Können Druckgussteile aus Magnesiumlegierungen im Automobil-Leichtbau beliebt sein?

 Das Leichtgewicht des Autos soll das Auto „abspecken“ und basiert auf der Gewährleistung einer stabilen und verbesserten Leistung, der energiesparenden Konstruktion verschiedener Komponenten und der kontinuierlichen Optimierung des Modells. Das Experiment zeigt, dass sich die Kraftstoffeffizienz um 6 bis 8 % steigern lässt, wenn das Gewicht des gesamten Fahrzeugs um 10 % reduziert wird; wenn das Gewicht des Autos um 1 % reduziert wird, kann der Kraftstoffverbrauch um 0,7 % gesenkt werden; pro 100 Kilogramm Gesamtgewicht des Autos kann der Kraftstoffverbrauch pro 100 Kilometer um 0,3 bis 0,6 gesenkt werden. Steigen.

Leichtbautrend bei Autos

Professor Ouyang Ming von der Tsinghua-Universität hat im Namen des Beratungsausschusses für die Strategie zur Energieeinsparung und Entwicklung von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben den Inhalt der Roadmap für Energieeinsparungen und Fahrzeuge mit alternativen Antrieben veröffentlicht. Die in der Roadmap vorgeschlagenen Ideen zur Entwicklung von Leichtbautechnologien werden hauptsächlich in drei Phasen umgesetzt. Jahr für Jahr wird an Gewicht verloren.

In der ersten Phase von 2016 bis 2020 soll eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts um 10 % gegenüber 2015 erreicht werden. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von ultrahochfestem Stahl und fortschrittlicher hochfester Stahltechnologie, einschließlich der Entwicklung von Materialleistung, Leichtbaumethoden, Umformtechnologie, Schweißprozessen und Testbewertungsmethoden usw., um hochfesten Stahl in Automobilanwendungen zu erreichen, deren Anteil mehr als 50 % beträgt, der Entwicklung von Aluminiumlegierungen, der Erforschung der Blechstanztechnologie und -praxis im Karosseriebau sowie der Untersuchung der Verbindungstechnologie verschiedener Materialien.

Die zweite Phase dauert von 2021 bis 2025 und soll eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts um 20 % gegenüber 2015 ermöglichen. Mit der Automobilstahl- und Aluminiumlegierungstechnologie der dritten Generation als Hauptlinie werden verschiedene Materialien wie Stahl und Aluminium gemischt und die Karosserie großflächig aus Aluminium gefertigt, um die Massenproduktion und industrielle Anwendung von Verkleidungsteilen und Teilen aus Aluminiumlegierungen zu ermöglichen. Durch die Weiterentwicklung der Produktionstechnologie für Magnesiumlegierungen und Kohlefaserverbundteile wird der Anteil von Magnesiumlegierungen und Kohlefaserteilen erhöht, und das Aluminiumvolumen für Fahrräder erreicht 350 kg.

Die dritte Phase dauert von 2026 bis 2030 und soll eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts um 35 % gegenüber 2015 ermöglichen. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von Magnesiumlegierungen und Kohlefaserverbundwerkstoffen, der Lösung des Recyclingproblems von Magnesiumlegierungen und Verbundwerkstoffen, der umfassenden Anwendung von Kohlefaserverbundwerkstoffen aus Karosserien und Kohlefaserteilen sowie einem Durchbruch bei der komplexen Teileformungstechnologie und der Technologie zur Verbindung heterogener Teile. Die Magnesiumlegierung für Fahrräder wiegt 45 kg, und die Kohlefaseranteile machen 5 % des Fahrzeuggewichts aus.

Statistiken zufolge betrug die Menge an Magnesiumlegierung, die im Jahr 2016 in einem in China produzierten Auto enthalten war, lediglich 7,3 kg. Das ist noch weit entfernt vom Ziel von 45 kg Magnesiumlegierung pro Auto im Jahr 2030. Magnesiumlegierungen bieten in Zukunft einen breiten Markt für Leichtbauanwendungen und verfügen über ein unbegrenztes Potenzial.

