節能減排成趨勢，鋁合金輪轂走紅汽車市場

文／楊忠敏·東風汽車公司

節能減排成趨勢，鋁合金輪轂走紅汽車市場

文／楊忠敏·東風汽車公司

楊忠敏，高級工程師，主要從事汽車用材料的研究工作。

當前，能源、環境和安全是備受關注的三大問題，而也正是這三大問題制約了汽車工業的發展和汽車的普及。汽車的安全性和可靠性很大程度上取決于所用輪轂的性能及其使用壽命，因此輪轂選用何種材料及其加工成形方式就變得愈發重要。

幾種不同材料的輪轂及其綜合性能

在汽車的行駛過程中，作為高速回轉運動的零件，輪轂常承受著車輛的垂直負荷、橫向力、驅動(制動）扭矩和行駛過程中所產生的各種應力，因此要求其尺寸精度高、不平衡度小、支撐輪胎的輪輞外形準確，并有一定的剛度、彈性和耐疲勞性。優質的汽車輪轂應具備以下基本條件：足夠的負載能力及速度能力；良好的緩沖性和氣密性；良好的均勻性和質量平衡性；良好的靜力學、動力學以及耐腐蝕特性；良好的回轉特性和導熱特性；精美的外觀和良好的裝飾性；表面質量高，易于成形；尺寸精度高，質量輕；拆裝方便，互換性好；回收性好；價格適宜等。輪轂材料的選用、輪轂結構和制造工藝的設計與上述要求密切相關，它們是決定輪轂性能好壞的關鍵因素。

目前，全世界的汽車輪轂，不管是載重汽車輪轂還是轎車輪轂，所用材料基本分為兩種，即鋼材和鋁合金材料，這兩種材料制造的輪轂所占的市場份額約為95%。而隨著材料技術的發展和人們對輪轂質量要求的不斷提高，一些新型材料如鎂合金等目前也已被用于制造汽車輪轂。隨著世界各國政府對節能、安全、環保的要求日趨嚴格，輪轂材料的選擇逐漸成為一個焦點問題。

鋼制輪轂

圖1 鋼制輻板式輪轂

鋼制輻板式輪轂(圖1）最早生產于1905年，由于其強度高、散熱性能好、耐磨損等，故此在很長時間里被轎車采用。盡管20世紀70年代以來各種新型材料如輕質合金等相繼問世，但該種輪轂仍以其成熟簡單的工藝、低廉的成本和優良的性能在汽車市場占據一定的份額。長期以來，鋼制輪轂在汽車輪轂中一直占主導地位，但是自20世紀80年代起其開始慢慢被鋁合金輪轂所代替，市場份額逐步減小。鋼制輪轂之所以被鋁合金輪轂代替有多方面的因素，而外觀性差是其中最主要的因素。鋼制輪轂在經濟性和安全性方面較鋁合金輪轂具有很大的優勢，因此目前載重汽車的輪轂大部分還都是鋼制輪轂。不過鋼制輪轂的缺點也非常明顯，鋼材的加工成形性能和制造工藝決定了鋼制輪轂難以做到鋁合金輪轂那樣多樣化的結構和外形，而且鋼制輪轂的質量比較重，制造和使用鋼制輪轂所消耗的能量要比鋁合金輪轂大得多。近年來，面對替代品的滲透和挑戰，國際鋼輪行業在技術方面進行了一系列的革新，例如將微合金鋼HSLA、雙相鋼(DP鋼）和貝氏體鋼等高強度鋼種逐步應用于制造鋼制輪轂，為減輕鋼制輪轂的質量、進行更加大膽的款式設計創造了條件。據統計，HSLA鋼輪轂比一般的碳素鋼輪轂重量輕約15%。同時，國際鋼輪行業還與設備制造商緊密合作研究發展了鋼制輪轂的旋壓生產工藝，目前商用車無內胎輪轂的輪輻使用旋壓生產工藝已非常普遍，Magnetto Wheels的法國工廠和Hayes Lemmerz International的西班牙工廠已開始投入小批量生產，日本的Topy公司和美國的Arvin Meritor公司也已掌握了這項技術。在巨大的成本壓力和鋼制輪轂的材料與制造技術不斷革新的局勢之下，國際汽車業也在開始重新評估鋼制輪轂和鋁合金輪轂的價值。

