汽車車輪制造的主要材料有鋁合金、合金鋼、鎂合金，以及應(yīng)用比較少的復(fù)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(yōu)缺點(diǎn)，闡述了合金材料在汽車車輪生產(chǎn)中的應(yīng)用前景。詳細(xì)介紹了鋁合金車輪和合金鋼車輪的生產(chǎn)制造工藝和鎂合金在汽車車輪上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：合金材料； 汽車； 車輪； 制造工藝

1車輪制造材料的選用目前，汽車車輪材料主要有兩種：合金鋼和鋁合金，這兩種材料的應(yīng)用占整個市場的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， 由于人們對車輪質(zhì)量的要求不斷提高，這必然導(dǎo)致在制造汽車車輪時應(yīng)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里， 汽車一直采用鋼制車輪，但是從20 世紀(jì)70 年代末起，鋁合金車輪應(yīng)用的越來越多，鋼制車輪占用的*大幅度下降。導(dǎo)致這一情況產(chǎn)生的原因是多方面的， 最主要的原因是外觀的吸引力。鋼制車輪的主要優(yōu)勢是成本低和安全性高， 這也是大多數(shù)載重汽車的車輪采用鋼材制造的原因。但是鋼材的加工成型性能和制造工藝難度較大， 這就決定了其不可能有鋁合金車輪那樣的結(jié)構(gòu)和多樣化外形。另外，鋼車輪的質(zhì)量較大，使用所消耗的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁制車輪。

近些年來，面對眾多的挑戰(zhàn)，國際鋼輪行業(yè)不得不做出一系列的調(diào)整和革新， 具體措施有： ①新材料。微合金鋼HSLA、雙相鋼(DP)和貝氏體鋼等高強(qiáng)度鋼種成功研發(fā)，并開始應(yīng)用于制造汽車車輪，為鋼輪減輕質(zhì)量和更大膽的款式設(shè)計創(chuàng)造了條件。根據(jù)有關(guān)報道，HSLA 車輪的質(zhì)量比一般碳素鋼車輪輕約15%。②新工藝的應(yīng)用。國際鋼輪行業(yè)與設(shè)備制造商緊密合作，研究出旋壓生產(chǎn)工藝，已經(jīng)在鋼制車輪生產(chǎn)中應(yīng)用，法國的MagnettoWheels 工廠和西班牙的Hayes Lemmerz International 工廠開始投入生產(chǎn)，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(shù)。

1.2 鋁合金汽車車輪

21 世紀(jì)以來，越來越多的汽車開始應(yīng)用鋁合金車輪。從技術(shù)層面來講， 生產(chǎn)鋁合金車輪主要有兩種：鑄造技術(shù)和鍛造技術(shù)。在鑄造技術(shù)中又有多種：低壓鑄造、重力鑄造和擠壓鑄造；在鍛造技術(shù)中又細(xì)分為：旋壓、沖壓和半固態(tài)成形等。在現(xiàn)如今，應(yīng)用最多的是低壓鑄造技術(shù)，在2000 年前后，美國的大部分鋁合金車輪都是用低壓鑄造工藝生產(chǎn)的。另外，在制造一些高強(qiáng)度的車輪時，廣泛應(yīng)用鍛造技術(shù)， 這是因為鍛造技術(shù)比其他技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品性能更好， 利用鍛造技術(shù)和鑄造技術(shù)生產(chǎn)的同樣規(guī)格產(chǎn)品其性能是不一樣的， 其中強(qiáng)度可以提高至少18%，質(zhì)量可以減輕15%，但是在生產(chǎn)時應(yīng)用的設(shè)備和模具價格遠(yuǎn)高于其它生產(chǎn)工藝，因此，應(yīng)用較少。

