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合金材料在汽车车轮制造中的应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-08-09  来源:中国汽车材料网   [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
核心提示:合金材料在汽车车轮制造中的应用

摘要:汽车车轮制造的主要材料有铝合金、合金钢、镁合金,以及应用比较少的复合材料和钢铝组合材料。着重介绍了铝合金车轮和合金钢车轮的铸造、锻造工艺,分析了各种材料的优缺点,阐述了合金材料在汽车车轮生产中的应用前景。详细介绍了铝合金车轮和合金钢车轮的生产制造工艺和镁合金在汽车车轮上的应用。

关键词:合金材料; 汽车; 车轮; 制造工艺

1车轮制造材料的选用

目前,世界上汽车车轮材料主要有两种:合金钢和铝合金,这两种材料的应用占整个市场的90%以上。汽车车轮材料的选择也就是对铝合金和合金钢的选择。另外, 由于人们对车轮质量的要求不断提高,这必然导致在制造汽车车轮时应用一些新材料

1.1 合金钢汽车车轮

在汽车诞生的一段时间里, 汽车一直采用钢制车轮,但是从20 世纪70 年代末起,铝合金车轮应用的越来越多,钢制车轮占用的市场份额大幅度下降。导致这一情况产生的原因是多方面的, 最主要的原因是外观的吸引力。钢制车轮的主要优势是成本低和安全性高, 这也是大多数载重汽车的车轮采用钢材制造的原因。但是钢材的加工成型性能和制造工艺难度较大, 这就决定了其不可能有铝合金车轮那样的结构和多样化外形。另外,钢车轮的质量较大,使用所消耗的能量远远大于铝制车轮。

近些年来,面对众多的挑战,国际钢轮行业不得不做出一系列的调整和革新, 具体措施有: ①新材料。微合金钢HSLA、双相钢(DP)和贝氏体钢等高强度钢种成功研发,并开始应用于制造汽车车轮,为钢轮减轻质量和更大胆的款式设计创造了条件。根据有关报道,HSLA 车轮的质量比一般碳素钢车轮轻约15%。②新工艺的应用。国际钢轮行业与设备制造商紧密合作,研究出旋压生产工艺,已经在钢制车轮生产中应用,法国的MagnettoWheels 工厂和西班牙的Hayes Lemmerz International 工厂开始投入生产,日本的Topy 工厂以及美国的ArvinMeritor 工厂都相继宣称已掌握了这项技术。

1.2 铝合金汽车车轮

21 世纪以来,越来越多的汽车开始应用铝合金车轮。从技术层面来讲, 生产铝合金车轮主要有两种:铸造技术和锻造技术。在铸造技术中又有多种:低压铸造、重力铸造和挤压铸造;在锻造技术中又细分为:旋压、冲压和半固态成形等。在当今世界上,应用最多的是低压铸造技术,在2000 年前后,美国的大部分铝合金车轮都是用低压铸造工艺生产的。另外,在制造一些高强度的车轮时,广泛应用锻造技术, 这是因为锻造技术比其他技术生产的产品性能更好, 利用锻造技术和铸造技术生产的同样规格产品其性能是不一样的, 其中强度可以提高至少18%,质量可以减轻15%,但是在生产时应用的设备和模具价格远高于其它生产工艺,因此,应用较少。

铝合金车轮的汽车主要优点为:①安全性高。从理论上讲由于铝比钢散热快,所以用铝合金车轮的汽车很少发生因热量散发速度慢而导致爆胎的事故。②铝合金车轮一般是通过一体铸造甚至锻造的,这样力学性能良好,另外,没有焊缝。这一点恰是钢车轮的软肋,有焊缝的钢车轮容易导致车轮开裂。③铝车轮的质量要要轻于钢车轮,可减少消耗。④在美观上,铝车轮的造型甚至可以根据需要制定,可以与整车造型很好地融合一起,甚至可以给整车增添光彩。铝合金车轮,不仅可以减轻汽车的自身质量,增加汽车的载重量,同时也可以减轻环境的压力(减少尾气排放),因此越来越多的汽车车轮选用铝合金。

1.3 镁合金汽车车轮

在所有的金属中,镁的密度相对比较小。用镁合金制造汽车车轮的优势为:可减轻汽车自身的质量,减少油料的消耗量;镁合金的强度高,远远高于铝合金,也远远高于钢,这样,汽车的载重量要多一些。另外,镁合金的铸造性比较好,具有尺寸的稳定性,生产汽车轮胎的成本低。

用铸造镁合金来制造汽车车轮成了更多人的选择。但是,铸件的生产条件十分苛刻,第一在生产过程中车轮的气密性要求比较高, 第二要求汽车车轮的成品率比较高, 在铸造生产中要满足这些要求也就意味着较高的生产成本。虽然其生产过程中困难重重,但是镁合金的应用前景十分广阔。近几年来,在欧美国家,镁合金的用量逐年呈几何增加。许多西方的发达国家他们的高档车基本使用的都是镁合金车轮。这也反映了未来高档汽车的发展之路—应用镁合金车轮。