Eigenschaften und Vorteile von Magnesiumlegierungen

Geringe Dichte

Die Dichte von Magnesiumdruckgusslegierungen beträgt nur 2/3 der Dichte von Aluminiumlegierungen und 1/4 der Dichte von Stahl. Die spezifische Festigkeit und Steifigkeit sind besser als bei Stahl- und Aluminiumlegierungen und viel höher als bei technischen Kunststoffen. Daher sind Magnesiumdruckgusslegierungen in vielen Anwendungsbereichen ein hervorragendes Leichtbaumaterial, das mit den oben genannten Materialien konkurrieren kann.

Gute Vibrationsdämpfung

Es wirkt sich positiv auf die Vibrations- und Geräuschreduzierung aus. Beispielsweise beträgt der Dämpfungskoeffizient der Magnesiumlegierung AZ91D bei einer Spannung von 35 MPa 25 %, der der Aluminiumlegierung A380 hingegen nur 1 %. Bei einer Spannung von 100 MPa liegen die Dämpfungskoeffizienten der Magnesiumlegierungen AZ91D, AM60 und AS41 bei 53 %, 72 % bzw. 70 %, während der der Aluminiumlegierung A380 nur 4 % beträgt.

Hohe Dimensionsstabilität

Die Dimensionsinstabilität von Druckgussteilen aus Magnesiumlegierungen aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur und der Zeit wird reduziert.

Hohe Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit der Magnesiumlegierung (60–70 W/m-1 K-1) ist nach der der Aluminiumlegierung (ca. 100–70 W/m-1 K-1) die zweithöchste, daher ist die Wärmeleitfähigkeit gut.

Nicht magnetisch, kann zur elektromagnetischen Abschirmung verwendet werden.

Gute Verschleißfestigkeit

Magnesiumlegierungen haben außerdem einen guten Dämpfungskoeffizienten. Ihr Dämpfungsvermögen ist höher als das von Aluminiumlegierungen und Gusseisen. Sie können für Gehäuse verwendet werden, um Geräusche zu reduzieren. Sie können für Sitze und Räder verwendet werden, um Vibrationen zu reduzieren und die Sicherheit und den Komfort des Fahrzeugs zu verbessern. Magnesiumlegierungen sind leicht, stoßdämpfen stark, lassen sich gut gießen, haben eine hohe automatische Produktionskapazität und Lebensdauer der Gussform und sind formstabil. Als leichtester technischer Werkstoff eignen sich Magnesiumlegierungen nicht nur am besten für den Guss von Autoteilen, sondern auch für die effektivste Fahrzeugbeleuchtung. Quantifizieren Sie Materialien.

Status der Automobil-Druckgussindustrie mit Magnesiumlegierungen

Die Entwicklung von Leichtbauteilen im Automobilbereich hat die Nachfrage nach Leichtmetallgussteilen wie Magnesium und Aluminium steigen lassen. Seit 1990 verzeichnet Magnesium für Automobile eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 20 %. Magnesiumlegierungen sind zu einem wichtigen Bereich in der Entwicklung der Automobilwerkstofftechnologie geworden. Magnesiumlegierungen für den Druckguss eignen sich aufgrund ihrer Recyclingfähigkeit und der spanlosen Fertigung besonders für Anforderungen der Recyclingwirtschaft, der Energieeinsparung sowie einer kohlenstoffarmen und sauberen Produktion. Sie spielen eine dominierende Rolle bei der Entwicklung von Leichtbauteilen im Automobilbereich. Große Autoteilehersteller haben die Entwicklungschancen aktiv genutzt und in die Produktion und Entwicklung von Magnesiumlegierungs-Druckgussteilen für die Automobilindustrie investiert. Laut dem „China Magnesium Alloy Automotive Die Casting Industry Analysis Report“ (Bericht zur chinesischen Druckgussindustrie für die Automobilindustrie) belief sich die Nachfrage der chinesischen Druckgussindustrie für die Automobilindustrie im Jahr 2015 auf 149.000 Tonnen, was einem Anstieg von 23,12 % entspricht. Derzeit arbeiten in- und ausländische Automobilunternehmen an der Magnesiumlegierung von Stahl- oder Aluminiumteilen für Karosserie (ca. 30 %), Motor (ca. 18 %), Getriebe (ca. 15 %), Fahrwerk (ca. 16 %) und Räder (ca. 10 %).