鋁合金車輪的汽車主要優(yōu)點(diǎn)為：①安全性高。從理論上講由于鋁比鋼散熱快，所以用鋁合金車輪的汽車很少發(fā)生因熱量散發(fā)速度慢而導(dǎo)致爆胎的事故。②鋁合金車輪一般是通過一體鑄造甚至鍛造的，這樣力學(xué)性能良好，另外，沒有焊縫。這一點(diǎn)恰是鋼車輪的軟肋，有焊縫的鋼車輪容易導(dǎo)致車輪開裂。③鋁車輪的質(zhì)量要要輕于鋼車輪，可減少消耗。④在美觀上，鋁車輪的造型甚至可以根據(jù)需要制定，可以與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，不僅可以減輕汽車的自身質(zhì)量，增加汽車的載重量，同時也可以減輕環(huán)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。用鎂合金制造汽車車輪的優(yōu)勢為：可減輕汽車自身的質(zhì)量，減少油料的消耗量；鎂合金的強(qiáng)度高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁合金，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼，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(wěn)定性，生產(chǎn)汽車輪胎的成本低。

用鑄造鎂合金來制造汽車車輪成了更多人的選擇。但是，鑄件的生產(chǎn)條件十分苛刻，第一在生產(chǎn)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(chǎn)中要滿足這些要求也就意味著較高的生產(chǎn)成本。雖然其生產(chǎn)過程中困難重重，但是鎂合金的應(yīng)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(fā)達(dá)國家他們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(fā)展之路—應(yīng)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制成的，經(jīng)過一系列的加工，將鋼材和鋁合金的應(yīng)用有效地結(jié)合起來。這種車輪集中了鋼制車輪和鋁合金車輪的全部優(yōu)點(diǎn)， 最大的優(yōu)勢是極低的生產(chǎn)成本， 這使得鋼鋁組合車輪有一定的市場需求。在部分發(fā)達(dá)的國家， 鋼鋁組合的車輪已經(jīng)通過了多種實驗，各項性能得到檢驗和認(rèn)可，并且開始推廣使用。但是在我國它還處在萌芽階段，需要加強(qiáng)研究。

2鋁合金車輪的制造工藝鋁合金車輪的生產(chǎn)工藝有很多， 但主要是鑄造和鍛造。鑄造鋁合金車輪用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于鍛造，其約占到總產(chǎn)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(xué)強(qiáng)度更高，零部件的抗疲勞性也相對更好， 但是鍛造生產(chǎn)的產(chǎn)品還不能大范圍推廣應(yīng)用， 這主要是因為用鍛造技術(shù)生產(chǎn)資金投入量大。

2.1 鍛造工藝及其特點(diǎn)

目前， 應(yīng)用比較多的鍛造工藝主要有兩種，第1 種是常規(guī)鍛造法，具體過程是將坯料(鑄造圓錠坯或者擠壓錠坯)經(jīng)過熱鍛、加工以及表面處理；第2 種是半固態(tài)成形法，具體過程是含有30%～50%固相的鑄坯利用高溫高壓， 在特殊的鍛壓機(jī)一次快速成形。在1980 年到1990 年美、德等發(fā)達(dá)的資本主義國家已經(jīng)在生產(chǎn)中應(yīng)用了這項技術(shù)。用這種工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品力學(xué)性能優(yōu)良，質(zhì)量也減輕很多。總體來說， 在所有制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(xué)性能好和質(zhì)量小的優(yōu)點(diǎn)， 缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本高， 資金投入量大， 因而在我國利用鍛造法制造鋁合金車輪的企業(yè)少之又少。當(dāng)前，美國鋁業(yè)公司用鍛造法生產(chǎn)的鋁合金車輪總量占*產(chǎn)量的大多數(shù)， 在鍛造鋁合金車輪生產(chǎn)領(lǐng)域基本處于壟斷地位。

2.2 鑄造工藝及其特點(diǎn)

