CN102085559A - 轻合金制车辆车轮的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种即使车辆车轮大径化、但金属组织的结晶粒径仍然较小、机械性特性仍然优异的轻合金制车辆车轮的制造方法。在轻合金制车辆车轮的制造方法中，首先使用型出口形状大致为长方形的铸型进行连续铸造或半连续铸造，从而制作扁平的方形钢坯(S1)，然后沿与铸造方向垂直的方向切断该扁平的方形钢坯，从而制作沿铸造方向扁平的矩形铸造原料(S2)。并且，铸造工序包括：自上述矩形铸造原料的扁平面一侧压下该铸造原料从而将该铸造原料锻造成圆盘形的工序(S4)、和将该圆盘形锻造成品锻造成具有轮辐部和轮圈部的大体的车轮形状的工序(S5)。

Description

轻合金制车辆车轮的制造方法

技术领域

本发明涉及一种即使是大径的车轮也能具有优异的机械性特性的轻合金制车辆车轮的制造方法。

背景技术

作为轻合金制车辆车轮的制造方法之一，公知一种通过对铸造原料进行锻造而制造轻合金制车辆车轮的锻造法。大概地说明该制造方法，如图3所示，首先使用具有圆形的型出口的铸型通过半连续铸造等而制作圆棒钢坯(S11)，将该圆棒钢坯切成圆片而制作圆柱状的铸造原料(S12)。然后，作为热锻造工序，加热圆柱状的铸造原料(S13)，自加热后的圆柱状铸造原料的圆形面一侧压下该铸造原料，将该铸造原料锻造成圆盘形(S14)，进一步锻造该圆盘形的锻造成品，将该锻造成品精加工(日文：仕上げる)成具有轮圈部和轮辐部的大体的车轮形状(S15)。之后，进行旋压(spinning)成形加工来调整轮圈形状(S16)，经过热处理(S17)、机械加工(S18)的各工序，制成轮圈一体的车辆车轮。

在以往的制造方法中，之所以使用圆柱状的铸造原料，是出于能够简易地进行将铸造原料成形为圆形的车辆车轮形状的锻造工序等目的，迄今为止，在使用了锻造法的轻合金制车辆车轮的制造方法中，通常使用从圆棒钢坯切出的圆柱状的铸造原料。因此，为了能够满足最近对车辆车轮的大型化的需求，在铸造时制作大径的圆棒钢坯，使用从该圆棒钢坯切出的大径的圆柱状的铸造原料。

通常，轻合金制车辆车轮的强度与该车轮的金属组织的结晶粒径有关，体现出结晶粒径越小、强度越高的趋势。并且，当铸造过程中的冷却速度减慢时，铸造原料的金属组织的结晶粒径增大。在圆棒钢坯的情况下，由于铸造过程的冷却速度依存于该钢坯的直径尺寸，因此随着该钢坯的直径的增大，冷却速度减慢，该钢坯的金属组织的结晶粒径自然增大。因此，在所使用的圆棒钢坯的直径随着车辆车轮的大型化而增大时，铸造原料的金属组织的结晶粒径增大，成品车轮的金属组织的结晶粒径也增大，因此导致轻合金制车辆车轮的强度、韧性下降。

针对该问题，可以从结晶粒径不会变大的、直径较小的圆棒钢坯切出比较细长的圆柱状铸造原料，然后追加进行镦锻工序，从而制造出大径的车辆车轮，该镦锻(日文：つぶし鍛造)工序自该细长的圆柱状铸造原料的圆形面一侧对该铸造原料进行镦锻，从而增大该铸造原料的直径。但是，即使采用镦锻工序，由于在圆柱状锻造原料的原料高度较高时，因压曲等而发生厚度不均，因此想要制造稳固的车辆车轮仍是极其困难的。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而做成的，目的在于提供一种即使车辆车轮大径化、但金属组织的结晶粒径仍然较小、机械性特性仍然优异的轻合金制车辆车轮的制造方法。