Angesichts der Verwendung von Magnesiumlegierungen pro in China produziertem Fahrzeug wird die Marktkapazität der chinesischen Automobil-Druckgussindustrie für Magnesiumlegierungen im Jahr 2017 229.000 Tonnen erreichen und bis 2022 auf 660.000 Tonnen anwachsen, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 23,5 %.

Der weltweite Einsatz von Magnesium für Fahrräder ist gering, während die Nachfrage nach Magnesiumlegierungen für Automobile stark ist. Leichtbaumaterialien wie hochfester Stahl, Aluminiumlegierungen und technische Kunststoffe finden in verschiedenen Bereichen der Automobil- und Autoteileherstellung breite Anwendung.

Magnesiumlegierungen werden aus verschiedenen Gründen bisher nicht in großem Umfang gefördert und verwendet. Magnesiumlegierungen werden hauptsächlich in Instrumententafeln, Halterungen, Lenkhalterungen, Motorhauben, Lenkrädern, Sitzhalterungen, Türinnenverkleidungen und Getriebegehäusen verwendet. Derzeit verbraucht jedes nordamerikanische Auto 3,8 kg Magnesiumlegierung, in Japan 9,3 kg und in europäischen PASSAT- und Audi A4-Fahrzeugen 14 kg Magnesiumlegierung pro Fahrzeug, während der durchschnittliche Verbrauch inländischer Autos nur 1,5 kg pro Fahrzeug beträgt.

Anwendung von Magnesiumlegierungen im Automobilleichtbau

Fahrzeuginnenraumstruktur

Obwohl Magnesiumlegierungen eine geringe Korrosionsbeständigkeit aufweisen, spielt Korrosionsschutz im Fahrzeuginnenraum keine große Rolle. Daher werden Magnesiumlegierungen häufig im Fahrzeuginnenraum eingesetzt, insbesondere in Instrumententafeln und Lenkstrukturen. Berichten zufolge wurde die erste Instrumententafelsäule aus Magnesiumlegierung 1961 von General Motors im Druckgussverfahren hergestellt. Dadurch wurden 4 kg Material im Vergleich zu den gleichen Teilen aus Zinklegierungsdruckguss eingespart. In den letzten zehn Jahren hat die Verwendung von Instrumententafelsäulen aus Magnesiumlegierungsdruckguss große Fortschritte gemacht.

Der Einsatz von Magnesiumlegierungen in Sitzen begann in Deutschland in den 1990er Jahren, vor allem im SL Roadster mit einer Dreipunkt-Sicherheitsgurtstruktur aus Magnesiumdruckguss. Ähnlich wie bei der Verwendung von Magnesiumlegierungen in der Instrumententafel wurden Design und Herstellung von Sitzen aus Magnesiumlegierungen in den letzten Jahren deutlich verbessert. Sitzstrukturen aus Magnesiumlegierungen können heute nur noch 2 mm dünn sein, was das Gewicht deutlich reduziert. Obwohl auch andere Materialien wie hochfester Stahl, Aluminium und Verbundwerkstoffe zum Einsatz kommen, prognostizieren Experten, dass Magnesiumlegierungen künftig zu einem wichtigen Material für leichte und kostengünstige Autositzkomponenten werden.

Körper

Magnesiumlegierungen kommen nur begrenzt in Karosserien zum Einsatz, werden aber auch von Erstausrüstern verwendet. Bei der Einführung der C-5 Corvette im Jahr 1997 wurde der gesamte Dachrahmen aus Magnesiumdruckguss gefertigt. Auch das versenkbare Hardtop-Cabriodach und der Verdeckrahmen des Cadillac XLR Cabrios wurden aus Magnesiumlegierung gefertigt. Auch beim Ford F-150 Truck und SUV kommt ein beschichteter Magnesiumguss als Kühlkörperhalterung zum Einsatz. In Europa sind Volkswagen und Mercedes-Benz führend bei der Verwendung dünnwandiger Magnesiumgussteile in Karosserieteilen.

