轻量化的镁合金引领电动自行车更轻盈

文：崔利军 肖永清

轻量化的镁合金引领电动自行车更轻盈

文：崔利军 肖永清

众所周知，镁合金是实用金属中最轻的金属，有密度小、比强度高、弹性模量大、消震性好、承受冲击载荷能力大的特点。被广泛应用于携带式的器械和电动自行车行业中，达到轻量化的目的。在日益严重的资源和环境双重压力下，镁合金作为目前工程应用中最轻之一和尚未被全面开发的金属材料之一，正受到前所未有的关注，大规模开发和利用镁合金的时代正向我们走来。据了解，镁合金凭借其在性能、资源、环境等方面的独特优势，在各个领域得到广泛应用，具有广阔的市场前景。特别是近年来，电动自行车领域开始大量应用镁合金，有效减轻了车重，改善了性能，加快了电动自行车产业的升级而受到社会广泛的关注。

美国专家指导镁合金制造企业

1 轻量化将成为电动自行车的重要发展方向

我国的轻型电动车没有很严格的定义，一般认为电动两轮车、电动三轮车、电动自行车、电动摩托车和现在常常提到的轻型、低速的电动汽车都属于这个范围。

近年来，电动自行车以其经济、便捷等特点，成为群众出行的重要交通工具，电动自行车产业快速发展，保有量迅猛增长，目前全国的电动自行车保有量已经超过了2亿辆。

据了解，按照现行的国家标准，电动自行车最高车速应小于20 km/h，整车质量（重量）应不大于40 kg，一次充电后的续行里程应不小于25 km。但是出于市场竞争的需要，生产厂家向市场提供的电动自行车速度越来越快，质量也越来越重，已经达到轻便摩托车的标准，但是却在非机动车道路上行使，给交通安全带来极大的隐患。近些年来，我国电动自行车的年产量一直保持在3 000万辆以上，国家也曾将电动自行车列入家电下乡补贴产品，给予按照销售价格13%的政府补贴，这进一步刺激了生产和销售。但80%以上的电动自行车都属于“超标”产品。

随着国家对新能源产业整体推进步伐的加快，以及绿色、环保、低碳经济的发展需要，电动自行车作为一种与消费者生活密切相关的出行伴侣，已开始面临新的机遇和挑战。不可否认，轻量化将成为今后电动自行车的重要发展方向。未来，电动自行车将会更加轻便化、小型化、节能化、智能化。而顺应这种趋势，最核心的就是要推动技术创新，通过创新丰富人们的生活。

限重一直是电动自行车新标准争议的热门内容，从长远来看，限重将是一种趋势。当前，关键还是应该通过技术手段来寻找突破口。当下电动自行车主要采用铅酸电池，这也是增加电动自行车质量的一个重要因素。所以电池的研发就成为一个方向。如轻量化锂电池，每组质量仅为3.5～5 kg，而且车型精、设计巧、动力强，被誉为是新一代电动自行车的最佳电源。此外，市面还出现了太阳能驱动电动自行车。将太阳能直接转化成电能，整车集体积小、零污染、节能环保等多项优点。但从价格和性能等因素综合来看，二者的普及率还不高，需要企业努力加大技术研究，让更具优势的新电源可以走进电动自行车领域。框架是电动自行车的主要承重部分也是整体质量最集中的部分，如果想减轻质量，就必须选择轻质又具有综合力学性能的材料。在框架材质选择上，国内各电动自行车厂家可谓是当仁不让，纷纷推出了时尚、轻便的电动自行车型。

