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镁合金轮毂及其电磁泵低压铸造

摘要：本文概述了镁合金轮毂的特点及其以及目前在汽车、摩托车、自行车工业的应用现状，介绍了电磁泵低压铸造的原理、工艺特点，及其生产镁合金轮毂的可行性。指出电磁泵低压铸造技术以其特有的优势，将在镁合金轮毂的生产中发挥重要作用。

关键词：镁合金 轮毂 电磁泵 低压铸造

镁合金作为最轻的结构材料及可回收的绿色材料近年来备受关注。在汽车工业、电子工业、国防工业等领域的应用增长势头强劲。目前用于汽车上的镁合金零件至少有60种，主要有仪表盘、座椅骨架、方向盘、引擎盖、变速箱、进气歧管、轮毂等。德国大众公司预测在未来5年内每辆汽车上的用镁量可以达到kg（1）。近年来，随着原镁材料价格的下降，镁合金成形工艺技术及其装备水平的提高，以及镁合金防腐工艺的改善，镁合金轮毂在汽车、摩托车、自行车上的使用将越来越多。本文概述了镁合金轮毂的特点、应用现状，以及电磁泵低压铸造镁合金轮毂的工艺特点。

图3 电磁泵低压铸造镁合金轮毂

一．镁合金轮毂的特点及其应用现状

1．镁合金轮毂的特点

在车辆上采用镁合金轮毂能达到轻量化的目的，与铝合金轮毂相比，重量减轻30%左右。此外，尚有其它优点：

① 高减振特性：镁合金材料具有较高的阻尼系数，是铝合金的15倍，钢的60倍(2)。阻尼系数越大，振幅衰减越快，减振性能越好。使用镁合金轮毂可减少汽车引擎、悬吊托架及变速箱的震动，提高其使用寿命；同时也提高了汽车行驶过程中的平稳性、安全性和舒适性。据报道(3)，美国研制的一种镁合金汽车轮毂，在轮胎被扎破后仍能以不高于48km/h的速度行驶，汽车不受损害，可防止人身事故。而对骑摩托车或自于行车的人而言，更低的振动性意味着更高价值的享受。

② 高热传导率：对汽车来说，镁合金轮毂具高热导率（较铝合金轮毂略差），可降低煞车系统温度，延长煞车轮毂使用寿命。

③ 提高汽车性能：较轻的镁合金轮毂有利于改善汽车的加速与刹车性能。

④ 改善燃油效率与降低污染：使用镁合金轮毂可减轻1..5%汽车重量，提升燃油效率，降低污染。

⑤ 高的刚性：同铝合金轮毂相比，刚性大大提高，因为镁合金轮毂尽管壁厚增加但对重量影响不大。因此，当受到障碍物冲击时能保持轮毂的形状，从而提高轮胎的寿命。

2． 镁合金轮毂的应用现状

镁合金轮毂的诸多优点不但能够满足汽车轻量化的要求，同时还能提高汽车某些方面的性能，因此在赛车以及某些高档车上开始使用镁合金轮毂。

镁合金轮毂在汽车上的使用并非最近才出现。早在1967年，英国奥斯汀(Austin)汽车便在Mini Cooper 1275S这款车上开始采用镁合金轮毂，而德国豪华车保时捷（Porsche）的911T也于1973年首次应用镁合金轮毂。由于价格昂贵、防腐问题的困扰，镁合金轮毂一直没在轿车上普及，只是在赛车和少量高级车上使用。但是，随着原镁材料价格的下降、镁合金防腐工艺的提高以及镁合金成形工艺的改善，镁合金轮毂在汽车、摩托车、自行车上的使用将越来越多。

目前在汽车业中，镁合金轮毂除了在赛车上应用较多外，在各大汽车厂推出的概念车上也配备镁合金轮毂，但是在批量生产的车型中应用却不多。目前使用镁合金轮毂的汽车公司及其车型见表1。其中通用的Corvette C5车型标配为铝合金轮毂，但同时也提供Dymag公司生产的铸造镁合金轮毂给消费者选用。除此之外，在轮毂的零售市场上有适合Hyundai、Citroen、Mazda、Mitsubishi、BMW、Audi、Mercedes、Volvo等车型的镁合金轮毂供用户选用，但目前其价格比铝合金轮毂高约一倍。表1 采用镁合金轮毂的部分汽车公司及其车型