加入鈦元素的低合金鋼，其合金元素可以細化晶粒，提高鋼的力學性能，使鋼的強度高、塑韌性好、加工成形性和焊接性良好，故此可以作為輪轂用鋼。此外，低合金高強度F＋B雙相鋼如低碳含鈮鋼，其貝氏體含量有所增加，故而其屈服強度和擴孔率較高，可以作為輪輻和輪輞用鋼。

鋁合金輪轂

1923年，賽車開始使用砂模鑄造的鋁合金輪轂。第二次世界大戰后，鋁合金輪轂開始用于普通汽車。1958年，整體鑄造式鋁合金輪轂問世，此后不久又出現了鍛造鋁合金輪轂。1979年，美國把鋁帶成形輪轂作為標準輪轂。1980年，聯邦德國的奔馳公司開始成批采用帶材成形鋁合金輪轂裝備240D型轎車。1981年，美國凱澤鋁及化學公司首次用擠壓方法生產出轎車用整體式鋁合金輪轂，其直徑為457.2mm，用于裝備當時前輪驅動的小型轎車。1990年，阿盧馬克斯工程金屬工藝公司(AEMP）與索帕里奧工業公司(Superior）合資在阿肯薩斯州菲耶特維爾市建設的全球第一個半固態模鍛(SSF）鋁合金輪轂廠投產，從此鋁合金輪轂的生產進入了一個新階段。

日本是世界上生產鋁合金輪轂(圖2）最多的國家，1973年開始成批生產轎車鋁合金輪轂；1977年開始成批生產載貨車與大客車鋁合金輪轂；1979年開始成批生產摩托車鋁合金輪轂。我國的鋁合金輪轂制造業起步于20世紀80年代末期，20世紀90年代中期出現了一股興建汽車鋁合金輪轂廠的投資熱潮；后來由于國內汽車鋁合金輪轂的產能遠遠大于汽車行業的需求，我國的鋁合金輪轂制造業進入了緩慢發展的階段；近10年，我國的汽車制造業快速發展，且轎車開始大量使用鋁合金輪轂(比例高達90%以上），因此又出現了新一輪的汽車鋁合金輪轂投資熱潮。

圖2 鋁合金輪轂

鋁合金輪轂使用的材料有AlSi7Mg(A356）、AlSi11、AlSi11Mg、AlSi12Mg、AlMg1SiCu(6061）等，其中以采用Ti、Sr變質的A356用量最大。A356是一種鑄造鋁合金，一般Si和Mg的含量分別為6.5%～7.5%、0.25%～0.45%。A356既有良好的鑄造性能，又有很好的綜合力學性能，因此目前世界各國的鑄造鋁合金輪轂基本都是采用此合金生產的。6061是一種加工用的鋁合金，其主要化學元素的含量分別為：0.4%～0.8%(Si）、0.7%(Fe）、0.15%～0.40%(Cu）、0.15%(Mn）、0.8% ～ 1.2%(Mg）、0.04% ～ 0.35%(Cr）、0.25%(Zn）、0.15%(Ti），其余為Al。此合金產品大多在固溶處理與時效處理后應用，時效溫度為155～165℃，保溫18h。大多數鍛造鋁合金輪轂都是采用6061合金生產的。

相關數據顯示，2001年時美國59%的轎車與輕型卡車使用的是鋁合金輪轂，其總質量約290kg，其中約81%是用A356合金低壓永久模鑄造的，用6061合金鍛造的輪轂僅占11%，以5454合金薄板及厚板加工的分別占4%及3%，高壓擠鑄的占1%。不過，近些年隨著鍛造鋁合金輪轂的性價比越來越得到認可，其增長速度要比鑄造鋁合金輪轂快許多。