镁合金材料的锂电自行车

高技术、高品质的电动自行车产品，一是要求“轻”，做到既轻量化，技术强度又要高，具有减重节能的优良性能；二是要求“精”，要做到设计精、技术结构精、零部件选用精和制作工艺精制；三是要求小巧，技术结构设计巧妙，外形精巧富有创意，使用上灵巧，便于骑行、携带和存放；四是要求高品质，做到材质强度高、设计水平高、制造工艺高和零部件技术含量高。尤其镁合金电动自行车要大量使用高效锂电池。镁合金加锂电池，将产生1+1＞2的效果，使镁合金电动自行车减重节能、便于使用的优良特性更加突出。因为镁合金其金属结构的特殊性，完全适用于电动自行车部件的创新安全使用，完全适用于国内外交通业市场的需求，其优良的性能和高新的技术必将为交通工业的发展开辟广阔的前景。在今后几年中，镁合金将会在电动自行车行业获得更广阔的应用，镁合金电动自行车也将会被更多的普通用户所青睐。这需要整个电动自行车行业的共同努力，开发适合消费者需求的性价比高的镁合金电动自行车产品。

镁合金材料业属技术密集型和劳动密集型结合产业，在技术上可完全依靠国内技术和全部国产化，在生产力布局上可创造巨大的经济效益和社会效益。镁合金电动自行车材料是更新换代产品，其市场前景广阔，产品具有质量轻、节能、安全、环保、美观、时尚等优点，属国家支持性产业。

电动自行车的发展方向是：设计个性化、功能综合化、自重轻量化、操作方便化、款式多样化。城市用电动自行车继续向多功能、轻量化发展，高档车向变速、避震、更加舒适的方向发展。为符合这种变化要求，自行车零部件要更多地应用新材料与新技术。近年来根据产品不同品种、性能的要求，高科技含量的复合材料及高强度轻合金材料将更多地应用于电动自行车的制作。所以镁合金材料的引入将会在我国电动自行车业得到成功应用。新材料的广泛应用，将使电动自行车的性能和制造工艺发生革命性的变革。随着人们对环境保护意识的增强，绿色产品消费市场将迅速扩大。

近年，在德国科隆和弗里德里希，法国巴黎的自行车展上，镁合金电动自行车屡见不鲜，正在被更多的厂商和消费者所认可。但由于技术上的局限，镁合金变形、焊接及防腐性能的各项指标均较难掌握，很难大批量、规模化地运用在实际生产上，由此造成了镁合金电动自行车产品的高价格，即使在欧美也仅仅只被一些专业人员或电动自行车运动发烧友所接受。目前国内外市场对镁合金电动自行车及零部件产品的需求旺盛，在国际电动自行车展销会上，有许多外商提出镁合金材料电动自行车的意向，且同行业中有许多生产厂家出口此产品，具有良好的国外市场。随着世界能源紧张和环保压力的加剧，世界各国对电动自行车的需求将始终旺盛，质轻减震的镁合金电动自行车能够满足人们对电动自行车轻便代步和健身的需求，因此市场潜力很大。

2 镁及镁合金的性能优势

镁合金是最轻的金属结构材料之一，镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。其特点是：密度小（1.75～1.85 g/cm3），是铝的2/3，钢的2/9。高强度、高刚性，弹性模量大，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。镁合金主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。

镁合金加工过程及腐蚀和力学性能有许多特点：质量轻、刚性好，具有一定的耐蚀性和尺寸稳定性，抗冲击、耐磨、衰减性能好且易于回收；另外还有高的导热和导电性能，无磁性、屏蔽性好和无毒的特点。镁合金广泛用于携带式的器械和电动自行车行业中，以达到轻量化的目的。

目前使用最广的是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。采用镁合金能减轻整车质量，可在铝轻量的基础上再减轻15%～20%。由于镁合金具有较高的比强度和比钢度，电磁屏蔽性好、减震性好，具有优良的可切削加工性能和机械抛光性能，具有环保特性，尤其易于回收利用，因此，镁合金在航空航天、军工、交通工业、电子通讯工业等领域的应用在急剧扩大，现已成为仅次于钢铁、铝合金的第3大金属结构材料，被誉为21世纪最富于开发应用潜力的“绿色工程金属结构材料”并将成为21世纪最重要的轻质结构材料。

