簡述鋁合金汽車輪轂發展現狀

鐘強強

(江西理工大學 材料科學與工程學院, 江西 贛州 341000)

簡述鋁合金汽車輪轂發展現狀

鐘強強

(江西理工大學 材料科學與工程學院, 江西 贛州341000)

隨著科技的進步,環保理念的深入人心,鋁合金汽車輪轂因其質量輕、導熱率高、成型性好以及產品外形美觀等諸多優于鋼質輪轂的特點被越來越廣泛地應用.鋁合金成型方式多種多樣,從最早的重力鑄造到低壓鑄造,而后為了進一步提升鋁合金輪轂的性能,經過許多研究者的努力開發,又提出了鑄造-熱旋壓以及半固態模鍛工藝.同時,為了縮短鋁合金輪轂更新的周期,學者們利用計算機對輪轂成型過程及成型過程中模具的狀況進行模擬分析,預先找出實際生產中可能出現的問題及產生的缺陷,并進行調整改進,減少試生產所需時間.

鋁合金; 汽車輪轂; 成型方式; 模擬

0 前 言

輪轂,別名輪圈,即輪胎內廓用以支撐輪胎的圓桶形、中心裝配在軸上的部件.常見的汽車輪轂有鋼質輪轂及鋁合金質輪轂.鋼質輪轂的強度高,常用于大型載重汽車;但鋼質輪轂質量重,外形單一,不符合如今低碳、時尚的理念,正逐漸被鋁合金輪轂替代.

1964年,美國第一次將鋁合金輪轂應用于賽車;1967年,日本和意大利第一次將鋁合金輪轂用于轎車;1970年6月,相關文章首次被刊登在意大利的《日內瓦鋁合金》雜志上;1974年,JASO標準問世;1975年,鋁合金汽車輪轂形成標準化.

伴隨著日益枯乏的能源和愈加凸顯的個性,以節能減排和美觀時尚為目標的需求變得愈加迫切,鋁合金汽車輪轂應運而生.現在越來越多的高檔汽車采用鋁合金輪轂,這為鋁合金輪轂的發展又添一助力.

本文通過閱讀大量關于鋁合金輪轂化學成分、鑄造工藝、計算機模擬等方面的前沿文獻及優秀碩博論文,比較系統地整理了鋁合金輪轂的發展過程,并在文中對一些先進的生產工藝作了詳細的闡述,為鋁合金輪轂生產企業提供發展方向的參考.

1 鋁合金汽車輪轂

1.1 鋁合金汽車輪轂的優點

與鋼質汽車輪轂相比,鋁合金輪轂的優點比較明顯:

(1) 密度小,約為鋼的1/3,這意味著采用相同體積的鋁合金輪轂將比鋼質輪轂輕2/3.有統計表明,汽車整車質量減少10%,燃油效率可以提升6%～8%,因而推廣鋁合金輪轂對于節能減排、低碳生活具有重要意義.

(2) 鋁的熱導率高,為237 W/(m·K),而鋼的熱導率僅為60 W/(m·K),因此同等條件下,鋁合金輪轂的散熱性能優于鋼質輪轂.

(3) 時尚美觀.鋁合金能時效強化,未經過時效處理的鋁合金輪轂鑄坯強度低,易于加工成型,并且經過耐腐蝕處理以及涂裝著色后的鋁合金輪轂色澤多樣、精致美觀.

1.2 鋁合金汽車輪轂的化學成分

目前,鋁合金汽車輪轂的生產原料一般選用A356.2鋁合金,主要是因為該牌號的鋁合金具有良好的鑄造性、切削加工性以及耐蝕性[1],其主要化學成分見表1.

