摘要：本文概述了鎂合金輪轂的特點及其以及目前在汽車、摩托車、自行車工業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了電磁泵低壓鑄造的原理、工藝特點，及其生產(chǎn)鎂合金輪轂的可行性。指出電磁泵低壓鑄造技術(shù)以其特有的優(yōu)勢，將在鎂合金輪轂的生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。
關(guān)鍵詞：鎂合金 輪轂 電磁泵 低壓鑄造
鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)材料及可回收的綠色材料近年來備受關(guān)注。在汽車工業(yè)、電子工業(yè)、國防工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用增長勢頭強勁。目前用于汽車上的鎂合金零件至少有60種，主要有儀表盤、座椅骨架、方向盤、引擎蓋、變速箱、進氣歧管、輪轂等。德國大眾公司預(yù)測在未來5年內(nèi)每輛汽車上的用鎂量可以達到60-80kg（1）。近年來，隨著原鎂材料價格的下降，鎂合金成形工藝技術(shù)及其裝備水平的提高，以及鎂合金防腐工藝的改善，鎂合金輪轂在汽車、摩托車、自行車上的使用將越來越多。本文概述了鎂合金輪轂的特點、應(yīng)用現(xiàn)狀，以及電磁泵低壓鑄造鎂合金輪轂的工藝特點。
圖3 電磁泵低壓鑄造鎂合金輪轂
一．鎂合金輪轂的特點及其應(yīng)用現(xiàn)狀
1．鎂合金輪轂的特點
在車輛上采用鎂合金輪轂?zāi)苓_到輕量化的目的，與鋁合金輪轂相比，重量減輕30%左右。此外，尚有其它優(yōu)點：
① 高減振特性：鎂合金材料具有較高的阻尼系數(shù)，是鋁合金的15倍，鋼的60倍(2)。阻尼系數(shù)越大，振幅衰減越快，減振性能越好。使用鎂合金輪轂可減少汽車引擎、懸吊托架及變速箱的震動，提高其使用壽命；同時也提高了汽車行駛過程中的平穩(wěn)性、安全性和舒適性。據(jù)報道(3)，美國研制的一種鎂合金汽車輪轂，在輪胎被扎破后仍能以不高于48km/h的速度行駛，汽車不受損害，可防止人身事故。而對騎摩托車或自于行車的人而言，更低的振動性意味著更高價值的享受。
② 高熱傳導率：對汽車來說，鎂合金輪轂具高熱導率（較鋁合金輪轂略差），可降低煞車系統(tǒng)溫度，延長煞車輪轂使用壽命。
③ 提高汽車性能：較輕的鎂合金輪轂有利于改善汽車的加速與剎車性能。
④ 改善燃油效率與降低污染：使用鎂合金輪轂可減輕1.5-2.5%汽車重量，提升燃油效率，降低污染。
⑤ 高的剛性：同鋁合金輪轂相比，剛性大大提高，因為鎂合金輪轂盡管壁厚增加但對重量影響不大。因此，當受到障礙物沖擊時能保持輪轂的形狀，從而提高輪胎的壽命。
2． 鎂合金輪轂的應(yīng)用現(xiàn)狀
鎂合金輪轂的諸多優(yōu)點不但能夠滿足汽車輕量化的要求，同時還能提高汽車某些方面的性能，因此在賽車以及某些高檔車上開始使用鎂合金輪轂。
鎂合金輪轂在汽車上的使用并非最近才出現(xiàn)。早在1967年，英國奧斯汀(Austin)汽車便在Mini Cooper 1275S這款車上開始采用鎂合金輪轂，而德國豪華車保時捷（Porsche）的911T也于1973年首次應(yīng)用鎂合金輪轂。由于價格昂貴、防腐問題的困擾，鎂合金輪轂一直沒在轎車上普及，只是在賽車和少量高級車上使用。但是，隨著原鎂材料價格的下降、鎂合金防腐工藝的提高以及鎂合金成形工藝的改善，鎂合金輪轂在汽車、摩托車、自行車上的使用將越來越多。
目前在汽車業(yè)中，鎂合金輪轂除了在賽車上應(yīng)用較多外，在各大汽車廠推出的概念車上也配備鎂合金輪轂，但是在批量生產(chǎn)的車型中應(yīng)用卻不多。目前使用鎂合金輪轂的汽車公司及其車型見表1。其中通用的Corvette C5車型標配為鋁合金輪轂，但同時也提供Dymag公司生產(chǎn)的鑄造鎂合金輪轂給消費者選用。除此之外，在輪轂的零售市場上有適合Hyundai、Citroen、Mazda、Mitsubishi、BMW、Audi、Mercedes、Volvo等車型的鎂合金輪轂供用戶選用，但目前其價格比鋁合金輪轂高約一倍。
表1 采用鎂合金輪轂的部分汽車公司及其車型
汽車公司 | 車型 | 輪轂生產(chǎn)公司 |
法拉利 Ferrari | F355及F50 | — |
