合金材料在汽車車輪製造中的應用

汽車車輪製造的主要材料有鋁合金、合金鋼、鎂合金，以及應用比較少的複合材料和鋼鋁組合材料。著重介紹了鋁合金車輪和合金鋼車輪的鑄造、鍛造工藝，分析了各種材料的優(you) 缺點，闡述了合金材料在汽車車輪生產(chan) 中的應用前景。詳細介紹了鋁合金車輪和合金鋼車輪的生產(chan) 製造工藝和鎂合金在汽車車輪上的應用。

關(guan) 鍵詞：合金材料； 汽車； 車輪； 製造工藝

1車輪製造材料的選用目前，汽車車輪材料主要有兩(liang) 種：合金鋼和鋁合金，這兩(liang) 種材料的應用占整個(ge) 市場的90%以上。汽車車輪材料的選擇也就是對鋁合金和合金鋼的選擇。另外， 由於(yu) 人們(men) 對車輪質量的要求不斷提高，這必然導致在製造汽車車輪時應用一些新材料。

1.1 合金鋼汽車車輪

在汽車誕生的一段時間裏， 汽車一直采用鋼製車輪，但是從(cong) 20 世紀70 年代末起，鋁合金車輪應用的越來越多，鋼製車輪占用的*大幅度下降。導致這一情況產(chan) 生的原因是多方麵的， 最主要的原因是外觀的吸引力。鋼製車輪的主要優(you) 勢是成本低和安全性高， 這也是大多數載重汽車的車輪采用鋼材製造的原因。但是鋼材的加工成型性能和製造工藝難度較大， 這就決(jue) 定了其不可能有鋁合金車輪那樣的結構和多樣化外形。另外，鋼車輪的質量較大，使用所消耗的能量遠遠大於(yu) 鋁製車輪。

近些年來，麵對眾(zhong) 多的挑戰，國際鋼輪行業(ye) 不得不做出一係列的調整和革新， 具體(ti) 措施有： ①新材料。微合金鋼HSLA、雙相鋼(DP)和貝氏體(ti) 鋼等高強度鋼種成功研發，並開始應用於(yu) 製造汽車車輪，為(wei) 鋼輪減輕質量和更大膽的款式設計創造了條件。根據有關(guan) 報道，HSLA 車輪的質量比一般碳素鋼車輪輕約15%。②新工藝的應用。國際鋼輪行業(ye) 與(yu) 設備製造商緊密合作，研究出旋壓生產(chan) 工藝，已經在鋼製車輪生產(chan) 中應用，法國的MagnettoWheels 工廠和西班牙的Hayes Lemmerz International 工廠開始投入生產(chan) ，日本的Topy 工廠以及美國的ArvinMeritor 工廠都相繼宣稱已掌握了這項技術。

1.2 鋁合金汽車車輪

21 世紀以來，越來越多的汽車開始應用鋁合金車輪。從(cong) 技術層麵來講， 生產(chan) 鋁合金車輪主要有兩(liang) 種：鑄造技術和鍛造技術。在鑄造技術中又有多種：低壓鑄造、重力鑄造和擠壓鑄造；在鍛造技術中又細分為(wei) ：旋壓、衝(chong) 壓和半固態成形等。在現如今，應用最多的是低壓鑄造技術，在2000 年前後，美國的大部分鋁合金車輪都是用低壓鑄造工藝生產(chan) 的。另外，在製造一些高強度的車輪時，廣泛應用鍛造技術， 這是因為(wei) 鍛造技術比其他技術生產(chan) 的產(chan) 品性能更好， 利用鍛造技術和鑄造技術生產(chan) 的同樣規格產(chan) 品其性能是不一樣的， 其中強度可以提高至少18%，質量可以減輕15%，但是在生產(chan) 時應用的設備和模具價(jia) 格遠高於(yu) 其它生產(chan) 工藝，因此，應用較少。

鋁合金車輪的汽車主要優(you) 點為(wei) ：①安全性高。從(cong) 理論上講由於(yu) 鋁比鋼散熱快，所以用鋁合金車輪的汽車很少發生因熱量散發速度慢而導致爆胎的事故。②鋁合金車輪一般是通過一體(ti) 鑄造甚至鍛造的，這樣力學性能良好，另外，沒有焊縫。這一點恰是鋼車輪的軟肋，有焊縫的鋼車輪容易導致車輪開裂。③鋁車輪的質量要要輕於(yu) 鋼車輪，可減少消耗。④在美觀上，鋁車輪的造型甚至可以根據需要製定，可以與(yu) 整車造型很好地融合一起，甚至可以給整車增添光彩。鋁合金車輪，不僅(jin) 可以減輕汽車的自身質量，增加汽車的載重量，同時也可以減輕環境的壓力(減少尾氣排放)，因此越來越多的汽車車輪選用鋁合金。

