輕質鋁合金輪轂分級淬火形性調控策略

摘要：

為實現輕質鋁合金輪轂的熱處理變形精準調控，提出了噴淋+入水的新型分級區域淬火新工藝，通過搭建鋁合金輪轂分級熱處理試驗平臺及設計輪轂端面變形檢測裝置，對輕質鋁合金輪轂熱處理變形特性進行了詳細分析。研究結果表明，輪轂內/外輪緣端面變形特性受輪轂結構剛度的影響，內輪緣變形呈現與外輪緣隨動的變形特征；受輪轂換熱不均勻、內部組織缺陷等影響，整體變形呈現一定的隨機特性。在噴淋+入水的新型分級區域淬火新工藝下，輪轂典型監測點力學性能、硬度指標滿足國標要求，輪轂外輪緣端面變形最大減幅達41.5%，新工藝可有效改善輕質鋁合金輪轂的熱處理輪轂端面變形情況。

關鍵詞：鋁合金輪轂；端面變形；分級淬火；形性調控

中圖分類號：TG156

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.011

Structure and Performance Control Strategy of Lightweight Aluminum Alloy Wheel Hubs under Step Quenching

CHI Hui1 YAN Meng1，3 XIANG Pengfei1，2 XU Zhengqi1，2 AN Zijun1 HUANG Huagui1，2

1.College of Mechanical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei，066004

2.National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling，Qinhuangdao，Hebei，066004

3.Hebei Light Structural Equipment Design and Manufacturing Technology Innovation Center，Qinhuangdao，Hebei，066004

Abstract： In order to realize the heat treatment deformation control of lightweight aluminum alloy wheel hubs， a new step quenching process of spray+water was proposed herein. The precision heat treatment test devices were set up and the end-face deformation detection devices were designed to analyze the deformation characteristics of lightweight aluminum alloy wheel hubs. The results show that the deformation characteristics of the inner/outer rim end-faces of the wheel hubs are affected by the structural stiffness of the wheel hubs， and the deformation characteristics of the inner rim follow the deformation characteristics of the outer rim. Due to the uneven heat transfer and internal structural defects of the wheel hubs， the overall deformation presents a certain random characteristics. The mechanics properties and hardness indexes of the monitoring points of the wheel hubs meet the requirements of the national standard under the new graded zone quenching process of spray+water. The maximum reduction of the outer rim end-face deformation is as 41.5%， which may effectively improve the heat treatment end-face deformation characteristics of lightweight aluminum alloy wheel hubs.

Key words： aluminum alloy wheel hub； end-face deformation； step quenching； structure and performance control

收稿日期：2022-07-20

基金項目：

國家自然科學基金（51974278）；河北省自然科學基金（E2020203118）；秦皇島市科技支撐計劃（202101A341）

0 引言

鑄造鋁合金輪轂具有物美價廉、輕質高強、良好散熱性能、易回收等諸多優點，對汽車輕量化、節能減排與改善操控性能都具有重要意義［1-3］。現階段，鑄造鋁合金輪轂熱處理普遍采用淬火+時效的T6熱處理方式，實現輪轂的綜合力學性能提高［4］。然而，輪轂的非均勻拓撲結構和輕量化引起的結構剛度降低進一步加劇了輪轂變形，導致成品率大幅降低［5-6］。

