业界目标是到2020年,平均每车使用350磅重的镁零部件,这将会大大降低目前平均在3,360磅车辆的重量。
对于汽车制造商来说,“轻量化”并不是情绪调节,而是必然的举措。在接下来的十二年中,制造商们需要达到燃油效率标准,大幅减少汽车和卡车的重量。
在减重上,最有希望采用的材料之一就是镁。但因为其高成本及制造工艺的高能源消耗,使它在很多应用上并不具有优势。
未来几年内,政府将与业界合作推动汽车减重上镁的使用。Advance Research Products Agency-Energy (简称:ARPA-E)近日拿出3200万美元款项,用于资助汽车轻量化材料制造技术的低成本和节能的研究。
重点研究低成本,更节能的汽车用镁的生产办法,以迎合日益严格的排放和燃油标准。ARPA-E,隶属于美国能源部,目前也在寻找生产汽车用铝和钛金属材料的更好办法。
镁在汽车上的应用仍不算广泛,因为它比钢铁要贵出七倍。它的价格区间在2.9-3.5美元/磅,比钢铁高出75%,比铝高33%。
高昂成本主要原因在于进口关税,因为三分之一的镁仍需要从中国进口。中国目前拥有最多的储量,同时也是最大的生产国。中国生产商使用皮江工艺进行镁生产,该工艺需要消耗大量低效率的煤电并产生大量的二氧化碳。
美国目前仅拥有一家位于尤他州的镁厂,它采用电解法从大盐湖熔融卤水中提取镁。
ARPA-E发放了三笔资金用于研究清洁而且低成本的镁生产。其中,243万美元被授予大西洋西北国家实验室PNNL进行海水提炼镁的研究,海水中通常金属含量较低,所以提取过程比较难,成本高且消耗能源。
PNNL实验室人员Pete McGrail表示:“对镁生产工艺的开发可以帮助镁市场成长,减少美国对国外生产材料的依赖性。希望我们的办法比美国目前生产工艺要节能50%。”
McGrail在一封给WardsAuto的邮件中说,PNNL的工艺是将镁变为有机镁化合物,形成镁片后再经热压而生产出镁锭。实验上,PNNL是利用延展性来进行镁的加工。
PNNL工艺需要的温度不超过572° F (300° C),是通常美国工艺所需的三分之一。
拥有全球海水提取技术的尤他州镁厂与PNNL在此项研究中也进行了合作。
另一项由ARPA-E资助的方法是采用太阳能来生产镁和合成气体。这笔为期三年的360万美元被授予给科罗拉多州立大学的Alan Weimer教授,他使用冷却工艺来生产镁,在反应炉中进行冷却可将镁从气体变成固体。
目前镁的生产需要全天24小时用电,这种办法在日间属于高能源消耗,所以非常昂贵。Weimer表示:“我们的计划是在白天使用太阳能,在夜间非高峰时段使用电力。”
科罗拉多工艺涉及了碳和镁氧化物的反应。在一个合成太阳能电反应炉中,它们被加至高温,从而产生镁蒸气和一氧化碳气体,之后镁蒸气被转化为固态金属。一氧化碳与水分解后产生的氢气结合,产生合成气体,用于制造柴油和汽油。
Weimer表示:“我们预计镁的需求将会增加,因为业界需要生产低重量而且高里程的汽车。”
另外一笔ARPA-E的资助去往了印第安那州的Valparaiso大学,他们也在寻找利用太阳热能进行镁生产的方法。这笔3年期的230万美元项目将帮助减少碳排放和电力使用量。
根据美国汽车材料合作体(由克莱斯勒,福特和通用组成)镁比钢铁轻75%,比铝轻33%。到2020年,镁部件的应用将会使汽车和卡车减重达15%,节省燃油达9-12%。
该合作体说在2005年,汽车制造商们仅在每辆汽车上使用了10磅(4.5公斤)的镁。自那以后仅略有增长,由于成本问题,镁的应用一直在受到限制。
业界目标是到2020年,每辆车平均使用350磅(159公斤)的镁零部件。这将大幅减少目前达3,360磅(1,524公斤)的汽车重量。
汽车重量的降低可以产生更好的性能,更少的噪音和震动。其主要方法是采用大型铸件进行多元件的替代。以一个镁制的第三排座椅框架为例子,相对于使用钢铁来说,能够减重达40磅。
福特在林肯MKT后门上采用了业界最大的压铸镁合金之一。同时,福特Explorer也采用了这种金属材料。
福特全球材料和制造经理人Matthew Zaluzec预测,2020年以后,镁的应用将使整车重量降低20%。但他说最大的担忧之一就是镁的能量吸收特性较差并且容易剪断。
福特公司在镁板的开发上做了很多努力来力图克服上述缺陷,Zaluzek说:“如果镁板能更宽的话,我能就可以将它用在挡泥板和车顶上,但不会用于保险框和车轨。”他的目标是改变镁的化学特性来提高延展性。
Zaluzec说,镁可以在非撞击的重要应用上与铝进行竞争。“如果我们可以使镁变得更有韧性,那么就可应用到前后冲击塔,悬挂部件及一些较低的支柱上面。如果成本下来,在近期内镁还能用于仪表板上。”
Zaluzec又表示:“我们还可以推动门内仪表板的实验,但镁在成本上永远无法与钢铁竞争。”
通用在近期停止在中国生产凯迪拉克SLS,该车配有一个镁制行李箱内板,该器件是GM生产,比传统的用高强度钢制的要轻50%。
通用研究人员Jon Carter表示,当SLS在2012年底不再销售的时候,镁应用就停止了,但他又说,凯迪拉克仍在方向盘,仪表板和顶仪表框上使用了镁。
他说:“也许通用的每一辆车上都将采用压铸镁产品,镁是轻量化的选择之一。”