汽車(chē)車(chē)輪制造的主要材料有鋁合金、合金鋼、鎂合金，以及應用比較少的復合材料和鋼鋁組合材料。著(zhù)重介紹了鋁合金車(chē)輪和合金鋼車(chē)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(chē)車(chē)輪生產(chǎn)中的應用前景。詳細介紹了鋁合金車(chē)輪和合金鋼車(chē)輪的生產(chǎn)制造工藝和鎂合金在汽車(chē)車(chē)輪上的應用。

關(guān)鍵詞：合金材料； 汽車(chē)； 車(chē)輪； 制造工藝

1車(chē)輪制造材料的選用目前，汽車(chē)車(chē)輪材料主要有兩種：合金鋼和鋁合金，這兩種材料的應用占整個(gè)市場(chǎng)的90%以上。汽車(chē)車(chē)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(chē)輪質(zhì)量的要求不斷提高，這必然導致在制造汽車(chē)車(chē)輪時(shí)應用一些新材料。

1.1 合金鋼汽車(chē)車(chē)輪

在汽車(chē)誕生的一段時(shí)間里， 汽車(chē)一直采用鋼制車(chē)輪，但是從20 世紀70 年代末起，鋁合金車(chē)輪應用的越來(lái)越多，鋼制車(chē)輪占用的*大幅度下降。導致這一情況產(chǎn)生的原因是多方面的， 最主要的原因是外觀(guān)的吸引力。鋼制車(chē)輪的主要優(yōu)勢是成本低和安全性高， 這也是大多數載重汽車(chē)的車(chē)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(chē)輪那樣的結構和多樣化外形。另外，鋼車(chē)輪的質(zhì)量較大，使用所消耗的能量遠遠大于鋁制車(chē)輪。

近些年來(lái)，面對眾多的挑戰，國際鋼輪行業(yè)不得不做出一系列的調整和革新， 具體措施有： ①新材料。微合金鋼HSLA、雙相鋼(DP)和貝氏體鋼等高強度鋼種成功研發(fā)，并開(kāi)始應用于制造汽車(chē)車(chē)輪，為鋼輪減輕質(zhì)量和更大膽的款式設計創(chuàng )造了條件。根據有關(guān)報道，HSLA 車(chē)輪的質(zhì)量比一般碳素鋼車(chē)輪輕約15%。②新工藝的應用。國際鋼輪行業(yè)與設備制造商緊密合作，研究出旋壓生產(chǎn)工藝，已經(jīng)在鋼制車(chē)輪生產(chǎn)中應用，法國的MagnettoWheels 工廠(chǎng)和西班牙的Hayes Lemmerz International 工廠(chǎng)開(kāi)始投入生產(chǎn)，日本的Topy 工廠(chǎng)以及美國的ArvinMeritor 工廠(chǎng)都相繼宣稱(chēng)已掌握了這項技術(shù)。

1.2 鋁合金汽車(chē)車(chē)輪

21 世紀以來(lái)，越來(lái)越多的汽車(chē)開(kāi)始應用鋁合金車(chē)輪。從技術(shù)層面來(lái)講， 生產(chǎn)鋁合金車(chē)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)中又細分為：旋壓、沖壓和半固態(tài)成形等。在現如今，應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(chē)輪都是用低壓鑄造工藝生產(chǎn)的。另外，在制造一些高強度的車(chē)輪時(shí)，廣泛應用鍛造技術(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)的同樣規格產(chǎn)品其性能是不一樣的， 其中強度可以提高至少18%，質(zhì)量可以減輕15%，但是在生產(chǎn)時(shí)應用的設備和模具價(jià)格遠高于其它生產(chǎn)工藝，因此，應用較少。

鋁合金車(chē)輪的汽車(chē)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(chē)輪的汽車(chē)很少發(fā)生因熱量散發(fā)速度慢而導致爆胎的事故。②鋁合金車(chē)輪一般是通過(guò)一體鑄造甚至鍛造的，這樣力學(xué)性能良好，另外，沒(méi)有焊縫。這一點(diǎn)恰是鋼車(chē)輪的軟肋，有焊縫的鋼車(chē)輪容易導致車(chē)輪開(kāi)裂。③鋁車(chē)輪的質(zhì)量要要輕于鋼車(chē)輪，可減少消耗。④在美觀(guān)上，鋁車(chē)輪的造型甚至可以根據需要制定，可以與整車(chē)造型很好地融合一起，甚至可以給整車(chē)增添光彩。鋁合金車(chē)輪，不僅可以減輕汽車(chē)的自身質(zhì)量，增加汽車(chē)的載重量，同時(shí)也可以減輕環(huán)境的壓力(減少尾氣排放)，因此越來(lái)越多的汽車(chē)車(chē)輪選用鋁合金。

