汽车用镁合金锻件的应用潜力分析

【汽车材料网】在汽车产品开发领域，有许多材料可供选择，但公司往往会选择自己喜欢的材料。在金属中，这些材料从稀有到普通，从低密度到高密度，它们被加工成不同的形式。大多数汽车部件——从车身面板到保护摇杆（protectiverockers）再到悬架臂——都是由铝、钢或铁制成的。镁在其中的位置在哪里？

镁金属是密度最低的金属，并不稀有，因为它是地壳中第八丰富的元素和溶解海水中第三丰富的元素[1]。镁已有几个世纪的历史，可以加工成多种形式，包括铸件、挤压件、板材和锻件。然而，尽管它是一种可能在汽车中很有价值的低密度材料，但它并不经常被纳入轻量化讨论中。本文将探讨镁金属在汽车中的当前用途及其在生产锻造汽车部件中的潜在价值。

目前镁在汽车中的使用

镁主要被铝和钢铁生产商用作生产汽车部件和其他产品的关键合金元素。总之，合金化占全球镁需求的50%以上。

除了合金之外，镁的下一个主要市场是近净形铸件的生产。例如，镁是用于生产结构性方向盘框架的常用材料之一，主要是因为它易于高压压铸(HPDC)[2]。转向柱的圆形形状固有刚性，弥补了镁的低刚度（模量）。镁合金在能量吸收方面也表现良好，这是在车辆碰撞中为乘客提供保护的主要要求。此外，镁具有良好的减振特性，这对客户的舒适度至关重要，而这也是客户如何看待汽车质量的一个主要因素。

在仪表板下方，焊接钢材是生产横梁的最常用材料。然而，一些钢材密集型车辆（例如2019AcuraRDX）使用一体式镁压铸件制造横梁，因为它们既满足碰撞和结构需求，又减轻了重量。镁压铸件的另一个主要优点是它们的单件结构，消除了焊接结构常见的公差叠加问题。

类似的应用是仪表板或控制台的结构，它位于前排座椅和收音机下方的中央控制台之间。这些控制台结构通常由HPDC工艺生产的镁合金件组成。此外，镁在座椅框架中取得了成功，因为它们代表了一种比钢更轻的替代品。

从这些例子可以看出，镁主要用于内饰应用。这主要有三个原因——镁的结构性能足以满足这些组件的需要，这些组件能够提供轻量化优势，并且内部组件不会与需要额外涂层的腐蚀性道路盐接触。

在镁铸件的生产中，AZ91由于其强度高、延伸率适中，最常用于结构件和盖板。对于那些必须提供耐撞性的挤压区部件，AM50和AM60更为常见，因为它们的伸长率为10-15%，这是能量吸收的关键属性。所有这些合金都很容易获得。它们以原生镁的形式生产（主要通过低成本的Pidgeon工艺）或通过回收供应。

镁压铸件的前景非常好。根据Ducker在2021年8月的报告，汽车中镁铸件的平均使用量将从2016年的每辆汽车3.6千克增加到2030年的每辆汽车11.5公斤。这里提到的压铸件以及车门内件将构成这一增长的大部分[3]。

目前镁锻件在汽车中的使用受到严重限制。镁锻件的主要用途是生产车轮。镁似乎是车轮生产的天然材料，因为更轻的车轮有很多好处。重量最轻的车轮确保最小的滚动阻力、最大的加速和制动效率以及最佳的燃油经济性。目前，锻造镁合金轮毂可用于赛车，甚至被强制用于一级方程式赛车。然而，镁合金车轮并不常用于任何街道车辆，尤其是那些在雪季撒盐时需要在街道上行驶的车辆。

为什么镁的使用受到限制

汽车设计师和工程师非常了解镁及其潜在价值——但这种材料仍未被广泛使用。造成这种情况的原因有很多，包括刚度低、腐蚀、缺乏可靠的供应和成本。

低刚度

无论采用何种加工方法，镁的弹性模量（刚度）均为45 吉帕(GPa)。相比之下，铝为69 GPa，钢为190-210GPa。许多部件的刚度有限，这是镁需要克服的一个重大障碍。低刚度材料需要更大的横截面才能达到相同的性能。这通常会导致成本增加和部件尺寸变大，从而使部件难以安装在车辆内的允许空间（称为封装空间）中。组件成功案例是刚度来自组件固有几何形状的设计，例如车轮或汽车中控台下方的U 形内部结构。

腐蚀

减震塔可以用压铸镁制成，福特甚至拥有这一概念的专利[4]。然而，目前市场上还没有镁制减震塔。主要限制因素之一是腐蚀风险，以及开发保护这些铸件免受腐蚀的方法的需要。根据KeroniteGroup Ltd.首席执行官Matt Hamblin的说法，实现这一目标的一种可能方法是KeronitePEO5，这将为初始腐蚀保护提供基础涂层，使镁能够在减震塔等部件中使用。“涂层转化镁表面，其中大约50%的涂层生长到基材中，50%向外生长，”Hamblin解释说。“PEO本质上是一种多孔陶瓷层，我们也有能力应用底漆和面漆，以获得能够承受2,000多个盐雾小时的完整溶液腐蚀。”