汽车公司

车型

轮毂生产公司

法拉利 Ferrari

F355及F50

—

保时捷 Porsche

911GT（2001）Carrera GT（2003）

BBS公司生产的锻造镁合金轮毂

宝马 BMW

Z22

—

通用 GM

Corvette C5

Dymag公司生产的铸造镁合金轮毂

马自达 Mazda

RX-7

Mazdaspeed与Rays公司合作开发的MS-01 MAG锻造镁合金轮毂

汽车上的应用固然是镁合金轮毂的一个重要领域，但不能忽视其在摩托车和自行车上的应用。

在摩托车行业，将近九成的赛车用摩托车都采用镁合金轮毂，不仅如此，镁合金轮毂的应用车型还扩展到运动型摩托车、轻便型摩托车、概念型摩托车，覆盖欧美日十几种主要摩托车品牌，其中仅英国的Dymag轮毂就应用多达400种车型。采用镁合金轮毂的部分摩托车厂家及其车型见表2。在我国，重庆镁业开发出了LX150镁合金绿色概念摩托车，其中有12个零部件采用镁合金材料，包括摩托车前后轮毂、发动机曲轴箱体、箱盖、尾盖及后扶手等。整台摩托车镁合金用量是12公斤，总减重6公斤左右。在2003年9月同铝合金摩托车对比进行路况试验，结果武威表明(4)，镁合金摩托车百公里耗油2.827L，铝合金摩托车百公里耗油3.243L，两车相比前者百公里节油约0.416L，油耗降低10%左右。同时，CO、HC和NOx的排放限值可达到并超过欧洲Ι号排放标准。另外，从颠簸损坏的程度来看，镁合金摩托车也较铝合金摩托车损坏少，这同镁合金材料的轻量化特点以及镁合金轮毂优良的减振性能有密切的联系。 表2 采用镁合金轮毂的部分摩托车厂家及其车型

摩托车厂家

车型

本田（HONDA）

CBR900RR

雅马哈（YAMAGHA）

YZF-R6/R1

川畸（KAWASAKI）

ZX12R

铃木（SUZUKI）

GSXR1000/GSXR1100/GSXR750

杜卡迪（DUCATI）

748/916/996

哈利（MVAGUSTA）

F4 系列

布鲁而（BUELL）

LIGHTNING X1

凯旋（TRIUMPH）

595/955i

在自行车镁合金轮毂的应用中，意大利BASSANO GRIMECA 生产的3辐与6辐的镁合金轮毂具有轻量、坚固的、减振等特点，使用起来不仅便利而且更舒适。我国台湾也有不少厂商从事镁合金轮毂的开发研究，如仪铭东工业股份有限公司于2000年开发出了适用于自行车及电动自行车的镁合金焊接轮毂、远东机械则有三种规格的镁合金轮毂。北京首特钢远东镁合金制品有限公司推出近20款采用镁合金材料的自行车。自行车轮毂占整车重量比重较大，因此在自行车上采用镁合金轮毂前景广阔。

目前，镁合金轮毂在批量生产的汽车、摩托车及自行车上的应用还只是处于起步阶段，要达到目前铝合金轮毂的使用量，还有很多研究工作要做。尤其在我国，尚不具备镁合金轮毂生产的技术和能力。因此，在“十五”科技攻关重大专项“镁合金开发应用及产业化”项目中, 将镁合金汽车轮毂和摩托车轮毂的大规模生产技术与商业化应用为技术突破和产业化目标(5)。其中，镁合金汽车轮毂项目在欧盟的第6框架和中国国家科技部863高新项目范围内展开。镁合金摩托车轮毂项目主要通过中国和德国政府间协议进行。

二．镁合金轮毂电磁泵低压铸造

除了原材料的价格因素外，成形工艺的优劣直接关系到轮毂的质量，同时制造成本的高低也决定了轮毂产品的价格。因此，高质量、低成本的镁合金轮毂的成形技术的开发将是镁合金轮毂大量应用的关键。目前有报导的生产镁合金轮毂的方法有重力浇铸(6)、真空压铸(7)、充氧压铸(8)、低压铸造(9)等方法。此外，也可以采用锻造法。与前述几种方法相比，电磁泵电磁泵低压铸造具有特殊的优势。