鋁合金車輪需要具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和韌性指標(biāo)[16]，因此制造采取特種鑄造及熱處理工藝來實現(xiàn)。生產(chǎn)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(shù)， 目前鋁輪生產(chǎn)普遍采用低壓鑄造， 我國大多數(shù)車輪制造也都采用了低壓鑄造技術(shù)， 約占全部產(chǎn)量的80%以上。

低壓鑄造這一技術(shù)已相當(dāng)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(qiáng)度)所限，較難滿足18 吋以上車輪。其工藝流程一般為： 清掃模具→模具的控溫→噴膜→合型熔料→熔化、精煉→變質(zhì)、除氣、調(diào)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(chǎn)工序中熔煉是一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，這是因為在高溫下鋁合金會被氧化后形成殘渣，影響產(chǎn)品的性能和品質(zhì)。這必須在生產(chǎn)過程中利用熔煉工藝提純，具體過程是：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，要輸入純凈的氣體(氮?dú)獾?，從而取出渣滓和排除氧化，進(jìn)而可以提煉出所需要的晶體。

重力鑄造是歷史最久、成本、工藝的鑄造技術(shù)。重力鑄造的缺點(diǎn)是金屬晶粒粗大、強(qiáng)度較差、表面處理工作量大。現(xiàn)在采用此工藝的較少，做得是日本的EmKei(遠(yuǎn)輕)，國內(nèi)也有部分采用這種工藝， 約占其全部產(chǎn)量的20%。這種工藝早期被采用，現(xiàn)在已趨于淘汰。

擠壓鑄造產(chǎn)品的表面及內(nèi)部組織近似于鍛造，力學(xué)強(qiáng)度也接近鍛件。擠壓鑄造也稱為液態(tài)模鍛，是一種集鑄造和鍛造特點(diǎn)于一體的工藝方式， 其中又分為復(fù)合擠壓鑄造、正擠壓鑄造、兩次擠壓鑄造、反擠壓鑄造等多種形式， 共同特點(diǎn)是： 鑄件表面光潔、金相組織、各種力學(xué)性能接近于鍛件，不需復(fù)雜的表面加工就可以鍍鉻，鍍鉻成本較低、鍍鉻增加質(zhì)量少。日本的UBE(宇部興產(chǎn)株式會社)是這一工藝做得最成功的， 國內(nèi)有一些小廠采用這種工藝生產(chǎn)摩托車鋁合金車輪。

3鎂合金車輪的生產(chǎn)工藝現(xiàn)在很多國家都用鎂合金制造汽車車輪， 在此當(dāng)中變形鎂合金應(yīng)用的最多。其具有許多優(yōu)良的特性：強(qiáng)度高于一般的鎂合金；產(chǎn)品的延展性比其他鎂合金產(chǎn)品更好。據(jù)國際鎂協(xié)會(IMA)公開的資料表明：他們制定的開發(fā)與應(yīng)用鎂合金有三個目標(biāo)，其中開發(fā)和利用變形鎂合金是長期的目標(biāo)。

3.1 軋制

在室溫下鎂合金塑性比較差， 對其進(jìn)行精密加工難度很大，目前，軋制鎂合金主要有兩種方式：熱軋和溫軋。在鎂合金中的很多型號材料都可以軋制，MBl，MB9，AZ31B 和LAl41 都可以進(jìn)行軋制，這些類型的鎂合金不僅可以生產(chǎn)厚板， 還可以生產(chǎn)難度較大的中板、薄板。通常鎂合金薄板主要應(yīng)用于制造汽車的車門、罩蓋等等，這樣在增加汽車關(guān)鍵位置的強(qiáng)度的同時也可以大大減輕汽車的自身質(zhì)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(dāng)有效的方式之一。很多變形鎂合金都可以用擠壓法生產(chǎn)， 例如AZ31B、ZM21、ZK60A、HK31 等。用擠壓法生產(chǎn)的零件有很多的優(yōu)勢，首先其加工的產(chǎn)品力學(xué)性能非常好， 其次加工后零件的表面處理的比較，不需要再次加工，可直接應(yīng)用于汽車上。