Chassis

Derzeit werden Räder aus gegossener oder geschmiedeter Magnesiumlegierung in vielen teuren Rennwagen oder Hochleistungssportwagen verwendet. Die relativ hohen Kosten und potenziellen Korrosionsprobleme von Magnesiumlegierungsrädern verhindern jedoch ihren Einsatz in Großserienfahrzeugen.

Die Produktion leichter und kostengünstiger Fahrwerkskomponenten aus Magnesiumlegierungen wie Radnaben, Motoraufhängungen und Querlenkern wird künftig stark auf Magnesiumgussverfahren setzen. Diese wurden bereits für Räder und Fahrwerkskomponenten aus Aluminiumlegierungen weiterentwickelt. Das Gussverfahren lässt sich nach Modifikationen erfolgreich auf Magnesiumlegierungen übertragen. Darüber hinaus wird die Entwicklung kostengünstiger, korrosionsbeständiger Schichten und neuer Magnesiumlegierungen mit hoher Dauerfestigkeit und Schlagzähigkeit den Einsatz von Magnesiumlegierungen im Fahrwerk beschleunigen.

Antriebsstrang

Die meisten Gussteile des Antriebsstrangs, wie Motorblock, Zylinderkopf, Getriebegehäuse, Ölwanne usw., bestehen aus einer Aluminiumlegierung. Derzeit werden in Nordamerika hergestellte Pickup-Trucks und SUVs mit Getrieben aus Magnesiumlegierungen ausgestattet, und die manuellen Getriebe aus Magnesiumlegierungen von Volkswagen und Audi werden auch in Europa und China in Massenproduktion hergestellt.

Derzeit wurden durch Dynamometertests an magnesiumverstärkten Motorprototypen wirksame Fortschritte erzielt, was bedeutet, dass in Zukunft mehr Magnesiumlegierungen in Antriebssystemen zum Einsatz kommen werden.

Hauptherausforderungen bei der Förderung und Anwendung von Magnesiumlegierungen.

Geringe Korrosionsbeständigkeit, hohe Kosten und eine hohe Ausschussrate sind die häufigsten Hindernisse für Magnesiumlegierungen.

Magnesiumlegierungen weisen keine hohen Druckgusskosten, keinen hohen Ausschuss und keine versteckten Gefahren für die sichere Produktion auf. Du Fangci, Berater des chinesischen Automobilherstellerverbands, erklärte, Magnesium sei ein sehr aktives Element und seine Korrosionsbeständigkeit sei sehr gering. Chinas technische Fähigkeiten hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit von Magnesiumlegierungsteilen seien schlechter. Darüber hinaus ist Magnesium während der Verarbeitung anfällig für Verbrennungen und Explosionen, was zu Sicherheitsproblemen in der Produktion führt. Produktionsstätten erfordern ein strenges Management, um eine sichere Produktion zu gewährleisten.

Mit der zunehmenden Urbanisierung wird Energie immer knapper und die Umweltverschmutzung nimmt zu. Energieeinsparung und Emissionsreduzierung sind zu wichtigen Faktoren für die Volkswirtschaft und den Lebensunterhalt der Menschen geworden. Sowohl bei herkömmlichen Autos als auch bei Fahrzeugen mit alternativen Antrieben wird großer Wert auf eine leichte Karosseriekonstruktion gelegt, um Energie zu sparen und die Umwelt zu schützen.

Magnesiumlegierungen für Automobile erfreuen sich wachsender Beliebtheit. Das Druckgussverfahren für Magnesiumlegierungen wird immer ausgereifter und sein Anwendungsbereich erweitert sich. Großformatige Druckgussteile aus Magnesiumlegierungen für Autos werden den Prozess der Leichtbaufahrzeuge vorantreiben.