1.3 鎂合金汽車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)輪的優(yōu)勢為：可減輕汽車(chē)自身的質(zhì)量，減少油料的消耗量；鎂合金的強度高，遠遠高于鋁合金，也遠遠高于鋼，這樣，汽車(chē)的載重量要多一些。另外，鎂合金的鑄造性比較好，具有尺寸的穩定性，生產(chǎn)汽車(chē)輪胎的成本低。

用鑄造鎂合金來(lái)制造汽車(chē)車(chē)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(guò)程中車(chē)輪的氣密性要求比較高， 第二要求汽車(chē)車(chē)輪的成品率比較高, 在鑄造生產(chǎn)中要滿(mǎn)足這些要求也就意味著(zhù)較高的生產(chǎn)成本。雖然其生產(chǎn)過(guò)程中困難重重，但是鎂合金的應用前景十分廣闊。近幾年來(lái)，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)達國家他們的高檔車(chē)基本使用的都是鎂合金車(chē)輪。這也反映了未來(lái)高檔汽車(chē)的發(fā)展之路—應用鎂合金車(chē)輪。

1.4 鋼鋁組合車(chē)輪

一些汽車(chē)上的車(chē)輪， 采用鋼材和鋁合金混合材料制成的，經(jīng)過(guò)一系列的加工，將鋼材和鋁合金的應用有效地結合起來(lái)。這種車(chē)輪集中了鋼制車(chē)輪和鋁合金車(chē)輪的全部?jì)?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(chē)輪有一定的市場(chǎng)需求。在部分發(fā)達的國家， 鋼鋁組合的車(chē)輪已經(jīng)通過(guò)了多種實(shí)驗，各項性能得到檢驗和認可，并且開(kāi)始推廣使用。但是在我國它還處在萌芽階段，需要加強研究。

2鋁合金車(chē)輪的制造工藝鋁合金車(chē)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(chē)輪用量遠遠多于鍛造，其約占到總產(chǎn)量的近九成。雖然鍛造鋁合金車(chē)輪的性能更好一些，加工的車(chē)輪力學(xué)強度更高，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， 應用比較多的鍛造工藝主要有兩種，第1 種是常規鍛造法，具體過(guò)程是將坯料(鑄造圓錠坯或者擠壓錠坯)經(jīng)過(guò)熱鍛、加工以及表面處理；第2 種是半固態(tài)成形法，具體過(guò)程是含有30%～50%固相的鑄坯利用高溫高壓， 在特殊的鍛壓機一次快速成形。在1980 年到1990 年美、德等發(fā)達的資本主義國家已經(jīng)在生產(chǎn)中應用了這項技術(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?？傮w來(lái)說(shuō)， 在所有制造工藝中鍛造鋁合金車(chē)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(chē)輪的企業(yè)少之又少。當前，美國鋁業(yè)公司用鍛造法生產(chǎn)的鋁合金車(chē)輪總量占*產(chǎn)量的大多數， 在鍛造鋁合金車(chē)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(chē)輪需要具有較高的機械強度、疲勞強度和韌性指標[16]，因此制造采取特種鑄造及熱處理工藝來(lái)實(shí)現。生產(chǎn)鋁合金車(chē)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(chē)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， 我國大多數車(chē)輪制造廠(chǎng)家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、強度)所限，較難滿(mǎn)足18 吋以上車(chē)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、調溫→升壓→充型保壓→凝固→去壓→開(kāi)型和開(kāi)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(gè)關(guān)鍵的環(huán)節，這是因為在高溫下鋁合金會(huì )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(guò)程中利用熔煉工藝提純，具體過(guò)程是：①在熔化過(guò)程中，加入適量的熔化劑，確保熔煉的需要；②在精煉時(shí)，要輸入純凈的氣體(氮氣等)，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、強度較差、表面處理工作量大?，F在采用此工藝的廠(chǎng)家較少，做得是日本的EmKei(遠輕)，國內也有部分生產(chǎn)廠(chǎng)家采用這種工藝， 約占其全部產(chǎn)量的20%。這種工藝早期被采用，現在已趨于淘汰。