本发明的轻合金制车辆车轮的制造方法通过对铸造原料进行锻造而制造轮圈一体的车辆车轮，

该方法使用型出口形状大致为长方形的铸型进行连续铸造或半连续铸造，从而制作扁平的方形钢坯，沿与铸造方向垂直的方向切断该扁平的方形钢坯，从而制作在铸造方向上扁平的矩形铸造原料；

铸造工序包括：自上述矩形铸造原料的扁平面侧压下该矩形铸造原料从而将该矩形铸造原料锻造成圆盘形的工序；将该圆盘形的锻造成品锻造成具有轮辐部和轮圈部的大体的车轮形状的工序。

采用上述制造方法，扁平的方形钢坯的铸造时的冷却速度依存于该钢坯的厚度(长方形截面的短边长度)。在钢坯为圆棒钢坯的情况下，铸造时的冷却速度依存于该钢坯的直径尺寸，因此对于上述扁平的方形钢坯来说，即使相比具有与该扁平的方形钢坯的长方形截面的长边长度相当的直径的圆棒钢坯，也能大幅提高铸造时的冷却速度。因而，相比具有与扁平的方形钢坯的长方形截面的长边长度相当的直径的圆棒钢坯，也能够大幅减小扁平的方形钢坯的在铸造时产生的金属组织的结晶粒径。

并且，沿与铸造方向垂直的方向切断该扁平的方形钢坯，从而制作在铸造方向扁平的矩形铸造原料。通过上述那样地自扁平的方形钢坯切出铸造原料，能够在所获得的扁平的矩形铸造原料上形成与铸造方向正交的扁平的四边形面。该扁平的矩形铸造原料中的扁平的四边形面可以作为在接下来的锻造工序中适合于压下的宽阔的面。

因而，在锻造工序中，通过自该矩形铸造原料的四边形面侧(与铸造方向正交的宽阔的面一侧)压下该铸造原料而将该铸造原料锻造成圆盘形，能够不增加锻造次数且亦不会引发厚度不均等不良地获得将体积自矩形分配成圆盘形的圆盘形锻造成品。然后，进一步锻造该圆盘形的锻造成品，形成具有轮辐部和轮圈部的大体的车轮形状，从而即使车辆车轮大径化，由于铸造原料的结晶粒径较小，因此仍能获得结晶粒径小的轻合金制车辆车轮。

优选上述铸型的型出口的短边与长边的尺寸比为1∶1.5以上，且短边的长度为200mm以下，利用该铸型制作扁平的方形钢坯。

很难随着扁平的方形钢坯的厚度的增加而提高铸造时的冷却速度、减小结晶粒径。针对该问题，在利用型出口的短边与长边的尺寸比为1∶1.5以上、且短边的长度为200mm以下的铸型制作扁平的方形钢坯时，相比具有与该扁平的方形钢坯的长边长度相当的直径的圆棒钢坯，能够使所获得的扁平的方形钢坯(在长方形截面上短边与长边的尺寸比为1∶1.5以上、且短边长度为200mm以下)的铸造时的冷却速度变得足够快，使金属组织的结晶粒径良好地细化。

优选该方法具有利用机械加工切去冷硬层的工序，该冷硬层形成在上述扁平的矩形铸造原料中的与车轮外观面相对应的铸造表面上。

由于在铸造时扁平的方形钢坯的冷却速度变快，因此钢坯容易受到冷却的影响而在表面形成冷硬层。该冷硬层可使车辆车轮的强度下降。另外，从上述扁平的方形钢坯切出的扁平的矩形铸造原料中的扁平的四边形面是铸造表面，且该对置的扁平的四边形面中的一个面是车轮外观面。因而，针对形成在扁平的矩形铸造原料中的与车轮外观面相对应的铸造表面上的冷硬层，利用机械加工切去该冷硬层，从而能够防止冷硬层使车轮的强度下降。