鎂合金輪轂

另一種很有發展前途的輪轂材料是鎂合金，它應用在汽車或摩托車輪轂上主要有以下4點優勢：⑴一般鎂合金的密度在1.8g/cm3以下，相同體積下鎂合金比鋁合金輕約1/3，因此如果汽車或者摩托車選用鎂合金輪轂(圖3），那么汽車或者摩托車的重量勢必可以得到進一步的減小，油耗也可以大大減少；⑵鎂合金輪轂的強度高于鋁合金輪轂和鋼制輪轂，剛度接近鋁合金輪轂和鋼制輪轂，能夠承受一定的負荷；⑶鎂合金輪轂具有良好的鑄造性和尺寸穩定性，易加工，廢品率低，生產成本低；⑷鎂合金輪轂具有良好的阻尼系數，減振性好于鋁合金輪轂和鋼制輪轂，使汽車有更好的安全性和舒適性。近一兩年來，國外汽車和摩托車鎂合金輪轂的訂單很多，價格也不錯，工廠收購價格是相同規格鋁合金輪轂的1.5倍，零售市場上的價格是鋁合金輪轂的2～3倍。近兩年國內試制的汽車和摩托車鎂合金輪轂已能夠通過臺架試驗。不過目前鎂合金輪轂在生產和使用過程中還存在一些問題，一是熔煉過程有污染，二是產品在使用中漆皮劃破后會在大氣中腐蝕。

目前，鎂合金輪轂常使用的材料為AEC81(美國牌號，相當于我國的5號鎂合金），其力學性能指標與鋁合金的差距不是很大。我國鎂的蘊藏量居全世界之首，其價格也比國外便宜，而從2013年開始鎂價已經低于鋁價，因此目前來說國內生產鎂合金輪轂應比鋁合金輪轂更便宜。對汽車來說，輪轂是用鎂量最大的零件，因此一旦在技術、工藝上打通路徑，這個領域勢必會引發新一輪的投資熱潮。

當前，發達國家的賽車及部分民用高檔汽車正在使用鎂合金鍛造輪轂，這大幅度提高了鎂合金鍛造輪轂的用量，使用鎂合金鍛造輪轂是高檔汽車的一個發展趨勢。

性能卓越，鋁合金輪轂大行其道

圖3 鎂合金輪轂

因為質輕、散熱性好并具有良好的外觀，鋁合金輪轂逐漸代替了鋼制輪轂。質輕降低了整車的自重；散熱性好，可以及時將制動器的熱量散發出去，以免出現制動熱衰退而影響行車安全。在行駛時，飛馳的銀錢、輕盈的腳步顯示出車與路之間的和諧統一，給人以美的感受，這進一步提高了車的品位，因此鋁合金輪轂大行其道。現在，幾乎所有的新車型都采用了鋁合金輪轂，并且很多車主也將原來車上用的鋼制輪轂換成鋁合金輪轂。與鋼制輪轂相比，鋁合金輪轂有以下幾點明顯的優勢：

節能

由于鋁合金輪轂重量輕、制造精度高，因此在高速轉動時輪轂的變形小、慣性阻力也小，這有利于提高汽車的直線行駛性能，降低輪胎的滾動阻力，從而減少油耗。一般地，鋁合金輪轂可比鋼制輪轂輕30%～40%，相關數據表明，每使用1kg鋁合金，汽車自重就會下降2.25kg，減輕自重是汽車提高燃油經濟性、降低能耗、提高安全性的重要措施之一，汽車自重減輕10%，燃油效率即可提高15%。目前美國每輛轎車使用鋁合金至少100kg，可減重225kg，按一輛轎車使用10年計算，可節約6.3t汽油，經濟和社會效益都非?？捎^。由此可見，鋁合金輪轂具有明顯的節能效果。

