汽车轮毂材料的发展现状及制备工艺

汽车轮毂材料的发展现状及制备工艺摘要：介绍了汽车轮毂材料发展现状及其制备工艺，并对各种材料的应用情况做了分析比较。提出轮毂材料的发展趋势基于轻量化，对汽车节能减排、安全及操控性能有着重要的影响，其制备工艺针对材料的进步在不断的完善中。近年来，能源，环境和安全问题受到普遍关注，汽车行业尤为突出。减轻汽车自重是提高汽车燃油经济性、降低能耗、提高安全性能的重要措施之一。汽车自重减轻10%，燃油效率即可提高15%。汽车自重每减轻100kg，百公里油耗可减少0.7L左右，每节省1L燃料可减少CO2排放2.5g。降低燃油消耗、减少向大气排出CO2和有害气体及颗粒已成为汽车工程界主攻的方向。轮毂作为汽车一个重要部件，对汽车节能、环保、安全性、操控性都有重要的影响，因此如何选材及加工成型，达到轻量化，意义深远。优质汽车轮毂包括以下基本条件：①质量轻，价格低，表面质量高，易于成型；②具有良好的静力学、动力学以及耐腐蚀特性；③具有良好的回转特性和导热特性；④具有良好的回收能力，符合环保要求。对于性能例如强度，目前可以采用专业工具进行分析，如美国MSC公司的MSC.NASTRAN，同时进行尺寸优化，但所有这些都基于选材。轮毂材料可以粗略分为钢铁材料、合金材料、复合材料等三大类别，同时结构上分为一件式、两件式、三件式，因此其加工制备工艺多种多样，本文将做详细论述。1钢铁材料钢制辐板式轮毂的最早记录是1905年，由于其强度高、散热性能好、耐磨损等特性，在很长时间里被轿车采用。尽管70年代以来，各种新型材料如轻质合金等相继问世，但该种轮毂仍以其成熟简单的工艺，低廉的成本和优良的性能在汽车市场占据一定的份额。1.1碳素钢碳素钢主要用于规则成型钢轮毂，该轮毂是由坚固的圆柱形轮辋和碳素钢轮盘焊接而成。为了改善刹车轮盘的通风情况，

在轮毂上加工一定数量的圆孔，但这不会降低使用期内对外来受力的抵抗程度。尽管具有价格优势以及一般动力性能机车上

的满意度，但对于一些特定类型的汽车而言，仍然具有许多缺点，故不推荐使用。首先，由于该轮毂是由廉价的低抵抗力的碳素钢制作而成，对于刹车盘不能大面积冷却，因此，在高性能和安全性的车辆中不使用该类型轮毂。第二，由于该轮是由低强度材料制造而成，轮盘和轮辋的厚度要达到相当大的程度，导致重量增加。在现有制造工艺中，几乎不可能满足良好性能要求，更为重要的是，冷却刹车盘不会制作更多大面积的圆孔，而这又降低了减重的可能性。由于

重量增加，轮毂具有较大的惯性，对于无悬浮结构支持的轮子来说，无疑增加了刹车和操控系统的阻力，难以掌握车子的运动方向，结果使刹车系统、悬浮系统、操控系统的改进尽数消除。因此，在高性能车中不使用该种轮毂。第三，该轮毂生产构成不允许在表面之上装饰各种精美的图案，使其不可能装备豪华车和运动跑车，因为购买者不会接受因装该轮而缺乏美感。1.2球墨铸铁球墨铸铁以其优良的综合力学性能应用在轮毂上，如铁素体球墨铸铁、高韧性球墨铸铁等。但是，由于类似碳素钢轮毂的缺点，以及铸造过程的复杂性和铸造模型所限，轮毂形状难于控制，限制了其应用。1.3其他钢铁材料一些合金钢如加入钛元素的低合金钢，合金元素可以细化晶粒，提高钢的力学性能，使钢具有强度高、塑韧性好、加工

