鋁合金車輪生產(chǎn)與性能_李平_圖文

1、 收稿日期:20110131第一作者簡介:李平(1961,女,吉林樺甸人,副教授。鋁合金車輪生產(chǎn)與性能李平1,陳丹囝2,王祝堂3(1.哈爾濱電力職業(yè)技術學院,黑龍江哈爾濱150030;2.東北輕合金有限責任公司,黑龍江哈爾濱150060;3.中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會,北京100814摘要:鋁合金車輪具有質量輕、減震性強、外形美觀等優(yōu)點。比鋼車輪的質量輕30% 40%,是汽車使用鋁最多的單一零件,使用鋁車輪可節(jié)油約5%,是汽車實現(xiàn)輕量化與節(jié)能減排的重要措施之一。對鋁合金車輪的結構特點、類型和制造工藝以及性能與市場概況地作了全面的介紹。中國是一個汽車生產(chǎn)與銷售大國,也是一個鋁合金車輪生產(chǎn)與出口大國

2、,2009年的產(chǎn)、銷量分別超過8200萬只,“十二五”末有可能達到15億只,發(fā)展?jié)摿薮?正朝著更輕、更強、更美觀、更經(jīng)久耐用的方向發(fā)展。關鍵詞:鋁合金車輪;生產(chǎn);性能;低壓鑄造;鍛造;半固態(tài)模鍛中圖分類號:TG14621文獻標識碼:B文章編號:10077235(201111000120Production and performance of aluminum alloy wheelLI Ping 1,CHENG Dan-jian 2,WANG Zhu-tang 3(1Harbin Electric Power Vocational Technical School ,Harbin 1500

3、30,China ;2Northeast Light Alloy CoLtd,Harbin 150060,China ;3China Nonferrous Metal Fabrication Association ,Beijing 100814,China Abstract :The advantages of aluminum alloy wheel are light weight ,high buffering ,andexcellent appearanceThe weight of aluminum wheel is 30%40%lighter than that of steel

4、wheelAluminum alloy wheel is the only part which has been used on car for yearsUsing a-luminum wheel can make the car save 5%of oil and it is the important measurement to light-en car ,to save energy and to reduce fume-pollutionThe construction feature ,type ,production process ,performance and mark

5、et situation of aluminum wheel have been introduced compre-hensivelyChina is a great country of producing and selling cars ,and a great country of pro-ducing and exporting aluminum alloy wheel as wellIn 2009,the production amount and sell-ing amount are more than 82million pieces of aluminum wheels

6、in ChinaAt “the twelfth five year plan ”the production and selling amount can be 150million pieces of aluminum wheelsKey words :aluminum alloy wheel ;production and performance ;low pressure casting ;forging ;semi-solid die forging車輪是汽車與摩托車最重要的安全部件,承受著車的自身質量及所載物品質量作用的壓力,受到車輛在啟動、制動時動態(tài)扭矩的作用,還承受著車輛在行駛過

7、程中轉彎、凹凸路面、路面障礙物沖擊等來 自不同方向動態(tài)載荷產(chǎn)生的不規(guī)則交變力的作用。車輪的品質和可靠性高低不僅與車輛及乘坐人員、物資的安全休戚相關,而且還與車輛在行駛中的平穩(wěn)性、操縱性、舒適性等性能有著密切關系,因而要求尺寸和形狀精度高、動平衡性好、疲勞強度高、剛度和彈性好、質量輕、美觀、材料可回收性等,鋁車輪以其優(yōu)良的綜合性能可以滿足上述要求。2009年中國汽車產(chǎn)量1379萬輛(其中轎車747萬輛,銷售量1360萬輛,雙雙超過美國的,成為世界第一產(chǎn)銷大國。估計2010年的產(chǎn)量超過1826萬輛,2015年的產(chǎn)量可能達到3500萬輛。但市場繁榮的背后卻難掩國內汽車產(chǎn)業(yè)自身實力羸弱的真相,中國汽車

8、產(chǎn)業(yè)是大而不強,無論是傳統(tǒng)汽車還是新能源汽車,在核心技術方面跟國際先進水平相比仍然有很大差距,距汽車強國任重道遠。德國人卡爾本茨于1886年發(fā)明了世界上第一輛以汽油為動力的三輪汽車,被譽為汽車業(yè)鼻祖,拉開了人類文明的新篇章,發(fā)達國家的汽車工業(yè)經(jīng)歷了125年的發(fā)展,中國汽車工業(yè)的發(fā)展歷程只不過54年,2000年 2009年中國的汽車產(chǎn)量見表1,摩托車產(chǎn)量見表2。表12000年 2009年中國各種汽車的產(chǎn)量Tab1Output of automobile during 2000to 2009in China千輛車型2000年2001年2002年2003年2004年2005年2006年2007年20

9、08年2009年轎車60770311012018231227793869479750377471客車702835106711951243178294大型0711171926中型2954615352小型254278334443403微型410491653678761卡車75180310921229151411191753重型82157255261379中型146151163136161輕型388363525689806微型134130148142166總計2061234232614443507057447279888292991379表21998年 2009年中國摩托車產(chǎn)量Tab2Output

10、of motorcycle during 1998to 2009in China年199819992000200120022003200420052006200720082009產(chǎn)量/萬輛879112711531232129214601664177721932544275025431鋁合金車輪(輪轂16中國鋁合金車輪的產(chǎn)量見表3。2001年 2010年汽車車輪的年平均增長率為217%。2008年、2009年的汽車產(chǎn)量下降是受世界金融危機影響,出口量下降造成的。表32001年 2010年中國汽車及摩托車車輪產(chǎn)量Tab3Output of automobile and motorcycle dur