3.3 沖壓

在常溫下，鎂合金不宜進(jìn)行沖壓。沖壓的溫度越高，鎂合金的拉伸比越大，一般來說，必須在150℃以上才能對鎂合金沖壓。在180℃時，鎂合金板杯形件拉伸時的拉伸比可達(dá)1.8；在220℃時，拉伸比達(dá)到驚人的2.5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了鋁合金的常溫拉伸成形極限1.5，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了低碳鋼的的常溫拉伸成形極限2.3。在德國，大眾汽車公司開發(fā)出鎂合金汽車覆蓋件的熱沖壓成形技術(shù)， 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， 鍛造溫度高于400℃時，就會產(chǎn)生氧化腐蝕以及晶粒粗大，鍛造溫度范圍較窄等問題，因此，鍛造溫度必須在200～400℃。而鎂合金導(dǎo)熱系數(shù)較大(～80W/(m·℃))，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼。主要特性為：①接觸模具后降溫很快導(dǎo)致塑性降低；②變形抗力會增加，導(dǎo)致充填性能下降。因為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復(fù)雜的鎂合金飛機(jī)上機(jī)匣。

3.5 超塑成形

由于鎂合金的性質(zhì)*， 所以用常規(guī)變形方法來鍛造鎂合金難度很大。21 世紀(jì)以來，美國和日本的科學(xué)家都對鎂合金的超塑成形技術(shù)進(jìn)行了卓有成效的研究，并且取得了一定的成果。研究表明：在特殊條件下鎂合金具有超塑性， 甚其復(fù)雜的零件也*可以一次成形。

隨著當(dāng)今社會的發(fā)展， 鎂合金的研究開發(fā)會逐漸加深，其應(yīng)用也會變得更加廣泛，這都與它的*性是密不可分的。在研究中，不斷地解決發(fā)現(xiàn)的問題就可以不斷擴(kuò)大它的應(yīng)用范圍。

3.6 旋壓

利用旋壓成形工藝生產(chǎn)車輪不僅可以減少機(jī)械加工余量，還可以提高汽車車輪的強(qiáng)

度。現(xiàn)今，有許多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)開始對鎂合金旋壓成形技術(shù)進(jìn)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(shù)在國外已有成功的應(yīng)用先例。車輪旋壓一般可采用板材劈開式旋壓、預(yù)制鍛坯旋壓、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份，再用成型輪漸進(jìn)旋壓成形；預(yù)制鍛坯強(qiáng)旋工藝是將鍛坯進(jìn)行若干道次的強(qiáng)旋，從而達(dá)到輪輞型面尺寸要求。

5結(jié)語傳統(tǒng)車輪制造工藝(不論是鋼車輪還是鋁合金車輪)工藝復(fù)雜，尤其是鑄造過程工序繁多，設(shè)備投入大，產(chǎn)品質(zhì)量保證較困難，容易產(chǎn)生缺陷，因而投入與產(chǎn)出比大，經(jīng)濟(jì)效率低。特別是鍛造鋁合金車輪制造成本太高， 所以使用鍛造鋁合金車輪的汽車數(shù)量較少。在未來， 隨著對鋁合金汽車車輪的要求提高，汽車車輪制造技術(shù)也在不斷進(jìn)步：

(1) 鍛造工藝被大家認(rèn)可，也被越來越多的所采用， 這是因為采用鍛造工藝生產(chǎn)的鋁合金汽車車輪優(yōu)勢明顯，會大幅度提高車輪的力學(xué)性能。

(2) 在熱鍛制坯之后采用旋壓技術(shù)進(jìn)行旋壓成形，不僅大幅度減少了機(jī)械加工余量，還可以提高汽車車輪的力學(xué)性能。在國外，這項技術(shù)已經(jīng)成熟，并且實際應(yīng)用了。

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