Vào ngày 21 tháng 6, tại Hội nghị Hệ thống Động cơ Điện và Diễn đàn Công nghiệp Động cơ Truyền động - Diễn đàn Hệ thống Động cơ Điện Ô tô SMM (lần thứ 4) năm 2025, do Công ty TNHH Công nghệ và Thông tin SMM (SMM), Công ty TNHH Công nghệ Vật liệu Mới Hồng Vương Hồ Nam, Chính quyền Nhân dân Quận Lâu Tinh và Khu Phát triển Kinh tế - Công nghệ cấp Quốc gia Lâu Đức đồng tổ chức, Tiến sĩ Từ Bân từ Đại học Giao thông Thượng Hải đã trình bày về chủ đề "Phát triển Vỏ Động cơ Điện Hợp kim Magiê và Thiết kế Nhẹ".
Bối cảnh Phát triển của Magiê và Vỏ Động cơ Điện
Bối cảnh Phát triển của Magiê
• Vật liệu magiê là một hỗ trợ quan trọng cho các ngành công nghiệp mới nổi.
• Nguồn lực sản xuất: Tài nguyên khoáng sản dồi dào với nguồn cung ổn định.
Trung Quốc đã thăm dò trữ lượng đã được chứng minh của đôlômit vượt quá 4 tỷ tấn; magiê có chi phí thấp và nguồn cung có thể kiểm soát được trong dài hạn.
Hướng dẫn Quốc gia: Magiê là một kim loại mới nổi được Bộ Khoa học và Công nghệ và Bộ Công nghiệp và Thông tin (MIIT) hỗ trợ mạnh mẽ.
Trước đây, sự đổi mới trong các bộ phận ô tô hợp kim magiê chủ yếu được thúc đẩy và phát triển bởi các nhà sản xuất xe động cơ đốt trong cao cấp như BMW, Mercedes-Benz và Ford, nhưng quy mô ứng dụng của nó tương đối nhỏ. Ngay cả hiện tại, các bộ phận hợp kim magiê được sản xuất rộng rãi nhất trên các loại xe toàn cầu vẫn chủ yếu được sử dụng trong các khu vực khô của xe.
Đối với xe năng lượng mới (NEV), nhu cầu về giảm trọng lượng là cấp bách hơn.
Phát triển Công nghệ Mới
Nguyên lý Ép Phun Bán Rắn Hợp kim Magiê
Quy trình ép phun bán rắn hợp kim magiê thuộc loại công nghệ đúc thixotropic. Các hạt magiê đi vào thùng từ phễu dưới tác dụng của trọng lực hoặc áp suất âm. Bên trong thùng, sự quay của trục vít, kết hợp với nhiệt được cung cấp bởi các bộ sưởi bên ngoài (thùng thường được chia thành 5 đến 7 đoạn, với nhiệt độ tăng dần từ lối vào nguyên liệu đến vòi phun), làm nóng và cắt các hạt hợp kim magiê khi chúng được vận chuyển về phía trước. Ở giữa thùng, hợp kim magiê được nén bởi đoạn nén của trục vít, tạo ra biến dạng nhiệt dẻo và đạt được độ nén chặt. Khi tiếp tục di chuyển đến phần chứa ở đầu trước của vít, vật liệu đã chuyển hóa thành một hỗn hợp bán rắn, một phần đã nóng chảy và chứa các pha rắn hình cầu. Hỗn hợp này có tính lưu động và khả năng đổ khuôn tuyệt vời. Sau đó, hỗn hợp được bơm vào khuôn với tốc độ cao thông qua vòi phun và được làm lạnh và đông cứng nhanh chóng trong điều kiện tốc độ và áp suất cao, tạo thành các bộ phận có hình dạng và kích thước cụ thể. Sau khi quá trình bơm hoàn tất, đầu trước của vòi phun được làm lạnh để tạo thành một nút lạnh tự niêm phong, cho phép thực hiện các hoạt động đúc liên tục mà không cần khí bảo vệ hoặc nóng chảy hoàn toàn.