1.3 鎂合金汽車車輪

在所有的金屬中，鎂的密度相對比較小。用鎂合金製造汽車車輪的優(you) 勢為(wei) ：可減輕汽車自身的質量，減少油料的消耗量；鎂合金的強度高，遠遠高於(yu) 鋁合金，也遠遠高於(yu) 鋼，這樣，汽車的載重量要多一些。另外，鎂合金的鑄造性比較好，具有尺寸的穩定性，生產(chan) 汽車輪胎的成本低。

用鑄造鎂合金來製造汽車車輪成了更多人的選擇。但是，鑄件的生產(chan) 條件十分苛刻，第一在生產(chan) 過程中車輪的氣密性要求比較高， 第二要求汽車車輪的成品率比較高, 在鑄造生產(chan) 中要滿足這些要求也就意味著較高的生產(chan) 成本。雖然其生產(chan) 過程中困難重重，但是鎂合金的應用前景十分廣闊。近幾年來，在歐美國家，鎂合金的用量逐年呈幾何增加。許多西方的發達國家他們(men) 的高檔車基本使用的都是鎂合金車輪。這也反映了未來高檔汽車的發展之路—應用鎂合金車輪。

1.4 鋼鋁組合車輪

一些汽車上的車輪， 采用鋼材和鋁合金混合材料製成的，經過一係列的加工，將鋼材和鋁合金的應用有效地結合起來。這種車輪集中了鋼製車輪和鋁合金車輪的全部優(you) 點， 最大的優(you) 勢是極低的生產(chan) 成本， 這使得鋼鋁組合車輪有一定的市場需求。在部分發達的國家， 鋼鋁組合的車輪已經通過了多種實驗，各項性能得到檢驗和認可，並且開始推廣使用。但是在我國它還處在萌芽階段，需要加強研究。

2鋁合金車輪的製造工藝鋁合金車輪的生產(chan) 工藝有很多， 但主要是鑄造和鍛造。鑄造鋁合金車輪用量遠遠多於(yu) 鍛造，其約占到總產(chan) 量的近九成。雖然鍛造鋁合金車輪的性能更好一些，加工的車輪力學強度更高，零部件的抗疲勞性也相對更好， 但是鍛造生產(chan) 的產(chan) 品還不能大範圍推廣應用， 這主要是因為(wei) 用鍛造技術生產(chan) 資金投入量大。

2.1 鍛造工藝及其特點

目前， 應用比較多的鍛造工藝主要有兩(liang) 種，第1 種是常規鍛造法，具體(ti) 過程是將坯料(鑄造圓錠坯或者擠壓錠坯)經過熱鍛、加工以及表麵處理；第2 種是半固態成形法，具體(ti) 過程是含有30%～50%固相的鑄坯利用高溫高壓， 在特殊的鍛壓機一次快速成形。在1980 年到1990 年美、德等發達的資本主義(yi) 國家已經在生產(chan) 中應用了這項技術。用這種工藝生產(chan) 的產(chan) 品力學性能優(you) 良，質量也減輕很多。總體(ti) 來說， 在所有製造工藝中鍛造鋁合金車輪的各項性能是，但其具有密度高、力學性能好和質量小的優(you) 點， 缺點是生產(chan) 成本高， 資金投入量大， 因而在我國利用鍛造法製造鋁合金車輪的企業(ye) 少之又少。當前，美國鋁業(ye) 公司用鍛造法生產(chan) 的鋁合金車輪總量占*產(chan) 量的大多數， 在鍛造鋁合金車輪生產(chan) 領域基本處於(yu) 壟斷地位。