11、ing 2001to 2010in China年度2001200220032004200520062007200820092010汽車車輪產(chǎn)量/萬件1310179726403390465056007000665065007000同比/%37246928437220425052377摩托車車輪產(chǎn)量/萬件1500180022002600300035004600520058206150同比/%20022218215416731413112057 中國是一個低壓鋁合金車輪生產(chǎn)及出口大國,產(chǎn)量分別占世界總產(chǎn)量與銷售量的32%左右,但是鍛造中、小型轎車車輪的出口量很小,公共大轎車及重型車車輪還不能批量生產(chǎn)

12、,中國需要的這類大重型車輪全部從美國鋁業(yè)公司(Alcoa 進口,它壟斷了全部鍛造鋁合金車輪的世界市場,在美國、墨西哥、巴西、羅馬尼亞等設有專業(yè)鍛造廠。日本2004年及2008年鋁合金車輪的產(chǎn)量及進口量見表4及表5。表4日本2004年鋁合金車輪的產(chǎn)量及進口量Tab4Output and import amount of aluminum wheel in 2004in Japan類型鑄造的鍛造的加工的總計進口的摩托車車輪/萬件772255850772340136757乘人轎車車輪/萬件14075632224725357634146579913384085公共車與貨車車輪/萬件1364373658

13、301730200總計/萬件149843242613933576341560335135208422004/2003/%108997495410831077表5日本2008年鋁合金車輪的產(chǎn)量及進口量Tab5Output and import amount of aluminum wheel in 2008in Japan類型鑄造的鍛造的加工的總計進口的摩托車車輪/萬件47986400479864178622乘人轎車車輪/萬件13067847194544134635475516376公共車與貨車車輪/萬件39920368190767390總計/萬件135876312379751945441402

14、015056949982008/2007/%9341234845936907由表4及表5的數(shù)據(jù)可看出,日本是一個鋁合金車輪進口國,2008年的進口量比2004年的增加618%,因為日本不產(chǎn)原鋁;在這5年中日本鋁合金車輪的年產(chǎn)量還有所下降,2008年的總產(chǎn)量比2004年的下降102%,因為進口量上升。日本是一個汽車生產(chǎn)大國,它的各種車輪比例對我們有一定的借鑒意義,以2008年各種車輪產(chǎn)量的比例為例:摩托車車輪全部是鑄造的;在乘人轎車的13463萬件車輪中,鑄造的占971%,鍛造的占1.5%,加工的占1.49%;在公共大轎車與貨車車輪76萬件中,沒有加工的,鑄造的占52.1%,鍛造的占47.9%,

15、而2004年的公共大轎車與貨車車輪173萬件中,鑄造的占78.9%,鍛造的占21.1%,因為鍛造車輪的各項力學性能比鑄造車輪的高,采用鍛造車輪有助于提高車的安全性與改善其他各項性能,但鍛造車輪的價格比鑄造的高得多,可是其性價比卻優(yōu)于鑄造的。2車輪鋁合金制造車輪的主要工藝有:鑄造法,鍛造法,沖壓法,旋壓法,半固態(tài)模鍛法等,因此相應用的合金有鑄造鋁合金如ZL101A-0、ZL101A-1(相當于美國的A356.2、德國的G-AiSi12Mg 、日本的AC4C 與AC4HC 合金,它們屬Al-Si-Mg-Ti 系合金以及變形鋁合金6063、6061、6082、5052合金等,它們是中等強度的加工成形

16、性能優(yōu)秀的合金。2.1ZL101A 合金的牌號、化學成分及性能(GB /T2330120092.1.1車輪鑄造鋁合金的代號按GB /T 233012009(汽車車輪用鑄造鋁合金車輪鑄造鋁合金的代號按以下方法表示 :狀態(tài)代號:F 表示鑄造狀態(tài),T6表示固溶處理+淬火+人工時效。2.1.2化學成分ZL101A 鋁合金的化學成分見表6,其雜質允許含量見表7。 表6車輪鑄造鋁合金化學成分Tab6Chemical compositions of casting aluminum alloy wheel合金牌號合金代號合金狀態(tài)主要合金元素質量分數(shù)/%SI Mg Ti Sr AlAlSi7MgTi ZL10

17、1A-0F65 75025 045008 020余量AlSi7MgTiSr ZL101A-1F65 75025 045008 0200015 0030余量AlSi7MgTiSr ZL101A-1T665 75025 040008 0200004 0020余量表7車輪鑄造鋁合金雜質允許含量Tab7Permitted impurity of casting aluminum alloy wheel合金牌號合金代號雜質質量分數(shù)/%(不大于Fe Cu Zn Mn Ni Sn Ca Pb P Cr其他單個合計AlSi7MgTi ZL101A-0012002005005002001000300100050

18、05005015 AlSi7MgTiSr ZL101A-101200200500500200100030010005005005015 AlSi7MgTiSr ZL101A-1015002005005005002001000300100050050152.1.3力學性能車輪鑄造鋁合金的力學性能見表8,力學性能可用金屬型單鑄造車皮試樣測定,試樣直徑(1205mm,標距為直徑的5倍。一般,車輪鋁合金進行Sr變質處理,在不降低合金工藝性能且合金力學性能不低于Sr變質合金的前提下,可采用其他變質劑和工藝進行變質處理。車輪合金的力學性能也可以用從同爐鑄件上切取的本體試樣檢測(圖1,但必須供需雙方確認。表