表1 A356.2鋁合金各組元的質量分數

從表1中發現,除基體元素Al外,含量最多的是Si和Mg,這表明Si、Mg的添加對于合金性能有很大的影響.首先,Si和Mg在鑄造過程中會形成金屬間化合物,這將改變合金液凝固過程中的熱力場環境和原子擴散環境,能增加合金液的流動性,使其易于充型.研究[2]表明:當Mg的質量分數為0.3%時,若Si的質量分數從6.5%增加到7.5%,合金的流動性大約能增加29.8%;當Si的質量分數為7%時,若Mg的質量分數從0.2%增加到0.4%,合金的流動性能將增幅14.34%.其次,Si能在時效過程中與Mg形成Mg2Si,同時析出的Si相,使得該鋁合金強度大大提升.

雖然A356.2鋁合金有著優良的綜合性能,研究人員仍通過不同的方式去優化其性能.常見的有:添加稀土元素、添加細化劑以及優化生產工藝等.劉宏磊[3]通過研究表明:將稀土元素添加到A356.2鋁合金中能降低其在低壓鑄造成型時針孔的產生,且單一稀土元素質量分數小于0.3%時效果最佳.混合稀土最適宜的添加量是0.2%～0.4%,此外,除氣效果是Y>La>RE.楊傳柱等[4]通過嚴格控制各個節點的溫度以及調制合金元素的含量,采用合適的熱處理工藝使得強韌化的A356.2鋁合金的拉伸強度和伸長率均比ASTM標準高出20%,疲勞強度、沖擊韌性提高10%.

2 鋁合金輪轂成型方式

鋁合金汽車輪轂的成型方法多種多樣,常見的有重力鑄造成型、低壓鑄造成型、鑄造-旋壓成型和半固態模鍛成型等.

2.1 重力鑄造成型

重力鑄造,即鑄造過程中利用合金熔液自身重力進行補縮的一種鑄造方法.通過這種鑄造方法可以使相對滯后凝固部位的合金熔液補充之前凝固的合金因熱漲冷縮產生的間隙,最終使鑄造過程中存在的縮孔、疏松等缺陷集中在最后凝固的冒口部位,以保證產品的質量.

圖1為雙邊重力澆鑄的鋁合金輪轂鑄坯.從圖1中可以明顯地看到,位于輪轂兩處突出的冒口,且冒口占整個輪轂鑄坯的比例很大,雖然浪費了不少合金,但相較于確保輪轂的質量而言,這樣的預留冒口是合理的.

圖1 雙邊重力澆鑄的鋁合金輪轂鑄坯

如今,重力鑄造已是相對落后的生產技術,但由于其鑄造成型時間短,設備、模具較為便宜,因而生產過程簡便,生產成本低,在我國汽車輪轂生產行業仍有一定的位置.所以,為了使重力鑄造揚長避短,學者們進行了深入的研究.馬英等[5]利用CAE技術,對澆鑄時側模受熱時在熱應力作用下發生形變導致澆口一側漏鋁的問題進行了分析,發現在側模筋板處設置一條空槽,使其與型腔回轉面分離開,側模將不發生形變,基本解決了漏鋁的問題,如圖2所示.

圖2 筋板處增加了空槽的側模

2.2.1 低壓鑄造工藝

隨著科技的進步,采用重力鑄造生產鋁合金輪轂的弊端也凸顯出來.重力鑄造的成本低,但產品質量不高,且縮松、夾渣、縮孔等缺陷多,導致力學性能較差.因此越來越多的企業改進了生產工藝,通過低壓鑄造來生產鋁合金輪轂.目前我國低壓鑄造生產的鋁合金輪轂占全部產量的80%以上[6].

低壓鑄造成型鋁合金輪轂的組織致密,力學性能好.這主要是由于低壓鑄造通過對爐膛里的合金熔液施加壓縮空氣,使得合金熔液從與爐膛相連通入型腔的升液管中擠入型腔,并且等合金熔液充滿型腔在一定壓力下凝固以后,再釋放掉爐腔中的空氣,讓未凝固的熔液重新回流到爐膛中.通常情況下,充型壓力不超過0.95 kg/cm2.