安全

對于高速行駛的汽車來說，因輪轂變形、制動等產生的高溫爆胎和制動效能降低等現象已屢見不鮮，而鋁合金的熱傳導系數比鋼、鐵等大三倍，散熱效果自然要好得多，因此選用鋁合金輪轂可改善汽車的制動效能，降低輪胎的工作溫度，提高輪胎和制動盤的使用壽命，有效保障汽車的安全行駛。鋁合金輪轂的高硬度增加了剛性，可明顯地減小過彎時輪胎和輪轂的傾斜，這對于安裝了高性能輪胎的車子尤為重要。鋁合金輪轂中有些金屬本身就是良好的熱導體，加上鋁合金輪轂可以較自由地造型，更能以某些有利于將氣流導入到制動系統的造型有效降溫，所以鋁合金輪轂可將制動產生的熱量迅速釋放從而降低由于高熱導致的制動失靈現象的發生。

舒適

裝有鋁合金輪轂的汽車一般都采用子午線輪胎，而子午線輪胎的緩沖和吸振性能優于普通輪胎，減振性能好，吸收沖擊能量強，尤其汽車在不平的道路上或高速行駛時，舒適性將大大提高。另外，轉向力和路面振動對非載荷重量非常敏感，而鋁合金輪轂有效地降低了非載荷重量使得車輪的抓地性得到提高，因此鋁合金輪轂表現出更為精確的轉向動作和更好的入彎性能，這使得汽車的安全性和舒適性都得到了很好的改善。

結構多樣，外形時尚美觀

采用不同工藝生產的鋁合金輪轂其結構非常多樣，可以很好地滿足各類使用者的審美要求。除此之外，鋁合金輪轂還有耐腐蝕、成形性好、尺寸精確、平衡性好、加工精準、材料利用率高等顯著優點，符合現代汽車安全、節能、環保三大主題的要求，對降低汽車自重、減少油耗、減輕環境污染與改善操作性能等有著重大意義，因此鋁合金已成為目前汽車輪轂的首選材料。隨著汽車ABS普及率的提高，為了減輕非懸掛件的質量和剎車系統的負荷，鋁合金輪轂的使用正變得越來越普及。據統計，輕型車上鋁合金輪轂的使用率現已達到50%左右，有的國家已經超過60%。

國內外鋁合金輪轂市場分析

鋁合金輪轂以其質量輕、散熱快、減振性能好、輪胎壽命長、安全可靠、外觀美麗、圖案豐富多彩、尺寸精確、平衡性好、容易制造等優點在汽車工業中脫穎而出，發展潛力巨大。相關資料顯示，在過去的10年里，全球汽車鋁合金輪轂年產量的平均增長率達7.6%，到2010年，汽車輪轂的鋁化率達72%～78%，每年全世界鋁合金輪轂的產量約1.5億只，用鋁量達110多萬噸，產值約45億美元。時至今日，世界上幾個主要汽車生產大國都已經將鋁合金輪轂作為車輛的標準配置。

國內

隨著汽車、摩托車制造工業的快速發展，我國的鋁合金輪轂制造業從無到有，日益發展壯大。鋁合金輪轂制造業在我國只有十幾年的歷史，是個新興的汽車、摩托車零部件產業。在20世紀80年代后期，除了進口汽車原裝的鋁合金輪轂之外，只有在廣州、北京的高級轎車配件商店中才可以看到鋁合金輪轂的身影，不過當時鋁合金輪轂的價格在1200～1500元/只，被認為是奢侈品，并沒有引起人們的注意。直到1988年，戴卡輪轂制造有限公司在秦皇島建成投產才引起國內汽車界人士的關注。隨后，廣東南海中南鋁合金輪轂廠、昆山六豐機械工業有限公司等鋁合金輪轂制造企業相繼建成。鋁合金輪轂制造業對國內汽車工業的最大貢獻是滿足了引進車型的輪轂國產化需求，在國內的引進車型國產化配套中，鋁合金輪轂是第一個實現國產化的總成零部件。