現階段，輕質鋁合金輪轂淬火變形控制主要采用增加鑄造加工余量的方法，成本高、耗能大，如何實現輪轂淬火變形精確調控成為業內專家和企業關注的焦點和難點［7-9］。趙旺初等［10］采用ANSYS有限元軟件分析了鋁合金輪轂淬火過程溫度場及熱應力場的分布規律，研究結果表明輪轂淬火最大應力小于其強度極限，且距離輪輻最遠的內/外輪緣變形量最大；宋金升等［11］采用計算流體力學分析了鋁合金輪轂動態淬火過程溫度受流場分布的影響規律，研究結果表明輪轂淬火換熱過程存在沸騰傳熱與多相流動，換熱過程極其復雜；LI等［12］研究發現，輪轂熱處理淬火階段產生的殘余應力對車輪疲勞特性及抗沖擊特性有較大影響；白幫偉等［13］采用單變量試驗和統計方法分析發現，輪轂熱處理變形與熱處理工藝、輪轂結構、顯微組織均有關系，在淬火熱應力與組織應力雙重作用下輪轂發生熱處理變形。綜上可知，輪轂淬火換熱過程受熱處理工藝、輪轂結構、淬火介質沸騰與多相流動等綜合影響，換熱及變形過程極其復雜，輪轂輕量化引起的結構剛度降低進一步加劇了輪轂變形，大大限制了鋁合金輪轂產業的轉型升級。

本文采用噴淋+入水的新型復合式分級淬火新工藝，突破現有熱處理工藝限制，實現鋁合金輪轂淬火過程的形性一體化調控。通過搭建鋁合金輪轂區域精準熱處理試驗平臺及設計輪轂端面變形檢測裝置，詳細分析了輕質鋁合金輪轂熱處理變形特性，在滿足輪轂力學性能指標前提下盡可能減小毛坯變形，實現輕質鑄造鋁合金輪轂的熱處理變形控制，為鋁合金輪轂制造過程提供新的解決方案。

1 輪轂熱處理試驗及檢測裝置

1.1 鋁合金輪轂結構特征

如圖1所示，鋁合金輪轂結構復雜，包括輪輻、輪輞、輪心、內輪緣、外輪緣等結構。現階段，鋁合金輪轂材料一般為A356.2鋁合金，低壓金屬模具鑄造后采用T6熱處理工藝（540 ℃/280 min+80 ℃水/3 min +160 ℃/150 min）來提高力學性能。對時效后的鋁合金輪轂分別以外輪緣和內輪緣端面作為基準面進行車削加工。輪轂內/外輪緣，尤其是作為初始加工基準的外輪緣，其軸向端面變形特性直接影響輪轂車削后的外觀、動平衡和綜合成品率。本文以某輪轂廠生產的17英寸（43.18 cm）輕量化鋁合金輪轂作為研究對象開展試驗研究。

1.2 輪轂分級淬火熱處理試驗裝置

為精確分析輪轂淬火變形特性，本文以現場熱處理試驗裝置為基礎，自主搭建鋁合金輪轂分級淬火熱處理試驗平臺，并在該試驗平臺上進行新型分級熱處理工藝研究。如圖2所示，輪轂分級淬火熱處理平臺主體由快速取料及入水運送機構、電阻加熱爐、恒溫水槽、分級噴淋冷卻結構、數據采集系統等部分組成。其中，快速取料及入水運送機構采用PLC控制系統確保工藝穩定性；恒溫水槽采用熱電阻控溫系統保證水溫恒定。為準確監測輪轂淬火溫度變化，

本文在輪轂不同位置埋入熱電偶并通過數據采集系統進行采集。最后，通過對比試驗裝置與工業現場同等工藝下輪轂端面變形特性來驗證試驗裝置的準確性。

1.3 輪轂變形檢測裝置

由圖1可知，作為機加工基準面的內/外輪緣區域，其變形特性直接影響毛坯加工設計余量，進而降低輪轂金屬利用率和生產效率。現階段，主要采用手持激光掃描儀檢測整體變形，然而，輪緣區域僅3～6 mm，激光掃描儀檢測精度不足。為實現鋁合金輪轂熱處理變形特性精準分析，本文自主設計鋁合金輪轂輪緣高精度檢測裝置。如圖3所示，檢測裝置通過3D激光輪廓掃描儀、激光定位傳感器、高精度回轉工作臺、浮動基準調節結構等綜合實現輪轂端面的高精度檢測。