低壓鑄造輪轂雖然性能優于重力鑄造輪轂,但仍然存在鑄造中常見的一些缺陷.為了進一步提高產品性能,不少學者對低壓鑄造輪轂的內部組織開展研究.河北工業大學的賈曉飛等[7]對低壓鑄造鋁合金輪轂內部組織進行了研究,發現輪輻和輪心處α-Al的二次枝晶臂間距為48 μm和55 μm,易出現縮孔、縮松、氣孔等鑄造缺陷;輪轂外胎圈座附近易出現偏析,造成性能不均勻;輪緣處晶粒細小,Si相變質良好.并且針對發現的缺陷進行了分析,提出了一系列詳細的優化解決方案.

2.2.2 低壓鑄造中模擬軟件的應用

鋁合金輪轂相比鋼質輪轂的優點之一就是時尚的外觀,這也意味著鋁合金輪轂產品結構形狀的多樣性.傳統的設計、試生產、工藝及設計優化、批量生產工藝路線缺乏靈活性,難以一次成功,產品更新周期長,嚴重影響產品的更新周期.隨著計算機技術的發展,對鑄造過程的仿真模擬越來越準確,如今已經被廣泛地應用于鋁合金輪轂低壓鑄造生產中[8].

常見的鑄造模擬軟件有ProCAST、ANSYS、Z-CAST以及許多我國自主研發的模擬軟件,同時常見的建模軟件有UG、Pro/E、CAD等[9-10].研究人員利用這類模擬軟件從輪轂形狀設計、充型、凝固過程及模具等方面對低壓鑄造鋁合金輪轂進行了分析研究.形狀設計優化方面,有學者采用ANSYS對低壓鑄造鋁合金輪轂的輪輻進行了研究.發現若在輻條上增加背槽,既不降低輪轂的力學強度,又可以節省用材,輪轂的質量從11.62 kg降低到7.86 kg,降幅41%,很大程度上減少了單個輪轂的用材成本[11];馮旭東等[12]運用Z-CAST分析了鋁合金輪轂的充型凝固過程.初次設定充型溫度為713 ℃,當充型40%時,因合金熔液被底端輪緣上方的輪緣臂截留產生卷氣,造成紊流,無法實現順序凝固.之后將模擬澆鑄溫度提升至730 ℃,并降低澆鑄速度,發現之前的缺陷得到了控制.此外,低壓澆鑄模具對鋁合金成型影響很大.馬英等[13]從模具用材出發,通過ProCAST模擬分析對比93W-5Ni-2Cu合金和H13合金兩種材質的分流錐,發現鎢基分流錐生產鋁合金輪轂可縮短生產周期,見表2.可使輪轂中心部位縮孔、縮松缺陷減少,組織致密,力學性能得以改善.趙麗紅等[14]用ANSYS模擬不同壁厚模具和壁厚鑄件低壓鑄造時的熱力場,通過畢渥數Bi判斷模具壁厚與鑄件壁厚的合理性,調節出能提供一個順序凝固的溫度場.

表2 鎢基合金與H13合金分流錐模具使用情況對比Tab.2 Comparison of wheel hub mold with distribution cone of H13 and tungsten based alloy

2.3 鑄造-熱旋壓成型

“‘把經濟特區辦得更快些更好些。’鄧小平同志這個題詞是1984年題給廈門的。”習近平看著圖片，思緒回到了30多年前，“我是1985年去廈門工作的，倍感時間緊迫啊！其他經濟特區都跑起來了，廈門要趕緊追上去。”

低壓鑄造生產的鋁合金輪轂性能遠優于重力鑄造,但人們仍在繼續探索:一方面要進一步提升輪轂的力學性能;另一方面要減輕輪轂的質量.

鑄造-熱旋壓工藝誕生于20世紀90年代末的日本,主要工藝是:在一定溫度下,通過旋壓使低壓鑄造的鋁合金輪轂鑄坯最終成型,如圖3所示.熱旋壓溫度通常設定在380～400 ℃,這主要與A356.2鋁合金的拉伸性能相關,如圖4[15]所示.從圖4中可以看出,從350 ℃開始,合金的拉伸性能急劇上升,但溫度過高會導致旋壓時金屬的流動不易控制.