擠壓鑄造產(chǎn)品的表面及內部組織近似于鍛造，力學(xué)強度也接近鍛件。擠壓鑄造也稱(chēng)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(huì )社)是這一工藝做得最成功的廠(chǎng)家， 國內有一些小廠(chǎng)采用這種工藝生產(chǎn)摩托車(chē)鋁合金車(chē)輪。

3鎂合金車(chē)輪的生產(chǎn)工藝現在很多國家都用鎂合金制造汽車(chē)車(chē)輪， 在此當中變形鎂合金應用的最多。其具有許多優(yōu)良的特性：強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。據國際鎂協(xié)會(huì )(IMA)公開(kāi)的資料表明：他們制定的開(kāi)發(fā)與應用鎂合金有三個(gè)目標，其中開(kāi)發(fā)和利用變形鎂合金是長(cháng)期的目標。

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(lèi)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用于制造汽車(chē)的車(chē)門(mén)、罩蓋等等，這樣在增加汽車(chē)關(guān)鍵位置的強度的同時(shí)也可以大大減輕汽車(chē)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，可直接應用于汽車(chē)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(lái)說(shuō)，必須在150℃以上才能對鎂合金沖壓。在180℃時(shí)，鎂合金板杯形件拉伸時(shí)的拉伸比可達1.8；在220℃時(shí)，拉伸比達到驚人的2.5，遠遠超過(guò)了鋁合金的常溫拉伸成形極限1.5，也遠遠超過(guò)了低碳鋼的的常溫拉伸成形極限2.3。在德國，大眾汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)出鎂合金汽車(chē)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(chē)門(mén)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(shí)，就會(huì )產(chǎn)生氧化腐蝕以及晶粒粗大，鍛造溫度范圍較窄等問(wèn)題，因此，鍛造溫度必須在200～400℃。而鎂合金導熱系數較大(～80W/(m·℃))，遠遠大于鋼。主要特性為：①接觸模具后降溫很快導致塑性降低；②變形抗力會(huì )增加，導致充填性能下降。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雜的鎂合金飛機上機匣。

3.5 超塑成形

由于鎂合金的性質(zhì)*， 所以用常規變形方法來(lái)鍛造鎂合金難度很大。21 世紀以來(lái)，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， 甚其復雜的零件也*可以一次成形。

隨著(zhù)當今社會(huì )的發(fā)展， 鎂合金的研究開(kāi)發(fā)會(huì )逐漸加深，其應用也會(huì )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)現的問(wèn)題就可以不斷擴大它的應用范圍。

3.6 旋壓

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

度?，F今，有許多企業(yè)和研究機構開(kāi)始對鎂合金旋壓成形技術(shù)進(jìn)行研究， 雖然在我國尚無(wú)旋壓成形出鎂合金車(chē)輪，但是這項技術(shù)在國外已有成功的應用先例。車(chē)輪旋壓一般可采用板材劈開(kāi)式旋壓、預制鍛坯旋壓、無(wú)縫管材縮徑旋壓等工藝方式。劈開(kāi)式旋壓工藝是將圓盤(pán)狀板坯用劈開(kāi)輪通過(guò)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；預制鍛坯強旋工藝是將鍛坯進(jìn)行若干道次的強旋，從而達到輪輞型面尺寸要求。

5結語(yǔ)傳統車(chē)輪制造工藝(不論是鋼車(chē)輪還是鋁合金車(chē)輪)工藝復雜，尤其是鑄造過(guò)程工序繁多，設備投入大，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)濟效率低。特別是鍛造鋁合金車(chē)輪制造成本太高， 所以使用鍛造鋁合金車(chē)輪的汽車(chē)數量較少。在未來(lái)， 隨著(zhù)對鋁合金汽車(chē)車(chē)輪的要求提高，汽車(chē)車(chē)輪制造技術(shù)也在不斷進(jìn)步：

(1) 鍛造工藝被大家認可，也被越來(lái)越多的生產(chǎn)廠(chǎng)家所采用， 這是因為采用鍛造工藝生產(chǎn)的鋁合金汽車(chē)車(chē)輪優(yōu)勢明顯，會(huì )大幅度提高車(chē)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械加工余量，還可以提高汽車(chē)車(chē)輪的力學(xué)性能。在國外，這項技術(shù)已經(jīng)成熟，并且實(shí)際應用了。

(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)大規格、輕量化的鋁合金汽車(chē)車(chē)輪時(shí)，均采用這種工藝。