CN111363958B - 一种铝合金轮毂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型铝合金轮毂，在轮毂的不同部位采用不同成分的合金材料，其中轮辋部位合金材料的成分按质量百分比构成为：Si 7.2～7.5％，Mg 0.35～0.4％，Ti 0.17～0.2％，Sr 0.015～0.017％，Cr 0.18～0.22％，Zr 0.08～0.12％，余量为铝；轮辐部位合金材料的成分按质量百分比构成为：Si 6.5～6.7％，Mg 0.21～0.25％，Ti 0.13～0.16％，Sr 0.011～0.013％，Cr 0.26～0.3％，Zr 0.16～0.2％，余量为铝；轮芯部位合金材料的成分按质量百分比构成为：Si 6.0～6.2％，Mg 0.28～0.33％，Ti 0.1～0.12％，Sr 0.008～0.010％，Cr 0.1～0.15％，余量为铝。本发明通过不同部位不同的成分设计，提升了部分性能，满足了使用中轮毂对不同部位不同的性能要求，提高了轮毂的整体性能。

Description

一种铝合金轮毂

技术领域

本发明属于有色金属铝基合金技术领域，具体涉及一种新型铝合金轮毂。

背景技术

铝合金材料在汽车轮毂上应用十分广泛，汽车轮毂主要分为轮辋、轮辐、轮芯三个部位。现行技术方案均由相同成分的铝液一体化浇筑成型，但汽车轮毂各部位性能所需均不同，如轮辋的强度要求一般比较高，轮辐次之，轮芯的性能要求比起轮辐还要更低一些。一般情况下，铸造轮毂都是以轮辋的性能要求来进行设计，因此存在轮辐塑韧性不足而产生事故的可能。采用同一种合金成分进行一体化浇筑未考虑轮毂各部位的性能差异，一是轮毂整体性能不高，二是因为不同部位性能指标要求不同，采用同一种材料时，利用合金化等手段，通过牺牲塑韧性而提高强度以满足轮辋的强度要求，则轮辐的塑韧性要求就不能满足；反之通过牺牲强度而提高塑韧性以满足轮辐的塑韧性要求，则轮辋的强度要求就不能满足；如果为了同时满足轮辋、轮辐的强度、塑韧性要求，则对轮辋就有较多的塑韧性冗余，轮辐则有较多的强度冗余，对轮芯两者都有较多冗余，由此造成材料浪费，增加了企业生产成本。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术的不足，提供了一种轮辋、轮辐、轮芯成分不同的新型铝合金轮毂。该种轮毂通过不同部位设计不同合金材料，能完全满足轮辋、轮辐、轮芯各自的性能指标，节省了多余的合金元素的投入，使得设计制造好的轮毂整体性能好，并减少了不必要的资源浪费，符合绿色发展理念。

本发明新型铝合金汽车轮毂，与传统轮毂不同，其中轮辋、轮辐、轮芯各部位均为不同成分合金材料。

所述轮辋部位合金材料的成分按质量百分比构成为：Si 7.2～7.5％，Mg 0.35～0.4％，Ti 0.17～0.2％，Sr 0.015～0.017％，Cr 0.18～0.22％，Zr 0.08～0.12％，余量为铝。

所述轮辐部位合金材料的成分按质量百分比构成为：Si 6.5～6.7％，Mg 0.21～0.25％，Ti 0.13～0.16％，Sr 0.011～0.013％，Cr 0.26～0.3％，Zr 0.16～0.2％，余量为铝。

所述轮芯部位合金材料的成分按质量百分比构成为：Si 6.0～6.2％，Mg 0.28～0.33％，Ti 0.1～0.12％，Sr 0.008～0.010％，Cr 0.1～0.15％，余量为铝。

本发明的设计依据是：

Si：是A356铝合金中的最主要的合金元素之一。Al-Si系铸造合金中存在阿α和β两相。 Si溶于Al形成α-Al固溶体，其溶解度随着温度升高而逐渐增大，接近共晶温度时溶解度与室温时相比有较大差距。对β相，一般认为Al在Si中溶解度较低，为硬脆的共晶Si相而非固溶体。如果不做其他的处理的话，共晶硅相将会是粗大的块状或针片状，难以对力学性能的增强起到作用。但是经过变质处理，均匀化处理或者其他处理方式后使其组织细化，形貌改善之后变为纤维状或者珊瑚状后合金的力学性能可以得到比较大的增强。

Mg：A356合金本身为亚共晶型低镁含量的Al-Si-Mg三系铸造合金。Mg同样是其中的一种重要的合金元素。在Al-Si合金中加入Mg元素，Mg可以与Si形成稳定的Mg2Si化合物，该化合物能很大程度上提升材料力学性能，且配合Sr变质处理改善强化相形貌的话韧性也会有所上升。其中Mg除了强化，还能提升铸件的耐蚀性。但是Mg含量不宜过高，Mg本身在铝合金中的溶解能力较为有限，析出速度也不够理想，若是在铝合金中加入了太多了的 Mg会在晶粒之间形成过剩相，反而会是晶界处的强度下降，使合金变脆，而且亚共晶型流动性好，方便成型。

