在節(jié)能減排和性能提升的雙重推動(dòng)下，汽車輕量化已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。汽車輕量化能夠有效改善燃油經(jīng)濟(jì)性、減少污染物和降低汽車碳排放，汽車行業(yè)為此付出了諸多努力。
汽車輕量化概述
在《中國(guó)制造2025》關(guān)于汽車發(fā)展的整體規(guī)劃中，強(qiáng)調(diào)了“輕量化仍然是重中之重”。“輕量化”已成為國(guó)家的重要戰(zhàn)略，越來越多的研究機(jī)構(gòu)和汽車企業(yè)將其研究工作的重點(diǎn)放在汽車輕量化上，汽車輕量化已經(jīng)成為世界各國(guó)汽車制造商最新核心競(jìng)爭(zhēng)力的體現(xiàn)。
當(dāng)前，新能源汽車被列為“國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)”，國(guó)家也密集出臺(tái)了多項(xiàng)扶持新能源汽車發(fā)展的相關(guān)政策，在此背景下，我國(guó)的新能源汽車產(chǎn)業(yè)駛?cè)肟燔嚨?。研究結(jié)果表明，新能源汽車車身質(zhì)量、電池能量密度與續(xù)駛里程存在重要的關(guān)系，其中整車輕量化以提高電池能量密度是提高續(xù)駛里程和降低生產(chǎn)成本的基本技術(shù)方案。
汽車輕量化已成為傳統(tǒng)汽車和新能源汽車領(lǐng)域的共性技術(shù)。但新能源汽車搭載了“三電”系統(tǒng)和大量智能化設(shè)備，相對(duì)傳統(tǒng)汽車增重比較大，因而對(duì)輕量化的需求更為迫切，甚至對(duì)輕量化的要求更高。
汽車輕量化有結(jié)構(gòu)、材料、工藝三條技術(shù)路徑，其中，設(shè)計(jì)是龍頭，材料是基礎(chǔ)，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(biāo)，但輕量化發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)依然廣泛存在，而解決挑戰(zhàn)的重中之重在于如何實(shí)現(xiàn)持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新。汽車輕量化技術(shù)是在考慮生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率的前提下，汽車整車和零部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化創(chuàng)新和輕質(zhì)材料的應(yīng)用，以及由此帶來的裝備和工藝創(chuàng)新。
汽車輕量化并非簡(jiǎn)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(zhì)量，而是在保證汽車性能的前提下，在減重、性能、節(jié)能和成本之間尋求平衡。這需要主機(jī)廠和系統(tǒng)供應(yīng)商相互配合進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，對(duì)材料、制造工藝和應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行全面分析，以實(shí)現(xiàn)在給定的邊界條件下實(shí)現(xiàn)所需要的功能，因此汽車輕量化是一個(gè)系統(tǒng)工程。
汽車輕量化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)該是不同材料、不同專業(yè)的優(yōu)勢(shì)集成，而汽車輕量化材料隨著科技的進(jìn)步呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢(shì)。在質(zhì)量、強(qiáng)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(jī)遇和挑戰(zhàn)。
車用材料產(chǎn)業(yè)是汽車工業(yè)發(fā)展的有力支撐，車用輕質(zhì)材料是行業(yè)未來發(fā)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(dǎo)電性、導(dǎo)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(yīng)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(guó)鎂資源豐富，原鎂產(chǎn)量世界第一，開發(fā)鎂合金在汽車上的應(yīng)用有得天獨(dú)厚的綜合優(yōu)勢(shì)。雖然我國(guó)對(duì)鎂合金的研發(fā)尚處于初期階段，但是成本優(yōu)勢(shì)及本土市場(chǎng)規(guī)模優(yōu)勢(shì)將是我們大力開發(fā)鎂合金應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)力。
總之，汽車輕量化是系統(tǒng)工程，它以整車性能、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、價(jià)格等因素為前提條件，綜合考慮了集設(shè)計(jì)、材料和加工成形技術(shù)為有機(jī)整體，也是衡量一個(gè)國(guó)家汽車技術(shù)水平的關(guān)鍵。
