CN102514444B - 高强度铝合金车轮 - Google Patents

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Abstract

高强度铝合金车轮，包括轮辋和轮辐，所述轮辋和/或轮辐由铝合金材料制造而成，所述铝合金材料中Cu元素的质量百分含量为大于1％。使用所述的高强度铝合金材料，并通过半固态成形方法成型制作出铝合金车轮工件，再通过对该车轮工件进行热处理，其抗拉强度可达440MPa以上，延伸率可达7％以上；通过对该高强度铝合金车轮进行表面微弧氧化处理，可以在该工件表面原位生长成一层致密的、结合牢固的和高硬度的陶瓷层，从而大幅度地提高该铝合金车轮的抗腐蚀性能和抗表面磨损性能，可满足该高强度铝合金车轮的使用环境要求。

Description

高强度铝合金车轮
技术领域
 本发明涉及机动车辆的车轮制造技术领域，尤其涉及一种高强度铝合金车轮。
背景技术
车轮主要是由轮辋和轮辐组成，其可通过如铸造、锻造等工艺一次成形，也可通过如焊接、机械锁紧等工艺把轮辋和轮辐等连在一起制作而成。车轮是机动车辆的重要安全部件之一，除了要求其要有足够的机械强度外，还要求其具有高的耐腐蚀性以及良好的表面耐磨损性以应付各种恶劣的行驶环境如与海水接触以及如受高速砂砾碰击等。车轮也是机动车辆的重要传动部件，要求其质量要尽可能的轻，轻质车轮除了具有广为熟知的节能优点外，还具有加速快、刹车快和易于操控等优点；原因是越轻的车轮，其转动惯性越小，机车的提速和刹车就越快，同时车轮对机车的转向系统的响应也越灵敏。因而，高强度、质量轻、高耐蚀性以及高表面耐磨损性是许多高品质车轮必备的特性。
目前常用的机车车轮主要有钢制车轮和铝合金车轮，大型客车和货运车以钢制车轮为主，而大部分小轿车使用铝合金车轮。相对于钢制车轮，铝合金车轮具有质轻、散热好及耐蚀性强等优点，目前常用的铝合金车轮材料有铸造铝合金A356和A357以及变形铝合金6061和6082等；这些常用的铝合金材料都有一个共同的特点就是具有较强的耐蚀性，但其抗拉强度一般都不超过350Mpa，不如一些常用的高强铸造铝合金如A319，其抗拉强度可达到450Mpa以上；也不如一些高强变形铝合金如2014和7075等，其抗拉强度可达到500Mpa以上。通过分析这些常用的铝合金车轮材料，可以发现这些的铝合金材料都只以Mg为主要强化合金元素而不含或只含很少量的Cu合金元素；然而Cu和Mg两者都是大部分铝合金的重要强化元素，尤其是Cu，具有极强的固溶和时效强化作用，可以大幅度提高许多铝合金的机械强度；但Cu合金元素同时也降低了铝合金的抗腐蚀性能，因此为了满足车轮的苛刻的使用环境要求，目前现有的铝合金车轮材料都不含或只含少量的Cu合金元素，这极大地限制铝合金车轮的机械强度极限。
发明内容
 本发明的目的是提供一种机械强度高、质量轻，且具有高抗腐蚀性能和高抗表面磨损性能的高强度铝合金车轮及制造方法。
本发明所采用的技术方案是：高强度铝合金车轮，包括轮辋和轮辐，其特征在于：所述轮辋和/或轮辐由铝合金材料制造而成，所述的铝合金材料的各化学元素及其质量百分含量为：5.2%Cu, 0.1%Fe, 0.4%Mn, 0.35%Ti, 0.2%Cd, 0.15%V, 0.1%Zr, 0.02%B, 其余为Al；使用所述铝合金材料，通过半固态成形方法成型制作出铝合金车轮工件，再通过对该铝合金车轮工件进行T5热处理，其抗拉强度达440MPa，延伸率达7%；再通过对该铝合金车轮工件进行表面微弧氧化处理，在该工件表面原位生长成一层致密的、结合牢固的和高硬度的陶瓷层。
所述高强度铝合金车轮应用于行驶车轮的数量大于4个的机动车辆。