Công nghệ đúc ép bán rắn hợp kim magiê (Thixomolding)
Ưu điểm của công nghệ đúc ép bán rắn hợp kim magiê so với đúc khuôn lỏng truyền thống:
(1) An toàn cao. Hợp kim magiê dễ cháy ở trạng thái lỏng, trong khi quá trình đúc ép bán rắn tích hợp việc tạo hỗn hợp nhũ tương và đúc khuôn trong điều kiện tự niêm phong, loại bỏ sự cần thiết của lò nóng chảy magiê có nguy cơ cao và bước chuyển magiê nóng chảy, do đó đảm bảo sản xuất an toàn các bộ phận hợp kim magiê.
(2) Thân thiện với môi trường. Các quy trình đúc truyền thống tạo ra một lượng lớn khí dễ bay hơi trong quá trình nóng chảy hợp kim magiê và yêu cầu sử dụng thêm SF6 làm khí bảo vệ, điều này có thể dễ dàng gây tổn hại đến môi trường và hạn chế ứng dụng và phát triển của hợp kim magiê. Ngược lại, quy trình đúc ép bán rắn không yêu cầu nóng chảy hoàn toàn hoặc khí bảo vệ trong quá trình sản xuất các bộ phận hợp kim magiê và không tạo ra cặn thải nóng chảy, làm cho nó trở thành một công nghệ sản xuất xanh.
(3) Ít tạp chất oxy hóa. Nhiệt độ của quy trình đúc bán rắn thấp hơn so với các quy trình đúc truyền thống, làm giảm đáng kể nguy cơ oxy hóa. Đồng thời, vì phương pháp đúc ép ngăn chặn hợp kim magiê nóng chảy tiếp xúc trực tiếp với không khí bên ngoài, nên xác suất xuất hiện tạp chất oxy hóa trong quá trình đúc khuôn gần như bị loại bỏ.
(4) Ít khuyết tật xốp khí. Magiê lỏng có xu hướng tạo thành dòng chảy xoáy khi đổ khuôn, dẫn đến sự hình thành các khuyết tật xốp khí. Ngược lại, hợp kim magiê bán rắn có đặc tính chất lỏng không Newton và có xu hướng lấp đầy theo dạng chảy tầng, giúp giảm hiệu quả hiện tượng giữ khí trong quá trình đúc và làm cho sản phẩm đúc dày đặc hơn.
(5) Tính cơ học tuyệt vời. Hợp kim magiê được sản xuất bằng phương pháp ép đúc bán rắn có cấu trúc đông đặc không phân nhánh. Trong điều kiện tốc độ làm lạnh cao, kích thước hạt trung bình và kích thước pha thứ cấp của nó cực kỳ nhỏ. Đồng thời, do giảm các khuyết tật như lỗ xốp do khí và tạp chất, nó có độ bền và độ dẻo dai vượt trội.
(6) Độ chính xác kích thước cao. Hợp kim magiê bán rắn có khả năng đúc tốt, cho phép tạo hình gần như chính xác các cấu trúc tường mỏng phức tạp. Ngoài ra, độ co ngót khi đông đặc của nó tương đối nhỏ và khả năng chống nứt nóng được cải thiện, dẫn đến độ chính xác kích thước cao của sản phẩm đúc.
(7) Tuổi thọ khuôn dài. Nhiệt độ đúc của quy trình bán rắn thấp hơn gần 100℃ so với các quy trình đúc áp lực truyền thống, làm giảm đáng kể sốc nhiệt của hợp kim magiê nóng chảy lên khuôn và do đó kéo dài tuổi thọ của khuôn. Ví dụ, khi sản xuất một số bộ phận tường mỏng, tuổi thọ của khuôn bán rắn có thể đạt hơn 200.000 đến 400.000 lần đúc.
