1 Сплавы магния способствуют трансформации автомобильной промышленности благодаря преимуществам облегчения конструкции
С быстрым развитием автомобильной промышленности энергетическая безопасность и энергосбережение, а также снижение выбросов стали ключевыми вопросами, определяющими устойчивое развитие отрасли. Облегчение конструкции автомобилей, как важный путь повышения их производительности и создания ценности для пользователей, играет незаменимую и важную роль. Основные подходы к достижению облегчения конструкции включают:
1. Оптимизация конструкции, например, использование интегрированного дизайна;
2. Применение передовых материалов, таких как алюминиевые и магниевые сплавы;
3. Внедрение передовых технологий производства, таких как трениемешательная сварка и лазерная сварка;
4. Интеграция новых технологий, таких как системы запуска-останова на основе литий-ионных батарей.
Материалы являются основой облегчения конструкции. Выбор материалов с низкой плотностью, высокой статической прочностью, высоким модулем упругости и отличной усталостной прочностью позволяет продвигать процесс облегчения конструкции на различных уровнях. Поэтому магниевые сплавы, как передовые материалы для облегчения конструкции, постепенно становятся важным выбором в автомобильной промышленности.
2 Состояние использования магния в автомобильной промышленности
2.1 Тенденции развития технологий
В «Дорожной карте технологий для энергосберегающих и новых энергетических транспортных средств 2.0» четко указано, что Китай будет активно продвигать применение магниевых сплавов в автомобильной промышленности и установил конкретные цели по использованию магния на одно транспортное средство: достичь 15 кг к 2020 году, 25 кг к 2025 году и увеличить до 45 кг к 2030 году.
Однако несмотря на непрерывное развитие технологий магниевых сплавов, их практическое применение и эффективность все еще ниже ожидаемого уровня.
На данный момент максимальное среднее использование магниевых сплавов на одно транспортное средство в Китае составляет около 19 кг, достигнутое компанией Seres (SaiLisi) Motors. В настоящее время Baowu Magnesium сотрудничает с Seres для совместного продвижения применения магниевых сплавов в легковесном автомобилестроении. Обе стороны будут использовать исследовательские и разработочные возможности Boao Magnesium & Aluminum для ускоренного внедрения и применения компонентов из магниевых сплавов в серийных моделях, поддерживая технологическое обновление в области легковесного строительства новых энергетических транспортных средств.
Между тем, в секторе коммерческих транспортных средств также постепенно продвигается пилотное применение магниевых сплавов. Вторая партия легковесных прицепов из магниевых сплавов, разработанных совместно университетом Сиань Цзяотун и группой Shaanxi Automobile, прошла более трех месяцев испытательной эксплуатации, накопив свыше 30 000 километров пробега. Благодаря отличным характеристикам и стабильной работе они полностью продемонстрировали потенциал применения материалов из магниевых сплавов. Эти прицепы используют легкий дизайн корпуса и алюминиевую раму, обеспечивая снижение веса на 800 кг на первом этапе разработки, с потреблением магниевых сплавов на одно транспортное средство, достигающим 800 кг.
В целом, технологии магниевых сплавов развиваются быстро, но для широкого применения требуется больше тестовых проверок и согласованного продвижения различных факторов. Если рассматривать структуру потребления вниз по потоку, транспортный сектор уже занимает 60% от общего потребления магниевых сплавов и станет самым важным направлением роста для магниевых сплавов в будущем.
2.2 Состояние использования и перспективы
По среднему использованию, крупные отливки из магниевых сплавов в настоящее время в основном рассматриваются для новых энергетических легковых автомобилей стоимостью выше 100 000 юаней. Например, NIO и XPeng Motors применяют магниевые поперечные балки салона (CCB) практически во всех моделях, расходуя около 5 кг; BYD использует их лишь в некоторых флагманских версиях, а Chery Motors находится на этапе НИОКР и первоначального продвижения.
Комплексный анализ отрасли оценивает, что к 2025 году среднее потребление магния на один новый энергетический легковой автомобиль стоимостью до 200 000 юаней достигнет 4,4 кг, тогда как модели дороже 200 000 юаней — 12,35 кг. Для сравнения: у автомобилей с ДВС показатель значительно ниже — около 1,46 кг. Общий уровень проникновения магния в автопроме прогнозируется на уровне 30 % и продолжит стремительно расти. При текущем темпе развития к 2030 году доля применения магния в автомобилях может достичь 85 %, обеспечив многократный рост.