19、8車輪鑄造鋁合金力學性能Tab8Mechanical property of casting aluminum alloy wheel合金牌號合金代號合金狀態(tài)屈服強度R p02/(Nmm2抗拉強度R m/(Nmm2伸長率/%布氏硬度HBW(5/250/30 AlSi7MgTiZL101A-0F80150250AlSi7MgTiSrZL101A-1F80150250AlSi7MgTiSrZ:L101A-1T6160260770AlSi7MgTiSrZL101A-1T6140220770注:單鑄試樣;在車輪上指定部位取樣。2.1.4ZL101A鋁合金的組織與相ZL101A屬于Al-Si-Mg系合金

20、,從Al-Si-Mg三元相圖7(圖2可以看出,在鋁角除有(Al和Si相,還有Mg2Si相出現(xiàn),因為含w(Ti=008% 020%的Ti,還會出現(xiàn)Al3Ti相。根據(jù)圖2,ZL101A鋁合金的結晶過程為:首先是(Al結晶,然后有L(Al+Si二元共晶反應,一直完全凝固為止。但是在不完全結晶時,Mg不能完全進入(Al中,所以液相中的含Mg量不斷增高,而有L(Al+Si+Mg2Si二元共晶反應,出現(xiàn)Mg2Si相。因此,按照三元相圖,在平衡結晶完后,ZL101A鋁合金是在(Al+Si雙相區(qū)中,而實際組織為(Al+Si+Mg2Si,還有Al3Ti。合金中存在w(Fe015%的Fe,使合金的結晶過程和相組成

21、更為復雜,可出現(xiàn)含F(xiàn)e的雜質相,除(Al12Fe3Si、(Al9Fe2Si2相外,還會出現(xiàn)Al8FeMg3Si6或共晶反應L(Al+Si+Mg2Si+Al8FeMg3Si6形成。當形成這種共晶體時,合金的熔點降低到544。未熱處理的金屬型鑄造的ZL101合金的顯微組織如圖3上圖所示(未浸蝕,由于冷卻速度快,(Al固溶體和Si較細,白色的為(Al固溶體,灰色針狀和片狀為共晶體中的Si,淺灰色骨骼狀相是Al8FeMg3Si6;下圖為經(jīng)05%HF水溶液浸蝕的,灰色片狀相是Si,淺灰色顯相界的片狀相是(Al9Fe2Si2,淺灰色不顯相界的骨骼狀相是Al8FeMg3Si6。 d /mm r /mm L

22、0/mm L c /mm 4320225375252756453033圖1取樣位置及試樣尺寸Fig1Sampling position and specimensize 圖2Al-Si-Mg 三元相圖Fig2Al-Si-Mg ternary phrasediagram圖3金屬型鑄造的ZL101A 合金的顯微組織Fig3Microstructure of ZL101A alloy being castby metallic moldZL101A 合金低壓鑄造車輪在T6狀態(tài)(5385h 固溶處理、1453h 人工時效下應用,Mg 2Si 是其強化相。劉宏磊等研究了多次人工時效對低壓鑄造A3562(

23、質量分數(shù)/%:65 75Si 、025 040Mg 、010 020Ti 、001 002Sr 、005Mn 、002Cu 、015Fe 、0003Ca 、01Zn 、001Na 、01Ni 、01Pb 、005Sn 、010Cr ,其他雜質單個001、合計015,其余Al 鋁合金車輪力學性能的影響8,在常規(guī)的T6處理后再進行三次時效處理(1701h ,每次時效后分別在輪輻及輪緣部位取樣(圖4測定力學性能,結果表明:(1經(jīng)過多次人工時效后,低壓鑄造A3562鋁合金車輪的屈服強度、抗拉強度、硬度有不同程度的提高,伸長率有不同程度的下降。說明A3562鋁合金通過多次人工時效能提高強度和硬度,降低延

24、展性。(2隨著人工時效次數(shù)增多,低壓鑄造A3562鋁合金車輪的力學性能變化幅度不斷減小,經(jīng)三次人工時效后力學性能變化幅度已不十分明顯。(3輪輻與輪緣部位的屈服強度和硬度沒有明顯的不同;輪輻部位的抗拉強度比輪緣部位的低;輪輻部位的伸長率比輪緣部位的明顯低。這是由于鋁 圖4車輪構造圖Fig4Constructional scheme of wheel合金車輪低壓鑄造工藝采用順序凝固的方式,輪緣部位比輪輻部位先凝固,輪輻部位凝固時間較長、晶粒有更長的生長時間,因而輪輻部位的晶粒粗大1。汽車車輪一般由輪輞又名輪圈(與車胎連接部分和輪轂又名輪盤或輻板(與車軸連接部分構成。輪輞的部位有胎圈座、輪輞(啟動和

25、剎車時傳遞力、輪輞槽(便于輪胎拆卸、氣門芯孔;輪轂的構成部位有定位螺母座、安裝面直徑、偏距、剎車鼓空間;為了散熱,設計有孔洞。2.1.5變形鋁合金因制造方法不同,鋁車輪分為三類:輪圈和輪盤整體成形的稱為一件式鋁車輪;二者分別制造并焊成一體的稱為二件式;輪圈由二件組成,再與輪盤由一組螺栓連為一體的稱為三件式,此種應用很少。二件式及三件式鋁車輪多是用變形鋁合金板材加工而成的,當然一件式車輪也可以用變形鋁合金鍛造或半固態(tài)模鍛。用的變形鋁合金有5052-O 、5154-O 、5454-O 、5083-O 、5086-O 、6061-T6,5系合金為熱處理不可強化的,而6061鋁合金為熱處理可強化的,它