镁合金的比重虽然比塑料重，但是，单位质量的强度和弹性率比塑料高，所以，在同样强度的零部件的情况下，镁合金的零部件能做得比塑料的薄而且轻。另外，由于镁合金的比强度也比铝合金和铁高，因此，在不减少零部件的强度下，可减轻铝或铁的零部件的质量。

镁合金相对比强度最高。比刚度接近铝合金和钢，远高于工程塑料。在弹性范围内，镁合金受到冲击载荷时，吸收的能量比铝合金件大一半，所以镁合金具有良好的抗震减噪性能。镁合金熔点比铝合金熔点低，压铸成型性能好。镁合金铸件抗拉强度与铝合金铸件相当，一般可达250 MPa，最高可达600多 MPa。屈服强度，延伸率与铝合金相差不大。镁合金还具有良好的耐腐蚀性能、电磁屏蔽性能、防辐射性能，镁合金铸件回收再利用可做到100%。镁合金件稳定性较高，压铸件的铸造行加工尺寸精度高，可进行高精度机械加工。镁合金具有良好的压铸成型性能，压铸件壁厚最小可达0.5 mm，适应制造汽车的各类压铸件。但镁合金线膨胀系数很大，达到25～26 μm/m℃。

镁合金的刚度随厚度的增加而成立方比增加，对用镁合金制造刚性好的整体构件十分有利。镁合金的减震系数远高于铝和钢铁，具有优良的抗冲击性能，有利于减震降噪，选用镁合金作为电动自行车结构材料能有效降低电动自行车的振动和噪声，受冲击时能吸收更多的能量。镁合金的散热性好，抗电磁干扰性强，使电动自行车更为安全舒适。此外，镁合金具有良好的铸造性能和加工性能，同时有优异的回收再生利用的特性，其循环使用并不影响材料的性能，且再生熔解时的能耗比新材料制造所消耗的能源少得多，仅为从矿石冶炼能耗的百分之几，更有利于环保和资源节约。

镁合金性能优异、资源丰富，是符合轻量化、低碳趋势的重要工程材料。镁合金在材料性能及加工性能方面都存在一定的优势。而且全球的镁资源非常丰富，中短期内无短缺之虞，在传统的金属材料由于资源稀缺导致价格不断上涨而使用成本日趋增加的背景下，镁金属被认为是继钢铁、铝合金之后的第3大金属结构材料。镁合金最大的优势在于质轻，在“绿色经济”不断深化的时代，镁合金的应用空间非常广阔。

3 镁合金是未来电动自行车的的重要选择

从原镁的消费结构来看大致可分为两类：非工程结构材料，主要包括铝合金元素添加、炼钢脱硫、还原海绵钛、镁阳极等，这部分属于原镁消费的传统领域，占比60%以上；工程结构材料，主要指镁合金，终端消费集中在汽车、3 C领域，目前占比不到40%，全球消费量不到30万 t，是原镁消费增长最快、未来空间最大的领域。目前镁合金的消费量还很小，主要是受到以下几方面因素的制约：镁合金材料及加工性能存在一定的不足；镁合金牌号少，难以满足不同产品对材料的要求；塑性成形工艺的生产效率、成材率还有待进一步提升；镁合金冷加工技术还有待成熟；镁废料的回收成本高。但是随着对镁合金研究的深入，这些制约因素已经或将逐渐获得突破。