1.4 組織及性能檢測分析

如圖4所示，參考汽車車輪（輪轂）用鑄造鋁合金國家標準，分別選取輪輞、輪輻、輪緣等5個典型位置進行拉伸力學性能、硬度、組織特性監測，以保證輪轂組織特性滿足設計要求。其中，屈服強度、抗拉強度、硬度、延伸率是現行輪轂檢測的四項必檢指標。受輪輞壁厚限制，監測點2處未取拉伸試樣。

2 輪轂淬火變形特性試驗研究

2.1 輪轂變形數據解耦工藝研究

如圖3所示，檢測時，輪轂分別以內/外輪緣端面作為基準放置在回轉工作臺上，通過3D激光輪廓掃描儀檢測輪緣輪廓并提取端面變形量。在檢測前，對鋁合金輪轂進行車削加工以消除鑄造工序初始變形帶來的影響。如圖5所示，本文采用迭代求解方式消除外/內輪緣不規則變形引起的基準傾斜，精確求解內/外輪緣實際變形量。以外輪緣為例，本程序將外輪緣變形結果分解為外輪緣實際變形量和內輪緣傾斜變形（內輪緣傾斜角θx2），通過迭代對比內輪緣傾斜角和內輪緣實際變形量（內輪緣實際傾斜角度θx21）的吻合度，確保端面變形結果的準確性。

2.2 輪轂變形檢測裝置精度分析

為驗證輪轂變形檢測裝置的準確性，本文采用重復精度達1.5 μm的ML121510橋式三坐標檢測儀進行同步對比。圖6所示為兩種檢測裝置對車削后鋁合金輪轂輪緣端面變形的檢測結果，對比可知，采用輪轂變形檢測裝置檢測并進行變形數據解耦得到的結果與橋式三坐標檢測儀測量結果基本一致，最大誤差為±5 μm。

由圖6可知，車削后輪轂端面波動量為±25 μm，輪轂初始變形量明顯小于現有輪轂熱處理直接入水的變形統計結果（400～1000 μm），可滿足輪轂熱處理變形特性分析。后續分析研究全部采用車削后輪轂毛坯。同時可知，鋁合金輪轂輪緣變形檢測裝置檢測精度可達到±5 μm，滿足分析精確要求。

2.3 輪轂淬火端面變形試驗研究

參考現有熱處理工藝，將鋁合金輪轂在加熱爐中加熱到540 ℃并保溫280 min，隨后將輪轂快速轉移到淬火水槽中，進行直接入水淬火或者分級分區冷卻處理，然后進行時效處理。其中，淬火水溫設置為80 ℃。時效后的輪轂采用自制檢測裝置進行端面測量，并對數據進行處理。

圖7所示為三組同款鋁合金輪轂內/外輪緣的測量結果，可知，內/外輪緣端面相對變形量最大值分別為201～327 μm和418～508 μm。結合輪轂結構分析可知，淬火過程中，外輪緣變形受輪心、輪輻和輪輻與窗口斷面結合部位組成的整體結構剛度影響；內輪緣變形主要受輪輞和輪胎座的薄壁結構影響；且在變形過程中，內/外輪緣互相影響，內輪緣呈現與外輪緣相近的變形特性。結合圖8a可知，輪轂入水整體變形呈現一定的隨機特征。這主要是由輪轂換熱不均勻、內部組織缺陷等造成的。為簡化輪轂分析過程，后續以外輪緣端面相對變形量作為首要目標進行分析，通過噴淋15s+入水工藝與直接入水工藝的對比來分析新型分級淬火工藝特點。

3 新型分級淬火工藝特性分析

3.1 端面變形結果分析

為準確分析新型分級淬火工藝特性，分別選擇表1所示的5種不同工況進行對比分析，每種工藝測試樣本為5個。直接入水和噴淋15s+入水兩種工藝的測試結果如圖8所示，輪轂1、輪轂2、輪轂3、輪轂4直接入水外輪緣端面平均變形量為470 μm，與工廠試驗的輪轂5檢測結果基本一致（圖8a）表明分級冷卻裝置可用于本試驗研究。

