汽車車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。著重介紹了鋁合金車輪和合金鋼車輪的鑄造、鍛造工藝，分析了各種材料的優(yōu)缺點，闡述了合金材料在汽車車輪生產中的應用前景。詳細介紹了鋁合金車輪和合金鋼車輪的生產制造工藝和鎂合金在汽車車輪上的應用。

關鍵詞：合金材料； 汽車； 車輪； 制造工藝

1車輪制造材料的選用目前，汽車車輪材料主要有兩種：合金鋼和鋁合金，這兩種材料的應用占整個市場的90%以上。汽車車輪材料的選擇也就是對鋁合金和合金鋼的選擇。另外， 由于人們對車輪質量的要求不斷提高，這必然導致在制造汽車車輪時應用一些新材料。

1.1 合金鋼汽車車輪

在汽車誕生的一段時間里， 汽車一直采用鋼制車輪，但是從20 世紀70 年代末起，鋁合金車輪應用的越來越多，鋼制車輪占用的*大幅度下降。導致這一情況產生的原因是多方面的， 最主要的原因是外觀的吸引力。鋼制車輪的主要優(yōu)勢是成本低和安全性高， 這也是大多數載重汽車的車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輪那樣的結構和多樣化外形。另外，鋼車輪的質量較大，使用所消耗的能量遠遠大于鋁制車輪。

近些年來，面對眾多的挑戰(zhàn)，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)，并開始應用于制造汽車車輪，為鋼輪減輕質量和更大膽的款式設計創(chuàng)造了條件。根據有關報道，HSLA 車輪的質量比一般碳素鋼車輪輕約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，研究出旋壓生產工藝，已經在鋼制車輪生產中應用，法國的MagnettoWheels 工廠和西班牙的Hayes Lemmerz International 工廠開始投入生產，日本的Topy 工廠以及美國的ArvinMeritor 工廠都相繼宣稱已掌握了這項技術。

1.2 鋁合金汽車車輪

21 世紀以來，越來越多的汽車開始應用鋁合金車輪。從技術層面來講， 生產鋁合金車輪主要有兩種：鑄造技術和鍛造技術。在鑄造技術中又有多種：低壓鑄造、重力鑄造和擠壓鑄造；在鍛造技術中又細分為：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，在2000 年前后，美國的大部分鋁合金車輪都是用低壓鑄造工藝生產的。另外，在制造一些高強度的車輪時，廣泛應用鍛造技術， 這是因為鍛造技術比其他技術生產的產品性能更好， 利用鍛造技術和鑄造技術生產的同樣規(guī)格產品其性能是不一樣的， 其中強度可以提高至少18%，質量可以減輕15%，但是在生產時應用的設備和模具價格遠高于其它生產工藝，因此，應用較少。

鋁合金車輪的汽車主要優(yōu)點為：①安全性高。從理論上講由于鋁比鋼散熱快，所以用鋁合金車輪的汽車很少發(fā)生因熱量散發(fā)速度慢而導致爆胎的事故。②鋁合金車輪一般是通過一體鑄造甚至鍛造的，這樣力學性能良好，另外，沒有焊縫。這一點恰是鋼車輪的軟肋，有焊縫的鋼車輪容易導致車輪開裂。③鋁車輪的質量要要輕于鋼車輪，可減少消耗。④在美觀上，鋁車輪的造型甚至可以根據需要制定，可以與整車造型很好地融合一起，甚至可以給整車增添光彩。鋁合金車輪，不僅可以減輕汽車的自身質量，增加汽車的載重量，同時也可以減輕環(huán)境的壓力(減少尾氣排放)，因此越來越多的汽車車輪選用鋁合金。

1.3 鎂合金汽車車輪

在所有的金屬中，鎂的密度相對比較小。用鎂合金制造汽車車輪的優(yōu)勢為：可減輕汽車自身的質量，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(wěn)定性，生產汽車輪胎的成本低。