(8) Tỷ lệ sử dụng vật liệu cao. Các bộ phận hợp kim magiê được sản xuất bằng quy trình đúc áp lực thường có tỷ lệ sử dụng nguyên liệu thô dưới 50% do bao gồm một lượng lớn hệ thống cổ và ống dẫn. Ngược lại, quy trình đúc bán rắn có thể giảm đáng kể kích thước của cổ và đơn giản hóa các cấu trúc như ống dẫn và khe tràn, do đó tăng tỷ lệ sử dụng nguyên liệu thô lên hơn 70%.
(9) Năng suất sản phẩm cao. Quy trình ép đúc bán rắn cho phép kiểm soát nhiệt độ chính xác đối với hợp kim magiê, đảm bảo chất lượng lấp đầy vật liệu ổn định mà không có các vấn đề kết tinh trước tiềm ẩn được tìm thấy trong đúc áp lực. Nó có tỷ lệ khuyết tật thấp, được phản ánh trực tiếp trong chất lượng bên trong và bề mặt của sản phẩm. Ngay cả sau khi gia công tiếp theo, các sản phẩm vẫn duy trì tỷ lệ năng suất cao.
(10) Giảm tiêu thụ năng lượng. Đúc bán rắn hợp kim magiê có hiệu suất chu kỳ tương đương với đúc áp lực. Nhờ không có lò nung và nhiệt độ tạo hình thấp hơn, đúc bán rắn tiết kiệm ít nhất một nửa lượng điện tiêu thụ so với sản xuất đúc khuôn lỏng.
Đại học Giao thông Thượng Hải: Nghiên cứu về cấu trúc và tính chất của hợp kim magiê bán rắn với các tỷ lệ rắn khác nhau
• Trong quy trình Thixomolding, hợp kim magiê thể hiện cấu trúc phi nhánh tốt (không có sự kết tinh trước), với tính lưu động được cải thiện dần khi tỷ lệ rắn giảm.
• Tỷ lệ rắn quá cao dẫn đến khả năng lấp đầy lỗ hổng kém, trong khi các mẫu được sản xuất ở nhiệt độ phun cao cho thấy các vùng khuyết tật và đặc điểm lấp đầy giống như chất lỏng.
Đối với các thành phần có tường mỏng, nên chọn nhiệt độ tạo hình bán rắn vừa phải để giảm các khuyết tật xốp và cải thiện độ giãn dài.
Đối với các thành phần có tường dày, tăng tỷ lệ rắn có thể giảm thiểu các khuyết tật xốp co ngót.
Các giai đoạn phát triển của ứng dụng hợp kim magiê bán rắn
Sau gần ba thập kỷ phát triển, trọng tâm thiết kế của thiết bị hợp kim magiê bán rắn chủ yếu tập trung vào tạo hình các bộ phận có tường mỏng, phù hợp với sự tăng trưởng nhanh chóng của thị trường điện tử tiêu dùng. Khoảng năm 2020, sự tăng trưởng nhanh chóng của thị trường xe điện mới (NEV) một lần nữa thúc đẩy nâng cấp thiết bị hợp kim magiê bán rắn. Ngành công nghiệp bắt đầu theo đuổi việc sản xuất các thành phần kết cấu ô tô tích hợp lớn hơn từ hợp kim magiê. Tuy nhiên, thiết bị ép phun bán rắn hợp kim magiê truyền thống loại 1300T có công suất phun tối đa lý thuyết dưới 5kg, chỉ đủ để sản xuất các bộ phận nhỏ như mặt sau màn hình trung tâm, vô lăng và giá đỡ tựa tay - còn lâu mới đáp ứng được nhu cầu giảm trọng lượng của ô tô.
Hợp kim magiê bán rắn bước vào kỷ nguyên quy mô lớn
► Phát triển thiết bị quy mô lớn
Trong những năm gần đây, các nhà sản xuất thiết bị trong nước đã tham gia vào lĩnh vực này, bắt đầu nghiên cứu và phát triển thiết bị quy mô lớn. Họ đã liên tiếp giới thiệu các thiết bị hợp kim magiê bán rắn siêu lớn 3.000-4.000T, phá vỡ giới hạn công suất phun trước đây. Các hệ thống này cung cấp các giải pháp lý tưởng cho các sản phẩm hợp kim magiê có kích thước lớn như mặt sau màn hình đa năng, bảng cửa trong, khung bảng điều khiển và các thành phần kết cấu cho hệ thống ba điện (pin, động cơ và điều khiển điện).