成形性和焊接性良好，可以作为轮毂用钢；此外，低合金高强度FB双相钢，如低碳含铌钢，提高贝氏体含量，可以提高

屈服强度，提高扩孔率，也可以用作轮辐和轮辋用钢。在实际应用中的多数钢制轮毂是通过已成型的轮缘和轮盘焊接而成，尽量使自重降低。国外许多发明创新采用钢板冷变形加工而成轮辋与轮盘，并且在焊接方法上采用了一定的技术创新，如：US6052901等专利。2合金材料2.1铝合金1923年，赛车开始使用砂模铸造铝合金车轮毂。第二次世界大战后，铝合金轮毂用于普通汽车。1958年，有了铸造整体铝合金轮毂，以后不久又有了锻造铝合金轮毂。1979年，美国把铝带成型车轮作为标准车轮。1980年，联邦德国奔驰公司开始成批采用带材成型铝合金轮毂装备240D型轿车。日本是世界上生产铝合金轮毂最多的国家，1973年，成批生产轿车铝合金车轮；1977年，成批生产载货车与大客车铝合金车轮；1979年，成批生产复杂摩托车铝合金车轮。在过去的10年，全球铝合金汽车轮毂产量的年平均增长率达71.6%。时至今日，世界上几个主要汽车生产大国已经将铝合金轮毂作为车辆的标准配置。中国铝合金轮毂制造业发起于20世纪80年代末期。20世纪90年代中期，出现兴建汽车铝轮毂厂的投资高潮；

1998-2001年期间，由于国内汽车铝轮毂产能远远大于国内汽车行业要求，进入了缓慢发展阶段；2002年至今，中国汽

车制造业快速发展，出现新一轮投资汽车铝轮毂行业强劲势头。

与钢制汽车轮毂相比，铝合金汽车轮毂具有如下优点：①重量轻，可比钢制车轮毂重量减轻30%-40%,通常使用1kg铝合金，汽车自重要下降2.25kg。美国目前每辆轿车用铝合金至少100kg，可减重225kg，按一辆轿车使用10年、行驶400km计算，可节约6.3t汽油，效益可观。铝合金汽车轮毂有明显的减重效果，见表1；②减震性能好，吸收冲击能量强，从而可以改善车辆的行驶性能，提高安全性；③导热性好，热导率约为钢的3倍，可以降低轮胎的工作温度，提高轮胎的使用寿命；④外形美观，采用不同工艺生产铝合金轮毂的结构可以多样化，可以很好地满足各类使用者的审美要求。随着汽车安装ABS普及率的提高，为了减轻非悬挂件质量和减轻刹车系统的负荷，铝合金轮毂的使用正变得越来越普及。据统计，轻型车上铝合金轮毂的使用率现已达到50%左右，有的国家已经超过60%。轿车用铝合金轮毂大致可分为一体式和组合式两类。一体式可用铸造或锻造两种工艺生产，适用的铝合金有A356.2、AC4C、H5052等。组合式（二片型或三片型）轮毂的轮辋多由板材成型，轮辐则由板材成型或锻造成型，适用的铝合金有5054-O、5052-O和6063-O等。汽车采用铝合金轮毂后件重效果明显，轻型车使用铝合金轮毂比传统钢制轮毂轻30%-40%，中型汽车可轻30%左右。

美国森特来因■图尔公司用分离旋压法制出的整体板材（6061合金）车轮，比钢板冲压车轮重量减轻达50%，旋压加工时

间不到90s/个，不需要组装作业，适宜大批量生产。另外，相同外径尺寸的轮毂使用铝合金轮毂抗压强度还有所提高。表1铝合金轮毂的减重效果Table1Wbsiigresuilsofwheetiuhmadeofalinfaiinialloy车种雄毂坝格Mdt钢轮毂质量七彼重故果/kg单辆车跛重数果爪g4雄断布.与客车&OJxt4A3S-12E酸中型汽车6-mm*itII.5r5.5337.SVx网24,557125125M轮大米车75Th3124.5J4WI]too£25k2小24,5421X57.5x22.523.542心注：Iindi=25-4mm铝合金轮毂由环状轮圈与盘状轮盘即辐板两部分组成，其制造方法总体上分为焊接法、铸造法和锻造法3种。（1）焊接法这种方法是将板材卷成圆筒，焊接后，对其进行简单处理或者用模具压制成轮辋，然后将事先铸出的轮辋焊接，从而生产出车轮毂。一般须采用专用生产线，生产效率相当高，虽然生产线的投资十分昂贵，在大批量生产的情况下，其生产成本较低。但由于外观稍差及其他原因，这种方法尚不多用。焊接方法可以采用激光焊、电子束焊、或者同时采用激光焊和等离

