هل يمكن أن تكون قوالب الصب المصنوعة من سبائك المغنيسيوم شائعة في تخفيف وزن السيارات؟

 يهدف تخفيف وزن السيارة إلى "تخفيف وزنها"، وذلك بناءً على ضمان أداء مستقر ومُحسّن، وتصميم مُوفر للطاقة لمكوناتها المختلفة، والتحسين المُستمر للطراز. أثبتت التجربة أنه بخفض وزن السيارة بالكامل بنسبة 10%، يُمكن زيادة كفاءة استهلاك الوقود بنسبة تتراوح بين 6% و8%؛ وبخفض وزن السيارة بنسبة 1%، يُمكن خفض استهلاك الوقود بنسبة 0.7%؛ ولكل 100 كيلوغرام من وزن السيارة بالكامل، يُمكن خفض استهلاك الوقود لكل 100 كيلومتر بنسبة تتراوح بين 0.3 و0.6%.

اتجاه السيارات خفيفة الوزن

نشر البروفيسور أويانغ مينغ، الأستاذ بجامعة تسينغهوا، نيابةً عن اللجنة الاستشارية لاستراتيجية الحفاظ على الطاقة وتطوير مركبات الطاقة الجديدة، محتوى خارطة طريق تكنولوجيا مركبات الطاقة الجديدة وتوفير الطاقة. تُنفَّذ أفكار تطوير تكنولوجيا الوزن الخفيف المقترحة في خارطة الطريق بشكل رئيسي على ثلاث مراحل. إنقاص الوزن عامًا بعد عام.

المرحلة الأولى من عام 2016 إلى عام 2020، وتحقيق انخفاض بنسبة 10٪ في وزن السيارة مقارنة بعام 2015. التركيز على تطوير الفولاذ فائق القوة وتكنولوجيا الفولاذ عالية القوة المتقدمة، بما في ذلك تطوير أداء المواد، وطرق التصميم خفيفة الوزن، وتكنولوجيا التشكيل، وعملية اللحام وطرق تقييم الاختبار، وما إلى ذلك، لتحقيق الفولاذ عالي القوة في تطبيقات السيارات، ونسبة أكثر من 50٪، وتطوير سبائك الألومنيوم البحث في تكنولوجيا ختم الصفائح المعدنية والممارسة في الجسم، ودراسة تكنولوجيا اتصال المواد المختلفة.

المرحلة الثانية، من عام ٢٠٢١ إلى عام ٢٠٢٥، تُحقق انخفاضًا في وزن المركبات بنسبة ٢٠٪ مقارنةً بعام ٢٠١٥. وتعتمد الشركة على الجيل الثالث من تكنولوجيا سبائك الفولاذ والألمنيوم للسيارات كخط إنتاج رئيسي، مما يُمكّن من خلط مواد متنوعة مثل الفولاذ والألمنيوم، وتطبيق هيكل الألومنيوم بالكامل على نطاق واسع، مما يُتيح الإنتاج الضخم والاستخدام الصناعي لأجزاء أغطية سبائك الألومنيوم وقطع سبائك الألومنيوم. كما يُعزز تطوير تكنولوجيا إنتاج قطع سبائك المغنيسيوم وألياف الكربون المركبة، ويزيد من نسبة استخدامها، ليصل حجم الألومنيوم المُستخدم في الدراجات إلى ٣٥٠ كجم.

المرحلة الثالثة، الممتدة من عام ٢٠٢٦ إلى عام ٢٠٣٠، تهدف إلى خفض وزن المركبات بنسبة ٣٥٪ مقارنةً بعام ٢٠١٥. تركز المرحلة الثالثة على تطوير تقنية مركبات سبائك المغنيسيوم وألياف الكربون، وحل مشكلة إعادة تدويرها، وتحقيق تطبيقات واسعة النطاق لمزج هياكل المركبات بألياف الكربون، واختراق تقنيات تشكيل الأجزاء المعقدة وتوصيل الأجزاء غير المتجانسة. يصل وزن سبائك المغنيسيوم للدراجات إلى ٤٥ كجم، ويمثل استخدام ألياف الكربون ٥٪ من وزن المركبة.

وفقًا للإحصاءات، في عام 2016، كانت كمية سبائك المغنيسيوم التي تم إنتاجها بسيارة واحدة في الصين 7.3 كجم فقط، وهو ما يزال بعيدًا عن الهدف المتمثل في 45 كجم لسبائك المغنيسيوم التي تم إنتاجها بسيارة واحدة في عام 2030. تتمتع سبائك المغنيسيوم بسوق واسع للتطبيقات خفيفة الوزن في المستقبل ولديها إمكانات غير محدودة.