26、們的牌號、合金元素含量見表9及表10,而它們的實物(車輪力學性能列于表11。表9制造鋁車輪用的變形鋁合金及鑄造鋁合金與制造工藝Tab9Wrought aluminum alloy and cast aluminum alloy used for wheel production and its production process種類形式部位制造工藝合金變形合金及鑄造合金一件式鍛造6061-T62件式輪輞沖壓5052-O 、5154-O 、5454-O 、5083-O 、5086-O 、6061-T6輪轂沖壓5154-O 、5454-O 鍛造5083-O 、6061-O鑄造A356(AC4CH

27、 -T6、514(AC7A -F3件式輪輞沖壓5052-O 、5154-O 、5454-O 、5083-O 、5086-O 、6061-T6輪轂沖壓5154-O 、5454-O 鍛造5083-O 、6061-O 鑄造A356(AC4CH -T6鑄造一件式永久模鑄造A356(AC4CH -T6低壓鑄造A356(AC4CH -T6液壓鍛造A356(AC4CH -T6表10車輪變形鋁合金的合金元素含量(質量分數(shù)Tab10Chemical compositions of wrought aluminum alloy used for wheel%合金Mg CrMn Si Cr 2A50040 0804

28、0 0807 1218 26505222 28015 035515431 39015 035 續(xù)表10合金Mg Cr Mn Si Cr545424 30005 020050 10508340 49005 025040 10508635 45005 025020 07606108 12004 035040 08015 040注:表中所列合金除5454鋁合金是1957年問世的外,其他合金都是20世紀50年代以前發(fā)明的,全部合金都誕生于美國。表11實體鋁合金車輪的力學性能Tab11Mechanical properties of aluminum alloy wheel種類合金生產(chǎn)工藝取樣位置抗拉強

29、度R m/(Nmm2屈服強度R p02/(Nmm2伸長率/%變形鋁合金5154-O板沖壓輪盤248201238輪輞249195193 6061-T6鍛造輪輻337307153輪轂348328135 5052-O板沖壓輪盤216176190輪輞17013326.5 6061-T6板沖壓輪盤331253165輪輞31026790 5154-O板沖壓輪盤250265275輪輞262284190 6061-T6鍛造輪輻340305175輪轂324276155 6061-T6板沖壓輪盤299265145輪輞319284165 6061-T6整體鍛造輪輞316278140輪盤326278170鑄造鋁合金A

30、356(AC4CH-T6永久模鑄造后輪盤232 266171 23831 120后輪輞222 284174 23735 65輪輻242 266170 23830 70輪轂215 238168 22815 65低壓鑄造后輪盤203 257147 16840 115后輪輞221 246146 18365 118輪輻202 213145 18338 81輪轂182 209149 17833 45液態(tài)鑄造輪盤28321660 140后輪輞30021750 100輪輻29620650 1005系合金是車輪制造中用得最多的變形鋁合金,是熱處理不可強化的。5052鋁合金的Mg含量低(w(Mg=22% 28%

31、,強度適中,廣為應用;5154及5454鋁合金的Mg含量稍高一些,后者并含有一定量的Mn,其強度比5052鋁合金的高;5083鋁合金是含Mg量最高的Al-Mg系車輪鋁合金,5086鋁合金的Mg含量及Mn含量雖比5083鋁合金的低一些,但仍有相當高的強度性能。5系合金的特點是:抗蝕性高,可焊性好,適宜于制造在嚴峻條件下工作的車輪,因為車輪是用板材沖壓成 形,要求材料有良好的成形性能,所以用的全是退火的O狀態(tài)材料。該系列合金在室溫成形后強度會略有下降,工件尺寸會稍有變化,因此須進行安定化處理。Mg是5系合金中的主要合金元素,它在鋁中的最大固溶度可達174%,但在工業(yè)常用的5系合金中,w(Mg55%

32、。雖然Mg在鋁中的固溶度隨著溫度的降低而迅速減小,但由于沉淀相形核困難、核心少、沉淀相尺寸大,所以時效效果差。Mg優(yōu)先呈陽極相Mg5Al8或Mg5Al3在晶界沉淀,從而使合金有產(chǎn)生晶間裂紋及應力腐蝕的傾向。Mg 能顯著提高鋁的強度但又不會使其塑性過分降低。Al-Mg合金有良好的抗蝕性與可焊性能。退火狀態(tài)Al-Mg合金在加工變形時可能產(chǎn)生呂德線(Luders lines。Al-Mg合金還含有少量的Mn、Cr、Be、Ti等。合金中的Mn除少量固溶外,大部分形成MnAl6。加入Mn的益處是:可使含Mg相沉淀均勻,提高合金的抗蝕性,特別是抗應力腐蝕開裂的能力;不但提高合金強度的效果比Mg的大,而且能確