1.4 钢铝组合车轮

一些汽车上的车轮, 采用钢材和铝合金混合材料制成的,经过一系列的加工,将钢材和铝合金的应用有效地结合起来。这种车轮集中了钢制车轮和铝合金车轮的全部优点, 最大的优势是极低的生产成本, 这使得钢铝组合车轮有一定的市场需求。在部分发达的国家, 钢铝组合的车轮已经通过了多种实验,各项性能得到检验和认可,并且开始推广使用。但是在我国它还处在萌芽阶段,需要加强研究。

2铝合金车轮的制造工艺

铝合金车轮的生产工艺有很多, 但主要是铸造和锻造。铸造铝合金车轮用量远远多于锻造,其约占到总产量的近九成。虽然锻造铝合金车轮的性能更好一些,加工的车轮力学强度更高,零部件的抗疲劳性也相对更好, 但是锻造生产的产品还不能大范围推广应用, 这主要是因为用锻造技术生产资金投入量大。

2.1 锻造工艺及其特点

目前, 在世界上应用比较多的锻造工艺主要有两种,第1 种是常规锻造法,具体过程是将坯料(铸造圆锭坯或者挤压锭坯)经过热锻、加工以及表面处理;第2 种是半固态成形法,具体过程是含有30%~50%固相的铸坯利用高温高压, 在特殊的锻压机一次快速成形。在1980 年到1990 年美、德等发达的资本主义国家已经在生产中应用了这项技术。用这种工艺生产的产品力学性能优良,质量也减轻很多。总体来说, 在所有制造工艺中锻造铝合金车轮的各项性能是最好的,但其具有密度高、力学性能好和质量小的优点, 缺点是生产成本高, 资金投入量大, 因而在我国利用锻造法制造铝合金车轮的企业少之又少。当前,美国铝业公司用锻造法生产的铝合金车轮总量占全球产量的大多数, 在锻造铝合金车轮生产领域基本处于垄断地位。

2.2 铸造工艺及其特点

铝合金车轮需要具有较高的机械强度、疲劳强度和韧性指标[16],因此制造采取特种铸造及热处理工艺来实现。生产铝合金车轮的铸造工艺主要有低压铸造、重力铸造和挤压铸造3 种形式。其中低压铸造是铝合金车轮铸造工艺中的主要技术, 目前世界铝轮生产普遍采用低压铸造, 我国大多数车轮制造厂家也都采用了低压铸造技术, 约占全部产量的80%以上。

低压铸造这一技术已相当成熟, 其成本比重力铸造稍高。但是,低压铸造工艺受本身条件(壁厚、致密性、强度)所限,较难满足18 吋以上车轮。其工艺流程一般为: 清扫模具→模具的控温→喷膜→合型熔料→熔化、精炼→变质、除气、调温→升压→充型保压→凝固→去压→开型和开模取铸件→整形清理→初检。

在所有的生产工序中熔炼是一个关键的环节,这是因为在高温下铝合金会被氧化后形成残渣,影响产品的性能和品质。这必须在生产过程中利用熔炼工艺提纯,具体过程是:①在熔化过程中,加入适量的熔化剂,确保熔炼的需要;②在精炼时,要输入纯净的气体(氮气等),从而取出渣滓和排除氧化,进而可以提炼出所需要的晶体。

重力铸造是历史最久、成本最低、工艺最简单的铸造技术。重力铸造的缺点是金属晶粒粗大、强度较差、表面处理工作量大。现在采用此工艺的厂家较少,做得最好的是日本的EmKei(远轻),国内也有部分生产厂家采用这种工艺, 约占其全部产量的20%。这种工艺早期被采用,现在已趋于淘汰。

挤压铸造产品的表面及内部组织近似于锻造,力学强度也接近锻件。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工艺方式, 其中又分为复合挤压铸造、正挤压铸造、两次挤压铸造、反挤压铸造等多种形式, 共同特点是: 铸件表面光洁、金相组织、各种力学性能接近于锻件,不需复杂的表面加工就可以镀铬,镀铬成本较低、镀铬增加质量少。日本的UBE(宇部兴产株式会社)是这一工艺做得最成功的厂家, 国内有一些小厂采用这种工艺生产摩托车铝合金车轮。

3镁合金车轮的生产工艺

现在很多国家都用镁合金制造汽车车轮, 在此当中变形镁合金应用的最多。其具有许多优良的特性:强度高于一般的镁合金;产品的延展性比其他镁合金产品更好。据国际镁协会(IMA)公开的资料表明:他们制定的开发与应用镁合金有三个目标,其中开发和利用变形镁合金是长期的目标。

