镁合金在摩托车与自行车上应用

  镁及镁合金的优点多多，但也有些不尽人意的地方，它的主要优点是：资源丰富，生产的基本工艺成熟；密度低，是最轻的结构材料；减震性强，是制造交通运输装备的上乘材料；等等。2023年6月1日，工信部发布“关于征集重点新材料首批次应用示范指导目录修订意见的通知”，通知称，根据《关于开展重点新材料首批次应用保险补偿机制试点工作的通知》（工信部联原（2017）222号）等有关文件要求，我司拟组织修订《重点新材料首批次应用示范指导目录（2021年版）》（附件），现向贵单位征集修订意见和建议。其中多项涉及镁材料：镁合金车轮、高性能镁合金挤压材、大型薄壁复杂结构轻质合金熔模精密铸件—锻造镁合金、镁合金切削液。

  中国工程院院士潘复生更是不无感慨地说，在当前“双碳”目标大背景下，镁产业更是遇到了千载难逢的发展机会，希望能够通过大家的努力，让镁产品走进千山万水。当前，镁合金的世界研究已从美国、俄罗斯转移到中国，1999年中国原镁产量达到120.7 kt，超过美国的75 kt与加拿大的73.1 kt，变成全球第一大生产国以后，就会一直延续下去，谁也撼不倒了。2007年，潘复生教授组建了重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心，；稍后上海交通大学丁文江院士牵头组建了又一个世界性的镁合金研究中心；中国科学院沈阳金属研究所也早在镁合金研究领域有着突出贡献。他们形成了中国镁研究三足鼎立之势，为实现中国“镁”梦踔厉奋发勇毅前行。

  目前应用最广泛的电池是锂电池，但其不足之处是资源贫乏和安全性较差，但镁电池不但资源丰富、成本低、安全性高，而且燃料密度与锂电池的相当，所以镁电池有可能取代锂电池。

  在能源转型中，H2是最具发展的潜在能力的，但H2的储运并非易事，当下使用高压气瓶储运或是以液H2形式储运，但都很难保证安全，若用Mg储氢则安全得多，在所有固态储氢材料中，Mg是储氢密度最高的，约为气态H2密度的1000倍，液态H2的1.5倍，Mg储氢还可以纯化H2，从Mg中释放的H2的纯度可达到6N，实现灰H2、蓝H2向绿H2转变；另外，Mg储H2是在常温常压状态下，成本低，且安全性远高于高压气态和液态储运的。Mg储氢技术一旦规模化、商业化，将彻底改变传统储能方式，对能源转型特别是对H2能源战略的实施和早日实现双碳目标意义重大。

  镁晶体为密集六方晶格，其晶体结构和原子外层的电子构造决定了镁及镁合金的物理化学性能（表1）。Mg晶体只有3个几何滑移系和2个独立滑移系，而铝晶体的分别为12个和5个，因此，Mg的室温变形相当困难，塑性低，韧性差。

  以镁合金特别是以中国新开发的镁合金如上海交通大学的JDM系列镁合金制造摩托车发动机车轮、减速器、后扶手及减震系统零部件等，不仅能减轻整车质量，提高车的加速和制动性能，还能降低行驶震动、油耗及噪声，油耗下降了，温室气体排放也就相应减少了。由于镁合金拥有非常良好的减震性能，在驱动系统和传动系统中采用镁合金取代其他材料制造零部件，能大大的提升驾乘舒适性，同时有利于镁的回收利用。几种材料的性能比较见表2。由表中的数据可见，镁合金有低的密度、高的比强度和高的减震系数。它的减震系数为铝合金的12倍～15倍，为铸铁的3倍～3.53倍。镁合金的弹性模量E较低，当构件受到较大外界的力的作用时，易产生较大的变形，从而使受力构件的应力分布更为均匀，在一定场合下有利于避免过高的应力集中，在弹性范围内，当受冲击力时，所吸收的能量比铝的约高50%。

  镁合金具有优秀的可切削性能，其可削速度大于其他金属的，如以切削镁合金的所需功率为1，则铝合金的为1.8，铸铁的为3.5，低碳钢的为6.3。镁合金的散热快，抗电磁干扰能力强以及吸振性能好等，使其在计算机、电子，通信等领域获得愈来愈普遍的应用。

  镁及镁合金废料具有很好的可回收性，但在使用、回收过程中总会发生腐蚀与机械损耗，回炉量能达到投用零部件、结构件质量95%就是最高的了。

  摩托车车轮是产量最大的镁合金结构件，中国威海万丰镁业科技发展有限公司生产的摩托车车轮如图1所示，基本的产品还有汽车车轮、卡丁车车轮及配件、镁合金壳体、汽车发动机配件等。产品主要向美国、德国、意大利、澳大利亚等出口，为国际著名的宝马汽车公司（BMW）、MV、CAGIVA等摩托车赛车生产公司配套。万丰镁业科技发展有限公司成立于2002年，专门从事镁合金材料及其零部件的生产与研发。

  用镁合金制造摩托车发动机、车轮、减速器、后扶手与减震系统部件等，不仅能减轻整车质量、提高整车加速和制动性能，还能减轻行驶震动，提高乘坐舒适感。

  欧洲于20世纪30年代后期即开创镁合金在摩托车上应用，欧洲人崇尚运动，经常举行摩托车赛。1938年英国伯明翰市一家镁业公司用镁合金制造“全星”摩托车变速箱壳体。1939年英国AJS公司的“超级动力”摩托车赛车曲轴箱为镁合金的，20世纪70年代后期欧洲开始用镁合金制备摩托车车轮、制动盘、离合器外壳等，到80年代，摩托车镁合金零部件数量多达五六十种，涵盖了发动机系列、传动系统、悬挂系统、框架以及各类附件等。其中意大利的阿古斯塔摩托车（MV Agusta）最精美，用的镁合金零部件最多，层次也更高。