图1 电磁泵技术原理图

目前在国际上比较流行的Cosworth工艺(10)应用于生产一级方程式赛车发动机，可以得到非常高质量的铸件，其关键技术之一就是采用了电磁泵充型低压铸造技术。传统的低压铸造方法主要采用压缩空气充型、其他的都是空谈保压来完成铸造过程。电磁泵是一种输送导电流体的设备，它的基本原理（如图1）：通以电流的液态金属在磁场中受到洛伦兹力的作用而产生定向移动。其主要参数是电磁铁磁场间隙的磁感应强度B (单位T) 、流过液态金属的电流密度j (单位A/mm2) 以及处于磁隙间升液方向上的金属液体长度L。它们与电磁泵的主要技术性能指标——压头(ΔP) 间存在如下关系(11)

当电流和磁场足够大时，产生的力可以满足一般低压铸造的要求。图2为电磁泵低压铸造工艺的示意图。首先将经过精炼净化的金属液倒入保温炉内，如有必要再进行二次精炼。当金属液达到浇注温度时，即可在计算机控制下进行充型，充型时金属液流量是根据铸件不同截面处体积不同进行流量控制的，这样可以保证不同截面处液面平稳上升，从而达到平稳充型目的。当金属液充满铸型，经过一定结壳时间后，即可进行升压保压，这样可以确保铸会议审议通过了《民用飞机材料产业发展同盟章程》件质量。

图2 电磁泵低压铸造工艺示意图

电磁泵低压铸造镁合金轮毂具有以下优点：

①电磁泵充型由于不是在完全密封的环境下充型，故可对保温炉内镁液进行细化、净化等处理。充型过程中由于电、磁都可以按预先设计的工艺方案执行，可保证充型过程的平稳进行。雕刻机

②相对于气压式低压铸造系统来说，电磁泵在铸件升压和保压过程中，只是在升液管中受压，坩埚不受任何压力，因此，大大提高了镁合金低压铸造的安全系数。

③保温炉只是需要相对密封，这样有利于采用气体保护。而普通低压铸造设备必须要求良好的密封条件，操作时必须采用惰性气体或熔剂保护，提高了生产成本和降低了工作效率。

④采用电磁泵可以实现设备的连续工作，不会因中间加料而中断操作，采用气压式低压铸造时在加料过程中必须中断操作。

已有研究表明，电磁泵低压铸造装置生产铝合金摩托车轮毂，所得轮毂的性能优于传统低压铸造(12)。但是，镁合金有其独特的合金性能，因此在开发适合镁合金成形的工艺时，需要注意模具设计、参数设定等特殊的地方：

① 由于镁合金的比热较小、凝固潜热较小，所以合金液的冷却速度快，镁合金溶液很快在模具型腔中凝固，所以要求充型时间很短，才能保证铸件没有冷隔、欠铸或成型不良等铸造缺陷(13)。

② 由于镁合金与铁的亲和性较低，加之优良的热收缩特性，因此可以采用较小的拔模斜度，有时甚至可以采用零起模斜度。

③ 镁合金同铝合金相比，对模具温度的要求更为严格，因此为获得优质的铸件，最好采用模温控制器。

④ 为避免铸造裂纹，应采取以下一些措施：细化晶粒，提高合金的抗裂性能；严格控制铸型各部位涂料材料和涂料厚度，防止各部位冷速不均而造成应力集中；提高铸型的预热温度等。表3 AZ91、AM60、A356 三种合金的部分物理性能(14)

合金种类

密度，g/cm3

热导率，w/m.K

比热，kJ/kg.K

熔化潜热，kJ/kg

AZ91

1.81

72

1.02

370

AM60

1.79

61

1.05

370

A356（铝合金）

2.69

159

1.2

389

三．结束语

镁合金轮毂用于汽车、摩托车、自行车有其独到的优点，因此镁合金轮毂在车辆工业的应用量必然会迅猛增长。研究开发适合镁合金轮毂的成形工艺势在必行。电磁泵低压铸造技术以其特有的优势，可以预计将在镁合金轮毂的生产中发挥重要作用。

参考文献

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[3] 洪慎章. 镁合金注射成形新技术. 轻合金加工技术，2004(1):

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[ 2] 党惊知，杨晶，程军. 铝合金电磁泵低压铸造技术. 兵工学报，2003(5):

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[ 4] 美国金属学会. 金属手册. 性能与选择：有色合金及纯金属(M). 机械工业出版社，1994: 235，744，750(end)

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