33、保合金具有更高的穩(wěn)定性。向Al中每增加w(Mg=1%的Mg,可使強度提高約35N/mm2,而加入同量Mn的效果則幾乎大一倍;提高合金的再結晶溫度,抑制晶粒長大。但w(Mn11%時,強度提高不多,反而使塑性顯著降低,尤其在有微量Na存在的情況下,在熱軋時會產(chǎn)生“鈉脆”開裂,所以,5系合金的w(Mn均不大于1.0%。在5系合金中Cr的作用與Mn的相似,即提高抗應力腐蝕開裂能力,提高基體和焊縫強度,降低焊接裂紋傾向,但其含量一般w(Cr035%,否則Cr會與其他合金元素或雜質諸如Mn、Fe、Ti等形成粗大的金屬間化合物,降低成形性能與斷裂韌性等。Cr的擴散速度低,在壓力加工過程中形成細小的分散相,能

34、抑制晶核形成和晶粒長大,因此可用Cr 控制合金的顯微組織。向Mg含量高的Al-Mg合金中加入w(Be= 00001% 0005%的Be,能降低熔煉燒損,減少鑄錠的裂紋傾向,改善板材的表面品質。Ti細化合金的晶粒。Fe、Si、Cu、Zn等為雜質元素,應嚴格控制在標準規(guī)定的范圍內。車輪制造中用得多的另一變形鋁合金是6061-T6,它的主要合金元素為Mg、Si、Cu等,Mg和Si形成強化相Mg2Si,另外含w(Cr=004% 035%,w (Cu=015% 040%,Cr可以降低Cu的不良影響。在Mg2Si中,w(Mg/w(Si比值為173,但是在生產(chǎn)中難以保證此值,6061鋁合金的w(Mg2Si1

35、4%,w (Mg/w(Si比值為20 15,加w(Cu=015% 040%是為了提高強度,由于Cu的含量全部固溶于(Al中,不形成CuAl2,加入Cr是為了抵消Cu對抗蝕性的不良影響。6061鋁合金在時效后的強度比6063型合金的高25%以上,是車輪變形鋁合金中強度最高者之一,不過它的淬火敏感性高,必須進行離線固溶處理與在水中淬火,才能得到高的強度。鍛造6061鋁合金車輪的固溶處理溫度515 550,人工時效(T6規(guī)范(170 1808h,淬火后宜盡快人工時效,以避免停放效應。少量Cu能減輕停放效應的不利影響,因為Cu能降低6系合金的自然時效速度。6061鋁合金鑄錠應經(jīng)過均勻化處理,以消除晶內

36、偏析,使相轉變?yōu)橄?以改善加工成形性能。均勻化處理565(4h 6h,也可以采用雙級均勻化處理,第二級的溫度可高達580,若溫度控制精確還可以高若干度,爐溫控制精度應達到3。均勻化處理后以階段冷卻為宜,出爐后先以強大風力冷至250,冷卻速度350/h,然后噴水冷至50,從而能使絕大部分Mg和Si固溶于鋁中,一方面可降低鍛造溫度,另一方面可改善鍛造性能。5A50鋁合金屬Al-Mg-Si-Cu系合金,是在Al-Mg-Si系合金的基礎上發(fā)展起來的,它的主要強化相是Mg2Si和W相(Al4CuMg5Si4,主要雜質相是Al (MnFeSi。加Cu是為了提高強度,Mn是為了提高抗蝕性,但也有提高強度和耐

37、熱性的作用。它的典型力學性能:T6狀態(tài),抗拉強度R m=420N/mm2、屈服強度R p02=300N/mm2、疲勞強度(N=5107為130N/mm2、伸長率A5=130%、正彈性模量E= 72000N/mm2、布氏硬度為105。根據(jù)英衛(wèi)東等人的研究9,2A50鋁合金車輪模鍛件的最佳熱處理規(guī)范:固溶處理510+512h,時效155+5210h,此時車輪的力學性能穩(wěn)定而均勻,熱處理效果最好,強度指標達到最大值,完全滿足技術標準的要求且有較大的余量。3鋁合金車輪生產(chǎn)工藝3,1012當前鋁合金車輪制造仍以低壓鑄造為主,占車輪總產(chǎn)量的86%以上,在中國一些先進制造工藝基本上還未采用。鋁合金車輪的制造

38、技術在不斷發(fā)展。首先是由于鍛造車輪的高品質,受到越來越多的廠家重視并采用,車輪的組裝工藝也受到重視。 液態(tài)鍛造、半固態(tài)鍛造在國外已是成熟技術,特別適用于制造大規(guī)格輕量化車輪。不管哪種鍛造成形技術生產(chǎn)的鋁合金車輪的力學性能均比同規(guī)格鑄造車輪的提高18%以上,還可較大幅度減輕質量。鋁合金車輪轂的生產(chǎn)工藝主要有鑄造法、鍛造法、沖壓法、旋壓法等。為了滿足使用功能和市場需求,車輪在結構上有整體式與多件組合式的;外觀造型有寬輪輻、窄輪輻、多輪輻、少輪輻等形狀;外觀式樣有涂裝、輪輻車亮面涂透明漆、拋光涂透明漆、電鍍等;涂裝顏色有運動銀、細銀、煙灰色、黑色等色彩。使用的材料有鑄造Al-Si 系合金(AlSi7