خصائص ومزايا سبائك المغنيسيوم

كثافة منخفضة

تبلغ كثافة سبائك المغنيسيوم المصبوبة 2/3 فقط من سبائك الألومنيوم، و1/4 من الفولاذ، والقوة النوعية والصلابة النوعية أفضل من الفولاذ وسبائك الألومنيوم، وأعلى بكثير من البلاستيك الهندسي، لذلك فإن سبائك المغنيسيوم المصبوبة ممتازة في العديد من المواد الهيكلية خفيفة الوزن التي يمكنها التنافس مع المواد المذكورة أعلاه في مجال التطبيق.

امتصاص جيد للاهتزازات

يُفيد في تقليل الاهتزازات والضوضاء. على سبيل المثال، عند مستوى إجهاد 35 ميجا باسكال، يكون معامل التوهين لسبائك المغنيسيوم AZ91D 25%، بينما يكون معامل التوهين لسبائك الألومنيوم A380 1% فقط. عند مستويات إجهاد 100 ميجا باسكال، تكون معامل التوهين لسبائك المغنيسيوم AZ91D وAM60 وAS41 53% و72% و70% على التوالي، بينما تكون معامل التوهين لسبائك الألومنيوم A380 4% فقط.

استقرار أبعاد عالي

يتم تقليل عدم الاستقرار الأبعادي لمصبوبات سبائك المغنيسيوم بسبب التغيرات في درجة الحرارة المحيطة والوقت.

الموصلية الحرارية العالية

إن الموصلية الحرارية لسبائك المغنيسيوم (60-70 واط / م -1 كلفن) تأتي في المرتبة الثانية بعد سبائك الألومنيوم (حوالي 100-70 واط / م -1 كلفن)، وبالتالي فإن الانتشار الحراري جيد.

غير مغناطيسي، يمكن استخدامه للحماية الكهرومغناطيسية.

مقاومة جيدة للتآكل

تتميز سبيكة المغنيسيوم أيضًا بمعامل تخميد جيد، حيث تفوق قدرتها على التخميد قدرة سبائك الألومنيوم والحديد الزهر. يمكن استخدامها في هياكل السيارات لتقليل الضوضاء، وفي المقاعد والعجلات لتقليل الاهتزاز وتحسين سلامة وراحة السيارة. تتميز سبيكة المغنيسيوم بخفة وزنها، وقدرتها العالية على امتصاص الصدمات، وأدائها الممتاز في الصب، وقدرتها العالية على الإنتاج الآلي وعمرها الافتراضي الطويل، وثبات أبعادها. وباعتبارها أخف مادة هندسية، فإن سبيكة المغنيسيوم ليست فقط المادة الأنسب لصب قطع غيار السيارات، بل هي أيضًا المادة الأكثر فعالية في إضاءة السيارات. حدد كمية المواد.

حالة صناعة صب سبائك المغنيسيوم للسيارات

أدى التطور الخفيف للسيارات إلى زيادة الطلب على سبائك سبائك خفيفة مثل المغنيسيوم والألمنيوم. منذ عام 1990، شهد استخدام المغنيسيوم في السيارات نموًا سنويًا متوسطًا قدره 20%. أصبحت سبائك المغنيسيوم مجالًا مهمًا في تطوير تكنولوجيا مواد السيارات. تُعد مواد سبائك المغنيسيوم المصبوبة بالقالب مناسبة بشكل خاص لاقتصاد إعادة التدوير وتوفير الطاقة وانخفاض الكربون ومتطلبات الإنتاج النظيف نظرًا لقابليتها لإعادة التدوير وانخفاض عملية التكسير. وهي مهيمنة في تطوير السيارات إلى خفيفة الوزن. انتهز كبار مصنعي قطع غيار السيارات فرصة التطوير بنشاط واستثمروا في إنتاج وتطوير سبائك سبائك المغنيسيوم للسيارات. وفقًا لبيانات تقرير تحليل صناعة سبائك المغنيسيوم للسيارات في الصين، في عام 2015، بلغ الطلب على صناعة سبائك المغنيسيوم للسيارات في الصين 149000 طن، بزيادة قدرها 23.12%. في الوقت الحاضر، تعمل شركات السيارات المحلية والأجنبية على تصنيع الجسم (حوالي 30٪)، والمحرك (حوالي 18٪)، ونظام النقل (حوالي 15٪)، ونظام المشي (حوالي 16٪)، والعجلات (حوالي 10٪). 5٪ سبائك المغنيسيوم من أجزاء الفولاذ أو الألومنيوم.

