Un matériau clé pour l'allègement automobile : avantages, défis et avenir des alliages de magnésium [Analyse SMM]

1 Les alliages de magnésium propulsent la transformation de l'industrie automobile grâce à leurs avantages en allègement

Avec les progrès rapides de l'industrie automobile, la sécurité énergétique et les économies d'énergie ainsi que la réduction des émissions sont devenues des questions centrales pour le développement durable du secteur. L'allègement automobile, en tant que voie critique pour améliorer les performances des véhicules et créer de la valeur pour les utilisateurs, joue un rôle irremplaçable et vital. Les principales approches pour réaliser l'allègement automobile incluent :

1. L'optimisation structurelle, telle que l'adoption d'une conception intégrée ;

2. L'application de matériaux avancés, comme les alliages d'aluminium et les alliages de magnésium ;

3. L'introduction de procédés de fabrication avancés, tels que le soudage par friction-malaxage et la technologie de soudage laser ;

4. L'intégration de nouvelles technologies, comme les systèmes de démarrage-arrêt à batterie lithium.

Les matériaux constituent la base de l'allègement. En choisissant des matériaux à faible densité, à haute résistance statique, à module élastique élevé et à excellente résistance à la fatigue, le processus d'allègement peut être avancé à différents niveaux. Par conséquent, l'alliage de magnésium, en tant que matériau d'allègement avancé, devient progressivement un choix important dans l'allègement automobile.

2 État de l'utilisation du magnésium dans l'industrie automobile
2.1 Tendances du développement technologique
Le « Plan directeur de la technologie pour les véhicules économes en énergie et les véhicules à énergie nouvelle 2.0 » indique clairement que la Chine promouvra vigoureusement l’application des matériaux en alliage de magnésium dans le domaine automobile et a fixé des objectifs clairs pour l’utilisation de magnésium par véhicule : atteindre 15 kg en 2020, 25 kg en 2025, et augmenter jusqu’à 45 kg en 2030.

Cependant, malgré les progrès continus des technologies d’alliages de magnésium, leur application pratique à grande échelle et leur efficacité restent en deçà des attentes.

À ce jour, l’utilisation moyenne maximale d’alliage de magnésium par véhicule en Chine est d’environ 19 kg, réalisée par Seres (SaiLisi) Motors. Actuellement, Baowu Magnesium a coopéré avec Seres pour promouvoir conjointement l’application des alliages de magnésium dans l’allègement automobile. Les deux parties utiliseront les capacités de recherche et développement de Boao Magnesium & Aluminium pour accélérer la promotion et l’application de composants en alliage de magnésium dans les modèles de production de masse, soutenant ainsi la mise à niveau technologique de l’allègement des véhicules à énergie nouvelle.

Parallèlement, le secteur des véhicules utilitaires progresse également dans l’application pilote des alliages de magnésium. Le deuxième lot de semi-remorques allégés en alliage de magnésium développés conjointement par l’Université Jiaotong de Xi’an et le Groupe Shaanxi Automobile a accumulé plus de 30 000 kilomètres au cours de plus de trois mois d’essais. Avec une performance excellente et un fonctionnement stable, ils ont pleinement démontré le potentiel d’application des matériaux en alliage de magnésium. Ces semi-remorques adoptent une conception légère pour la caisse et un châssis en alliage d’aluminium, permettant une réduction de poids de 800 kg lors de la première phase de développement, avec une consommation d’alliage de magnésium par véhicule atteignant 800 kg.

Dans l’ensemble, la technologie des alliages de magnésium se développe rapidement, mais son application à grande échelle nécessite encore plus de vérifications par tests et une promotion coordonnée de divers facteurs. En regardant la structure de consommation en aval, le secteur des transports représente déjà 60 % de la consommation d’alliages de magnésium et deviendra la direction de croissance la plus importante pour les alliages de magnésium à l’avenir.

2.2 État d’utilisation et perspectives futures
En termes d’utilisation moyenne, les grandes pièces moulées en alliage de magnésium sont actuellement principalement envisagées pour les véhicules particuliers électriques dont le prix dépasse 100 000 yuans. Par exemple, NIO et XPeng Motors utilisent des longerons transversaux en alliage de magnésium (CCB) dans presque tous leurs modèles, avec une consommation d’environ 5 kg ; BYD ne les emploie que sur certains modèles haut de gamme, tandis que Chery Motors en est encore à la phase de R&D et de promotion initiale.

Une analyse sectorielle complète estime que d’ici 2025, la consommation moyenne de magnésium par véhicule particulier électrique neuf vendu moins de 200 000 RMB atteindra 4,4 kg, alors que les modèles au-dessus de 200 000 RMB devraient atteindre 12,35 kg. À titre de comparaison, la consommation moyenne de magnésium par véhicule thermique reste relativement faible, autour de 1,46 kg. Le taux de pénétration global de l’usage du magnésium dans l’automobile devrait se situer autour de 30 %, avec une tendance rapide à la hausse. Au rythme actuel, d’ici 2030, ce taux de pénétration devrait atteindre 85 %, soit une croissance multiplicative.