圖3 鋁合金輪轂熱旋壓前后對比

圖4 不同溫度下A356.2鋁合金的拉伸性能

研究[16]表明,在同等條件下,鑄造-熱旋壓生產的鋁合金輪轂的性能遠優于低壓鑄造,見表3.表3中的強化機理便是熱塑性變形,通過高溫變形動力學分析求出A356.2鋁合金的變形激活能:低應變速率下Q=279.03 kJ·mol-1,高應變速率下Q=149.60 kJ·mol-1,得出高應變速率下是位置滑移控制的動態回復機制,塑性變形更適合在高應變速率下進行[17].

高溫塑性變形可有效改善A356.2鋁合金共晶Si相的形貌及分布[18].若合金中添加了變質劑Sr,熱旋壓對共晶Si形貌的改變削弱,將主要影響其分布,同時有效地打斷不良的棒狀Fe相[19].強度的提升意味著承載同樣大小力所需的截面積會變得更小,因此同尺寸的鑄造-熱旋壓輪轂較低壓鑄造輪轂的質量可減輕約15%[20].

表3 鑄造-熱旋壓及低壓鑄造輪轂輪輞處力學性能的對比

鑄造-熱旋壓鋁合金輪轂性能優異,但熱旋壓過程卻是一個集塑性變形和數控加工一體的復雜過程,因此為生產增添了一定的難度.若要高效率地生產出高質量的產品,必須綜合協調旋輪的成型角、旋輪進給率、輪轂壁厚減薄率和輪轂等效應變速率等.旋輪的成型角一般選擇20°～30°之間,旋輪進給率則常用0.5～1.5 mm·r-1,此外,輪轂壁厚減薄率和輪轂等效應變速率計算都有相應的公式.

輪轂的旋壓變形量(壁厚減薄率)計算公式:

εt=[(t0-tr)/t0]×100

式中:t0為輪轂鑄坯的原始壁厚,tr為旋壓后的壁厚.

輪轂變形過程的等效應變速率計算公式:

式中:t0為初始坯料厚度,v0為進給速度,αp為旋輪形成角,φt為壁厚減薄率.

2.4 半固態模鍛成型

20世紀80年代,麻省理工學院首次提出半固態模鍛成型的概念.半固態模鍛成型不同于重力鑄造、低壓鑄造的液態金屬成型,也異于旋壓、鍛造的固態金屬成型,它的加工對象是介于液態與固態之間的金屬——固液共存狀態.半固態成型時能獲得幾乎是成品尺寸的零件,大大節約了用材,且模鍛后組織致密,可以獲得力學性能優異的產品.此外,模鍛工藝簡單,加工速度快,見表4[21].常見的半固態觸變模鍛成型工藝如圖5所示.

表4 半固態模鍛成型工藝與低壓鑄造工藝產品性能及效率對比

圖5 半固態模鍛成型工藝

半固態成型技術雖在國外已應用于鋁合金輪轂的實際生產,但在國內仍以實驗室研究為主.國內制約半固態成型技術產業化的一個主要原因是球狀晶半固態漿料的制備.常見的半固態漿料制備方法有低溫澆鑄、機械或電磁攪拌、噴射沉積和應變誘發熔化激活法等[22].低溫澆鑄法較其他方法的優勢是:無需特殊設備,主要通過控制溫度來獲得需要的鑄坯.戚文軍等[23]通過研究不同澆鑄溫度的A356.2鋁合金的鑄態組織,發現當澆鑄溫度控制在635～655 ℃時,鑄坯內部組織為細密、均勻的近球形α-Al晶粒,并提出合理的半固態鍛造工藝參數為:坯料600 ℃預熱60 min、鍛壓力750 kN、模具預熱溫度350 ℃以及保壓時間3 s.北京有色金屬研究總院的張帆[24]對半固態模鍛的鍛造過程進行了模擬,對比了不同擠壓速度、充填溫度、模具溫度半固態A356鋁合金的充型情況,分析不良充型產生的原因,且篩選出適合的工藝——擠壓速度為5 mm/s、充填溫度為600 ℃以及模具溫度為300 ℃.