Đã trích dẫn trường hợp thiết bị 4000T được Trung tâm Nghiên cứu Chung Thiết bị Bole - Đại học Giao thông Thượng Hải ra mắt vào tháng 4 năm 2024.
Các công nghệ mới cho hợp kim magiê bán rắn cũng đang được tiếp tục khám phá
, bao gồm giới thiệu về công nghệ phun kép và công nghệ TPI.
Nghiên cứu và Phát triển Vật liệu Hợp kim Magiê Bán rắn Mới và Các Thành phần Cấu trúc
Đặc điểm của Hợp kim Magiê Thích hợp cho Quy trình Bán rắn
Vật liệu Thích hợp cho Quy trình Đúc Bán rắn: (1) Hệ hợp kim có phạm vi đông đặc nhất định, trong đó bùn có độ nhạy cảm với nhiệt độ càng thấp càng tốt; (2) Nhiệt độ lỏng của hợp kim magiê nên càng thấp càng tốt để tránh làm giảm tuổi thọ của vít do nhiệt độ gia nhiệt quá cao.
Phát triển Vật liệu Hợp kim Magiê Bán rắn Mới
Đặc điểm: Khả năng gia công bán rắn tuyệt vời, đạt được các tính chất cơ học và chống ăn mòn tương đương với hợp kim nhôm đúc áp lực.
Trong điều kiện phun muối trung tính, khả năng chống ăn mòn của vật liệu hợp kim magiê bán rắn mới vượt trội hơn so với hợp kim nhôm ADC12 đúc áp lực.
Phát triển Các Thành phần Cấu trúc Hợp kim Magiê Bán rắn Hiệu suất Cao.
Viện Nghiên cứu Phát triển và Đổi mới SAIC và Đại học Giao thông Thượng Hải đã thiết lập quan hệ đối tác chiến lược để cùng nhau phát triển và thúc đẩy nâng cấp công nghệ quy trình bán rắn cho vỏ máy điện hợp kim magiê.
Các phát triển đang diễn ra khác bao gồm vỏ máy điện hợp kim magiê bán rắn hiệu suất cao.
Phát triển có mục tiêu các vật liệu mới từ Đại học Giao thông Thượng Hải dựa trên quy trình ép phun bán rắn để cải thiện khả năng chống ăn mòn, độ bền và khả năng chịu nhiệt.
Nó cũng đã giới thiệu về phát triển và ứng dụng chu kỳ đúc và phát triển lần đầu tiên trên thế giới về bánh xe hợp kim magiê lớn 20 inch.
Tóm tắt và Triển vọng
• Ăn mòn là thách thức lớn nhất hạn chế ứng dụng quy mô lớn của magiê. Nghiên cứu về magiê không gỉ dựa trên các phương pháp kỹ thuật gen vật liệu không chỉ mang lại hy vọng cho việc giải quyết vấn đề ăn mòn của hợp kim magiê mà còn xác minh hiệu quả của AI For Science trong việc thiết kế vật liệu mới một cách nhanh chóng và hiệu quả.
• Nghiên cứu và ứng dụng thiết bị ép phun bán rắn cực lớn cho hợp kim magiê giúp có thể sản xuất các linh kiện hợp kim magiê có kích thước lớn hơn, an toàn và thân thiện với môi trường, mở rộng hơn nữa phạm vi ứng dụng của hợp kim magiê và giúp đạt được mục tiêu giảm trọng lượng trong các lĩnh vực như xe năng lượng mới (NEV).
》Nhấp để xem báo cáo đặc biệt về Hội nghị Hệ thống Động cơ Điện & Diễn đàn Công nghiệp Động cơ Truyền động SMM (lần thứ 4) năm 2025