上述铸型可以采用半绝热铸型来抑制在扁平的方形钢坯的表面上形成偏析层，从而不用对扁平的矩形铸造原料的铸造表面进行端面切削。

由此，能够消除因对扁平的矩形铸造原料的铸造表面进行端面切削而产生的材料损失，因此能够提供成品率良好且成本低廉的车辆车轮。

如上所述，采用本发明的轻合金制车辆车轮的制造方法，制作扁平的方形钢坯来代替制作圆棒钢坯，且使用从该扁平的方形钢坯切出的形成为适合于热锻造的形状的扁平的矩形形状的铸造原料，从而即使车辆车轮大径化，也能够制造金属组织的结晶粒径小、机械性特性优异的轻合金制车辆车轮。

附图说明

图1是表示实施方式的轻合金制车辆车轮的制造方法的制造工序图。

图2是表示制作扁平的方形钢坯的铸型的剖视图。

图3是表示以往的轻合金制车辆车轮的制造方法的制作工序图。

具体实施方式

实施方式的轻合金制车辆车轮的制造方法是通过对铸造原料进行热锻造而制造轮圈一体的车辆车轮的方法，作为铸造前的铸造原料，使用扁平的方形钢坯来代替以往的圆棒钢坯。作为轻合金的材质，例如可以使用A6061等的铝合金、镁合金、钛合金等。

下面，说明实施方式的轻合金制车辆车轮的制造方法。

如图1所示，首先在步骤S1中，使用型出口形状大致为长方形的铸型进行连续铸造或半连续铸造，从而制作扁平的方形钢坯。例如可以采用DC铸造法为铸造法。可以采用下述装置为进行DC铸造的铸造装置，该装置包括深度较浅的铸型1、将该铸型1配置在下部的由绝热耐火材料构成的容器2、和配置在型出口11处的用于对铸锭进行水冷处理的喷水器3(参照图1中的S1旁边的图)。可以使用如下装置为铸型1，即，如图2所示，该装置具有上下贯穿的开口10，该开口10大致形成为长方形，下部的型出口11也大致为长方形。

铸造是使轻合金的熔融金属自保持炉经过由绝热材料形成的流槽而将该熔融金属注入到绝热耐火物制容器2内。于是，在熔融金属到达铸型1时，熔融金属受到向铸型壁的导热作用而被一次冷却，成为铸锭，该铸锭被成形为铸型形状而变成扁平的方形，在自重的作用下自铸型下部的型出口11排出。然后，利用喷水器3对自铸型1的型出口11排出的铸锭喷水，将该铸锭二次冷却(直接水冷)。利用该二次冷却使整个铸锭凝固，从而获得规定长度的扁平的方形钢坯。

这样，通过使用型出口11的形状大致为长方形的铸型1来铸造扁平的方形钢坯，该扁平的方形钢坯的铸造时的冷却速度依存于该钢坯的厚度(长方形截面的短边长度)。另一方面，在圆棒钢坯的情况下，铸造时的冷却速度依存于该钢坯的直径尺寸。因而，采用扁平的方形钢坯，即使相比具有与该扁平的方形钢坯的长方形截面的长边长度相当的直径的圆棒钢坯，也能够大幅提高铸造时的冷却速度。因此，相比具有与扁平的方形钢坯的长方形截面的长边长度相当的直径的圆棒钢坯，也能够大幅减小扁平的方形钢坯的在铸造时产生的金属组织的结晶粒径。

这里，优选上述铸型1的型出口11的短边与长边的尺寸比为1∶1.5以上、且短边长度为200mm以下。很难随着扁平的方形钢坯的厚度的增加而提高铸造时的冷却速度、减小结晶粒径。针对该问题，在利用型出口11的短边与长边的尺寸比为1∶1.5以上、且短边长度为200mm以下的铸型1制作扁平的方形钢坯时，相比具有与该扁平的方形钢坯的长边长度相当的直径的圆棒钢坯，能够使所获得的扁平的方形钢坯(在长方形截面上短边与长边的尺寸比为1∶1.5以上、且短边长度为200mm以下)的铸造时的冷却速度变得足够快，使金属组织的结晶粒径良好地细化。另外，在铸型1的型出口11的短边与长边的尺寸比为1∶2以上、且短边长度为150mm以下时，能够使扁平的方形钢坯的金属组织的结晶粒径更加良好且可靠地细化。