本发明用于制造高强铝合金车轮的轮辋和/或轮辐的铝合金材料含有质量百分含量大于1%的Cu元素，其中包括典型的高强度Al-Cu基合金，如含Cu量为4.6-5.3wt%,中国牌号为ZL205A的铸造铝合金，其在T5热处理状态下，抗拉强度可达440MPa，延伸率可达7%；又如含Cu量为3.9-5.0wt%,牌号为2014的Al-Cu-Mg基变形铝合金，其在T6热处理状态下，抗拉强度可达450MPa，延伸率可达7%；再如含Cu量为1.2-2.0wt%,牌号为7075的Al-Zn-Cu-Mg基变形铝合金，其在T6热处理状态下，抗拉强度可达540MPa，延伸率可达8%。用于制造高强铝合金车轮的轮辋和/或轮辐的铝合金材料除含有质量百分含量大于1%的Cu元素外，还可以含有质量百分含量为不大于13%的Si元素和质量百分含量为不大于4%的Mg元素；Si元素可以改善铝合金的铸造性能，同时Si还可以与Mg反应形成Mg2Si强化相以提高铝合金的机械强度；典型的高强度Al-Si-Cu-Mg基合金有如含Cu量为3.0-4.0wt%,含Si量为5.5-6.5wt%,含Mg量为0.1-0.35wt%，美国牌号为A319的铸造铝合金，其在T6热处理状态下，抗拉强度可达460MPa，延伸率可达9%。
以上所述的这些高强度铝合金材料的抗拉强度都远高于目前常用的A356、A357和6061等铝车轮材料，但由于这些高强度铝合金材料含有Cu元素，其抗腐蚀性能不如A356、A357和6061等铝合金材料。本发明所采用的进一步技术方案是：对所述的高强度铝合金车轮的轮辋和/或轮辐进行表面微弧氧化处理；所述的表面微弧氧化是指在普通阳极氧化的基础上，利用弧光放电增强并激活在阳极上发生的反应，从而在所述的高强度铝合金车轮工件的表面形成优质的陶瓷层的方法；其主要原理是通过特定的微弧氧化电源对所述的高强度铝合金车轮工件施加高的电压，使所述的车轮工件表面的金属与电解液相互作用，并在所述的车轮工件表面产生微弧放电；在微弧氧化过程，所述的车轮工件表面的瞬时温度可达1500摄氏度以上，所述的车轮工件表面的金属在高温、电场等因素的作用下会原位生长成致密的、结合牢固的以Al2O3为主的陶瓷层；该陶瓷层可以大幅度地提高所述的高强度铝合金车轮的抗腐蚀性能，同时该陶瓷层也可以大幅度地提高所述的高强度铝合金车轮的表面硬度，从而大幅度地增强所述的高强度铝合金车轮的表面抗磨损性能；通过采用适当的工艺参数，对所述的高强度铝合金车轮进行表面微弧氧化处理可以满足所述的高强度铝合金车轮的抗腐蚀性和抗磨损性等使用环境要求。
本发明所述的高强度铝合金车轮的制作方法可以是如铸造、锻造、挤压、旋压和滚压等工艺，其都在本发明的要求保护范围。本发明进一步揭露了一种经济、高效的制作所述的高强度铝合金车轮的方法，即所述的高强度铝合金车轮通过半固态成形方法成型。所述的半固态成形方法是指使用含有非枝状晶的所述的高强度铝合金材料的浆体通过充填、锻压和挤压等工艺制作所述的高强度铝合金车轮工件的方法。通过适当控制所述的高强度铝合金材料的半固态浆体的固相分数，所述的高强度铝合金的半固态浆体可具有高的粘度和低的凝固收缩率，从而防止成形时卷气形成气孔和凝固时形成缩孔；同时所述的半固态浆体又具有好的流动性可满足各种形状的所述的高强度铝合金车轮的成形要求；另外，所述的半固态成形方法可大幅度地降低所述的高强度铝合金材料的成形热裂倾向，使本发明所述的Al-Cu，Al-Zn-Cu-Mg等具有强热裂倾向的变形高强度铝合金可直接且高效地成型，从而大幅度地降低所述的高强度铝合金车轮的制作成本。
本发明所述的高强度铝合金车轮适用于所有的机动车辆，其都在本发明的要求保护范围。鉴于目前大部分的大型机动车辆的车轮还是以钢制车轮为主，本发明所述的高强度铝合金车轮的重量可比目前常用的钢制车轮轻50%以上，因此，应用本发明所述的高强度铝合金车轮可大幅度地减轻大型机动车辆的车轮的重量，起到明显的节能减排的效果。本发明所述的高强度铝合金车轮优选为应用于行驶车轮的数量大于4个的机动车辆，如客车和货运车等；本发明所述的高强度铝合金车轮的强度可以接近甚至超过目前常用的钢制车轮的强度，如目前常用的牌号为12LW-GB11262-89的钢制车轮材料，其抗拉强度为355-470MPa。另外，本发明所述的高强度铝合金车轮的导热系数远高于目前常用的钢制车轮的导热系数，因而，相对于钢制车轮，所述的高强度铝合金车轮可有效地降低行驶车辆的轮胎温度，从而有效地延长机动车辆轮胎的使用寿命和有效地减少机动车辆的如高温爆胎和高温制动失效等现象的发生。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
优选实施例一：