في ضوء استخدام سبائك المغنيسيوم لكل مركبة يتم إنتاجها في الصين، ستصل القدرة السوقية لصناعة صب سبائك المغنيسيوم للسيارات في الصين إلى 229 ألف طن في عام 2017، وستصل القدرة السوقية إلى 660 ألف طن بحلول عام 2022، مع معدل نمو مركب سنوي متوسط يبلغ 23.5٪.

الاستخدام العالمي للمغنيسيوم في الدراجات منخفض، والطلب على توسيع استخدام سبائك المغنيسيوم في السيارات كبير. تُستخدم مواد خفيفة الوزن، مثل الفولاذ عالي القوة وسبائك الألومنيوم والبلاستيك الهندسي، على نطاق واسع في مختلف جوانب تصنيع السيارات وقطع غيارها.

لم تُروَّج سبائك المغنيسيوم على نطاق واسع، ولم تُستخدم لأسبابٍ مُختلفة. تُستخدم سبائك المغنيسيوم بشكلٍ رئيسي في لوحات العدادات، بما في ذلك حاملات العجلات، وحاملات التوجيه، وغطاء المحرك، وعجلة القيادة، وحاملات المقاعد، وألواح الأبواب الداخلية، وغطاء ناقل الحركة، وغيرها. حاليًا، تستهلك كل سيارة في أمريكا الشمالية 3.8 كجم من سبائك المغنيسيوم، و9.3 كجم في اليابان، و14 كجم في سيارات باسات وأودي A4 الأوروبية، بينما يبلغ متوسط استهلاك السيارات المُصنّعة محليًا 1.5 كجم فقط لكل سيارة.

تطبيق سبائك المغنيسيوم في تخفيف وزن السيارات

هيكل السيارة الداخلي

على الرغم من ضعف مقاومة سبائك المغنيسيوم للتآكل، إلا أن الحماية من التآكل لا تُعدّ من الاعتبارات الرئيسية في تصنيع الأجزاء الداخلية للسيارات. لذلك، استُخدمت سبائك المغنيسيوم على نطاق واسع في تصنيع الأجزاء الداخلية للسيارات، وخاصةً في لوحات العدادات وهياكل التوجيه. يُذكر أن أول عمود لوحة عدادات من سبائك المغنيسيوم صُنع بواسطة شركة جنرال موتورز عام ١٩٦١، مما أدى إلى توفير ٤ كجم من المواد مقارنةً بالأجزاء نفسها المصبوبة باستخدام سبائك الزنك. وعلى مدار العقد الماضي تقريبًا، شهد استخدام أعمدة صينية العدادات المصبوبة باستخدام سبائك المغنيسيوم تقدمًا كبيرًا.

بدأ استخدام سبائك المغنيسيوم في المقاعد في ألمانيا في تسعينيات القرن الماضي، وخاصةً في سيارة س ل رودستر، باستخدام هيكل حزام أمان ثلاثي النقاط مصنوع من سبائك المغنيسيوم المصبوبة. وعلى غرار استخدام سبائك المغنيسيوم في لوحة العدادات، شهد تصميم وتصنيع المقاعد المصنوعة من سبائك المغنيسيوم في السنوات الأخيرة تحسينات كبيرة. يمكن الآن أن يصل سمك هيكل المقعد المصنوع من سبائك المغنيسيوم إلى 2 مم، مما يقلل الوزن بشكل كبير. وعلى الرغم من استخدام مواد أخرى مثل الفولاذ عالي القوة والألمنيوم والمواد المركبة، يتوقع الخبراء أن تصبح سبائك المغنيسيوم مادة رئيسية في مكونات مقاعد السيارات خفيفة الوزن واقتصادية التكلفة في المستقبل.

جسم

استخدام سبائك المغنيسيوم محدود في هياكل السيارات، ولكنها تُستخدم أيضًا في شركات تصنيع المعدات الأصلية. عند طرح سيارة كورفيت C-5 عام ١٩٩٧، استُخدم هيكل السقف المصبوب بالكامل من سبائك المغنيسيوم. بالإضافة إلى ذلك، استُخدمت سبائك المغنيسيوم في سقف سيارة كاديلاك إكس إل آر المكشوفة القابل للطي والسقف الصلب القابل للطي. تستخدم شاحنة فورد F-150 وسيارات الدفع الرباعي أيضًا صبًا مطليًا بالمغنيسيوم كحامل لمشتت الحرارة. في أوروبا، كانت فولكس فاجن ومرسيدس-بنز رائدتين في استخدام صب سبائك المغنيسيوم رقيقة الجدران في ألواح الهيكل.