我國(guó)鎂產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
鎂合金是目前實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有較高的比強(qiáng)度和比剛度以及優(yōu)良的阻尼性、切削加工性、導(dǎo)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(fèi)類產(chǎn)品的首選輕量化迭代材料，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”。
我國(guó)的原鎂產(chǎn)量居世界首位，是“鎂”的資源大國(guó)、生產(chǎn)大國(guó)和出口大國(guó)，但產(chǎn)業(yè)發(fā)展極不平衡，鎂合金材料的應(yīng)用嚴(yán)重滯后，加快鎂材料的開發(fā)和應(yīng)用對(duì)其可持續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。
作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂合金的未來市場(chǎng)必然會(huì)與鋁產(chǎn)生很大的交集甚至競(jìng)爭(zhēng)，鎂和鋁有較強(qiáng)的可比性。兩種材料的年產(chǎn)量及發(fā)展如圖1所示，2019年中國(guó)原鋁產(chǎn)量是原鎂的37倍，中國(guó)鎂業(yè)的體量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋁。
圖1 我國(guó)歷年原鋁、原鎂的產(chǎn)量
我國(guó)鎂行業(yè)最大的消費(fèi)領(lǐng)域是冶金領(lǐng)域。在此領(lǐng)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(guó)原鎂產(chǎn)量約97萬t，國(guó)內(nèi)消費(fèi)量48.5萬t，其中冶金領(lǐng)域消費(fèi)31.3萬t，工程應(yīng)用領(lǐng)域（依次為交通工具、3C產(chǎn)品、國(guó)防等）消費(fèi)16萬t。
上述數(shù)據(jù)說明，我國(guó)鎂作為工程材料應(yīng)用才剛剛起步，如何通過全面創(chuàng)新提高鎂合金產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，大幅度提升鎂在工程領(lǐng)域的應(yīng)用是迫在眉睫的問題，而汽車輕量化則為我國(guó)鎂業(yè)提供了巨大的發(fā)展機(jī)會(huì)。
當(dāng)前，汽車行業(yè)的鎂合金零備件大部分采用壓鑄工藝生產(chǎn)，例如殼體、支架類零件。由于鎂合金是密排六方晶格結(jié)構(gòu)，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(yīng)用遠(yuǎn)少于鑄件，但采用鍛造工藝生產(chǎn)的鎂合金輪轂鍛已開始少量應(yīng)用。因此，開發(fā)新的變形鎂合金和塑性加工新工藝是鎂業(yè)的長(zhǎng)期目標(biāo)，生產(chǎn)高質(zhì)量的板、棒、管、型等加工材是未來更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。可以預(yù)見，隨著鎂合金塑性加工技術(shù)和成本瓶頸的逐漸突破，鎂合金加工材在汽車輕量化領(lǐng)域有巨大的發(fā)展空間。
雖然我國(guó)鎂產(chǎn)業(yè)在國(guó)際地位、產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)水平等方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但綜合來看，我國(guó)鎂行業(yè)仍面臨企業(yè)數(shù)量多、規(guī)模小、布局分散、技術(shù)裝備水平參差不齊以及專業(yè)和管理人才短缺等問題，當(dāng)前的鎂合金及其加工產(chǎn)品還不足以支撐下游市場(chǎng)大規(guī)模應(yīng)用的需求。因此，中國(guó)鎂業(yè)需要進(jìn)一步調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí)，向著產(chǎn)業(yè)集群化、規(guī)?；?、專業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化等方向發(fā)展。
未來汽車市場(chǎng)對(duì)鎂合金材料
有巨大的需求
1. 未來汽車市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)