39、Mg 、Al-Si11、AlSi11Mg 、AlSi12Mg 、鎂合金及變形鋁合金5052、5154、6061,其中以采用Sr 變質的AlSi7Mg 合金用量最多。鋁車輪的成形工藝有重力鑄造、低壓鑄造、擠壓鑄造、半固態(tài)模鍛、鍛造、旋壓成形和幾種工藝的組合等;擠壓鑄造和半固態(tài)鑄造技術可以改善材料的微觀組織,提高產(chǎn)品的力學性能,特別適用于制造大規(guī)格、輕量化鋁車輪;旋壓成形技術是在熱鍛工藝基礎上發(fā)展起來的塑性變形加工技術,鋁車輪在鍛造制坯后利用旋壓工藝使之成形,這種工藝生產(chǎn)的鋁車輪的力學性能比同規(guī)格鑄造的提高18%以上,還可減輕約20%的質量,產(chǎn)品主要是大規(guī)格、輕量化車輪以及賽車車輪。近來又出現(xiàn)了一

40、種全新概念的新型輕量化鋁車輪內置空氣鋁車輪,通過空腔技術進一步減輕車輪20%的質量。目前,汽車鋁車輪裝車率在60%左右,鋁車輪的尺寸為3048mm 762mm ,OEM 的主流市場是以381mm 4572mm 車輪為主,其中4064mm 的占市場份額最大,而改裝市場的主流市場是以4572mm 5588mm 的為主。對于普通乘用車,整體式低壓鑄造鋁車輪足以滿足性能的要求,因此當前汽車鋁車輪成形技術主要采用低壓鑄造工藝。20世紀70年代發(fā)達國家開始大量推廣應用鋁車輪。中國在20世紀80年代末開始了鋁車輪工廠的建設,90年代中期進入發(fā)展期,并且持續(xù)保持著強勁的增長勢頭。到2006年中國汽車及摩托車鋁

41、車輪年生產(chǎn)能力已超過6500萬件。2006年生產(chǎn)汽車鋁車輪3400萬件,其中出口1800萬件;生產(chǎn)摩托車鋁車輪2800萬件,其中出口400萬件;成為世界鋁車輪生產(chǎn)大國。中國鋁車輪的發(fā)展可分為起步、發(fā)展、調整、高速發(fā)展等4個階段:1988 1994年為起步階段,1988年成立的秦皇島戴卡輪轂制造有限公司是中國第一個鋁車輪生產(chǎn)企業(yè),生產(chǎn)低壓鑄造鋁合金車輪;第二個是1989年開始籌建的廣東南海中南鋁合金輪轂廠,該廠生產(chǎn)低壓鑄造、重力鑄造的汽車和摩托車車輪。這兩個公司逐步發(fā)展壯大成為行業(yè)的先行者。1994 1997年是中國鋁車輪行業(yè)的發(fā)展階段,1997年車輪行業(yè)企業(yè)達23家。1998 2001年為調整

42、時期,受1998年亞洲金融危機的影響,世界經(jīng)濟處于低迷狀態(tài),此時鋁車輪在中國尚屬新興產(chǎn)業(yè),新建的部分企業(yè)由于缺乏有經(jīng)驗的技術人員,技術工藝不成熟,產(chǎn)品品質不過關,生產(chǎn)成本居高不下,各種原因導致這部分企業(yè)步履維艱,未能挺過金融危機這一難關,出現(xiàn)了行業(yè)內的并購和資源整合。此時臺商大舉投資進入大陸鋁車輪制造行業(yè),這一時期投資興建的企業(yè)數(shù)量雖然不太多,但是這些企業(yè)都是獨資公司,其市場大都在境外,少量在中國大陸市場。2002年至今為高速發(fā)展期,至2010年底有車輪制造企業(yè)約100家,生產(chǎn)能力超過1億件/a 。中國正在向鋁車輪強國邁進。3.1一體式車輪生產(chǎn)工藝鑄造法是生產(chǎn)鋁車輪最早、最普遍的方法,可分為常

43、壓與加壓金屬模鑄造。加壓法又分為低壓(p 02N /mm 2、中壓(p 3N /mm 2和高壓(p 100N /mm 2。普通高壓壓鑄(20N /mm 2 80N /mm 2因熔體在澆口處凝固,壓力無法向內部傳遞,壓力結晶作用不明顯,氣孔率比較高。整體式鋁車輪主要的生產(chǎn)工藝流程是:熔化凈化處理低壓鑄造X 射線探傷熱處理機械加工動平衡檢驗氣密性檢驗涂裝。311熔化設備及技術車輪鋁合金的熔化設備,按爐型分為塔式爐、感應爐、傾轉爐、固定爐,按能源形式分為柴油爐、天然氣爐、煤制氣爐、電能爐。塔式爐熔化速度快、燒損少、能耗低;感應爐熔化速度快、合金成分均勻、生產(chǎn)環(huán)境好;傾轉爐可以配料也可以作保溫爐使用,

44、使用安全、維護方便;固定爐可以配料也可以作保溫爐使用,使用和維護簡便。柴油爐熱值高、熔化效率高、使用維護方便;燃氣爐生產(chǎn)環(huán)境好、清潔、使用維護方便,煤制氣爐經(jīng)濟實惠;電能爐容易控制、生產(chǎn)環(huán)境好。其中以燃油或燃氣的塔式快速熔化爐為佳,同時配以鋁屑熔化室使用更加方便,是主選設備。如需配料則傾轉爐較為實用。熔化設備的關鍵在于爐溫的控制。由于車輪鋁合金對含F(xiàn)e 量要求嚴格,歐洲客戶要求w (Fe 015%,因此爐襯必須采用非金屬材料制作,配料時選用純度高的純鋁錠,工藝廢料的比例應嚴格控制。 為了降低成本,國內有些企業(yè)采用原鋁液配制ZL101A 鋁合金直接鑄造鋁車輪的工藝,減少了原料熔化時的燒損及二次熔