2.3 Composants principaux et caractéristiques techniques
Actuellement, le champ d’application des composants en alliage de magnésium dans l’automobile ne cesse de s’élargir, principalement réparti en quatre catégories : intérieur, carrosserie, châssis et transmission. Les applications intérieures typiques incluent les structures de sièges, les cadres de tableau de bord (IP), les supports de console centrale et les panneaux arrière d’écrans LCD ; les applications du groupe motopropulseur comprennent les carters d’e-drive, les couvercles de moteur, les boîtes de vitesses et les carters d’huile ; les applications du système de châssis incluent les roues, les volants et les subframes.

Voici les principales applications produits et leurs caractéristiques techniques :

CCB (Cross Car Beam)
Largement utilisé par de nombreux constructeurs mondiaux, avec diverses stratégies de conception selon les exigences de performance et d’intégration. Ce composant adopte une structure intégrée allégée, remplaçant les pièces soudées en acier traditionnelles, réduisant significativement le poids tout en répondant aux exigences d’installation multifonctionnelles. Son poids varie généralement de 3,6 à 4,8 kg, soit une réduction d’environ 3 kg par rapport aux CCB traditionnels.

Structure de siège
Les structures de sièges en alliage de magnésium offrent d’excellentes performances NVH et des avantages d’allègement, avec une forte intégration et une rigidité/résistance remarquables, répondant aux exigences d’usage courant et aux conditions extrêmes de collision. Actuellement, les cadres de dossier et de coussin de siège pour les rangées avant, deuxième et troisième ont atteint une application mature. Parmi eux, le cadre de dossier pèse environ 1,4 à 1,8 kg, le cadre de coussin environ 1,3 à 2,8 kg, et le support de siège arrière environ 3,5 à 5 kg. Globalement, cela permet une réduction de poids d’environ 20 kg.

Panneau de porte intérieur
Les hayons et portes battantes ont atteint la production en série en Amérique du Nord et sont appliqués dans plusieurs modèles OEM mondiaux grand public. Le panneau intérieur intégré de hayon en alliage de magnésium utilise la technologie de moulage sous pression à grande échelle, intégrant de multiples composants tels que les plaques de renfort de charnière, les plaques de renfort de panneau intérieur, les plaques de renfort de serrure et les plaques de renfort de vérin. Meridian a introduit pour la première fois domestiquement une technologie avancée de bilan thermique, utilisant une unité de moulage sous pression de 4 200 tonnes pour développer le plus grand panneau intérieur de hayon automobile en alliage de magnésium au monde, mesurant 1,4 m de haut, 1,7 m de large et 0,26 m de profondeur. Grâce à une conception structurelle intégrée à épaisseur variable, il élimine les plaques de renfort et inserts métalliques d’origine, intègre 54 pièces, réalise une réduction de poids de 21,3 % par rapport aux hayons en plastique, et pèse environ 5 à 7 kg.

Boîtier de groupe motopropulseur électrique
Le boîtier de transfert est un produit mature dont les performances acoustiques et vibratoires sont supérieures à celles des composants en aluminium. Le poids moyen est personnalisé selon le modèle de véhicule, permettant une réduction de poids globale d’environ 8 kg. Depuis le début de cette année, près de dix projets de boîtiers de groupe motopropulseur électrique en alliage de magnésium sont entrés en production de série, avec une utilisation par véhicule atteignant 15 à 30 kg.

3 Avantages d’application des alliages de magnésium
3.1 Avantage de prix significatif
Les prix mondiaux du magnésium primaire sont depuis longtemps restés dans une fourchette de fluctuation raisonnable par rapport aux prix de l’aluminium. Des estimations approximatives montrent que la substitution du magnésium à l’aluminium peut permettre une réduction directe des coûts d’environ 12 RMB par kg. De plus, les moules en alliage de magnésium ont une longue durée de vie et un faible coût, une bonne fluidité et une efficacité de moulage sous pression élevée, sont faciles à usiner avec une efficacité d’usinage CNC supérieure, ce qui entraîne des coûts globaux inférieurs d’environ 15 % à ceux de l’alliage d’aluminium.
Les données de janvier à août 2023 montrent que le prix moyen des alliages de magnésium était inférieur de 2 230 RMB/tonne à celui des alliages d'aluminium, et le ratio Mg/Al (lingot de magnésium/lingot d'aluminium) s'établissait en moyenne à 0,83.