另外，优选使用由石墨等构成的半绝热铸型为铸型1。由此，能够抑制在上述钢坯的表面上形成偏析层，不用对铸造原料的铸造表面进行端面切削。因而，不存在因进行端面切削而产生的材料损失，因此能够提供成品率良好且成本低廉的车轮。

接下来，在步骤S2中，沿与铸造方向垂直的方向将扁平的方形钢坯切断成四边形，从而制成在铸造方向扁平的矩形铸造原料。通过上述那样地以扁平的矩形形状切出铸造原料，能够在所获得的扁平的矩形铸造原料上形成与铸造方向正交的扁平的四边形面，该四边形面可以作为适合于在接下来的锻造工序中压下的宽阔的面。

之后，可以利用机械加工切去上述扁平的矩形铸造原料中的与车轮外观面相对应的铸造表面上的冷硬层。由于在铸造时扁平的方形钢坯的冷却速度变快，因此钢坯容易受到冷却的影响而在表面形成冷硬层。该冷硬层可使车辆车轮的强度下降。另外，从上述扁平的方形钢坯切出的扁平的矩形铸造原料中的扁平的四边形面是铸造表面，且该对置的扁平的四边形面中的一个面是车轮外观面。因而，针对形成在扁平的矩形铸造原料中的与车轮外观面相对应的铸造表面上的冷硬层，利用机械加工切去该冷硬层，从而能够防止冷硬层使车轮的强度下降。另外，在如上所述地使用由石墨等构成的半绝热铸型为铸型1而能够抑制在扁平的方形钢坯的表面上形成偏析层的情况下，也可以省略对铸造原料的铸造表面进行端面切削。

接下来，对上述矩形铸造原料进行热锻造。在该锻造工序中，首先在步骤S3中利用加热炉将扁平的矩形铸造原料加热到450℃～550℃。然后，在步骤S4中进行一次锻造，即，将加热后的矩形铸造原料放置在一次锻造模具(模具温度为150℃～350℃)中而将该铸造原料成形为圆盘形。详细而言，将矩形铸造原料平放在具有圆盘形模腔的一次锻造模具的模具中央，自矩形铸造原料的扁平的四边形面侧沿厚度方向压下该铸造原料，从而扩张矩形铸造原料的外周的各边而将该铸造原料成形为圆盘形。该一次锻造工序与沿厚度方向压下以往的圆柱状铸造原料而将该铸造原料成形为圆盘形的方法相同，因此可以使用与以往相同的一次锻造模具来实施该一次锻造工序。因而，能够不增加锻造次数且亦不会引发厚度不均地获得将体积自矩形分配成圆盘形的圆盘形一次锻造成品。

接下来，在步骤S5中进行二次锻造，即，将该圆盘形的一次锻造成品放置在二次锻造模具(模具温度为150℃～350℃)中而将该一次锻造成品成形为具有轮圈部和轮辐部的车轮形状。详细而言，优选以粗锻造和精锻造这两个阶段进行锻造，在粗锻造中，将上述一次锻造成品放置在粗锻造模具中而进行轮圈部和轮辐部的大概的体积分配，在精锻造中，将该粗锻造成品放置在精锻造模具中而主要调整轮辐部的形状。也就是，当在进行轮圈部和轮辐部的大概的体积分配的成形时同时进行轮辐部的凹凸形状的成形，根据车轮设计的不同，可能产生局部性变形，因此为了防止产生该变形时，以粗锻造和精锻造这两个阶段进行锻造。需要注意的是，在车轮设计是不易产生上述局部性变形的比较简单的车轮设计的情况下，也可以将圆盘形的一次锻造成品放置在精锻造模具中而利用1次的锻造来调整轮圈部和轮辐部的形状。利用上述锻造工序，能够进一步减小铸造原料中的金属组织的结晶粒的大小。

