，随着材料科学技术的发展，材料按其化学成分、生产过程，结构及性能的特点分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料。复合材料是三大材料中任意两种或两种相互融合。此外，还有新材料。新材料具有一般传统材料所不可比拟的优越性能，在信息，生物，航天等领域起着重要作用。各方面材料合成技术和制备技术的发展，大大提高了物质文明，现代人类社会几乎各种行业领域都享受这一发展所带来的累累硕果。材料按使用性能分类，可分为结构材料和功能材料。21世纪，人类生活水平的提高对材料科学技术将提出更高的要求，特别是由于世界人口迅速增加，资源迅速枯竭，生态环境不断变化，对材料生产技术的开发和资源的有效利用等问题提出诸多的要求。环境材料日益受到重视，比如可降解包装材料，汽车轻量化材料，节能材料，等等都是科学家们研究的方向。材料是人类社会进步的里程碑，材料的研究和应用促进了人类社会进步，而人类社会的不断发展刺激了材料的不断创新。老师重点给我们介绍了金属材料这一章。金属材料是重要的工程材料，金属具有导电性、导热性、大多数电阻随温度升高而升高、少数具有超导性、有光泽，有良好的塑性变形能力。铁和钢的含碳量的区别，铁碳合金相图中出现铁素体、奥氏体、莱士体，珠光体等反应了碳在铁碳合金中的作用。老师运用视频比较深刻，详细的向同学们讲述了钢的热处理的原理和方法，铸铁经过不同程度的石墨化后所得到的组织结构、铸铁分类、并且类型铸铁的性能特点。然后非铁金属及其合金，主要介绍了铝，铜，镁，钛，及其合金的特点、分类及运用。但是自己对于一些