一种高强度铝合金车轮的轮辋和/或轮辐是由一种含Cu的高强度铝合金材料制造而成，所述的铝合金材料的各化学元素及其质量百分含量为：5.2%Cu, 0.1%Fe, 0.4%Mn, 0.35%Ti, 0.2%Cd, 0.15%V, 0.1%Zr,0.02%B, 其余为Al。使用该铝合金材料，通过半固态成形方法成型制作出铝合金车轮工件，再通过对该铝合金车轮工件进行T5热处理，其抗拉强度可达440MPa，延伸率可达7%；再通过对该铝合金车轮工件进行表面微弧氧化处理，可以在该工件表面原位生长成一层致密的、结合牢固的和高硬度的陶瓷层，从而大幅度地提高该铝合金车轮的抗腐蚀性能和抗表面磨损性能，可满足该高强度铝合金车轮的使用环境要求。 
优选实施例二：
一种高强度铝合金车轮的轮辋和/或轮辐是由一种含Cu的高强度铝合金材料制造而成，所述的铝合金材料的各化学元素及其质量百分含量为：1.1%Si, 0.2%Fe, 4.5%Cu, 0.5%Mn, 0.7%Mg, 0.15%Ti, 0.1%Cr, 0.25%Zn 其余为Al。使用该铝合金材料，通过半固态成形方法成型制作出铝合金车轮工件，再通过对该铝合金车轮工件进行T6热处理，其抗拉强度可达450MPa，延伸率可达7%以上；再通过对该铝合金车轮工件进行表面微弧氧化处理，可以在该工件表面原位生长成一层致密的、结合牢固的和高硬度的陶瓷层，从而大幅度地提高该铝合金车轮的抗腐蚀性能和抗表面磨损性能，可满足该高强度铝合金车轮的使用环境要求。
优选实施例三：
一种高强度铝合金车轮的轮辋和/或轮辐是由一种含Cu的高强度铝合金材料制造而成，所述的铝合金材料的各化学元素及其质量百分含量为：0.3%Si, 0.2%Fe, 1.7%Cu, 5.8%Zn, 0.3%Mn, 2.5%Mg, 0.2%Ti, 0.25%Cr, 其余为Al。使用该铝合金材料，通过适合的半固态成形方法成型制作出铝合金车轮工件，再通过对该铝合金车轮工件进行T6热处理，其抗拉强度可达540MPa，延伸率可达8%以上；再通过对该铝合金车轮工件进行表面微弧氧化处理，可以在该工件表面原位生长成一层致密的、结合牢固的和高硬度的陶瓷层，从而大幅度地提高该铝合金车轮的抗腐蚀性能和抗表面磨损性能，可满足该高强度铝合金车轮的使用环境要求。
优选实施例四：
一种高强度铝合金车轮的轮辋和/或轮辐是由一种含Cu的高强度铝合金材料制造而成，所述的铝合金材料的各化学元素及其质量百分含量为：6.15%Si, 0.09%Fe, 3.91%Cu, 0.02%Mn, 0.29%Mg, 0.12%Ti, 其余为Al。使用该铝合金材料，通过半固态成形方法成型制作出铝合金车轮工件，再通过对该铝合金车轮工件进行T6热处理，其抗拉强度可达460MPa，延伸率可达9%以上；再通过对该铝合金车轮工件进行表面微弧氧化处理，可以在该工件表面原位生长成一层致密的、结合牢固的和高硬度的陶瓷层，从而大幅度地提高该铝合金车轮的抗腐蚀性能和抗表面磨损性能，可满足该高强度铝合金车轮的使用环境要求。
需要理解到的是：以上的优选实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，在本发明的构思范围内，所进行的添加、变换、替换等，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.高强度铝合金车轮，包括轮辋和轮辐，其特征在于：所述轮辋和/或轮辐由铝合金材料制造而成，所述的铝合金材料的各化学元素及其质量百分含量为：5.2%Cu, 0.1%Fe, 0.4%Mn, 0.35%Ti, 0.2%Cd, 0.15%V, 0.1%Zr, 0.02%B, 其余为Al；使用所述铝合金材料，通过半固态成形方法成型制作出铝合金车轮工件，再通过对该铝合金车轮工件进行T5热处理，其抗拉强度达440MPa，延伸率达7%；再通过对该铝合金车轮工件进行表面微弧氧化处理，在该工件表面原位生长成一层致密的、结合牢固的和高硬度的陶瓷层。
2.根据权利要求1所述的高强度铝合金车轮，其特征在于：所述高强度铝合金车轮应用于行驶车轮的数量大于4个的机动车辆。
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