用鑄造鎂合金來制造汽車車輪成了更多人的選擇。但是，鑄件的生產條件十分苛刻，第一在生產過程中車輪的氣密性要求比較高， 第二要求汽車車輪的成品率比較高, 在鑄造生產中要滿足這些要求也就意味著較高的生產成本。雖然其生產過程中困難重重，但是鎂合金的應用前景十分廣闊。近幾年來，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基本使用的都是鎂合金車輪。這也反映了未來高檔汽車的發(fā)展之路—應用鎂合金車輪。

1.4 鋼鋁組合車輪

一些汽車上的車輪， 采用鋼材和鋁合金混合材料制成的，經過一系列的加工，將鋼材和鋁合金的應用有效地結合起來。這種車輪集中了鋼制車輪和鋁合金車輪的全部優(yōu)點， 最大的優(yōu)勢是極低的生產成本， 這使得鋼鋁組合車輪有一定的市場需求。在部分發(fā)達的國家， 鋼鋁組合的車輪已經通過了多種實驗，各項性能得到檢驗和認可，并且開始推廣使用。但是在我國它還處在萌芽階段，需要加強研究。

2鋁合金車輪的制造工藝鋁合金車輪的生產工藝有很多， 但主要是鑄造和鍛造。鑄造鋁合金車輪用量遠遠多于鍛造，其約占到總產量的近九成。雖然鍛造鋁合金車輪的性能更好一些，加工的車輪力學強度更高，零部件的抗疲勞性也相對更好， 但是鍛造生產的產品還不能大范圍推廣應用， 這主要是因為用鍛造技術生產資金投入量大。

2.1 鍛造工藝及其特點

目前， 應用比較多的鍛造工藝主要有兩種，第1 種是常規(guī)鍛造法，具體過程是將坯料(鑄造圓錠坯或者擠壓錠坯)經過熱鍛、加工以及表面處理；第2 種是半固態(tài)成形法，具體過程是含有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在生產中應用了這項技術。用這種工藝生產的產品力學性能優(yōu)良，質量也減輕很多?？傮w來說， 在所有制造工藝中鍛造鋁合金車輪的各項性能是，但其具有密度高、力學性能好和質量小的優(yōu)點， 缺點是生產成本高， 資金投入量大， 因而在我國利用鍛造法制造鋁合金車輪的企業(yè)少之又少。當前，美國鋁業(yè)公司用鍛造法生產的鋁合金車輪總量占*產量的大多數， 在鍛造鋁合金車輪生產領域基本處于壟斷地位。

2.2 鑄造工藝及其特點

鋁合金車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實現。生產鋁合金車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輪鑄造工藝中的主要技術， 目前鋁輪生產普遍采用低壓鑄造， 我國大多數車輪制造廠家也都采用了低壓鑄造技術， 約占全部產量的80%以上。

低壓鑄造這一技術已相當成熟， 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，較難滿足18 吋以上車輪。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、除氣、調溫→升壓→充型保壓→凝固→去壓→開型和開模取鑄件→整形清理→初檢。

在所有的生產工序中熔煉是一個關鍵的環(huán)節(jié)，這是因為在高溫下鋁合金會被氧化后形成殘渣，影響產品的性能和品質。這必須在生產過程中利用熔煉工藝提純，具體過程是：①在熔化過程中，加入適量的熔化劑，確保熔煉的需要；②在精煉時，要輸入純凈的氣體(氮氣等)，從而取出渣滓和排除氧化，進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。重力鑄造的缺點是金屬晶粒粗大、強度較差、表面處理工作量大?，F在采用此工藝的廠家較少，做得是日本的EmKei(遠輕)，國內也有部分生產廠家采用這種工藝， 約占其全部產量的20%。這種工藝早期被采用，現在已趨于淘汰。

擠壓鑄造產品的表面及內部組織近似于鍛造，力學強度也接近鍛件。擠壓鑄造也稱為液態(tài)模鍛，是一種集鑄造和鍛造特點于一體的工藝方式， 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， 共同特點是： 鑄件表面光潔、金相組織、各種力學性能接近于鍛件，不需復雜的表面加工就可以鍍鉻，鍍鉻成本較低、鍍鉻增加質量少。日本的UBE(宇部興產株式會社)是這一工藝做得最成功的廠家， 國內有一些小廠采用這種工藝生產摩托車鋁合金車輪。

