駐馬店大力天駿專用汽車制造有限公司 邢濤 閆保根 李河森 王濤

鎂是實(shí)用金屬中最輕的金屬，用鎂合金材料制作的廂式運(yùn)輸車重量僅有鋼制廂式車的25%，并且還具有強(qiáng)度高、抗震減噪、材料回收利用率高等優(yōu)點(diǎn)，是汽車行業(yè)輕量化的理想材料之一。本文以某型鎂合金廂式運(yùn)輸車為例，介紹了其性能特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢，為同行專用車廠家的研發(fā)提供參考。

GB 7258-2017發(fā)布實(shí)施，對國內(nèi)專用車市場影響深遠(yuǎn)。2020年后國內(nèi)普通欄板倉欄半掛車需加裝空氣懸掛系統(tǒng)和碟剎車軸，這無疑要增加數(shù)萬元的購車成本。產(chǎn)煤大省也紛紛發(fā)布禁止使用倉欄半掛車運(yùn)輸煤粉的規(guī)定，我國近十年來以倉欄柵板半掛車為運(yùn)輸主力的格局即將改變，而廂式運(yùn)輸車作為國家推薦車型將迎來迅猛的發(fā)展。同時參考?xì)W美發(fā)達(dá)國家的專用車市場可知，廂式車在歐美專用車行業(yè)占比達(dá)到60%以上，據(jù)此可預(yù)測廂式車在國內(nèi)的專用車市場的占有率會逐漸上升。

近年來，隨著國家對環(huán)境治理日益重視，追求輕量化設(shè)計和低碳環(huán)保已成為制造業(yè)發(fā)展的大趨勢。在這種大環(huán)境下新材料的使用是必不可少的，鎂是實(shí)用金屬中最輕的金屬，鎂的密度大約是鋁的67%，是鐵的25%。用鎂合金材料制作的廂式運(yùn)輸車重量僅有鋼制廂式車的30%左右，并且鎂合金還具有強(qiáng)度高、抗震減噪、材料回收利用率高等優(yōu)點(diǎn)，是汽車行業(yè)輕量化的理想材料之一。我國鎂資源儲量居世界之首，鎂合金的開發(fā)與應(yīng)用已被國家列入高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。針對目前專用車市場的需求和現(xiàn)狀，筆者研發(fā)了一款超輕量化鎂合金廂式運(yùn)輸車。將輕量化鎂合金材料應(yīng)用到廂式運(yùn)輸車上不僅響應(yīng)了國家節(jié)能減排、低碳環(huán)保的號召，還對傳統(tǒng)的專用車制造行業(yè)進(jìn)行了顛覆性的改革和創(chuàng)新。

表1 鎂鋁合金常用系列性能參數(shù)對照表

鎂合金材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1鎂合金結(jié)構(gòu)特性

鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的合金。其特點(diǎn)是:密度小(1.78g/cm3鎂合金)，比強(qiáng)度和比剛度高，比彈性模量大，散熱性能好，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能優(yōu)良，電磁屏蔽性好，阻尼減震性好，機(jī)加工性能好，耐有機(jī)物和堿的腐蝕性能好。主要合金元素有鋁、鋅、錳、鈰、釷以及少量鋯或鎘等。目前使用最廣的是鎂鋁合金，其次是鎂錳合金和鎂鋅鋯合金。主要用于航空、航天、運(yùn)輸、化工、火箭等工業(yè)部門。

由表1的數(shù)據(jù)對比可知，鎂鋁合金中鋁含量越高，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度越大。而當(dāng)加入稀土元素鋯后既鎂鋁鋯合金的屈服強(qiáng)度與優(yōu)質(zhì)鋼相當(dāng)，整體性能都得到了大大的提高，但密度只有鋼的25%，故鎂合金是輕量化材料的首選之一。

2 鎂合金的焊接特性

由于鎂和鎂合金具有密度和熔點(diǎn)低，熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率及熱膨脹系數(shù)大，化學(xué)活性強(qiáng)，易氧化且氧化物的熔點(diǎn)高等特點(diǎn)，使鎂合金的焊接必須解決一下系列問題：

①、粗晶。鎂的熔點(diǎn)低，熱導(dǎo)率高，焊接時需采用大功率的焊接熱源，焊縫及近焊縫區(qū)易產(chǎn)生過熱、晶粒長大、結(jié)晶偏析等現(xiàn)象，降低了接頭性能。