3.2 Avantage stratégique des ressources en magnésium de la Chine
Le magnésium est l'un des éléments les plus abondants de la croûte terrestre, représentant environ 2,77 %. Les réserves de minerai de magnésium de la Chine représentent plus de 70 % du total mondial, incluant plus de 4 milliards de tonnes de ressources en magnésite-dolomite, et les ressources en sels de magnésium des saumures des lacs salés de l'ouest atteignent 6,003 milliards de tonnes. L'alliage de magnésium est le seul matériau métallique dont la Chine peut être entièrement autosuffisante, et c'est également une ressource stratégique nationale d'importance.

3.3 Double avantage en performance et procédé
La densité des alliages de magnésium est de 1,8 g/cm³, soit 30 % plus légère que l'aluminium ; la résistance spécifique atteint 191 σb/ρ, supérieure à celle de l'aluminium ; la rigidité spécifique est proche de celle des alliages d'aluminium. Ils possèdent également d'excellentes propriétés de réduction du bruit, d'amortissement et de blindage électromagnétique. En termes de procédé, les alliages de magnésium ont une bonne fluidité, adaptée aux pièces structurelles complexes à parois minces ; une faible résistance à la coupe et une bonne usinabilité réduisent significativement l'usure des outils. Avec les progrès continus de la technologie des matériaux, les alliages de magnésium ne cessent de progresser dans des propriétés telles que la résistance à la corrosion et au fluage à haute température, montrant des avantages plus complets par rapport aux alliages d'aluminium, à l'acier et aux plastiques, et présentant un énorme potentiel pour les applications d'allègement automobile.

3.4 Amélioration continue des procédés de moulage sous pression
Des procédés avancés tels que le moulage thixotrope semi-solide sont progressivement promus dans le moulage sous pression des alliages de magnésium. Ce procédé implique un intense brassage pour cisailler les dendrites primaires, formant une structure à grains sphériques, réduisant significativement la viscosité de la boue et améliorant la fluidité. Il offre des avantages tels qu'une haute précision, une bonne qualité, peu de défauts et une faible consommation d'énergie, fournissant un soutien solide pour l'application large des pièces moulées sous pression en alliage de magnésium.

4 Limites et défis du développement des alliages de magnésium
4.1 Risques inflammables et explosifs lors de la production nécessitant une protection supplémentaire
Les alliages de magnésium sont sujets à la combustion et même à l'explosion pendant la fusion et le traitement, imposant des exigences élevées en matière de sécurité de production. Ainsi, des procédés de coulée plus stables et des alliages de magnésium hautement résistants au feu doivent être développés pour améliorer la sécurité intrinsèque.

4.2 Chimiquement actif, faible résistance à la corrosion
Les alliages de magnésium sont très sensibles à la corrosion électrochimique et dépendent fortement de l’environnement d’utilisation et du traitement de surface. Actuellement, des méthodes de protection à bas coût (comme l’utilisation de fixations en aluminium) peuvent atténuer la corrosion locale, mais des technologies de résistance à la corrosion plus économiques et efficaces doivent encore être développées.

4.3 Coûts de recyclage élevés, production à faible teneur en carbone reste un défi
Le processus de recyclage des alliages de magnésium est complexe et énergivore, rendant difficile une production véritablement à faible teneur en carbone. Les méthodes actuelles se concentrent principalement sur l’amélioration de l’efficacité du recyclage par le recyclage en usine et le recyclage côté machine de moulage sous pression. Des entreprises industrielles comme Regal Magnesium promeuvent déjà des pratiques de production de magnésium à faible teneur en carbone, mais des percées importantes sont encore nécessaires pour des voies à grande échelle à faible teneur en carbone.

4.4 Cycle de développement long, investissement technique initial élevé
Le développement de composants en alliage de magnésium n’est pas une simple substitution de matériau; il nécessite une redéfinition structurelle et une adaptation des processus en fonction de leurs caractéristiques, ce qui entraîne des cycles de R&D longs et des coûts initiaux élevés. Avec l’amélioration des bases de données de matériaux, et l’augmentation des capacités de prototypage et de simulation, l’efficacité d’application des alliages de magnésium devrait augmenter considérablement, favorisant ainsi leur application à grande échelle.

5 Conclusion

Alors que l’industrie automobile continue d’avancer vers la réduction de poids et l’électrification, les alliages de magnésium deviennent progressivement l’un des matériaux clés en raison de leurs caractéristiques légères significatives, de leurs avantages en termes de ressources et de l’optimisation constante de leur rapport qualité-prix. Actuellement, bien que des défis persistent en termes de résistance à la corrosion, de processus de production et de recyclage, avec la promotion de procédés avancés comme le moulage semi-solide, l’amélioration des bases de données de matériaux et l’approfondissement de la R&D collaborative, la technologie d’application des alliages de magnésium progresse constamment. À l’avenir, stimulée par le soutien politique et la collaboration industrielle, l’application des alliages de magnésium dans les véhicules à énergie nouvelle, les modèles haut de gamme et même les véhicules commerciaux devrait s’élargir, offrant un soutien solide pour l’économie d’énergie, la réduction des émissions et la modernisation structurelle de l’industrie automobile.