3鎂合金車輪的生產工藝現在很多國家都用鎂合金制造汽車車輪， 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；產品的延展性比其他鎂合金產品更好。據國際鎂協(xié)會(IMA)公開的資料表明：他們制定的開發(fā)與應用鎂合金有三個目標，其中開發(fā)和利用變形鎂合金是長期的目標。

3.1 軋制

在室溫下鎂合金塑性比較差， 對其進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 都可以進行軋制，這些類型的鎂合金不僅可以生產厚板， 還可以生產難度較大的中板、薄板。通常鎂合金薄板主要應用于制造汽車的車門、罩蓋等等，這樣在增加汽車關鍵位置的強度的同時也可以大大減輕汽車的自身質量。

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， 例如AZ31B、ZM21、ZK60A、HK31 等。用擠壓法生產的零件有很多的優(yōu)勢，首先其加工的產品力學性能非常好， 其次加工后零件的表面處理的比較，不需要再次加工，可直接應用于汽車上。

3.3 沖壓

在常溫下，鎂合金不宜進行沖壓。沖壓的溫度越高，鎂合金的拉伸比越大，一般來說，必須在150℃以上才能對鎂合金沖壓。在180℃時，鎂合金板杯形件拉伸時的拉伸比可達1.8；在220℃時，拉伸比達到驚人的2.5，遠遠超過了鋁合金的常溫拉伸成形極限1.5，也遠遠超過了低碳鋼的的常溫拉伸成形極限2.3。在德國，大眾汽車公司開發(fā)出鎂合金汽車覆蓋件的熱沖壓成形技術， 在高溫下用鎂合金加工出汽車門板。

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，就會產生氧化腐蝕以及晶粒粗大，鍛造溫度范圍較窄等問題，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*， 所以用常規(guī)變形方法來鍛造鎂合金難度很大。21 世紀以來，美國和日本的科學家都對鎂合金的超塑成形技術進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。

隨著當今社會的發(fā)展， 鎂合金的研究開發(fā)會逐漸加深，其應用也會變得更加廣泛，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車輪不僅可以減少機械加工余量，還可以提高汽車車輪的強

度?，F今，有許多企業(yè)和研究機構開始對鎂合金旋壓成形技術進行研究， 雖然在我國尚無旋壓成形出鎂合金車輪，但是這項技術在國外已有成功的應用先例。車輪旋壓一般可采用板材劈開式旋壓、預制鍛坯旋壓、無縫管材縮徑旋壓等工藝方式。劈開式旋壓工藝是將圓盤狀板坯用劈開輪通過分層工藝， 使毛坯在厚度方向中部被劈成兩份，再用成型輪漸進旋壓成形；預制鍛坯強旋工藝是將鍛坯進行若干道次的強旋，從而達到輪輞型面尺寸要求。

5結語傳統(tǒng)車輪制造工藝(不論是鋼車輪還是鋁合金車輪)工藝復雜，尤其是鑄造過程工序繁多，設備投入大，產品質量保證較困難，容易產生缺陷，因而投入與產出比大，經濟效率低。特別是鍛造鋁合金車輪制造成本太高， 所以使用鍛造鋁合金車輪的汽車數量較少。在未來， 隨著對鋁合金汽車車輪的要求提高，汽車車輪制造技術也在不斷進步：

(1) 鍛造工藝被大家認可，也被越來越多的生產廠家所采用， 這是因為采用鍛造工藝生產的鋁合金汽車車輪優(yōu)勢明顯，會大幅度提高車輪的力學性能。

(2) 在熱鍛制坯之后采用旋壓技術進行旋壓成形，不僅大幅度減少了機械加工余量，還可以提高汽車車輪的力學性能。在國外，這項技術已經成熟，并且實際應用了。

(3) 液態(tài)鍛造和半固態(tài)鍛造在國外已是成熟的技術，特別是在生產大規(guī)格、輕量化的鋁合金汽車車輪時，均采用這種工藝。