3 總 結

(1) 在綠色、低碳概念越來越深入人心的今天,鋁合金因密度小、熱導率高、易成型加工以及產品外形美觀等特點被廣泛應用于鋁合金輪轂的制造.

(2) A356.2鋁合金具有良好的鑄造性能、切削加工性能以及耐蝕性,合金中的Si、Mg等元素在后續處理過程中形成強化相,提升了合金的力學性能.此外,稀土元素添加到A356.2鋁合金中能降低合金在低壓鑄造成型時針孔的產生,且單一稀土元素的質量分數小于0.3%時效果最佳,混合稀土最適宜的添加量是0.2%～0.4%,此外除氣效果是Y>La>RE.

(3) 鋁合金輪轂的成型方式主要有重力鑄造、低壓鑄造、鑄造-熱旋壓和半固態模鍛.重力鑄造同等條件下浪費的合金最多;低壓鑄造次之;鑄造-熱旋壓會進一步強化合金,故其用料比低壓鑄造更省;半固態模鍛由于成型時幾乎是成品尺寸,因此該工藝最節省用料.同時,產品綜合性能鑄造-熱旋壓與半固態模鍛相近;低壓鑄造性能稍差;重力鑄造最容易出現鑄造缺陷,嚴重影響產品性能.此外,重力鑄造生產工藝最簡單,生產成本最低;低壓鑄造成本略高于重力鑄造;鑄造-熱旋壓因熱旋壓過程是一個集塑性變形和數控加工一體的復雜過程,故對設備及加工過程參數的協調要求更為苛刻;半固態模鍛則由于球狀晶半固態漿料制備難度大、成本高,而未形成大規模產業化.

(4) 鋁合金輪轂造型多變,采取模擬軟件模擬分析可以大大縮短產品的更新周期,并降低推出新產品的成本.

綜上所述,在環保、時尚的大趨勢下,鋁合金輪轂必定朝著高強度、輕質量以及多造型的方向發展.而目前我國普遍采用的鋁合金輪轂成型技術仍以低壓鑄造和重力鑄造為主,先進的鑄造-熱旋壓及半固態模鍛成型技術應用范圍很窄,尤其是半固態模鍛成型技術,主要以實驗室研究為主.此外,計算機模擬技術雖在研究中使用頻繁,但實際生產中應用不廣,這大大削弱了先進科技對鋁合金輪轂產業的推動作用.因此,我國鋁合金輪轂產業在生產工藝的改進以及先進計算技術的應用方面仍有很大的進步空間.

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OntheDevelopmentofAluminumAutomobileWheels

ZHONGQiang-qiang

(SchoolofMaterialsScienceandEngineeringJiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000,China)

With the development of science and technology,following the concept of environmental protection,aluminum automobile wheels are more and more widely applied than steel wheels for their low mass,high thermal conductivity,good formability and appearance.The forming methods of aluminum automobile wheels are varied such as gravity casting and low pressure casting.Cast-hot spinning and semisolid die forging technology have been developed by researchers in order to improve the properties of the wheels.Meanwhile,aiming to shorten the update cycle of aluminum automobile wheels,the forming process and conditions of forming die have been simulated using the computer simulation software,which helps to find out possible problems and improve the forming process,thus reducing the time of trial production.

aluminum alloy; automobile wheel; forming methods; simulation

1005-2046(2014)03-0128-06

10．13258／j．cnki．snm．2014．03．008

2014-03-17

鐘強強(1991-)，男，碩士研究生,主要從事有色金屬及其加工成型技術的研究.E-mail：z121086189@163.com

TG146.21

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