2.3 Основные компоненты применения и технические характеристики
Сегодня сфера использования магниевых деталей в автомобилестроении постоянно расширяется и делится на четыре категории: интерьер, кузов, шасси и трансмиссия. Типичные применения в салоне — каркасы сидений, рамы приборной панели (IP), кронштейны центральной консоли и задние панели ЖК-дисплеев; в силовой установке — корпуса электроприводов, крышки двигателей, коробки передач и поддоны; в шасси — колёса, рулевые колеса и субфреймы.
Ниже приведены основные продукты и их технические особенности:
CCB (поперечная балка салона)
Широко применяется множеством OEM-производителей мира; стратегии проектирования различаются в зависимости от требований к производительности и интеграции. Компонент имеет лёгкую интегрированную конструкцию, заменяет традиционные сварные стальные детали, существенно снижает массу и при этом удовлетворяет множеству функциональных требований к установке. Масса обычно составляет 3,6–4,8 кг, что на 3 кг меньше по сравнению со стальными аналогами.
Каркас сиденья
Магниевые каркасы обеспечивают хорошие NVH-показатели и преимущества по массе, высокую степень интеграции, отличную жёсткость и прочность, отвечая требованиям как обычной эксплуатации, так и экстремальных условий столкновения. В настоящее время рамы спинок и сидений для передних, вторых и третьих рядов кресел достигли зрелого применения. Среди них рама спинки весит около 1,4–1,8 кг, рама сиденья — около 1,3–2,8 кг, а кронштейн заднего сиденья — около 3,5–5 кг. В целом это позволяет достичь снижения веса примерно на 20 кг.
Внутренняя панель двери
Крышки багажника и распашные двери были запущены в серийное производство в Северной Америке и применяются в множестве моделей ведущих автопроизводителей по всему миру. Монолитная внутренняя панель крышки багажника из магниевого сплава использует технологию крупногабаритного литья под давлением, интегрируя множество компонентов, таких как усиливающие пластины петель, внутренние панели, замков и амортизаторов. Meridian впервые внедрил передовую технологию теплового баланса на внутреннем рынке, используя литьевую установку на 4,200 тонн для разработки крупнейшей в мире внутренней панели крышки багажника из магниевого сплава размером 1,4 м в высоту, 1,7 м в ширину и 0,26 м в глубину. Благодаря интегральной конструкции с переменной толщиной устраняются оригинальные усиливающие пластины и металлические вставки, интегрируются 54 детали, достигается снижение веса на 21,3% по сравнению с пластиковыми крышками багажника, а вес составляет примерно 5–7 кг.
Корпус электропривода
Корпус раздаточной коробки является зрелым продуктом, чьи акустические и вибрационные характеристики превосходят алюминиевые компоненты. Средний вес настраивается в зависимости от модели автомобиля, достигая общего снижения веса примерно на 8 кг. С начала этого года почти десять проектов корпусов электроприводов из магниевого сплава перешли в серийное производство, с использованием на автомобиль до 15–30 кг.
3 Преимущества применения магниевых сплавов
3.1 Значительное ценовое преимущество
Цены на первичный магний в мире долгое время оставались в разумном диапазоне колебаний по сравнению с ценами на алюминий. Приблизительные расчеты показывают, что замена алюминия магнием позволяет достичь прямого снижения затрат примерно на 12 юаней за кг. Кроме того, пресс-формы для магниевых сплавов имеют длительный срок службы и низкую стоимость, хорошую текучесть и высокую эффективность литья под давлением, легко поддаются механической обработке с превосходной эффективностью ЧПУ, чтоприводит к тому, что комплексные затраты примерно на 15% ниже, чем у алюминиевых сплавов.
Данные за январь–август 2023 года показывают, что средняя цена магниевого сплава была на 2,230 юаней/тонну ниже, чем у алюминиевого сплава, а соотношение Mg/Al (магниевый слиток/алюминиевый слиток) в среднем составляло 0,83.
3.2 Стратегическое преимущество магниевых ресурсов Китая
Магний является одним из самых распространенных элементов в земной коре, составляя около 2,77%. Запасы магниевой руды в Китае составляют более 70% от общемировых, включая более 4 млрд тонн ресурсов магнезита-доломита, а ресурсы магниевых солей в рассолах западных соленых озер достигают 6,003 млрд тонн. Магниевый сплав — единственный металлический материал, которым Китай может обеспечить себя на 100%, а также важный национальный стратегический ресурс с преимуществами.