子焊。由于以上焊接焊缝很窄并且几乎不会影响到临近区域的强度性能，因此，焊接处适宜冷变形加工。为了避免厚度不同引起焊缝处焊接时发生的突变，靠近焊缝区的厚材料与薄材料相接时应有一定的坡度。同时，在制造一些大尺寸的轮毂时，也会采用焊接法，但也存在技术问题，如焊接的两端如何对齐等。（2）铸造法由于铸造法生产铝合金轮毂具有适应性强、花色品种多样、生产成本较低等优点，铸造法仍是生产铝轮毂最普遍的方法，在目前全世界生产的铝轮毂中，铸造的占80%以上。•金属型重力铸造法常压下，液体金属靠重力作用充填金属铸型而获得铸件的一种铸造方法，也是一种古老的铸造方法。由于金属液在金属铸型中冷却速度较快，因而铸件比砂型铸造的组织致密，该法工序简单，设备投资少，生产成本较低，适用于中小规模生产。但此方法生产的铝轮毂内部质量较差，缩孔缩松严重，浇注过程中氧化膜和熔渣等夹杂物易卷入铸件，有时也会卷入气体而形成气孔缺陷，同时金属液的收得率也较低。国外铝轮毂生产此工艺已趋于淘汰，但国内有一些厂家仍在采用此工艺。•金属型低压铸造法低压铸造是用干燥、洁净的压缩空气将保温炉中的铝液自下而上通过升液管和浇注系统平稳地上压到铸造机模具型腔中，保持一定压力（一般为20-60kPa）直到铸件凝固后释放压力。因在压力下充型和凝固，所以充填性好，铸件缩松少，致密性高。该法中，坩蜗表面的氧化膜不会被破坏，与其它铸造方法比较，气孔和夹渣缺陷少，产品内部质量好。由于低压铸造利用压力充型和补充，大大简化了浇冒系统的结构，使金属液收得率大大提高，一般可达90%，而金属型重力铸造仅40%-60%。目前低压铸造已成为铝轮毂生产的首选工艺，日本的丰田汽车公司、东京轻合金制作所、美国福特汽车公司的Wiru厂和Amcast工业有限公司的WWheelTek分公司等均采用此工艺生产铝轮毂，国内的铝合金轮毂制造企业多数也采用此工艺生产，现有数十家企业用低压铸造工艺生产铝合金汽车及摩托车轮毂。低压铸造法的缺点是铸造时间较长，加铝料、更换模具费时间，设备投资大，低压铸造机使用的升液管成本较高且易损坏。但是较采用其它铸造方法生产的同类产品重量减少了15%，机加工切削量由原来的2-3mm减少到0.75mm，轮毂价格降低了10%。•压力铸造法压力铸造使液态金属在高压作用下以极高的速度充填型腔，并在压力作用下凝固而获得铸件。该工艺生产的铸件组织致

密，力学性能好，强度和表面硬度较高，铸件的尺寸精确、表面光洁。但传统压铸工艺生产的铝轮毂最大的缺点是不能通过

热处理来进一步提高性能，由于液体金属充型速度极快，型腔中气体很难完全排除，常以气孔形式存留铸件中，这些铸件孔

隙中气体在热处理过程中会发生膨胀，使得铸件''起泡"。为使压铸件也能适用于汽车保安件，近年来出现无气孔压铸新工艺，最有代表的是充氧压铸法。充氧压铸法是使压室和压型型腔内的金属液相间的空间充氧置换，并在高速高压下进行压铸，当液体金属充填时，一方面排气槽排出氧气，另一方面喷散的铝液与未排出的氧气发生反应，形成氧化铝小微粒，这种A12O3质点颗粒细小，约在1pm以下，其质量占铸件总质量的0.1%-0.2%，不影响力学性能和加工性能，并分散在铸件内部，使铸件内不产生气孔。用充氧压铸法生产的铸件，可进行固溶处理和焊接。与传统压铸法相比，充氧压铸具有以下特点：①消除或减少了压铸件内部气孔，提高了铸件致密度；②充氧压铸件比普通压铸件铸态强度可提高10%，伸长率增加30%-50%。并可对充氧压铸件进行热处理进一步提高力学性能，热处理后强度能提高30%以上，伸长率增加80%-100%，屈服极限及冲击韧性也有显著提高；③充氧压铸件可在200-300°C的环境中工作；④充氧压铸对合金成分烧损甚微；⑤充氧压铸需附加充氧控制装置，给压铸型充氧不但消耗氧气，也会增加压铸循环时间，这将使充氧压铸件比普通压铸件的成本要高10%-15%。但对质量要求较高的铸件，采用充氧压铸后降低了铸件废品率和减少了质量控制费用，综合起来考虑，成本反而可以降低。•挤压铸造法挤压铸造也称为液态模锻，是一种集铸造和锻造特点于一体的新工艺，该工艺是将一定量的金属液体直接浇入敞开的金属型内，通过冲头以一定的压力作用于液体金属上，使之充填、成形和结晶凝固，并在结晶过程中产生一定量的塑性变形。挤压铸造充型平稳，没有湍流和不包卷气体，金属直接在压力下结晶凝固，所以铸件不会产生气孔、缩孔和缩松等铸造缺陷，且组织致密、晶粒细化，力学性能比低压铸造件高产品既有接近锻件的优良力学性能，又有精铸件一次精密成形的高效率、高精度，且投资大大低于低压铸造法。挤压铸造特别适合于生产汽车工业中的安全性零件，汽车铝轮毂是一种要求较高的保安件，金属型重力铸造、低压铸造、压力铸造工艺生产的产品虽能满足使用要求，但整体质量比挤压铸造铝轮毂相差一个档次。锻造法分常规锻造法、铸造锻造法和半固态模锻法。•常规锻造法锻造是铝轮毂应用较早的成形工艺之一。锻造铝轮毂具有强度高、抗蚀性好、尺寸精确、加工量小等优点，一般情况其