2.2 鑄造工藝及其特點

鋁合金車輪需要具有較高的機械強度、疲勞強度和韌性指標[16]，因此製造采取特種鑄造及熱處理工藝來實現。生產(chan) 鋁合金車輪的鑄造工藝主要有低壓鑄造、重力鑄造和擠壓鑄造3 種形式。其中低壓鑄造是鋁合金車輪鑄造工藝中的主要技術， 目前鋁輪生產(chan) 普遍采用低壓鑄造， 我國大多數車輪製造廠家也都采用了低壓鑄造技術， 約占全部產(chan) 量的80%以上。

低壓鑄造這一技術已相當成熟， 其成本比重力鑄造稍高。但是，低壓鑄造工藝受本身條件(壁厚、致密性、強度)所限，較難滿足18 吋以上車輪。其工藝流程一般為(wei) ： 清掃模具→模具的控溫→噴膜→合型熔料→熔化、精煉→變質、除氣、調溫→升壓→充型保壓→凝固→去壓→開型和開模取鑄件→整形清理→初檢。

在所有的生產(chan) 工序中熔煉是一個(ge) 關(guan) 鍵的環節，這是因為(wei) 在高溫下鋁合金會(hui) 被氧化後形成殘渣，影響產(chan) 品的性能和品質。這必須在生產(chan) 過程中利用熔煉工藝提純，具體(ti) 過程是：①在熔化過程中，加入適量的熔化劑，確保熔煉的需要；②在精煉時，要輸入純淨的氣體(ti) (氮氣等)，從(cong) 而取出渣滓和排除氧化，進而可以提煉出所需要的晶體(ti) 。

重力鑄造是曆史最久、成本、工藝的鑄造技術。重力鑄造的缺點是金屬晶粒粗大、強度較差、表麵處理工作量大。現在采用此工藝的廠家較少，做得是日本的EmKei(遠輕)，國內(nei) 也有部分生產(chan) 廠家采用這種工藝， 約占其全部產(chan) 量的20%。這種工藝早期被采用，現在已趨於(yu) 淘汰。

擠壓鑄造產(chan) 品的表麵及內(nei) 部組織近似於(yu) 鍛造，力學強度也接近鍛件。擠壓鑄造也稱為(wei) 液態模鍛，是一種集鑄造和鍛造特點於(yu) 一體(ti) 的工藝方式， 其中又分為(wei) 複合擠壓鑄造、正擠壓鑄造、兩(liang) 次擠壓鑄造、反擠壓鑄造等多種形式， 共同特點是： 鑄件表麵光潔、金相組織、各種力學性能接近於(yu) 鍛件，不需複雜的表麵加工就可以鍍鉻，鍍鉻成本較低、鍍鉻增加質量少。日本的UBE(宇部興(xing) 產(chan) 株式會(hui) 社)是這一工藝做得最成功的廠家， 國內(nei) 有一些小廠采用這種工藝生產(chan) 摩托車鋁合金車輪。

3鎂合金車輪的生產(chan) 工藝現在很多國家都用鎂合金製造汽車車輪， 在此當中變形鎂合金應用的最多。其具有許多優(you) 良的特性：強度高於(yu) 一般的鎂合金；產(chan) 品的延展性比其他鎂合金產(chan) 品更好。據國際鎂協會(hui) (IMA)公開的資料表明：他們(men) 製定的開發與(yu) 應用鎂合金有三個(ge) 目標，其中開發和利用變形鎂合金是長期的目標。

3.1 軋製

在室溫下鎂合金塑性比較差， 對其進行精密加工難度很大，目前，軋製鎂合金主要有兩(liang) 種方式：熱軋和溫軋。在鎂合金中的很多型號材料都可以軋製，MBl，MB9，AZ31B 和LAl41 都可以進行軋製，這些類型的鎂合金不僅(jin) 可以生產(chan) 厚板， 還可以生產(chan) 難度較大的中板、薄板。通常鎂合金薄板主要應用於(yu) 製造汽車的車門、罩蓋等等，這樣在增加汽車關(guan) 鍵位置的強度的同時也可以大大減輕汽車的自身質量。

3.2 擠壓

一般采用擠壓方法加工鎂合金，尤其是加工鎂合金管、棒、帶和型材等，這是用擠壓方法加工低塑性材料是相當有效的方式之一。很多變形鎂合金都可以用擠壓法生產(chan) ， 例如AZ31B、ZM21、ZK60A、HK31 等。用擠壓法生產(chan) 的零件有很多的優(you) 勢，首先其加工的產(chan) 品力學性能非常好， 其次加工後零件的表麵處理的比較，不需要再次加工，可直接應用於(yu) 汽車上。