相關數據顯示，截至2012年末，我國鋁合金輪轂生產企業有150家左右，產能已接近1.8億只/年。這些企業主要分布在山東、河北、江蘇、浙江、云南、吉林、河南、廣東等地，主要生產汽車、摩托車鋁合金輪轂。國內鋁合金輪轂主要以給汽車廠配套為主，市場主要集中在上海大眾、一汽大眾、廣州本田和幾個微型車廠、皮卡廠等。從車型看，高級轎車(奧迪A6）、中級轎車(雅閣、帕薩特）、低級轎車(普桑、捷達、夏利、富康）以及微面、皮卡、中面、吉普等都廣泛采用了鋁合金輪轂。如果有卡車鋁合金輪轂，國內高速豪華大客車會立即采用。

隨著汽車社會保有量的增加，配件市場的需求量也會增加，《中國汽車車輪行業“十二五”發展規劃》指出，預計到2015年我國汽車鋁合金輪轂的年產量將達到1.8億只，其中OEM市場1.4億只，AM市場4000萬只；出口6000萬只，其中OEM市場4000萬只，AM市場2000萬只。同時該規劃還指出，將支持優勢企業以市場為先導，通過合資、合作、兼并重組等方式形成具有規?；I化生產能力的大型輪轂制造企業集團，提倡鋼、鋁輪轂企業資本和市場相互融合，爭取到“十二五”末期形成2～3家年產2000萬只輪轂以上的大型輪轂制造企業，同時形成3～5家以大陸資金為主體的跨國輪轂制造企業。

國外

鋁合金輪轂是材料能源和勞動力密集型的低附加值產品，從目前的情況看，發達國家對此不太感興趣，外部競爭環境不是很嚴酷，競爭對手主要來自東南亞和國內行業內部。與給國內市場配套比較，出口的優點是回款及時，市場穩定，銷售費用低；缺點是批量小，品種多，成本略高。國外對貨車鋁合金輪轂的需求量很大，價格較高，對鎂合金輪轂的需求也很迫切，價格也較高，可惜目前國內尚無廠家能夠批量提供這兩類產品。近年來，鋁合金輪轂已成為我國頗受重視的出口汽車零部件，經營較好的汽車鋁合金輪轂廠，產品大部分遠銷海外，有的企業直接給德國大眾(本土）、日本豐田(本土）配套，并通過了美國QS9000和德國VDA6.1認證，納入了它們的全球采購配套系統。目前我國的鋁合金輪轂主要出口到美國、日本、韓國、澳大利亞、中東、歐洲等地，其中出口到美國的最多。出口的鋁合金輪轂有300多個部件號，直徑從14～22in(1in＝25.4mm）不等，能滿足世界上各種車型的需要。摩托車鋁合金輪轂是我國鋁合金輪轂的另一大支系，年總產值約14.7億元。近年來，我國的摩托車鋁合金輪轂大量出口到越南、印尼、尼日利亞、阿根廷等國。

美國、日本、德國是世界上主要的汽車制造及消費市場，同樣也是鋁合金輪轂的主要消費市場。有資料顯示，美國年鋁合金輪轂需求量在5000萬只左右，日本年鋁合金輪轂需求量在3000萬只左右，德國年鋁合金輪轂需求量也在3000萬只左右，預計2014年世界鋁合金輪轂的需求量在2.5億只左右。目前，國內出口主要面對的還是這些國家的零售市場，這個市場的優點是需求量大、要求不太高、訂單穩定、價格尚可，缺點是花色變化多、生產周期短、品種更新快、成本稍高。歐洲的價格比美國稍高，但表面涂裝要求高，訂單量一般較小，而日本市場則對外觀質量最為挑剔。近年來，我國各鋁合金輪轂廠出口訂單充足，產品供不應求，且鋁合金輪轂的價格略有增長，業內幾個大型鋁合金輪轂制造企業對進入國際OEM市場尤其是美國三大汽車廠也都充滿信心，因此如果沒有其他外部影響，預計未來幾年我國鋁合金輪轂的出口量仍會持續增長。