保時捷 Porsche | 911GT（2001）Carrera GT（2003） | BBS公司生產(chǎn)的鍛造鎂合金輪轂 |
寶馬 BMW | Z22 | — |
通用 GM | Corvette C5 | Dymag公司生產(chǎn)的鑄造鎂合金輪轂 |
馬自達 Mazda | RX-7 | Mazdaspeed與Rays公司合作開發(fā)的MS-01 MAG鍛造鎂合金輪轂 |
汽車上的應(yīng)用固然是鎂合金輪轂的一個重要領(lǐng)域，但不能忽視其在摩托車和自行車上的應(yīng)用。
在摩托車行業(yè)，將近九成的賽車用摩托車都采用鎂合金輪轂，不僅如此，鎂合金輪轂的應(yīng)用車型還擴展到運動型摩托車、輕便型摩托車、概念型摩托車，覆蓋歐美日十幾種主要摩托車品牌，其中僅英國的Dymag輪轂就應(yīng)用多達400種車型。采用鎂合金輪轂的部分摩托車廠家及其車型見表2。在我國，重慶鎂業(yè)開發(fā)出了LX150鎂合金綠色概念摩托車，其中有12個零部件采用鎂合金材料，包括摩托車前后輪轂、發(fā)動機曲軸箱體、箱蓋、尾蓋及后扶手等。整臺摩托車鎂合金用量是12公斤，總減重6公斤左右。在2003年9月同鋁合金摩托車對比進行路況試驗，結(jié)果表明(4)，鎂合金摩托車百公里耗油2.827L，鋁合金摩托車百公里耗油3.243L，兩車相比前者百公里節(jié)油約0.416L，油耗降低10%左右。同時，CO、HC和NOx的排放限值可達到并超過歐洲Ι號排放標準。另外，從顛簸損壞的程度來看，鎂合金摩托車也較鋁合金摩托車損壞少，這同鎂合金材料的輕量化特點以及鎂合金輪轂優(yōu)良的減振性能有密切的聯(lián)系。
表2 采用鎂合金輪轂的部分摩托車廠家及其車型
摩托車廠家 | 車型 |
本田（HONDA） | CBR900RR |
雅馬哈（YAMAGHA） | YZF-R6/R1 |
川畸（KAWASAKI） | ZX12R |
鈴木（SUZUKI） | GSXR1000/GSXR1100/GSXR750 |
杜卡迪（DUCATI） | 748/916/996 |
哈利（MVAGUSTA） | F4 系列 |
布魯而（BUELL） | LIGHTNING X1 |
凱旋（TRIUMPH） | 595/955i |
在自行車鎂合金輪轂的應(yīng)用中，意大利BASSANO GRIMECA 生產(chǎn)的3輻與6輻的鎂合金輪轂具有輕量、堅固的、減振等特點，使用起來不僅便利而且更舒適。我國臺灣也有不少廠商從事鎂合金輪轂的開發(fā)研究，如儀銘東工業(yè)股份有限公司于2000年開發(fā)出了適用于自行車及電動自行車的鎂合金焊接輪轂、遠東機械則有三種規(guī)格的鎂合金輪轂。北京首特鋼遠東鎂合金制品有限公司推出近20款采用鎂合金材料的自行車。自行車輪轂占整車重量比重較大，因此在自行車上采用鎂合金輪轂前景廣闊。
目前，鎂合金輪轂在批量生產(chǎn)的汽車、摩托車及自行車上的應(yīng)用還只是處于起步階段，要達到目前鋁合金輪轂的使用量，還有很多研究工作要做。尤其在我國，尚不具備鎂合金輪轂生產(chǎn)的技術(shù)和能力。因此，在“十五”科技攻關(guān)重大專項“鎂合金開發(fā)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化”項目中, 將鎂合金汽車輪轂和摩托車輪轂的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)與商業(yè)化應(yīng)用為技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)化目標(5)。其中，鎂合金汽車輪轂項目在歐盟的第6框架和中國國家科技部863高新項目范圍內(nèi)展開。鎂合金摩托車輪轂項目主要通過中國和德國政府間協(xié)議進行。
二．鎂合金輪轂電磁泵低壓鑄造
除了原材料的價格因素外，成形工藝的優(yōu)劣直接關(guān)系到輪轂的質(zhì)量，同時制造成本的高低也決定了輪轂產(chǎn)品的價格。因此，高質(zhì)量、低成本的鎂合金輪轂的成形技術(shù)的開發(fā)將是鎂合金輪轂大量應(yīng)用的關(guān)鍵。目前有報導的生產(chǎn)鎂合金輪轂的方法有重力澆鑄(6)、真空壓鑄(7)、充氧壓鑄(8)、低壓鑄造(9)等方法。此外，也可以采用鍛造法。與前述幾種方法相比，電磁泵電磁泵低壓鑄造具有特殊的優(yōu)勢。
圖1 電磁泵技術(shù)原理圖