الهيكل

حاليًا، تُستخدم عجلات سبائك المغنيسيوم المصبوبة أو المشغولة في العديد من سيارات السباق باهظة الثمن أو السيارات الرياضية عالية الأداء. إلا أن تكلفتها المرتفعة نسبيًا واحتمالية تعرضها للتآكل تحول دون استخدامها في المركبات ذات الإنتاج الضخم.

في المستقبل، سيعتمد إنتاج مكونات شاسيهات سبائك المغنيسيوم خفيفة الوزن ومنخفضة التكلفة، مثل المحاور، وأنظمة تعليق المحرك، وأذرع التحكم، بشكل كبير على عملية صب سبائك المغنيسيوم، وقد طُوّرت هذه العملية على عجلات ومكونات شاسيهات سبائك الألومنيوم. يمكن تطبيق عملية الصب بنجاح على سبائك المغنيسيوم بعد تعديلها. بالإضافة إلى ذلك، سيُسرّع تطوير طبقات منخفضة التكلفة ومقاومة للتآكل، وسبائك مغنيسيوم جديدة ذات مقاومة عالية للإجهاد والصدمات، من استخدام سبائك المغنيسيوم في الشاسيهات.

مجموعة نقل الحركة

تُصنع معظم أجزاء نظام نقل الحركة، مثل كتلة المحرك، ورأس الأسطوانة، وعلبة ناقل الحركة، وحوض الزيت، وغيرها، من سبائك الألومنيوم. حاليًا، تُستخدم نواقل الحركة المصنوعة من سبائك المغنيسيوم في شاحنات البيك أب وسيارات الدفع الرباعي المُنتجة في أمريكا الشمالية، كما تُنتج نواقل الحركة اليدوية المصنوعة من سبائك المغنيسيوم من فولكس فاجن وأودي بكميات كبيرة في أوروبا والصين.

وفي الوقت الحاضر، تم تحقيق تقدم فعال من خلال اختبارات مقياس القوة على النماذج الأولية للمحركات المحسنة بالمغنيسيوم، مما يعني أنه سيتم استخدام المزيد من سبائك المغنيسيوم في أنظمة الطاقة في المستقبل.

التحديات الرئيسية في الترويج وتطبيق سبائك المغنيسيوم.

تعتبر مقاومة التآكل الضعيفة والتكلفة العالية ومعدل الخردة العالي من العوائق الشائعة أمام سبائك المغنيسيوم.

لا تعاني سبائك المغنيسيوم من مشاكل ارتفاع تكلفة الصب بالقالب، وارتفاع معدل الخردة، والمخاطر الخفية المتعلقة بالإنتاج الآمن. وصرح دو فانجشي، مستشار جمعية مصنعي السيارات الصينية، بأن المغنيسيوم عنصر نشط للغاية، ومقاومته للتآكل ضعيفة للغاية. وأضاف أن القدرات التقنية الصينية في مقاومة تآكل أجزاء سبائك المغنيسيوم أسوأ. كما أن المغنيسيوم عرضة للاحتراق والانفجار أثناء المعالجة، مما يُسبب مشاكل تتعلق بسلامة الإنتاج. وتتطلب مواقع الإنتاج إدارة صارمة لضمان الإنتاج الآمن.

مع تسارع التحضر، تتزايد ندرة الطاقة، ويتفاقم التلوث البيئي. أصبح الحفاظ على الطاقة وخفض الانبعاثات أمرًا بالغ الأهمية للاقتصاد الوطني ومعيشة الناس. تولي السيارات التقليدية ومركبات الطاقة الجديدة الناشئة اهتمامًا كبيرًا لتصميم هيكل خفيف الوزن لتحقيق توفير الطاقة وحماية البيئة.

يشهد قطاع سبائك المغنيسيوم للسيارات ازدهارًا ملحوظًا، وتشهد عملية صب سبائك المغنيسيوم تطورًا مطردًا، ويتسع نطاق تطبيقاتها. وسيعزز صب أجزاء السيارات من سبائك المغنيسيوم على نطاق واسع عملية تصنيع المركبات خفيفة الوزن.