  英国有世界最多的摩托车制造公司，用的镁合金也是最多的，比尔公司（Buell）2002年生产的“霹雳XB9R”型摩托车的前灯梁、头灯壳、仪表盘以及诸多电镀件和装饰件都是用镁合金制备的。

  日本摩托车上的镁合金零部件都是按欧美标准与工艺制备的，最早也是从发动机入手，再伸展到其他系统。最成功的范例是川崎重工业公司（Kawasaki）的ZX系列，ZX─6发动机采用镁合金汽缸、机油箱面板、离合器盖、油泵盖，整个发动机减重4kg。本田汽车公司的RC51系列的发动机部件，含离合器盖、气缸盖、左右曲轴箱盖、后轮悬架、机油箱和隔板、油冷器阀门盖等都是用镁合金打造的。

  摩托车材料技术发展的一个重要方向是开发轻合金的应用，以降低车的净质量与油耗，减少CO2排放。当前，镁合金大多数都用在制造发动机箱体，箱盖、消声器、车轮及一些覆盖件等。

  中国摩托车产业发展迅速，早已成为世界摩托车产销大国和行业引领者。1997年中国摩托车突破1 000万辆，占世界总产量的近44%，不过那时的技术水平与国际先进水平还有一些差距，例如2冲程和4冲程车约有50%不能直接达到欧洲Ⅰ号排放标准，而且振动与噪声也不尽人意。经过近3 a的努力，这些问题都一一得到解决，中国摩托车的各项指标都能满足严格的检测。

  重庆镁业科技股份有限公司承担了镁合金在摩托车上应用的“十五”国家科技攻关专题研究，以自主知识产权的核心技术体系为主，成功研发出LX150的“镁合金绿色概念摩托车”（图2），其发动机曲轴箱体、箱盖及前后车轮、尾盖、后扶手等12个零件都是用镁合金制的，车轮质量下降3kg，整辆车质量减轻约6kg，车的CO2、NOx排放量降低70%，均比欧洲Ⅰ号标准的排放还低。该车的推向市场引起了全球的广泛关注，同时也引领着绿色环保车的发展，发动机左右曲轴箱体、箱盖、尾盖、前后车轮、后制动盖及后扶手等都是用镁合金制的。重庆隆鑫摩托车公司和力帆摩托车公司是中国较大的摩托车制造企业，总产量超过800万辆/a。

  镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金，在摩托车上应用的以前者为主，约占80%以上，同时这些企业以生产汽车镁合金零部件为主，如上海乾通汽车附件公司，还从德国引进了技术与装备；南京华宏有限公司压铸厂等。摩托车产业宜着重开发镁合金的应用，现阶段镁合金主要用来制造发动机箱体、箱盖、消声器、车轮、覆盖件等。

  摩托车常用的镁合金主要是铸造合金，如AM、AZ、AS系列合金，其常规化学成分见表3，由于Al能提高镁合金的铸造性能、强度和抗蚀性，从而成为压铸镁合金的主要合金化元素，一般含量为3%～9%；Mn能提高镁合金的抗蚀性。

  镁合金是一种不错的自行车材料，不仅质量轻、刚度大，加速性及稳定性高，而且可吸收冲击，骑行轻快舒适，不易疲劳。用镁合金制造的零部件主要是车轮、车把夹、脚踏板、制动器、前把、框架等十几个零部件。国外的著名自行车制造公司：基利（Kili）、安农达尔（Annondale）、皮纳雷洛（Pinarello）、帕克塔（Pakerta）、萨拉塞姆（Saracem），其中皮纳雷洛公司是全球三大自行车制造企业之一，帕克塔公司生产的38cm型镁合金自行车框架仅1190g。20世纪90年代初，柯克公司（Kirk）压力铸造自行车车架，但车架焊缝疲劳强度与可靠性不达标，但经过几年的改进，取得了可喜的成就，焊件性能达到了高的稳定值，可批量生产很多类型的镁合金自行车架。

  中国从1999年研发镁合金在自行车上的应用，几年以后就生产出了最低质量只有8kg的镁合金自行车。台湾省可大量生产镁合金跑车、登山车、折叠车等，生产的折叠车的质量最低只有6.4kg。北京首特钢远东镁合金公司是中国首家批量生产镁合金自行车的企业，从德国富来公司引进了大型冷热室压铸机，压铸自行车的整体车架、接头及关键零部件，所生产的名为“运动美”的自行车多次送到国家自行车检测中心进行检测验证，并顺利地通过了认证（图3、4）。

  上海交通大学轻合金精密成形国家工程中心（上海美格力轻合金有限公司）研制的山地自行车的车架和车轮都是镁合金的，轻便型车自身质量仅8kg，最重的前后避震整体车架也仅15kg。

  中国是天下最大的自行车产销国，2023年的生产能力估计已达1.2亿辆，车架和两个车圈若用镁合金代替铝合金，质量可从原来的3.12kg减至2.08kg，减重1.04kg，减重十分显著，但车的价格略有上升。

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