鋁合金輪轂的發展趨勢

2013年我國的汽車產銷量雙雙超過2100萬輛，創歷史新高，居全球第一位，而與此同時，我國也成為了世界上鋁合金輪轂的生產大國，并且出口份額大。

為了適應汽車更安全、更節能、噪聲和污染物排放進一步降低的要求，當前汽車鋁合金輪轂正在向大直徑、輕量化、高強度、美觀化等方向發展。在鋁合金輪轂的制造技術方面，其主要發展趨勢是自動化、智能化、節材、節能和環保，具體措施包括液態鋁合金直送生產現場、鋁液無污染精煉、鋁液熱分析、X射線自動探傷、氦氣自動試漏、干式機械加工、高速靜電旋杯噴涂、無鉻化處理、噴粉和水性漆等新技術與新工藝。

以北美鋁合金輪轂市場為例，在前些年輪轂直徑還是以13～14in為主，而現在則是以15～16in甚至17in為主。不止于此，為了滿足市場的新需求，目前一些鋁合金輪轂生產商已開始著手安排直徑為22、24in及以上的鋁合金輪轂生產線。由于輪轂的直徑大、輪輞寬，故而輪胎與地面的接觸面積更大，這就增加了輪胎與地面的附著力和摩擦力，從而使汽車的操縱性能更好，安全性得到提高。不過需要注意的是，大直徑、寬輪輞也會產生使輪胎磨損加快的不利影響。

汽車鋁合金輪轂的生產工藝主要有鑄造和鍛造兩種，而目前我國的鋁合金輪轂主要采用成本較低的低壓鑄造工藝生產，其產量約占全部產量的80%左右，其次是采用最簡便的重力鑄造工藝來進行生產，采用鍛造工藝生產鋁合金輪轂的廠家還比較少，產量也較小。不過由于鍛造鋁合金輪轂強度高、抗蝕性好、尺寸精確、加工量小等，一般情況下其重量僅相當于同尺寸鋼制輪轂的1/2或更低一些，且其強度、韌性與疲勞強度均顯著優于鑄造鋁合金輪轂，故近幾年來鍛造鋁合金輪轂越來越受到市場的青睞，其增長速度要遠遠快于鑄造鋁合金輪轂。

為了使鋁合金輪轂更美觀，一般采用鍍鉻、拋光、噴漆、噴粉、加裝不銹鋼或塑料轂蓋、壓鑄花紋、改進輪轂設計圖案等辦法。而在鋁合金輪轂加工方面，一般采用數控機床、高精度自動化柔性加工系統；在表面涂裝方面，采用自動化涂裝工藝，噴粉技術漸有替代噴漆之勢，少部分企業還采用先進的真空電鍍涂裝技術。

雖然我國鋁合金輪轂制造企業目前的經營狀況較好，但與國際大公司相比實力還是要差一些，企業規模比較小，而且目前我國的鋁合金輪轂制造企業也還沒有設計研發能力，幾乎所有輪轂產品都是來樣來圖加工，產品和市場都捏在別人手里。隨著我國入世和全球經濟一體化進程的加快，我國汽車零部件進口的平均關稅將下降到10%，配額也將逐步增加直至放開，鼓勵國產化的級差關稅政策將取消，除生產不便于運輸的零部件的企業及勞動密集型零部件企業受影響較小外，受關稅和國產化率雙重保護的國內汽車零部件企業將面臨巨大的挑戰。因此，從全行業來看，我們要盡快著手產業優勢資源的整合，促成幾個大的產業集團；加強設計研發能力；統一協調出口價格，維護正常利潤；研究WTO規則，防范反傾銷調查；積極開辟新的國際市場空間，避免扎堆；監督全行業產品質量，建立可靠性抽查制度，維護我國產品的質量信譽。只有通過全行業的共同努力，我國的鋁合金輪轂產業才能進一步發展壯大，轉出更大的天地。

結束語

由于質量輕、散熱快、減振性能好、輪胎壽命長、綜合性能好等，鋁合金輪轂在安全性、舒適性和輕量化等方面表現突出，博得了市場的青睞，在現代汽車制造中正逐步替代傳統的鋼制輪轂而被廣泛地推廣應用，并成為消費者的最佳選擇。相信隨著汽車產業的快速發展，鋁合金在汽車上的應用也將會越來越廣泛。