2016年，我國(guó)節(jié)能與新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)發(fā)布的節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖中預(yù)計(jì)，我國(guó)新能源汽車單車使用鎂合金量2030年將達(dá)到45kg。據(jù)行業(yè)專家預(yù)測(cè)，在2030年，我國(guó)汽車總產(chǎn)量將達(dá)到3800萬～4000萬輛，新能源汽車總產(chǎn)量將達(dá)到汽車總產(chǎn)量的40%～50%。按年產(chǎn)1500萬輛保守估算，我國(guó)2030年新能源汽車使用鎂合金總量將達(dá)到67.5萬t，如果加上燃油汽車，則使用量更高，預(yù)計(jì)達(dá)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(yù)計(jì)為汽車使用量的2倍，屆時(shí)汽車行業(yè)對(duì)鎂合金的年需求量將達(dá)200萬t，這僅僅是內(nèi)需。
2. 鎂產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及對(duì)策
汽車行業(yè)未來對(duì)鎂合金材料的需求將給我國(guó)鎂業(yè)帶來很大的發(fā)展空間。如前所述，我國(guó)工程應(yīng)用中鎂的年消費(fèi)量還不足20萬t，以此按工藝推算，我國(guó)鎂合金材料的年產(chǎn)生產(chǎn)能力應(yīng)該不足40萬t。根據(jù)汽車行業(yè)對(duì)鎂合金材料的消費(fèi)需求預(yù)測(cè)，到2030年，我國(guó)鎂合金的年生產(chǎn)能力必須擴(kuò)大到當(dāng)前的5倍，考慮到其他應(yīng)用領(lǐng)域也在同步增長(zhǎng)，實(shí)際年生產(chǎn)能力可能要遠(yuǎn)大于此。
由此可以預(yù)測(cè)，僅就汽車行業(yè)的需求而言，在不到10年的時(shí)間里，我國(guó)鎂合金的年生產(chǎn)能力需要持續(xù)增長(zhǎng)到當(dāng)前至少5倍的規(guī)模，考慮到廢料回收和再利用，實(shí)際可能要略小于這個(gè)數(shù)字。
汽車輕量化將給我國(guó)鎂產(chǎn)業(yè)帶來很大的發(fā)展機(jī)遇，但同時(shí)又是巨大的挑戰(zhàn)。為了滿足未來快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，我國(guó)鎂業(yè)不僅要解決鎂合金的產(chǎn)能問題，更是要解決整個(gè)鎂產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)動(dòng)帶來的系統(tǒng)問題，這就需要鎂產(chǎn)業(yè)不斷調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，充分做好向汽車、軌道交通等領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級(jí)的布局和實(shí)施方案。與此同時(shí)，我們要集中各方力量解決鎂合金在汽車應(yīng)用上的關(guān)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(shù)等方面的開發(fā)力度。
總之，汽車輕量化發(fā)展與鎂合金材料的應(yīng)用必將在鎂產(chǎn)業(yè)鏈上產(chǎn)生強(qiáng)烈的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，上下游企業(yè)需要密切合作，以緊跟全球汽車輕量化的發(fā)展步伐。
鎂合金廢料回收
及再生利用產(chǎn)業(yè)的閉環(huán)發(fā)展
從節(jié)能、節(jié)約資源、環(huán)保等方面看，廢料回收及再生利用是時(shí)代的要求。目前，我國(guó)鎂行業(yè)在鎂合金廢料回收及再生利用領(lǐng)域還沒有形成完善的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用的不斷發(fā)展，鎂合金廢料量也越來越大，鎂合金廢料回收及再生產(chǎn)業(yè)的閉環(huán)發(fā)展必將要提到議事日程上來，如圖2所示。
圖2 鎂產(chǎn)業(yè)鏈廢料回收及再利用閉環(huán)發(fā)展
鎂合金廢料直接重熔將顯著增加產(chǎn)品的雜質(zhì)含量，進(jìn)而影響其性能。隨著對(duì)鎂合金加工產(chǎn)品的要求越來越高，未來將由專業(yè)化的處理廠按照嚴(yán)格的工藝規(guī)范進(jìn)行鎂的回收及處理，以去除分型劑、氧化物和金屬雜質(zhì)等不純物，使廢料的品質(zhì)經(jīng)回收再生后達(dá)到再利用合金錠的水準(zhǔn)，這往往是衡量鎂行業(yè)是否具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素。
對(duì)于鎂廢料的回收及再生利用，今后研究開發(fā)工作的重點(diǎn)是：
開發(fā)有效的雜質(zhì)去除技術(shù)和建立質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。
開發(fā)從復(fù)合材料和異種材料組合的廢料中分離金屬的技術(shù)。
建立更廣泛的廢棄料分級(jí)及經(jīng)濟(jì)回收的社會(huì)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(xiǎn)杠內(nèi)的填充材料。發(fā)泡合金對(duì)于材料的品質(zhì)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(fā)表，歡迎聯(lián)系小編索取。
編輯： 暢 達(dá)