镁合金在电动自行车上的应用更具经济性。目前电动自行车面临的一大问题就是笨重的电池增加了车重，从而制约了电动自行车的性能，所以轻量化也被认为是电动自行车的核心技术之一。使用镁合金进行轻量化设计就具备经济性。随着电动自行车的推广，在电池技术尚未出现质的提升之前，镁合金等轻量化材料将得到快速的增长。据介绍，与铝轮毂相比，镁合金轮毂的最大优点在于质量轻，一套镁合金轮毂（前后轮）为3.1 kg，而一套铝合金轮毂要4.7 kg，减重1/3左右。另外，镁合金减震性好，舒适度高；散热性好，可降低刹车系统温度，还可以改善车的加速与刹车性能。对增加了电池的电动自行车来说，轻量化是一个很重要的选择，在整车减重上有明显效果后，将会使一次充电后行驶距离进一步延长。更为重要的是，目前部分镁合金电动自行车轮毂的制造成本与价格已经能够低于铝合金轮毂，因此市场和客户在逐步增加认同。据不完全统计，尽管相关产品标准还未能完善，但镁合金电动自行车轮毂的销量约100万套，并且还在增长。因此，可以认为，扩大镁合金应用是电动自行车行业解决当前困境，既能满足市场需要又能符合国家法规的重要解决方案。保守估计，如果有50%的电动自行车使用5 kg的镁合金，一年将会新增75 000 t的镁合金市场，将相应拉动配套的产业链共同发展。但是，单靠企业自身的努力和零散的行动，此项工作恐难以有效推动，需要相关各方通力协作，需要企业、行业、用户、科研机构、政府的共同努力，也需要各方有力地推广和广泛的社会认知。

我国镁的蕴藏丰富，镁资源占全球总储量的22.5%。因此，较低的投资成本、丰富的煤炭资源、低成本的原料供应，以及充裕的劳动力优势，都使镁在我国的生产具有良好的经济性和竞争性。我国的原镁产量占全球产量的40%，是世界上第一大镁生产国和出口国。我国镁冶炼企业规模化、集约化程度在不断提高，材料来源丰富。从性价比比较，镁合金的运用优于铝合金材料。但镁合金在塑性变形时变形速度很低，易开裂，严重阻碍工业化生产。镁合金坯料的质量对变形材料的应用起到基础性的决定作用。其质量将直接决定并影响加工产品的好坏。因为镁合金本身室温塑性差、现有加工技术的局限，与合金坯料质量差而导致的加工废品品率高有直接的关联。

镁合金材料将是未来生产厂家的重要选择，扩大镁合金材料应用将是电动自行车行业一条光明之路。目前，天津、河北、浙江、山西、山东等省市已经有很多企业生产镁合金电动自行车和电动自行车零部件。除了车架、泥板、支架等车体部件，镁合金轮毂的应用更是加大了单车镁合金的用量。随着低碳绿色经济的步伐加快，电动自行车产业将面临新的形势、新的任务和新的机遇。

各种镁合金型材

4 电动自行车轻量化成趋势，轻质化材料走上前台

电动自行车产品的轻质化和轻便化，是发展节能减排低碳产品和绿色产业的题中之意。从提高电动自行车产品减重节能的低碳品质的创新要求上看，开发和应用轻质化新型工程结构材料和高性能蓄电池对提高电动自行车产品的性能，降低“碳足迹”有着革命的意义。据悉，电动自行车的框架是电动自行车的主要承重部分也是整体质量最集中的部分。如果要减轻电动自行车的质量，那么这部分必须选择既轻质又具有极高综合力学性能的材料，镁合金就是其中最好的选择之一。

镁合金有一系列的优越性，在电动自行车的应用中，具有高刚性、高抗震性、高抗弯曲性；它工艺性好，容易挤压变形；材料可以完全回收，没有废料，在环保上是清洁的，没有对环境有害的东西。制造电动自行车车架所需的结构材料的力学性能参数主要包括：密度、弹性模量、拉伸长度、拉伸强度、断裂强度、韧性。镁合金经过适当的处理后拉伸强度和硬度也会得到相应的提高。通过适当的方法可以保证镁合金在强度和弹性模量上符合要求，较高的阻尼系数可保证车身在经受冲击的过程中吸收部分能量以减少对骑行者的影响，同时还能提高电动自行车的寿命。