45、化時能源的消耗,減少溫室氣體排放,是鋁車輪制造技術發(fā)展的方向。配制ZL101A 鋁合金的重熔錠表面應整潔,不允許有霉斑及外來夾雜物,但允許有輕微的夾渣及修整痕跡,或因澆注收縮而引起的輕微裂紋存在。鑄錠斷口組織應致密,不允許有熔渣及夾雜物。鑄錠針孔度(不包括疏松和縮孔不大于JB /T 79463規(guī)定的二級。312熔體凈化與變質處理ZL101A 鋁合金熔體的凈化及變質處理與常規(guī)鋁合金的相同,就是進行除渣、除夾雜物、除氫處理與Sr 變質處理,凈化處理后熔體的氫含量應不大于02mL /(100g Al 。熔煉時熔體最高溫度800,最好不要超過780。達到一定溫度后的鋁熔體轉入澆包進行變質、凈化處理,加

46、Al-Sr 變質劑進行變質處理,添加晶粒細化劑以細化晶粒。用Ar 氣或N 2氣除氣,原理是Ar 和N 2氣通過旋轉的石墨管子、多孔石墨轉子,形成很多小的氣泡,Al 熔體中的氣體進入氣泡(平衡原理與不溶性雜質一起上浮,并使變質劑均勻。對除氣后的鋁熔體進行化學分析和含氣量分析。 用Al-Ti-B 或Al-Ti-C 作細化處理加入量為02%可將晶粒尺寸從大約80m 細化到20m 。用Na 變質處理Al-Si 合金始于1920年,但Na 的消失速度較快,金屬的損失較大,在沒有變質損失的情況下進行除氣比較困難。這些缺點限制了Na 的使用。近年來為了克服這些與Na 變質有關的困難,開發(fā)出了Sr 變質劑。作

47、為Al-Si 合金的優(yōu)選變質劑,Sr 的使用得到奇跡般增長,特別是在低壓鑄造工業(yè)。Sr 的作用類似于Na 的,可將共晶硅從針狀變?yōu)槔w維狀,且作用長效。關于Al-Si 合金中Sr 變質機制的最新研究結果表明:游離態(tài)的Sr 吸附在先導相Si 相表面,阻止了Si 相按片狀方式生長并使其產(chǎn)生孿晶,按TPRE (twin plane re-entrant edge ,孿晶面凹入邊機制生長,從而生長成分叉多的纖維狀。不過Sr 易于吸氣,使鑄件產(chǎn)生針孔等表面缺陷,因而并不是理想的變質劑。Sb 變質的Al-Si 合金熱處理后的抗拉強度和伸長率等力學性能都優(yōu)于Sr 變質的13。Sb 變質劑對共晶硅的形成有局限作

48、用,僅能將共晶硅從針狀變?yōu)閷悠瑺?但其在熔體中的存在有永久性。Sb 變質已有相當多的研究,對其變質機制見解不一,但有一個共同的認識是,在變質過程中Sb 對共晶硅直接作用的研究缺少有說服力的根據(jù)。在對Sb 變質劑的研究中發(fā)現(xiàn),元素Mg 對Sb 的變質效果存在激化作用,并用試驗證明了這種激化作用對Al-Si 合金力學性能的改善具有明顯的促進作用14。Sb 變質的Al-Si 合金中的Si 相之所以變細,是因Al 和Sb 的化合物AlSb 作為異質形核造成的,同時由于Mg 3Sb 2表面極易附著Mg ,降低了Mg 3Sb 2的表面自由能,增加了潤濕性,使Si 相容易在其表面形核,換言之,Mg 在Mg

49、3Sb 2表面吸附,改變了它的界面結構,形成了一個過渡層,使Mg 2Sb 2起到了異質形核的作用。實際生產(chǎn)中,變質劑的加入量必須嚴格控制,以免造成變質不足或過變質。以Sr 作為變質劑時,加入的質量分數(shù)為00004% 0045%;而用Sb 作為變質劑時,加入的質量分數(shù)為005% 030%。313低壓壓鑄法12低壓鑄造是目前生產(chǎn)鋁合金車輪的主要工藝,是在02N /mm 2 085N /mm 2壓力下澆注,可大批量生產(chǎn)較高品質車輪,生產(chǎn)率高,合格率高,鋁熔體利用率高,成本比重力鑄造的稍高。為了使鑄件表面更光潔、顯微組織更致密,中國海斯公司采用冒口不在中央而在兩側的方法,并將澆注壓力提高到08N /m

50、m 2。圖5鋁合金低壓壓鑄原理圖Fig5Scheme of low pressure casting for aluminum alloy鋁熔體經(jīng)合金化、變質(加Na 、Sr 、Sb 等、除氣(H 2不超過02mL /(100g Al 等處理后,由轉運裝置(電磁泵、流槽、抬包等送至專門的電阻式低壓保溫-澆注爐(圖5的入口進行低壓底注。工作時,壓縮空氣由入口進入加壓室,并開始加壓控制(圖6:快速(1s 2s 加壓至p 1,使鋁熔體沿升液管升至澆口之下,快速上升目的是防止降溫之后開始充 型。要求中速加壓(加壓速度約01MPa /s 、恒流量平衡充填模型,壓力升至p 2歷經(jīng)時間15s 20s ,充型