3.3 Двойные преимущества в производительности и обработке
Плотность магниевого сплава составляет 1,8 г/см³, что на 30% легче алюминия; удельная прочность достигает 191 σb/ρ, выше, чем у алюминия; удельная жесткость близка к алюминиевому сплаву. Он также обладает превосходными шумоподавляющими, демпфирующими и электромагнитными экранирующими свойствами. В плане обработки магниевый сплав обладает хорошей текучестью, подходит для тонкостенных сложных структурных деталей; низкое сопротивление резанию и хорошая обрабатываемость значительно экономят износ инструмента. С непрерывным прогрессом в технологии материалов магниевые сплавы постоянно прорываются в таких свойствах, как коррозионная стойкость и стойкость к высокотемпературной ползучести, демонстрируя более комплексные преимущества по сравнению с алюминиевыми сплавами, сталью и пластиками, проявляя огромный потенциал для применения в автомобильной облегченной конструкции.
3.4 Постоянное совершенствование процессов литья под давлением
Передовые процессы, такие как полутвердое тиксотропное формование, постепенно внедряются в литье магниевых сплавов под давлением. Этот процесс включает интенсивное перемешивание для сдвига первичных дендритов, формируя сферическую зеренную структуру, значительно снижая вязкость суспензии и улучшая текучесть. Он предлагает преимущества, такие как высокая точность, хорошее качество, мало дефектов и низкое энергопотребление, обеспечивая мощную поддержку для широкого применения деталей из магниевого сплава, отлитых под давлением.
4 Ограничения и вызовы в развитии магниевых сплавов
4.1 Риски воспламенения и взрыва при производстве требуют дополнительной защиты
Магниевые сплавы склонны к возгоранию и даже взрыву во время плавления и обработки, предъявляя высокие требования к производственной безопасности. Следовательно, необходимо разработать более стабильные процессы литья и высокоогнестойкие магниевые сплавы для улучшения внутренней безопасности.
4.2 Химически активны, низкая коррозионная стойкость
Магниевые сплавы очень подвержены электрохимической коррозии, что сильно зависит от условий эксплуатации и обработки поверхности. В настоящее время недорогие методы защиты (например, использование алюминиевых крепежных элементов) могут снизить местную коррозию, но все еще требуются более экономичные и эффективные технологии противокоррозионной защиты.
4.3 Высокие затраты на переработку, низкоуглеродное производство по-прежнему сталкивается с вызовами
Процесс переработки магниевых сплавов сложен и энергоемок, что делает действительно низкоуглеродное производство трудным. Текущие методы в основном сосредоточены на повышении эффективности переработки через внутризаводскую переработку и переработку на стороне машины для литья под давлением. Промышленные предприятия, такие как Regal Magnesium, уже продвигают практики низкоуглеродного производства магния, но масштабные низкоуглеродные пути все еще требуют дальнейших прорывов.
4.4 Долгий цикл разработки, высокие начальные технические инвестиции
Разработка компонентов из магниевых сплавов не является простой заменой материала; она требует структурного переосмысления и адаптации процессов на основе их характеристик, что приводит к длительным циклам НИОКР и высоким начальным затратам. С улучшением баз данных материалов, а также повышением возможностей прототипирования и моделирования, ожидается значительное увеличение эффективности применения магниевых сплавов, что будет способствовать их широкому использованию.
5 Заключение
По мере того как автомобильная промышленность продолжает двигаться в направлении облегчения и электрификации, магниевые сплавы постепенно становятся одним из ключевых материалов благодаря своим значительным облегчающим свойствам, ресурсным преимуществам и постоянно оптимизируемой экономической эффективности. В настоящее время, хотя остаются вызовы в области коррозионной стойкости, производственных процессов и переработки, с внедрением передовых технологий, таких как полусolid литье под давлением, улучшением баз данных материалов и углублением совместных исследований и разработок, технология применения магниевых сплавов постоянно претерпевает прорывы. В будущем, благодаря поддержке политики и сотрудничеству в отрасли, магниевые сплавы, вероятно, найдут более широкое применение в новых энергетических автомобилях, премиальных моделях и даже коммерческом транспорте, обеспечивая надежную поддержку для экономии энергии, снижения выбросов и структурных обновлений в автомобильной промышленности.