据了解，镁合金在电动自行车领域已经得到了产业化应用，各国已经把单车用镁量作为衡量电动自行车先进性的标准之一：俄罗斯更早地开始应用镁合金，并不仅仅局限于电动自行车领域，还为残疾人生产镁合金车辆。在奥林匹克残疾人运动会上，俄罗斯的运动员就是使用镁合金制造的车，获得了多项冠军。随着近年来轻质化和轻便化的潮流，中国电动自行车产业也开始越来越多地采用镁合金。正是出于轻量化的考虑，国内不少镁合金企业几年前就开始着手进行镁铝合金在电动自行车上的应用实验，并且取得了重大突破。目前市场上部分电动自行车已经开始采用镁合金等轻量化的金属作为车架。而由于镁合金具有极好的可焊性，所以车架的设计可以随心所欲。但是如何能够降低生产成本，并建立大规模的生产线则是现在镁合金生产所面临的最大挑战。

据悉，单纯的模具浇铸制得的镁合金电动自行车架不仅性能较差，而且模具费用也偏高。一个型号的车架需要3～9个不同尺寸的模具，而一个模具的价格达到10万美元。国外的通常做法是通过热挤压等加工方法得到中空的镁合金管，然后根据需要通过焊接来完成车架的生产。这样既可以保证车架的质量要求，又可以节约成本。然而，镁合金由于其自身的物理化学特点，导致其焊接有很大困难，满意的焊接质量不易获得。镁合金的结晶温度区大，易于产生热裂纹；镁的沸点低，温度进一步升高后，其蒸气压比在相同温度下的铝合金要高4～5倍，因而焊接时温度一旦过高，镁就会气化，产生爆炸形成飞溅；镁对氧有亲和力，其氧化物密度较大，而容易形成夹杂；镁在接近熔化温度时，能与空气中的氮强烈化合生成脆性的镁氮化物，显著降低接头力学性能；因此，镁合金焊接是比较困难的，在焊接时容易产生裂纹、气孔、飞溅等缺陷，显著降低镁合金焊接头的疲劳等动载荷性能，这对镁合金焊接结构件在车辆中的应用提出了挑战。可以说，镁合金焊接技术是实现镁合金零部件大量应用的主要关键技术难题。

通过技术攻关，我国已经解决了镁合金的连接问题。大连理工大学已开发出镁合金电动自行车焊接结构件、摩托车焊接结构件以及配套镁合金焊接材料，并通过了台架试验和道路试验，达到了出口标准要求，其中采用焊接技术生产的镁合金电动自行车已经出口到欧盟国家，取得了显著的经济和社会效益。镁合金电动自行车的产品开发，也有力带动了锂离子动力电池的推广应用。在电动自行车的轻量化过程中，镁的轻量化与锂电池这两个新产品的优点突出，而能够在电动自行车上很好地结合起来，是一对黄金组合，相得益彰，互为依托，成为电动自行车减重的点睛之笔和核心竞争力。

5 镁合金在电动自行车上的应用和发展

目前，镁合金电动自行车产业化开发应用的形势较好，一是广大企业开发镁合金电动自行车产品的热情高涨，纷纷动手研制设计自己的镁合金自行车产品，一些企业已经着手打造镁合金车架焊接生产线；二是随着镁合金电动自行车产品开发规模的逐步扩大，对镁合金材料和主要零部件的需求强劲增长，尤其对高品质的镁合金挤压型材和镁合金焊接车架的需求旺盛；三是随着镁合金电动自行车的研制和产销增长，锂离子动力电池成为镁合金电动自行车的最佳动力源，两相匹配、互相作用，因此镁合金电动自行车的规模化开发有力带动了锂离子动力电池的市场开发，成为锂离子动力电池推广应用的强大动力；同时使用高性能、长寿命的锂离子动力电池作为动力，也使镁合金电动自行车的产品品质性能更臻完美。