②、氧化與蒸發(fā)。鎂的氧化性極強(qiáng)，易同氧結(jié)合 ,在焊接過程中易形成MgO，MgO熔點(diǎn)高(2500℃)，密度大(3.2g/cm3)，易在焊縫中形成細(xì)小片狀固態(tài)夾渣，不僅嚴(yán)重阻礙焊縫成型，也降低焊縫性能。鎂在焊接高溫下，還易與空氣中的氮化合生成鎂的氮化物，氮化鎂夾渣也會導(dǎo)致焊縫金屬的塑性下降，使接頭性能變壞。鎂的沸點(diǎn)不高(1100℃)，在電弧高溫下很易蒸發(fā)。

③、薄件的燒穿與塌陷。在焊接薄件時，由于鎂合金熔點(diǎn)較低，而氧化鎂的熔點(diǎn)很高，兩者不易融合，焊接操作時難以觀察焊縫的熔化過程，溫度升高，熔池的顏色也沒有顯著變化，極易產(chǎn)生燒穿和塌陷現(xiàn)象。

④、熱應(yīng)力和裂紋。鎂和鎂合金熱膨脹系數(shù)較大，約為鋼的2倍，鋁的1.2倍。在焊接過程中易引起較大的焊接應(yīng)力與變形。鎂易于一些合金元素（如Cu、Al、Ni等）形成低熔點(diǎn)共晶體（如Mg-Cu共晶點(diǎn)溫度為480℃，Mg- Al共晶點(diǎn)溫度為430℃）。脆性溫度區(qū)間較寬，易形成熱裂紋。

⑤、氣孔。 焊接鎂合金時易產(chǎn)生氫氣孔，氫在鎂中的溶解度隨著溫度的降低而急劇減小。

⑥、鎂及鎂合金在空氣環(huán)境下焊接時易氧化燃燒，熔焊時需用惰性氣體或焊劑保護(hù)。

基于以上鎂合金在焊接時出現(xiàn)的一系列問題，鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊（TIG）和熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊（MIG）是目前解決鎂合金焊接的常用焊接方式。

超輕量化鎂合金廂式運(yùn)輸車的加工難點(diǎn)

鎂合金由于其自身特性焊接時易出現(xiàn)晶粒粗大、氧化、應(yīng)力變形、裂紋、氣孔等焊接缺陷，在生產(chǎn)制造中確實(shí)是個難題。若采用熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊（MIG）焊接鎂合金，則需特制鎂合金焊絲，焊絲直徑過?。ㄐ∮讦?mm）易氧化燃燒，成本高昂。焊絲直徑過大不易纏繞，還需特制焊機(jī)和送絲機(jī)構(gòu)，生產(chǎn)周期長，成本難以降下。最后選擇用鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊（TIG），手動送絲來施焊。由于鎂合金熱膨脹系數(shù)較大，焊接后易出現(xiàn)焊接變形。而鎂合金廂板焊接后縫隙較大，易出現(xiàn)車廂漏水的可能。經(jīng)過深入的研究和不斷的試驗(yàn)，最終廂板采用先間隔鉚接再分段焊接的方式來完成拼接，如圖1所示。對于上下邊梁需要承重的關(guān)鍵部位，采用分段交叉焊接與鉚接相結(jié)合來提高強(qiáng)度。

在整車的設(shè)計上按部件的承載能力和性能要求分別采取了焊接、螺栓連接、鉚接、粘接等多種連接形式，如圖2所示，確保整車達(dá)到承載要求。鉚接采用區(qū)別于傳統(tǒng)鉚釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)性拉絲鉚釘，該鉚釘具有鉚接強(qiáng)度高、鉚接范圍寬、密封性能卓越等特點(diǎn)，如圖3所示。拉絲鉚釘?shù)膴A緊力大，可有效消除鉚接工件之間的間隙，出色的填充孔能力，有效補(bǔ)償不規(guī)則孔、超差孔、橢圓孔或錯位孔。

圖1 廂板拼接示意

圖2 連接形式示意

超輕量化鎂合金廂式運(yùn)輸車的優(yōu)點(diǎn)

有研究表明，汽車所用燃料的60%是消耗于汽車自重，汽車自重每減輕10%，其燃油效率可提高5%以上;汽車自重每降低100kg，每百公里油耗可減少0.7 L左右，每節(jié)約1L燃料可減少CO2排放2.5g，年排放量減少30%以上。所以減輕汽車重量對環(huán)境和能源的影響非常大，汽車的輕量化是必然趨勢。近年來國家對超載超限的治理越來越嚴(yán)厲，高強(qiáng)度、輕量化的專用汽車越來越受用戶的喜愛。而鎂合金廂式運(yùn)輸車比鋁合金廂式車自重更輕，強(qiáng)度更好，密封性好，廂體多為鉚接，焊接量少，在不超載的情況下可拉更多的貨物，且內(nèi)控容積更大，適合拉質(zhì)量輕的快遞件及輕拋貨，特別適合用于快遞物流行業(yè)。鎂合金廂式運(yùn)輸車作為超輕量化的典范推上市場即可成為引領(lǐng)市場的風(fēng)向標(biāo)，如圖4所示。

