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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、自行車工業的應用現狀，介紹了電磁泵低壓鑄造的原理、工藝特點，及其生產鎂合金輪轂的可行性。指出電磁泵低壓鑄造技術以其特有的優勢，將在鎂合金輪轂的生產中發揮重要作用。
關鍵詞：鎂合金 輪轂 電磁泵 低壓鑄造

鎂合金作為最輕的結構材料及可回收的綠色材料近年來備受關注。在汽車工業、電子工業、國防工業等領域的應用增長勢頭強勁。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。德國大眾公司預測在未來5年內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、應用現狀，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用現狀
 
1．鎂合金輪轂的特點

在車輛上采用鎂合金輪轂能達到輕量化的目的，與鋁合金輪轂相比，重量減輕30%左右。此外，尚有其它優點：
 
① 高減振特性：鎂合金材料具有較高的阻尼系數，是鋁合金的15倍，鋼的60倍(2)。阻尼系數越大，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性、安全性和舒適性。據報道(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． 鎂合金輪轂的應用現狀

鎂合金輪轂的諸多優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。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。

目前在汽車業中，鎂合金輪轂除了在賽車上應用較多外，在各大汽車廠推出的概念車上也配備鎂合金輪轂，但是在批量生產的車型中應用卻不多。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

汽車上的應用固然是鎂合金輪轂的一個重要領域，但不能忽視其在摩托車和自行車上的應用。

在摩托車行業，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，重慶鎂業開發出了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良的減振性能有密切的聯系。

表2 采用鎂合金輪轂的部分摩托車廠家及其車型

在自行車鎂合金輪轂的應用中，意大利BASSANO GRIMECA 生產的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研究，如儀銘東工業股份有限公司于2000年開發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的汽車、摩托車及自行車上的應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的技術和能力。因此，在“十五”科技攻關重大專項“鎂合金開發應用及產業化”項目中, 將鎂合金汽車輪轂和摩托車輪轂的大規模生產技術與商業化應用為技術突破和產業化目標(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，成形工藝的優劣直接關系到輪轂的質量，同時制造成本的高低也決定了輪轂產品的價格。因此，高質量、低成本的鎂合金輪轂的成形技術的開發將是鎂合金輪轂大量應用的關鍵。目前有報導的生產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勢。

圖1 電磁泵技術原理圖

目前在國際上比較流行的Cosworth工藝(10)應用于生產一級方程式賽車發動機，可以得到非常高質量的鑄件，其關鍵技術之一就是采用了電磁泵充型低壓鑄造技術。傳統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備，它的基本原理（如圖1）：通以電流的液態金屬在磁場中受到洛倫茲力的作用而產生定向移動。其主要參數是電磁鐵磁場間隙的磁感應強度B (單位T) 、流過液態金屬的電流密度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性能指標——壓頭(ΔP) 間存在如下關系(11)

當電流和磁場足夠大時，產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。首先將經過精煉凈化的金屬液倒入保溫爐內，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上升，從而達到平穩充型目的。當金屬液充滿鑄型，經過一定結殼時間后，即可進行升壓保壓，這樣可以確保鑄件質量。

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點：

①電磁泵充型由于不是在完全密封的環境下充型，故可對保溫爐內鎂液進行細化、凈化等處理。充型過程中由于電、磁都可以按預先設計的工藝方案執行，可保證充型過程的平穩進行。
②相對于氣壓式低壓鑄造系統來說，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。
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，提高了生產成本和降低了工作效率。
④采用電磁泵可以實現設備的連續工作，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鋁合金摩托車輪轂，所得輪轂的性能優于傳統低壓鑄造(12)。但是，鎂合金有其獨特的合金性能，因此在開發適合鎂合金成形的工藝時，需要注意模具設計、參數設定等特殊的地方：
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，因此為獲得優質的鑄件，最好采用模溫控制器。
④ 為避免鑄造裂紋，應采取以下一些措施：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力集中；提高鑄型的預熱溫度等。

表3 AZ91、AM60、A356 三種合金的部分物理性能(14)

三．結束語

鎂合金輪轂用于汽車、摩托車、自行車有其獨到的優點，因此鎂合金輪轂在車輛工業的應用量必然會迅猛增長。研究開發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以其特有的優勢，可以預計將在鎂合金輪轂的生產中發揮重要作用。

參考文獻
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