由圖8a和圖8b對比可知，噴淋15 s可明顯降低輪轂變形的差異性，輪轂外輪緣端面平均變形量由470 μm減小到275 μm，且不同輪轂變形波動明顯減小。對比表1中各熱處理工藝結果可知，隨著噴淋時間的增加，輪轂端面變形改善效果逐步增強，噴淋15s+入水工藝最優，輪轂端面變形的相對改善量可達到41.5%。由噴淋工藝與噴霧工藝對比可知，噴霧15s+入水后輪轂端面的相對改善量僅為10.2%，分析原因為相同時間噴霧冷卻速率較低，較噴淋后入水的輪轂溫度高，換熱較為劇烈。

3.2 輪轂組織和力學性能分析

圖9所示為時效后熱處理工藝1和工藝4下，鋁合金輪轂5個典型位置的微觀組織，可見，主要由α-Al、共晶硅以及少量的Mg2Si和含鐵相組成。受輪轂各部分厚度差異的影響，鑄造過程和淬火過程中輪緣、輪輞、輪輻、輪心等位置冷卻速率依次降低，晶粒尺寸依次增加，析出相的數量和形貌也有所不同，繼而影響其力學性能。

對比正常入水（圖9a）與分級熱處理的輪轂組織結果（圖9b）可知，噴淋階段主要冷卻區域輪心、輪輻、外輪緣三部分組織特性差異較小，內輪緣、輪輞等噴淋未干預區域的組織晶界Si元素析出明顯增加。兩種熱處理工藝下，輪轂不同部位的性能測試結果如圖10所示，相較于直接入水工藝，含噴淋工序時屈服強度、抗拉強度、硬度整體下降，而延伸率提高。噴淋工序的加入，使輪心、輪輻、外輪緣受到強度較小的水冷同時，輪輞和內輪緣處于空冷狀態，入水前有少量的第二相提前析出，合金未達到完全固溶，間接影響了時效過程的彌散析出，故強度下降、延伸率提高。值得注意的是，內輪緣區域的屈服強度降幅最大，達到7.2%，這是由于受輪轂結構、噴淋位置以及此時輪轂姿態的影響，噴淋過程中，水未到達內輪緣，甚至達到前已經滴落或蒸發，且轉移時間增加15 s，使得固溶更加不充分，造成較大的強度損失。

然而，對比GB/T 228.1—2010等取樣和檢測標準，分級熱處理方式各監測點力學性能、硬度指標滿足國標要求，現有分級熱處理改進工藝可應用于輪轂實際生產。后續可采用噴淋-入水同步工藝進一步改善內輪緣力學性能。

4 結論

（1）本文搭建的鋁合金輪轂噴淋+入水分級熱處理試驗平臺及設計的輪轂端面變形檢測裝置可用于精確分析輕質鋁合金輪轂熱處理變形特性，實現輕質鑄造鋁合金輪轂的熱處理變形檢測。

（2）內/外輪緣端面變形特性受輪轂結構剛度的影響，且內輪緣變形呈現與外輪緣變形隨動的特征，但受到輪轂換熱不均勻、內部組織缺陷等影響，整體變形呈現一定的隨機特性。

（3）對于噴淋+入水的新型分級區域淬火新工藝，各監測點力學性能、硬度指標滿足國標要求，輪轂端面變形最大減幅達41.5%，可有效改善輕質鑄造鋁合金輪轂的熱處理輪轂端面變形特性。

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（編輯 袁興玲）

作者簡介：

池 慧，男，1987年生，高級工程師、博士研究生。研究方向為輪轂熱處理變形調控策略。E-mail：chihui@dicastal.com。

黃華貴（通信作者），男，1978年生，教授、博士研究生導師。研究方向為材料形性一體化調控技術。E-mail：hhg@ysu.edu.cn。