接下来，在步骤S6中对锻造成品的车轮进行旋压成形加工而成形轮圈部的形状。详细而言，一边使车轮形状的锻造成品旋转一边将加压辊压接于轮圈部，从而调整轮圈部的形状。该旋压加工可以是热加工，也可以是冷加工(室温下)。接下来，在步骤S7中对旋压后的车轮进行热处理(T6热处理)。详细而言，以500℃～550℃的温度加热旋压后的车轮3分钟～180分钟，对该车轮进行固溶热处理，然后进行以170℃～220℃的温度保持30分钟～6个小时的时效热处理。由此，金属组织成为稳定的状态而提高车轮的强度。然后，在步骤S8中对热处理后的车轮进行倒角等机械加工工序，由此制成轮圈一体的车辆车轮。

如上所述，采用本实施方式的轻合金制车辆车轮的制造方法，制作能使金属组织的结晶粒径比圆棒钢坯小的扁平的方形钢坯，从该扁平的方形钢坯切出扁平的矩形铸造原料而将该铸造原料做成适合于热锻造的形状。并且，在热锻造工序中，自该扁平的矩形铸造原料的扁平面一侧压下该铸造原料而进行锻造，从而能够不增加锻造次数且亦不会产生厚度不均等不良情况地将该铸造原料成形为车辆车轮形状。因而，即使车辆车轮大径化，也能够制造金属组织的结晶粒径小、机械性特性优异的轻合金制车辆车轮。

实施例1

在实施例1中，制造了轮圈直径为17英寸的铝锻造车轮。

首先，使用铸型的型出口形状大致为长方形的半连续铸造设备，制作了具有纵长为80mm、横长为300mm的长方形截面的铝合金制(A6061)的扁平的方形钢坯。另外，测量了该扁平的方形钢坯的结晶粒，确认到该结晶粒的平均结晶粒径为95μm。然后，使长度方向(铸造方向)的长度为290mm地切断该扁平的方形钢坯，去除切断面的飞边，并且以1mm的切削量对外观面进行切削加工，从而制成长290mm、宽(横长)300mm、厚(纵长)79mm、重约18kg的扁平的矩形铸造原料。

然后，作为热锻造工序，将该扁平的矩形铸造原料投入到加热炉中，将该铸造原料加热到约500℃，以300℃的模具温度压下扁平的矩形铸造原料的大致为正方形的面(与铸造方向正交的面一侧)地进行一次锻造，形成圆盘形的一次锻造成品，然后以300℃的模具温度对该圆盘形的一次锻造成品进行粗锻造和精锻造，从而获得轮圈部和轮辐部的形状被调整了的锻造成品。

之后，对锻造成品进行旋压成形加工，然后在对该锻造成品依次实施了540℃的温度的5分钟的固溶热处理、整体温度为60℃以下的水淬处理、180℃的温度的5个小时的时效热处理后，进行机械加工而获得铝合金制车辆车轮。

实施例2

在实施例2中，制造了轮圈直径为20英寸的铝锻造车轮。

在该实施例2中，制作纵长为150mm、横长为300mm的扁平的方形钢坯(平均结晶粒径为100μm)，使长度方向(铸造方向)的长度为290mm地切断该扁平的方形钢坯，去除切断面的飞边，并且以1mm的切削量对外观面进行切削加工，从而制成长290mm、宽(横长)300mm、厚(纵长)149mm、重约35kg的扁平的矩形铸造原料。除此之外，在实施例2中进行与实施例1相同的工序，获得了铝合金制车辆车轮。

比较例

在比较例中，制造了轮圈直径为17英寸的铝锻造车轮。

首先，使用铸型的型出口形状为圆形的半连续铸造设备，制作了具有直径为300mm的圆形截面的铝合金制(A6061)的圆棒钢坯。另外，测量了该圆棒钢坯的结晶粒，确认到该结晶粒的平均结晶粒径为230μm。然后，使长度方向(铸造方向)的长度为94mm地切断该圆棒钢坯，去除切断面的飞边，并且以1mm的切削量对外观面进行切削加工，从而制成直径为300mm、厚93mm、重18kg的扁平的圆柱状铸造原料。