3.1 轧制

在室温下镁合金塑性比较差, 对其进行精密加工难度很大,目前,轧制镁合金主要有两种方式:热轧和温轧。在镁合金中的很多型号材料都可以轧制,MBl,MB9,AZ31B 和LAl41 都可以进行轧制,这些类型的镁合金不仅可以生产厚板, 还可以生产难度较大的中板、薄板。通常镁合金薄板主要应用于制造汽车的车门、罩盖等等,这样在增加汽车关键位置的强度的同时也可以大大减轻汽车的自身质量。

3.2 挤压

一般采用挤压方法加工镁合金,尤其是加工镁合金管、棒、带和型材等,这是用挤压方法加工低塑性材料是最有效的方式之一。很多变形镁合金都可以用挤压法生产, 例如AZ31B、ZM21、ZK60A、HK31 等。用挤压法生产的零件有很多的优势,首先其加工的产品力学性能非常好, 其次加工后零件的表面处理的比较完美,不需要再次加工,可直接应用于汽车上。

3.3 冲压

在常温下,镁合金不宜进行冲压。冲压的温度越高,镁合金的拉伸比越大,一般来说,必须在150℃以上才能对镁合金冲压。在180℃时,镁合金板杯形件拉伸时的拉伸比可达1.8;在220℃时,拉伸比达到惊人的2.5,远远超过了铝合金的常温拉伸成形极限1.5,也远远超过了低碳钢的的常温拉伸成形极限2.3。在德国,大众汽车公司开发出镁合金汽车覆盖件的热冲压成形技术, 在高温下用镁合金加工出汽车门板。

3.4 等温锻造

在常温下,镁合金异常脆,锻造效果不好。但镁合金在高温下效果不一定好, 锻造温度高于400℃时,就会产生氧化腐蚀以及晶粒粗大,锻造温度范围较窄等问题,因此,锻造温度必须在200~400℃。而镁合金导热系数较大(~80W/(m·℃)),远远大于钢。主要特性为:①接触模具后降温很快导致塑性降低;②变形抗力会增加,导致充填性能下降。因为在高温下镁合金锻造比较困难, 采用等温锻造较好。在我国, 目前已用等温锻造成功地成形了复杂的镁合金飞机上机匣。

3.5 超塑成形

由于镁合金的性质独特, 所以用常规变形方法来锻造镁合金难度很大。21 世纪以来,美国和日本的科学家都对镁合金的超塑成形技术进行了卓有成效的研究,并且取得了一定的成果。研究表明:在特殊条件下镁合金具有超塑性, 甚至极其复杂的零件也完全可以一次成形。

随着当今社会的发展, 镁合金的研究开发会逐渐加深,其应用也会变得更加广泛,这都与它的优越性是密不可分的。在研究中,不断地解决发现的问题就可以不断扩大它的应用范围。

3.6 旋压

利用旋压成形工艺生产车轮不仅可以减少机械加工余量,还可以提高汽车车轮的强

度。现今,世界上有许多企业和研究机构开始对镁合金旋压成形技术进行研究, 虽然在我国尚无旋压成形出镁合金车轮,但是这项技术在国外已有成功的应用先例。车轮旋压一般可采用板材劈开式旋压、预制锻坯旋压、无缝管材缩径旋压等工艺方式。劈开式旋压工艺是将圆盘状板坯用劈开轮通过分层工艺, 使毛坯在厚度方向中部被劈成两份,再用成型轮渐进旋压成形;预制锻坯强旋工艺是将锻坯进行若干道次的强旋,从而达到轮辋型面尺寸要求。

5结语

传统车轮制造工艺(不论是钢车轮还是铝合金车轮)工艺复杂,尤其是铸造过程工序繁多,设备投入大,产品质量保证较困难,容易产生缺陷,因而投入与产出比大,经济效率低。特别是锻造铝合金车轮制造成本太高, 所以使用锻造铝合金车轮的汽车数量较少。在未来, 随着对铝合金汽车车轮的要求提高,汽车车轮制造技术也在不断进步:

(1) 锻造工艺被大家认可,也被越来越多的生产厂家所采用, 这是因为采用锻造工艺生产的铝合金汽车车轮优势明显,会大幅度提高车轮的力学性能。

(2) 在热锻制坯之后采用旋压技术进行旋压成形,不仅大幅度减少了机械加工余量,还可以提高汽车车轮的力学性能。在国外,这项技术已经成熟,并且实际应用了。

(3) 液态锻造和半固态锻造在国外已是成熟的技术,特别是在生产大规格、轻量化的铝合金汽车车轮时,均采用这种工艺。

来源:期刊—热加工工艺,中国汽车材料网编辑整理

作者:李善锋, 董大伟, 朱立东

吉林铁道职业技术学院

 
关键词: 合金材料 汽车车轮
 
注:本网转载是出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性。
 
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