圖3 結(jié)構(gòu)性鉚釘力學(xué)性能

圖4 某型鎂合金廂式運(yùn)輸車示意

1.自重輕，密封性好

鎂的密度大約是鋁的67%，是鐵的25%。，同體積的情況下，用鎂合金制作的廂式運(yùn)輸車只有鋼制集裝箱重量的五分之一。廂板型材采用ZK61鎂合金擠壓而成，可塑性好，前后端為公母插頭，裝配方便，空母端裝配后留有放水槽，防水性能好。厚度只有瓦楞板的一半，強(qiáng)度與瓦楞板相當(dāng)，既增加了車廂內(nèi)控寬度又降低了整車自重。

2.強(qiáng)度高

鎂合金密度低，但強(qiáng)度比較高，同6系鋁合金相當(dāng)，接近碳素結(jié)構(gòu)鋼。通過擠壓成型，改變型材截面，從而提升型材的抗彎抗扭強(qiáng)度。鎂合金型材底板一次擠壓成型，下端多個加強(qiáng)筋起支撐加強(qiáng)和減振作用，上面增加防滑凸起，如圖5所示。底板之間像廂板一樣插接，可防止路面泥水通過輪胎飛濺滲入車廂內(nèi)部污染貨物。與鋁合金和木地板相比，鎂合金底板自重更輕強(qiáng)度更高，可上叉車裝卸貨物，大大降低了油耗。

3.省維護(hù)，材料回收利用率高

圖5 底板拼接示意

鎂合金與鋁合金相比具有更好的耐有機(jī)物和堿的腐蝕性能，在干凈、干燥的環(huán)境下鎂合金的表面會形成防氧化的保護(hù)層，無需任何防腐防銹處理，大大節(jié)省了生產(chǎn)成本。鎂型材比碳鋼的使用壽命長，并且報廢后鎂合金的回收利用率比鋁合金更高。廢舊回收時鎂的價格至少是鋼材的16倍左右。對用戶而言，較高的材料回收率提高了產(chǎn)品的利潤回報。

4.外觀整潔，風(fēng)阻小，易噴涂

經(jīng)擠壓成型的鎂合金表面光澤度較好，在不噴涂油漆的情況下光亮的表面已經(jīng)優(yōu)于噴涂后的碳鋼波形板。鎂合金廂式運(yùn)輸車的廂板型材表面平整，與傳統(tǒng)的瓦楞板結(jié)構(gòu)相比大大地降低了風(fēng)阻，節(jié)省油耗。并且?guī)逍筒臑閮?nèi)外兩層，與單層瓦楞板相比，車廂在運(yùn)輸過程中能更好地保護(hù)廂內(nèi)貨物不被破壞和雨水淋濕。

傳統(tǒng)的瓦楞板集裝箱在噴涂LOGO時存在圖案識別不清晰、浪費(fèi)油漆、噴涂成本高等缺點(diǎn)，而鎂合金廂式運(yùn)輸車廂體表面整潔，便于噴涂宣傳圖案，減少了油漆的浪費(fèi)，節(jié)約了制作成本。

5.阻尼減震性好，機(jī)加工性能好

鎂合金與鋁合金、鋼、鐵相比具有較低的彈性模量，在同樣受力條件下，可消耗更大的變形功，具有降噪、減振功能，可承受較大的沖擊震動載荷，在相同載荷下，減振性是鋁的100倍。鎂合金比其他金屬的切削阻力小，在機(jī)械加工時，可以較快的速度加工。

結(jié)束語

國家有色金屬工業(yè)“十三五”中多次提到鎂行業(yè)，鎂合金能有效降低非載荷重量，而且鎂材可回收性強(qiáng)，造型美觀，節(jié)約能耗，散熱性好，耐腐蝕、抗疲勞，將鎂合金作為輕量化的新材料，在性能上完全滿足要求，又與國家的發(fā)展方向相吻合。目前我國正處在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型階段，專用車行業(yè)也逐漸向智能化、高端化發(fā)展。隨著國家對低碳環(huán)保和超限超載的重視，以及新法規(guī)對專用車行業(yè)的深遠(yuǎn)影響，超輕量化鎂合金廂式運(yùn)輸車響應(yīng)了國家的號召，順勢推出，必將大有所為。