可靠的材料供应

世界上大约80-90%的镁是在中国生产的，如果停止生产，就像奥运会期间发生的那样，镁的价格就会飙升。在汽车行业，供应商承诺签订多年期合同，并承诺每年降低成本。价格的大幅上涨可能（并且已经）对这些供应商造成破坏性影响，他们将从他们的材料选择中剔除镁。

在最近的新闻中，凯撒铝业公司宣布由于镁的严重短缺而导致停产（由美国镁业有限责任公司长达一年的短缺造成）。幸运的是，截至2022年9月，Kaiser已从替代供应商那里找到了稳定的镁供应，并得以恢复生产[6]。在这种情况下，镁被用作铝板合金生产中的关键强化元素。

锻造级镁还有其他供应链问题。锻造原料通常需要与铸造中常用的商品材料不同的清洁合金。由于目前对镁锻件的需求较低，因此锻件生产不频繁。

有竞争力的报价

在汽车和其他市场，客户需要询价多个供应商来降低风险并确保他们获得公平的价格。在压铸领域，有多家知名的Tier1供应商，包括Meridian、SpartanLight Metal Products、Aludyne、GFCastingSolutions、Linamar。然而，在锻造方面，生产商要少得多，而且大多数都瞄准高端市场，例如航空航天。数量有限的生产商给汽车客户带来了重大风险。

镁锻件

锻造材料比铸件更优质，因为它们具有更好的性能，从而带来更好的性能。这使得锻造更适合于面对更高机械载荷的部件。一般来说，锻造零件也往往比铸件更厚，尺寸更小。

镁锻件是由锻坯制成的，锻坯基本上是一根棒或杆，被放入锻压机中，然后被压缩成所需的形状。由于所有坯料都将成为最终锻件的一部分，因此每一英寸锻造坯料都需要具有正确的化学成分，甚至是表面。有两种类型的锻坯——铸态锻坯或挤压锻坯。铸态锻造原料不太理想，因为铸造原料往往具有孔隙率，这会导致薄弱点。铸坯也必须进一步加工，以获得正确的性能。“铸态镁锻件需要在锻造前进行全面机加工、均质化和超声波检测，”美国镁公司的Rick DeLorme解释说[7]。“必须注意降低应变和应变率，同时注意在初始镦锻期间保持温度以呈现锻造结构。”

因此，通常使用挤压锻造坯料。在这种情况下，将铸造镁坯挤压成棒材以生产原材料[8]。通过对铸造材料进行机械加工，例如将其推入挤压模具，锻坯将具有更少的孔隙率和更好的整体性能，从而产生更好的锻造部件。

在北美，只有三个供应商专门生产挤压镁锻件。位于俄亥俄州Euclid 的Magnesium USA为各种行业生产镁挤压件和铸件。该公司生产的锻造级合金之一是AZ80-T5，其极限抗拉强度为345MPa，屈服强度为262MPa，延伸率为6%[9]。

位于科罗拉多州丹佛市的MagSpecialties生产四种锻造原料合金：AZ31B（具有中等强度的良好可锻性）、AZ61A（较高强度）、AZ80A（高强度和可热处理）和ZK60A（最高保证最低强度和较高延展性）[10]。

位于俄亥俄州代顿的ALLITE,Inc.是另一家镁锻坯专业生产商。该公司的ZE62锻造级合金的极限抗拉强度为350MPa，屈服强度为303MPa，延伸率为21%[11]。

另一个主要考虑因素是锻造镁部件在车辆设计寿命（通常为15年）内承受的弯曲和弯曲（或疲劳）载荷。随着时间的推移，疲劳载荷会导致零件失去强度。悬架部件承受高疲劳载荷，副车架也是如此。（尽管应该指出，对于仪表板或后提升式门内使用的压铸件而言，疲劳并不是一个大问题。）疲劳的一个限制因素与孔隙率或污染物有关，例如氧化物。这些是疲劳开始和裂纹开始形成的点。因此，疲劳驱动的锻件需要高质量、纯净的金属，而这不能轻易地从Pidgeon加工合金中获得。

由于测试需要大量循环，因此在最终部件中实现正确的疲劳性能可能代价高昂。为了了解材料的疲劳强度，工程师会反复来回弯曲试件，直到它断裂。疲劳测试可以持续10,000 到100,000次循环，这需要很长时间并且由于机器使用成本而使其成为一项昂贵的测试。因此，许多材料开发人员试图避免它。然而，这会将风险转移给用户，用户必须对疲劳寿命做出安全的假设。

案例研究：汽车悬架臂

2018年，由滑铁卢大学硕士生Talal Paracha领导的一个有能力的团队研究了汽车悬架臂中的锻造镁与基线铸件的比较[8]。其他团队成员来自CanmetMATERIALS、AutomotivePartnership Canada、MultimaticTechnical Center和FordMotor Company. 后两者对于这个开发项目尤为重要，因为福特提供了组件的关键规格，而MultimaticTechnicalCenter是一家备受推崇的一级供应商，掌握锻造汽车组件并拥有满足控制要求的知识库手臂设计。该项目历时五年完成，其设计最终获得了2021 年国际镁协会(IMA)锻造产品卓越奖[12]。