目前镁合金电动自行车产业化开发推广的前景很好，但是任务很重，还有许多问题亟待解决。镁合金电动自行车仅仅是一种产品的创新，由于镁合金应用的技术难度较大，需要加大技术投入。目前在镁合金自行车产品质量和安全性能还不够稳定的情况下，投入开发镁合金电动自行车产品风险值得研究。开发镁合金电动自行车应有更长远的战略思考，必须转变中低档开发的产品路线，逐步提高产品的技术附加值，来破解材料成本和生产成本上涨的困局，扩大企业可持续发展的空间。

当前企业的主要选择应是加强产品的创新能力，来提高产品的技术附加值和企业创利空间。而开发镁合金电动自行车产品，是电动自行车产业提升自主创新能力的主要突破口，是提高产品技术附加值的主要创新点和扩展企业利润空间的一条捷径。在国际市场上镁合金电动自行车仍是稀缺产品，欧美发达国家需要从我国进口镁合金，生产技术成本很高。实施镁合金电动自行车产业化开发，可以充分利用我国镁资源优势和国内镁业尚待深度开发的有利时机，充分发挥电动自行车产业巨大的生产制造能力，使镁合金电动自行车在国内和国外市场形成物美价廉的独占优势。

企业要积极转变观念，充分认识形势，认清镁合金电动自行车产业化开发推广的巨大意义，加快镁合金型材和焊接车架等关键产品的开发，具备镁合金型材开发能力的企业应抓住市场需求的机遇，大力开拓镁型材的生产和供应。开发镁合金焊接车架能力的生产企业需加大产销量，积极参与镁合金焊接车架的研制和生产。已掌握的镁合金车架焊接工艺技术，要逐步形成生产能力。镁合金应用技术难度虽然较大，但只要下决心攻关就可以掌握。车架抗疲劳强度不稳定将直接影响镁合金电动自行车的安全性能，其原因既有镁合金材质问题，也有焊接工艺问题。要实现镁合金电动自行车自行车的开发目标，要在国内外市场形成独占优势，必须要下功夫研制高性能、高强度的镁合金型材，必须要下大力气加强焊接工艺的攻关。加快镁合金自行车产业化开发是电动自行车产业创新发展的必经之路。开发高端镁合金电动产品，也是为了进一步开拓国际市场。现在中国品牌在国际市场缺乏竞争力，主要是由于我们的产品品质较低。要树立我们的品牌影响力，用中低档产品肯定不行，必须用高档高技术产品开路，因为国际市场就是靠实力说话。

全行业大力开发镁合金自行车产品，其主要的战略意图就是，一方面要运用我们的优势资源，摆脱钢材等原材料易受国际市场波动影响；另一方面形成镁合金电动自行车产品的开发强势，并从根本上掌握整个镁合金电动自行车产业链，这样就形成了电动自行车产业的特色产品和独占的市场优势，就可掌控产品的定价机制，形成左右国内外市场的影响力。

综上所述，在未来的发展中，镁合金需在应用领域继续改善其性能并拓展其在电动自行车中的应用中，在一些大型铸件上，也要拓展其应用范围。目的不仅是减轻质量，而且可以将几个零部件优化设计成一个镁合金铸件，节省加工工具的成本，提高装配效率。随着镁合金挤压及冲压技术的不断开发应用，不仅能进一步减轻质量（重量），而且使产品的综合性能大大提高，尤其冲压生产效率高、工装简单、成本低，由此为镁合金在电动自行车上的应用发展提供新的机遇。

镁合金具有其他材料无可替代的密度和比强度、比刚度优势，具有优异的回收再利用性，以及良好的铸造及尺寸稳定性、抗振阻尼等特性，是电动自行车轻量化技术中替代钢材、铝材、塑料复合材料的理想首选材料，其在电动自行车轻量化上的应用空间非常广阔。我国镁资源丰富，镁合金的发展有可靠的原料来源，依据目前镁合金在电动自行车中应用开发情况，镁合金材料势必将广泛应用于电动自行车业。

Magnesium Alloy Makes Electric Bicycle Lighter