重量仅相当于同尺寸钢轮的1/2或更低。锻造铝轮毂的晶粒流向与受力的方向一致，其强度、韧性与疲劳强度均显著优于铸造铝轮毂。同时，性能具有很好地再现性，几乎每个轮毂具有同样的力学性能。锻造铝轮毂的典型伸长率为12%-17%，因而能很好的吸收道路的震动和应力。通常铸造轮毂具有相当强的承受压缩力的能力，但承受冲击、剪切与拉伸载荷的能力则远不如锻造铝轮毂。锻造轮毂具有更高的强度重量比。另外，锻造铝轮毂表面无气孔，因而具有很好的表面处理能力，不但能保证涂层均匀一致，结合牢靠，而且色彩也好。锻造铝轮毂的最大缺点是生产工序多，生产成本比铸造的高得多。•铸造锻造法该法是将铸造件作为锻造工序的坯料使用，对其进行塑性加工形变，由于将锻造作为零件最终成形的程序，因此可以消除铸造缺陷，改善制品的组织结构，使产品的力学性能比铸件大大提高，同时又充分发挥铸造工艺在成形复杂方面的优势，使形状复杂的产品锻造工序减少，材料利用率大大提高，生产成本降低。该技术生产铝轮毂，其性能完全可以达到锻件的力学性能指标，生产成本却可以比普通锻造件下降30%。目前，该工艺自1996年9月成功地应用到批量生产中以来，已被多家日本公司采用经济效果良好。国内在铸造锻造成形工艺方面虽有一些研究和应用，但还未见应用到铝轮毂的生产中。•半固态模锻法20世纪70年代初美国麻省理工学院M.C.Flemings教授等开发出的一种新型的金属加工工艺一半固态金属成形工艺。由于金属凝固过程中，固相率达到20%左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性，在此过程中施以强烈搅拌，可使常规凝固时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而成为分散的颗粒悬浮在剩余液相中，这种经搅动制备的合金一般称为非枝晶半固态坯料，这种半固态坯料在固相率达到50%-60%时仍具有很好的流动性，可以采用常规的成形工艺如压铸、模锻、挤压等实现金属的成形。所谓半固态模锻，就是将半固态坯料加热到有50%左右体积液相的半固态状态后一次模锻成形，获得所需的接近尺寸成品零件的工艺，这是一种介于固态成形和液态成形之间的崭新工艺。半固态模锻具有许多独特的优点:零件在模内收缩较小，易于近终化成形，机械加工量减少，半固态模锻件表面平整光滑、内部组织致密，晶粒细小，力学性能高于压铸和挤压铸造件;成形不易裹气，宏观气孔和显微疏松比常规铸件中的少得多;成形温度低，模具寿命长。近10年来，半固态成形技术在国外获得了广泛的应用，已逐步成为各先进工业国家竞相发展的一个新领域，被专家学者称为21世纪新一代新兴的金属成形技术。预计在相当长的一段时期内，半固态成形的主要市场是汽车工业，应用最成功和最广泛的是汽车铝合金零件。美国已建成数家铝合金半固态模锻工厂。国内对这种技术的研究起步较晚，实际应用得很少。