在生产控制臂的锻造工艺开发过程中（图1），对锻造温度、锻造速率和材料流的影响进行了模拟和优化。锻造条件经过多次迭代，以便更好地了解各种参数——摩擦、应变率和其他条件——需要“调入”这些参数才能使镁锻造在商业上取得成功。为了确保前下控制臂能够很好地适应汽车部件所处的恶劣环境，研究团队还开发了涂层技术来提高部件的耐腐蚀性能。

图1.控制臂的锻造顺序8

该项目促成了高性能锻造镁制前下控制臂的开发（图2）。与同类铸铝产品相比，控制臂的重量减轻了37%（锻造镁版本为1.53千克，而铸铝基准版本为2.43千克），同时还满足了OEM的性能要求。这一性能已通过全面的刚度和耐久性测试得到证实。

图2.锻造镁悬架臂（来源：IMA）

自该项目完成以来，滑铁卢大学的Andrew Gryguc领导的项目继续对前下控制臂进行疲劳测试研究[13]。与之前的项目一样，该疲劳测试研究得到了CanmetMATERIALS、AutomotivePartnership Canada、Multimatic技术中心、CenterlineWindsor和福特的支持。

目前尚不清楚前下控制臂是否已经进入商用。然而，一项于2022年完成的悬架组件研究表明，这些组件中并没有镁合金应用[14]。在94辆汽车的研究中研究的前下控制臂中，10%是铸铝，24%是锻铝，大部分是焊接钢。

除了案例研究中介绍的锻造镁悬架臂外，许多其他部件也可以为使用锻造镁部件提供良好的机会。一旦开发出坚固的防腐蚀涂层，镁锻件可用于变速箱和盖板、混合挤压副车架的角节点、EV电池箱中连接挤压件的角节点、白车身的框架节点，转向柱、悬架臂和连杆。然而，应该注意的是，轻量化通常发生在从一种材料到另一种材料（即钢到铝、铝到镁等）。在使用相同合金的同时优化性状（如使用镁锻件代替镁铸件的情况）要少见得多。

镁锻件的未来

镁有可能在汽车工业中发挥关键作用。“在我看来，镁是一种被严重低估的材料，”位于德国阿伦的欧洲镁电子研究协会常务董事ChristophSchendera说[15]。“它不仅是铝工业提高强度、韧性和耐蚀性的最重要合金元素，镁还是与铝、高强度钢或纤维增强塑料结合实现理想轻量化结构的重要材料。”

Schendera补充说：“由于铝和镁的物理和机械材料特性、加工性和可回收性，它们代表了现代轻量化结构中的理想材料组合。但是我们还没有设法相应地建立镁。镁也没有得到政策制定者所需的支持，我们看到中国正在形成镁垄断。”

尽管今天镁不受青睐的原因有很多，但本文介绍的案例研究表明，在困难的、安全关键的汽车应用中，镁的轻量化具有巨大的上升潜力。目前存在的先有鸡还是先有蛋的情况是，原始设备制造商不要求镁锻件，因此市场没有创新和开发镁锻件的解决方案。然而，由于如此多的镁用于合金化铝和钢，仅此一项就应该成为发展本地供应的动力，这将为从那里开发和构建进一步的应用提供机会。

References

• Bray, Lee, “Magnesium Statistics and Information,” USGS, September 2021.
• “Steering Wheels,” Autoliv.
• Abraham, Abey, “Automotive Materials in an Electrified World,” Ducker Inc, IMA, August 24, 2021.
• Balzer, Jason S., and Vladimir V. Bogachuk, “Thin-walled magnesium diecast shock tower for use in a vehicle,” Ford Global Technologies LLC, March 9, 2015.
• Email with Matt Hamblin, Keronite Group Ltd., September 15, 2022.
• “Kaiser Warrick Calls Off Force Majeure Thanks to New Magnesium Supplier,” Aluminium Insider, September 22, 2022.
• Conversation with Rick DeLorme, Steven Barela, and Josh Caris, Terves/Magnesium USA.
• Paracha, Talal, “Modelling of the Forging Process for a Magnesium Alloy Automotive Control Arm,” University of Waterloo, April 30, 2018.
• “Products,” Magnesium USA.
• “Products,” Mag Specialties.
• “How does Allite Super Magnesium Compare to Other Materials?,” Allite, Inc.
• “Die Forged Magnesium Automotive Front Lower Control Arm,” IMA, 2021.
• Gryguc, Andrew, “Fatigue of Forged AZ80 Magnesium Alloy,” University of Waterloo, 2019.
• Halonen, Andrew, “Suspension & Brake Caliper Material Study,” 2022.
• “Magnesium is criminally underestimated (Part 1),” ALUMINIUM 2022, Dusseldorf, Germany, January 12, 2022.