目前在國際上比較流行的Cosworth工藝(10)應(yīng)用于生產(chǎn)一級方程式賽車發(fā)動機，可以得到非常高質(zhì)量的鑄件，其關(guān)鍵技術(shù)之一就是采用了電磁泵充型低壓鑄造技術(shù)。傳統(tǒng)的低壓鑄造方法主要采用壓縮空氣充型、保壓來完成鑄造過程。電磁泵是一種輸送導電流體的設(shè)備，它的基本原理（如圖1）：通以電流的液態(tài)金屬在磁場中受到洛倫茲力的作用而產(chǎn)生定向移動。其主要參數(shù)是電磁鐵磁場間隙的磁感應(yīng)強度B (單位T) 、流過液態(tài)金屬的電流密度j (單位A/mm2) 以及處于磁隙間升液方向上的金屬液體長度L。它們與電磁泵的主要技術(shù)性能指標——壓頭(ΔP) 間存在如下關(guān)系(11)
當電流和磁場足夠大時，產(chǎn)生的力可以滿足一般低壓鑄造的要求。圖2為電磁泵低壓鑄造工藝的示意圖。首先將經(jīng)過精煉凈化的金屬液倒入保溫爐內(nèi)，如有必要再進行二次精煉。當金屬液達到澆注溫度時，即可在計算機控制下進行充型，充型時金屬液流量是根據(jù)鑄件不同截面處體積不同進行流量控制的，這樣可以保證不同截面處液面平穩(wěn)上升，從而達到平穩(wěn)充型目的。當金屬液充滿鑄型，經(jīng)過一定結(jié)殼時間后，即可進行升壓保壓，這樣可以確保鑄件質(zhì)量。
圖2 電磁泵低壓鑄造工藝示意圖
電磁泵低壓鑄造鎂合金輪轂具有以下優(yōu)點：
①電磁泵充型由于不是在完全密封的環(huán)境下充型，故可對保溫爐內(nèi)鎂液進行細化、凈化等處理。充型過程中由于電、磁都可以按預(yù)先設(shè)計的工藝方案執(zhí)行，可保證充型過程的平穩(wěn)進行。
②相對于氣壓式低壓鑄造系統(tǒng)來說，電磁泵在鑄件升壓和保壓過程中，只是在升液管中受壓，坩堝不受任何壓力，因此，大大提高了鎂合金低壓鑄造的安全系數(shù)。
③保溫爐只是需要相對密封，這樣有利于采用氣體保護。而普通低壓鑄造設(shè)備必須要求良好的密封條件，操作時必須采用惰性氣體或熔劑保護，提高了生產(chǎn)成本和降低了工作效率。
④采用電磁泵可以實現(xiàn)設(shè)備的連續(xù)工作，不會因中間加料而中斷操作，采用氣壓式低壓鑄造時在加料過程中必須中斷操作。
已有研究表明，電磁泵低壓鑄造裝置生產(chǎn)鋁合金摩托車輪轂，所得輪轂的性能優(yōu)于傳統(tǒng)低壓鑄造(12)。但是，鎂合金有其獨特的合金性能，因此在開發(fā)適合鎂合金成形的工藝時，需要注意模具設(shè)計、參數(shù)設(shè)定等特殊的地方：
① 由于鎂合金的比熱較小、凝固潛熱較小，所以合金液的冷卻速度快，鎂合金溶液很快在模具型腔中凝固，所以要求充型時間很短，才能保證鑄件沒有冷隔、欠鑄或成型不良等鑄造缺陷(13)。
② 由于鎂合金與鐵的親和性較低，加之優(yōu)良的熱收縮特性，因此可以采用較小的拔模斜度，有時甚至可以采用零起模斜度。
③ 鎂合金同鋁合金相比，對模具溫度的要求更為嚴格，因此為獲得優(yōu)質(zhì)的鑄件，最好采用模溫控制器。
④ 為避免鑄造裂紋，應(yīng)采取以下一些措施：細化晶粒，提高合金的抗裂性能；嚴格控制鑄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應(yīng)力集中；提高鑄型的預(yù)熱溫度等。
表3 AZ91、AM60、A356 三種合金的部分物理性能(14)
合金種類 | 密度，g/cm3 | 熱導率，w/m.K | 比熱，kJ/kg.K | 熔化潛熱，kJ/kg |
AZ91 | 1.81 | 72 | 1.02 | 370 |
AM60 | 1.79 | 61 | 1.05 | 370 |
A356（鋁合金） | 2.69 | 159 | 1.2 | 389 |
三．結(jié)束語
鎂合金輪轂用于汽車、摩托車、自行車有其獨到的優(yōu)點，因此鎂合金輪轂在車輛工業(yè)的應(yīng)用量必然會迅猛增長。研究開發(fā)適合鎂合金輪轂的成形工藝勢在必行。電磁泵低壓鑄造技術(shù)以其特有的優(yōu)勢，可以預(yù)計將在鎂合金輪轂的生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。
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