汽车轮毂材料的发展制备工艺

介绍了汽车轮毂材料发展现状及其制备工艺，并对各种材料的应用情况做了分析比较。提出轮毂材料的发展趋势基于轻量化，对汽车节能减排、安全及操控性能有着重要的影响，其制备工艺针对材料的进步在不断的完善中。

　　近年来，能源，环境和安全问题受到普遍关注，汽车行业尤为突出。减轻汽车自重是提高汽车燃油经济性、降低能耗、提高安全性能的重要措施之一。汽车自重减轻10%，燃油效率即可提高15%。汽车自重每减轻100kg，百公里油耗可减少0.7L左右，每节省1L燃料可减少CO2排放2.5g。降低燃油消耗、减少向大气排出CO2和有害气体及颗粒已成为汽车工程界主攻的方向。轮毂作为汽车一个重要部件，对汽车节能、环保、安全性、操控性都有重要的影响，因此如何选材及加工成型，达到轻量化，意义深远。优质汽车轮毂包括以下基本条件：①质量轻，价格低，表面质量高，易于成型；②具有良好的静力学、动力学以及耐腐蚀特性；③具有良好的回转特性和导热特性；④具有良好的回收能力，符合环保要求。对于性能例如强度，目前可以采用专业工具进行分析，如美国MSC公司的MSC.NASTRAN，同时进行尺寸优化，但所有这些都基于选材。轮毂材料可以粗略分为钢铁材料、合金材料、复合材料等三大类别，同时结构上分为一件式、两件式、三件式，因此其加工制备工艺多种多样，本文将做详细论述。

　　1 钢铁材料

　　钢制辐板式轮毂的最早记录是1905年，由于其强度高、散热性能好、耐磨损等特性，在很长时间里被轿车采用。尽管70年代以来，各种新型材料如轻质合金等相继问世，但该种轮毂仍以其成熟简单的工艺，低廉的成本和优良的性能在汽车市场占据一定的份额。

　　1.1 碳素钢

　　碳素钢主要用于规则成型钢轮毂，该轮毂是由坚固的圆柱形轮辋和碳素钢轮盘焊接而成。为了改善刹车轮盘的通风情况，在轮毂上加工一定数量的圆孔，但这不会降低使用期内对外来受力的抵抗程度。尽管具有价格优势以及一般动力性能机车上的满意度，但对于一些特定类型的汽车而言，仍然具有许多缺点，故不推荐使用。

　　首先，由于该轮毂是由廉价的低抵抗力的碳素钢制作而成，对于刹车盘不能大面积冷却，因此，在高性能和安全性的车辆中不使用该类型轮毂。

　　第二，由于该轮是由低强度材料制造而成，轮盘和轮辋的厚度要达到相当大的程度，导致重量增加。在现有制造工艺中，几乎不可能满足良好性能要求，更为重要的是，冷却刹车盘不会制作更多大面积的圆孔，而这又降低了减重的可能性。由于重量增加，轮毂具有较大的惯性，对于无悬浮结构支持的轮子来说，无疑增加了刹车和操控系统的阻力，难以掌握车子的运动方向，结果使刹车系统、悬浮系统、操控系统的改进尽数消除。因此，在高性能车中不使用该种轮毂。

　　第三，该轮毂生产构成不允许在表面之上装饰各种精美的图案，使其不可能装备豪华车和运动跑车，因为购买者不会接受因装该轮而缺乏美感。

　　1.2 球墨铸铁

　　球墨铸铁以其优良的综合力学性能应用在轮毂上，如铁素体球墨铸铁、高韧性球墨铸铁等。但是，由于类似碳素钢轮毂的缺点，以及铸造过程的复杂性和铸造模型所限，轮毂形状难于控制，限制了其应用。

　　1.3 其他钢铁材料

　　一些合金钢如加入钛元素的低合金钢，合金元素可以细化晶粒，提高钢的力学性能，使钢具有强度高、塑韧性好、加工成形性和焊接性良好，可以作为轮毂用钢；此外，低合金高强度F+B双相钢，如低碳含铌钢，提高贝氏体含量，可以提高屈服强度，提高扩孔率，也可以用作轮辐和轮辋用钢。

　　在实际应用中的多数钢制轮毂是通过已成型的轮缘和轮盘焊接而成，尽量使自重降低。国外许多发明创新采用钢板冷变形加工而成轮辋与轮盘，并且在焊接方法上采用了一定的技术创新，如：US6052901等专利。

　　2 合金材料

　　2.1 铝合金

　　1923年，赛车开始使用砂模铸造铝合金车轮毂。第二次世界大战后，铝合金轮毂用于普通汽车。1958年，有了铸造整体铝合金轮毂，以后不久又有了锻造铝合金轮毂。1979年，美国把铝带成型车轮作为标准车轮。1980年，联邦德国奔驰公司开始成批采用带材成型铝合金轮毂装备240D型轿车。日本是世界上生产铝合金轮毂最多的国家，1973年，成批生产轿车铝合金车轮；1977年，成批生产载货车与大客车铝合金车轮；1979年，成批生产复杂摩托车铝合金车轮。在过去的10年，全球铝合金汽车轮毂产量的年平均增长率达71.6%。时至今日，世界上几个主要汽车生产大国已经将铝合金轮毂作为车辆的标准配置。

中国铝合金轮毂制造业发起于20世纪80年代末期。20世纪90年代中期，出现兴建汽车铝轮毂厂的投资高潮；1998-2001年期间，由于国内汽车铝轮毂产能远远大于国内汽车行业要求，进入了缓慢发展阶段；2002年至今，中国汽车制造业快速发展，出现新一轮投资汽车铝轮毂行业强劲势头。

　　与钢制汽车轮毂相比，铝合金汽车轮毂具有如下优点：①重量轻，可比钢制车轮毂重量减轻30%-40%，通常使用1 kg铝合金，汽车自重要下降2.25kg。美国目前每辆轿车用铝合金至少100kg，可减重225kg，按一辆轿车使用10年、行驶400km计算，可节约6.3t汽油，效益可观。铝合金汽车轮毂有明显的减重效果，见表1；②减震性能好，吸收冲击能量强，从而可以改善车辆的行驶性能，提高安全性；③导热性好，热导率约为钢的3倍，可以降低轮胎的工作温度，提高轮胎的使用寿命；④外形美观，采用不同工艺生产铝合金轮毂的结构可以多样化，可以很好地满足各类使用者的审美要求。

　　随着汽车安装ABS普及率的提高，为了减轻非悬挂件质量和减轻刹车系统的负荷，铝合金轮毂的使用正变得越来越普及。据统计，轻型车上铝合金轮毂的使用率现已达到50%左右，有的国家已经超过60%。轿车用铝合金轮毂大致可分为一体式和组合式两类。一体式可用铸造或锻造两种工艺生产，适用的铝合金有A356.2、AC4C、H5052等。组合式（二片型或三片型）轮毂的轮辋多由板材成型，轮辐则由板材成型或锻造成型，适用的铝合金有5054-O、5052-O和6063-O等。

　　汽车采用铝合金轮毂后件重效果明显，轻型车使用铝合金轮毂比传统钢制轮毂轻30%-40%，中型汽车可轻30%左右。美国森特来因·图尔公司用分离旋压法制出的整体板材（6061合金）车轮，比钢板冲压车轮重量减轻达50%，旋压加工时间不到90s/个，不需要组装作业，适宜大批量生产。另外，相同外径尺寸的轮毂使用铝合金轮毂抗压强度还有所提高。