3.3 衝(chong) 壓

在常溫下，鎂合金不宜進行衝(chong) 壓。衝(chong) 壓的溫度越高，鎂合金的拉伸比越大，一般來說，必須在150℃以上才能對鎂合金衝(chong) 壓。在180℃時，鎂合金板杯形件拉伸時的拉伸比可達1.8；在220℃時，拉伸比達到驚人的2.5，遠遠超過了鋁合金的常溫拉伸成形極限1.5，也遠遠超過了低碳鋼的的常溫拉伸成形極限2.3。在德國，大眾(zhong) 汽車公司開發出鎂合金汽車覆蓋件的熱衝(chong) 壓成形技術， 在高溫下用鎂合金加工出汽車門板。

3.4 等溫鍛造

在常溫下，鎂合金異常脆，鍛造效果不好。但鎂合金在高溫下效果不一定好， 鍛造溫度高於(yu) 400℃時，就會(hui) 產(chan) 生氧化腐蝕以及晶粒粗大，鍛造溫度範圍較窄等問題，因此，鍛造溫度必須在200～400℃。而鎂合金導熱係數較大(～80W/(m·℃))，遠遠大於(yu) 鋼。主要特性為(wei) ：①接觸模具後降溫很快導致塑性降低；②變形抗力會(hui) 增加，導致充填性能下降。因為(wei) 在高溫下鎂合金鍛造比較困難， 采用等溫鍛造較好。在我國， 目前已用等溫鍛造成功地成形了複雜的鎂合金飛機上機匣。

3.5 超塑成形

由於(yu) 鎂合金的性質*， 所以用常規變形方法來鍛造鎂合金難度很大。21 世紀以來，美國和日本的科學家都對鎂合金的超塑成形技術進行了卓有成效的研究，並且取得了一定的成果。研究表明：在特殊條件下鎂合金具有超塑性， 甚其複雜的零件也*可以一次成形。

隨著當今社會(hui) 的發展， 鎂合金的研究開發會(hui) 逐漸加深，其應用也會(hui) 變得更加廣泛，這都與(yu) 它的*性是密不可分的。在研究中，不斷地解決(jue) 發現的問題就可以不斷擴大它的應用範圍。

3.6 旋壓

利用旋壓成形工藝生產(chan) 車輪不僅(jin) 可以減少機械加工餘(yu) 量，還可以提高汽車車輪的強

度。現今，有許多企業(ye) 和研究機構開始對鎂合金旋壓成形技術進行研究， 雖然在我國尚無旋壓成形出鎂合金車輪，但是這項技術在國外已有成功的應用先例。車輪旋壓一般可采用板材劈開式旋壓、預製鍛坯旋壓、無縫管材縮徑旋壓等工藝方式。劈開式旋壓工藝是將圓盤狀板坯用劈開輪通過分層工藝， 使毛坯在厚度方向中部被劈成兩(liang) 份，再用成型輪漸進旋壓成形；預製鍛坯強旋工藝是將鍛坯進行若幹道次的強旋，從(cong) 而達到輪輞型麵尺寸要求。

5結語傳(chuan) 統車輪製造工藝(不論是鋼車輪還是鋁合金車輪)工藝複雜，尤其是鑄造過程工序繁多，設備投入大，產(chan) 品質量保證較困難，容易產(chan) 生缺陷，因而投入與(yu) 產(chan) 出比大，經濟效率低。特別是鍛造鋁合金車輪製造成本太高， 所以使用鍛造鋁合金車輪的汽車數量較少。在未來， 隨著對鋁合金汽車車輪的要求提高，汽車車輪製造技術也在不斷進步：

(1) 鍛造工藝被大家認可，也被越來越多的生產(chan) 廠家所采用， 這是因為(wei) 采用鍛造工藝生產(chan) 的鋁合金汽車車輪優(you) 勢明顯，會(hui) 大幅度提高車輪的力學性能。

(2) 在熱鍛製坯之後采用旋壓技術進行旋壓成形，不僅(jin) 大幅度減少了機械加工餘(yu) 量，還可以提高汽車車輪的力學性能。在國外，這項技術已經成熟，並且實際應用了。

(3) 液態鍛造和半固態鍛造在國外已是成熟的技術，特別是在生產(chan) 大規格、輕量化的鋁合金汽車車輪時，均采用這種工藝。