51、結束。鑄件結晶等溫線向升液管方向連續(xù)轉動,并以澆口的溫度梯度定向凝固。為了提高澆口區(qū)鑄造組織的致密度,減少縮孔,充型后需快速升壓至p 3,并保壓30s 40s 。凝固達到澆口時,用排氣孔卸壓,升液管中殘液在重力作用下回落。鑄件溫度降至304 400時,活動上模開啟,頂件裝置將鑄件頂出 。圖6低壓壓鑄壓力曲線圖Fig6Pressure curves of low pressure casting每次壓鑄合模前,模腔應涂脫模劑,澆口處放置過濾片(網(wǎng),以凈化熔體,提高其潔凈度。鑄模上設有多處排氣道,在充填、加壓保壓時可充分排氣,防止鑄件產(chǎn)生氣孔。長時停鑄的情況下應在坩堝內進行補充精煉與變質處理。生產(chǎn)

52、中應合理控制鋁熔體與鑄模的溫度。鑄造后對車輪坯進行粗加工(除去澆口、鉆中孔,熱處理(淬火、時效,無損探傷(檢查氣孔、裂紋、夾渣等缺陷,精加工,噴丸處理,性能檢測(壓力試驗、沖擊韌性、疲勞強度、動平衡試驗等,清理,涂漆處理,成品檢驗等工序制成成品。機加工以后的工序稱精整生產(chǎn)線,已出現(xiàn)了連續(xù)式熱處理、探傷、自動噴涂等現(xiàn)代生產(chǎn)方式。該法中,坩堝內鋁熔體表面氧化膜未被破壞,與其他傳統(tǒng)鑄造法相比,內部品質好、成本低,采用分叉式多澆口可明顯提高生產(chǎn)率,生產(chǎn)規(guī)模適于年產(chǎn)百萬只。但該法也有缺點,如鑄造時間較長,加料、換模具較費時間,升液管等易損件使成本較高,鑄造后需要有加工,成品車輪壁較厚等。模具為六片式,用

53、H13鋼制造,側模用其他材料制造,每塊之間用止口固定,液壓鎖模。模具加熱后拋砂處理,再噴上涂料。涂料有幾種,不同的部位噴不同的涂料,目的是使鋁熔體的流動均勻,盡可能實現(xiàn)順序冷卻。模具噴好涂料后組裝到壓鑄機上,用石油液化氣加熱到350左右。模具預熱溫度與合金成分、模具結構有關。保溫爐中的鋁熔體一般為680 750,此溫度與模具預熱溫度、升液管預熱是否充分、模具形狀、合金品種等有關。充型-保壓-卸壓過程由PLC 控制。過程參數(shù)是每個廠家的訣竅,各種輪型的過程參數(shù)是不同的。模具冷卻可用空冷、水冷、復合(水、氣冷。冷卻水量、水溫等的調節(jié)也是工廠的訣竅,隨不同輪型而不同。從充型開始到鑄件出來一般需5mi

54、n ,每臺鑄造機的能力12件/h ,一般輪型尺寸小的可快一些,大的慢一些。314重力鑄造法和擠壓法常壓(重力金屬模鑄造實際上就是改進了的鐵模鑄造,因其易卷入氧化膜,內部品質較差。主要優(yōu)點是成本最低,適于中小規(guī)模生產(chǎn),采用轉盤式鑄造可進一步提高生產(chǎn)效率。擠壓(模鍛鑄造是采用液壓式壓力機把比合金熔點高5 10的鋁熔體壓入鑄模,并對凝固中的熔體施加高壓(p 100N /mm 2,速度約5mm /s ,通過加壓結晶使共晶體與枝晶充分破碎,可生產(chǎn)出高致密度、無氣孔的車輪,力學性能可提高15%以上,但技術難度大、效率低。各種鑄造方法共同的主要缺點是伸長率低,無論是鑄態(tài)或T6狀態(tài)的,其A 5為3% 6%,韌

55、性也偏低。擠壓鑄造是鑄鍛結合的工藝15,其工藝過程是:模具準備(清理、預熱、噴涂涂料、澆注、加壓、保壓、壓力去除及鑄件取出等。為保證鑄件品質,須合理選擇工藝參數(shù)。(1涂料涂料的作用是保護模具,提高鑄件表面品質和便于從模具內取出鑄件。擠壓鑄造模具受熱腐蝕和熱疲勞嚴重,在模具型腔內噴涂涂料,可以減少高溫鋁熔體對模具型腔的熱沖擊,降低模具的熱導率,使鋁的熱量在充型時損失較小;還可使鋁與型腔壁隔開,避免鋁熔體與型腔的粘附和熔焊,減少擠壓鑄造件與型腔表面的摩擦,有利于脫模和提高鑄件的表面品質及模具壽命。由于涂料具有一定的退讓作用,還可有效防止產(chǎn)生收縮裂紋。選擇合適的涂料成分和正確的噴涂方法,是獲得優(yōu)質鑄件和提高模具壽命的重要環(huán)節(jié)。采用水劑石墨涂料噴涂 在模具型腔表面上時,其厚度為005mm 010mm ,過厚會影響鑄件表面品質。(2模具預熱溫度模具溫度的高低影響鍛件品質及鑄模使用壽命。模具溫度過低,澆入的鋁熔體凝固快,結殼厚而加壓效果差,不能成形,晶體粗大,同時增加了鑄