以上对轮毂的制造方法作了具体介绍，总体来看，原有的基础上进行技术创新和发展新的加工成型技术是必然趋势。压力铸造虽然效率高，成本低，但铸件不宜进行热处理，采用真空压铸工艺生产的轮毂具有一定的竞争力；金属型铸造法工艺最成熟，具有良好的力学性能，但加工余量大，浇注时容易产生疏松和裂纹缺陷等，应用最为广泛；低压铸造法铸件合格率高，但铸机和模具造价较高，且设计麻烦，具有一定市场，适合大尺寸轮毂；挤压铸造法铸件力学性能好，但挤压机较大，模具较为复杂和贵重，制造和维修费用较高，拥有一定的市场；锻造法轮毂轻量化，具有良好的综合性能，制造成本较高，但是，从长远来看，是一种经济的轮毂，发展空间很大。2.2镁合金镁在世界汽车工业中的年增长率平均每年递增15%以上，该增长趋势预计至少会持续到2010年以后，见表2。表2汽车上镁合金用量的发展趋势(kt)Tabte2Deveb|inenltrendofmagncsiuniconsunpttoniiautonaohile{kt}地区的1^219931994B995199619971海w200(]200130022003200420052006北美101214IS233!剪44495155削6572照欧洲&7691(116233035404530556066太平洋培区11222334567gIf1316其他557&78gg10111112141517昭福特汽车公司研究实验室的Gerald.S.Cole于2000年10月在北京压铸镁国际研讨会上说，无论是美国或欧洲都将镁合金纳入重点研究，解决抗腐蚀能力、铸造工艺及装配和焊接工艺问题，最终将镁合金应用于车身和底盘零件上。Gerald.S.Cole在另一篇论文中提到，1990-1996年北美镁压铸件用量以每年20%递增。虽然当前镁用量大约是3.5kg/

车，或占车自身质量的0.2%，但也有大量用镁的实例。如福特汽车公司1997年的、'PNGV"P2000''mondeo-derivative”

车上使用了39kg镁，占车重的2%。预计在今后的20年里，汽车上的镁用量将会超过100kg/车（占总车的6%），

是当前使用量的30倍。按材料的这种用量，铸镁、铸铝、高强度钢及聚合物均将处于100-150kg的水平。镁必将成为一

种适用于汽车大多数结构件的新颖材料。镁作为有使用价值的材料始于1808年，直到1886年在德国首先开始应用于工业领域，1909年在德国法兰克福国际空展览会上，首次出现了用镁合金所铸的构件，1927年世界上出现高强度镁合金。我国是世界上镁矿资源最丰富的国家，是目前世界上最大的原镁生产国和出口国。我国镁合金的应用开发始于50年代末利用镁合金来制造飞机上的结构件，70年代初开始用于风动工具（凿岩机）上，80年代末上海桑塔纳轿车投产后，镁合金才开始用于汽车工业，但用量很少。国

家的最终目标是充分发挥我国的镁资源优势，通过技术集成创新，加强镁合金应用开发，建立具有国际竞争力的镁合金高新技术产业群，将镁资源优势转化为经济优势。镁合金优点：①镁合金是金属结构材料中最轻的金属，其屈服强度与铝合金的大体相当，与铝合金、钢、铁相比具有较低的弹性模量，在同样受力条件下，可消耗更大的变形功，具有降噪、减振功能，可承受较大的冲击震动负荷（表3）；②镁合金具有较好的铸造性能和加工性能，铸造镁合金的铸造性能良好，镁合金压铸件的最小壁厚可达0.6mm，而铝合金的为1.2-1.5mm。镁合金具有相当好的切削加工性能，镁合金、铝合金、铸铁、低合金钢切削同样零件消耗的功率比值为1.0:1.8:3.5:6.3；③镁合金电磁屏蔽性能和导热性均较好，同时具有较好的耐磨性；④镁合金有较高的尺寸稳定性，稳定的收缩率，铸件和加工件尺寸精度高；⑤镁合金具有可回收性。表3各种材料的相关力学性能对比T*b-k■噩wh用H虹I El mfllFT■牛EVWF1uwnW口patn币VAViQi■・I.■Kr1桃快7.3SMJ颇D-S+ 陌14叩膏ZK)rrX 46=0W-EW-IM wJ-J«||i.n-，血m.>okKD~住M AM一i.Ti-l*相一*侦4Mb出于上述特点，在可持续发展的今天，镁合金轮毂应运而生，具有以下优点：①比强度高；②抗振性能好，铝合金轮毂无法比拟；③受外力退让性好，镁合金轮毂比铝合金轮毂可以承受更强烈的冲击载荷；④截面设计自由度大，镁合金截面刚度随起厚度的立方比而增加，利于调整和设计方案；⑤切削性能好，轮毂表面无须抛光；⑥受冲击摩擦不会起火花。无论如何，镁合金还没有成为轮毂材料的主流。原因之一是材料的价格；另一个原因是材料生产中的延展性困难