然后，在热锻造工序中，除了以压下该扁平的圆柱状铸造原料的圆形面(铸造方向的面一侧)的方式进行一次锻造之外，其他操作与实施例1的工序相同，获得了铝合金制车辆车轮。

切出在上述实施例、比较例中获得的铝合金制车辆车轮的辐条(spoke)部，观察组织以及测量机械性特性，结果如表1所示。

表1

根据表1可知，作为铸造原料的结晶粒，实施例1、2的扁平的方形钢坯的平均结晶粒径为95μm、100μm。相对于此，比较例的圆棒钢坯的平均结晶粒径为230μm。因而，对于实施例1、2的扁平的方形钢坯而言，相比具有与该方形钢坯的长方形截面的长边长度相当的直径的比较例的圆棒钢坯，能够大幅减小该方形钢坯的结晶粒。也就是说，比较例中的圆棒钢坯的铸造时的冷却速度依存于该圆棒钢坯的直径，而相对于此，实施例1、2中的扁平的方形钢坯的铸造时的冷却速度依存于该方形钢坯的厚度(实施例1为“80mm”、实施例2为“150mm”)。由此，对于实施例1、2的扁平的方形钢坯而言，相比具有与该方形钢坯的长方形截面的长边长度(实施例1、2均为“300mm”)相当的直径()的比较例的圆棒钢坯，能够大幅提高方形钢坯的铸造时的冷却速度。

另外，通过对铸造原料实施热锻造加工而使该铸造原料再结晶，从而获得更加微细的结晶粒的金属组织，但在比较例中，由于铸造原料的结晶粒较大为230μm，因此车辆车轮的结晶粒径只能减小至120μm。相对于此，在实施例1中，由于铸造原料的结晶粒较小为95μm，因此车辆车轮的结晶粒径减小至50μm。同样，在实施例2中，由于铸造原料的结晶粒从100μm减小至60μm。由此可知，在通过进行热锻造来形成更加微细的结晶粒的组织的方面，铸造原料的结晶粒较小的实施例1、2也是有利的。

并且，根据铝合金制车辆车轮中的结晶粒与机械性特性的关系可知，结晶粒径较小的实施例1、2的拉伸强度和伸长率比结晶粒径较大的比较例优异。

另外，与实施例1相比，实施例2的矩形的方形钢坯的厚度较大(实施例1为“80mm”、实施例2为“150mm”)，因此在实施例2的钢坯和车辆车轮中的结晶粒较大。

根据上述说明可知，采用实施例1、2，与比较例相比，能够减小金属组织的结晶粒径，因此能够获得高强度且具有高韧性的机械性特性优异的车辆车轮。另外，即使在制造同一大径尺寸(17英寸)的铝合金制车辆车轮时，采用实施例1也能够获得机械性特性比比较例优异的车辆车轮。

Claims (4)

1.一种轻合金制车辆车轮的制造方法，该方法通过对铸造原料进行锻造而制造轮圈一体的车辆车轮，该方法包括下述工序：

铸造工序，使用型出口形状大致为长方形的铸型进行连续铸造或半连续铸造，从而制作扁平的方形钢坯；

切断工序，沿与铸造方向垂直的方向切断上述扁平的方形钢坯，从而制作在铸造方向上扁平的矩形铸造原料；

一次锻造工序，自上述矩形铸造原料的扁平面侧压下该矩形铸造原料，从而将该矩形铸造原料锻造成圆盘形；

二次锻造工序，将上述圆盘形锻造成品锻造成具有轮辐部和轮圈部的大体的车轮形状。

2.根据权利要求1所述的轻合金制车辆车轮的制造方法，其中，上述铸型的型出口的短边与长边的尺寸比为1∶1.5以上，且短边的长度为200mm以下，利用该铸型制作扁平的方形钢坯。

3.根据权利要求1或2所述的轻合金制车辆车轮的制造方法，其中，该方法具有利用机械加工切去冷硬层的工序，该冷硬层形成在上述扁平的矩形铸造原料中的与车轮外观面相对应的铸造表面上。

4.根据权利要求1或2所述的轻合金制车辆车轮的制造方法，其中，上述铸型采用半绝热铸型来抑制在扁平的方形钢坯的表面上形成偏析层，从而不用对扁平的矩形铸造原料的铸造表面进行端面切削。

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