Sr：Sr主要用于铝合金的变质处理，Sr的加入能同时细化铝合金中α枝晶和共晶硅，同时改善整体组织的形貌，只是和其他一同用于变质的元素(比如Ti)相比，Sr的作用更加偏向于组织形貌的改善，Sr作为长效变质剂，常常是有和别的元素一同复合变质加强变质效果，过量加入存在易导致过变质现象与吸氢倾向加重。

Ti：与Al反应生成TiAl3以及其他的Ti的金属间化合物充当异质形核，从而使得铝液中的Al非均匀形核进而降低形核功进一步促进晶粒细化，Ti的作用与Sr想比更加偏向晶粒细化，Ti的加入可以有助于改善用Sr变质带来的熔体表面氧化膜破裂从而吸氢倾向加重的问题，并提升变质效果。

Cr：Cr能有效处理Al合金中因Fe的存在而产生的一种Fe，Al，Si共同生成的一种粗大的形状通常为长针或者薄片状的脆性共晶相，其易在变形时引起应力集中诱发断裂，而加入 Cr可以使其转化为细小的富Cr相反而能够钉扎位错，抑制再结晶强化合金与细化合金。同时这些富Cr相可以在时效析出时提供现有表面促进析出加强时效强化效果。同样，过量添加有产生粗大相的风险。

Zr：同样地，细化晶粒组织(凝固过程中的一次析出粒子提供形核点)和弥散分布钉扎晶界来抑制再结晶从而提升韧性与耐蚀性。Zr还能显著降低合金的淬火敏感性。

轮毂有三个主要部分组成，即：轮辋、轮辐、轮芯，如图1所示。

轮辋是整个轮毂支撑轮胎外圈的部分，是直接和轮胎接触的部分，其受力情况要比另外两个部分更加严峻，在使用过程中直接承受较高载荷，所以轮辋部分要求的强度更高，而对塑韧性的要求偏低一些，因此轮辋部分加入的主要的合金元素如Si、Mg是最多的，Si、Mg 的加入时为了能与基体中的Al形成更多的强化相化合物来提升强度，然而，所以要多加入这些主要的强化元素。然而这些元素如果加入过量容易导致粗大过剩相的出现以及合金熔体流动性的降低。所以需要加入Sr、Ti共同进行变质处理，Sr的效果更偏向改善整体组织形貌，而Ti倾向于细化，复合变质能使变质效果大大提升，在提供足够的强化相的同时保留铝合金基体较好的塑韧性以达成耐冲击、疲劳性能方面的指标。同时Ti还能减少铝合金加入Sr后的吸氢倾向。加入Cr可以净化杂质Fe相同时细化晶粒，Zr的加入也是为了能细化晶粒的同时降低快冷敏感性，保证时效处理时可以固溶更多合金元素以析出更多强化相。

轮辐部分不需要太高的强度，但对安全性要求、对耐冲击，疲劳性能方面的要求要更高一些，其要求是存在一定冲突的。按轮辋的强度和轮辐的塑韧性要求设计成分，就会造成性能的过剩。因此在轮辐部位的成分设计中较多的减少了Si、Mg的数目，因此变质元素的含量会减少，但是因为对塑韧性要求更高，对于Sr、Ti，元素的加入量的减少幅度基本是微调，而Cr、Zr的含量比轮辋更高，以求净化杂质，形成更多富Cr相钉扎位错，抑制再结晶强化合金与细化合金。同时这些富Cr相可以在时效析出时提供现有表面促进析出加强时效强化效果。而多加入Zr也能为凝固过程中的一次析出粒子提供形核点和弥散分布钉扎晶界来抑制再结晶从而提升韧性与耐蚀性。Zr还能显著降低合金的淬火敏感性，强化时效效果，提高塑韧性。

轮毂最中心的轮芯部分，因为处于最中心，其性能要求尤其是塑韧性的要求比另外两个部位要低，所以细化晶粒、加强时效效果的元素含量进一步减少，并不再加入Zr元素。Si 元素含量减少而Mg含量上升，是为了在减少其他合金元素的情况下保证强硬度不会有态度的下降。

本发明设计方案使得轮辋、轮辐、轮芯部位的成分设计都符合其各自的性能要求，同时又使得轮毂整体的性能明显提升。现有汽车用常规轮毂的轮辋、轮辐、轮芯各部位成分均相同，为兼顾强度和塑韧性，具有代表性的某典型轮毂各部位抗拉强度为：轮辋275MPa；轮辐 255MPa，轮芯255MPa；屈服强度：轮辋165MPa；轮辐160MPa，轮芯160MPa；延伸率：轮辋7.7％；轮辐8.0％，轮芯8.1％。如果全部依照轮辋侧重强度而降低塑韧性指标、轮辐侧重塑韧性而降低对强硬度的指标来设计成分，以一体化浇铸成轮毂后，不是在塑韧性方面，就是在强度方面有欠缺。在一般行驶状况下，因为行路平稳不会受到太大的冲击，即便是塑韧性或是强硬度不足也不会引发危险，但一旦遇上恶劣的路况，由于上性能上的不平衡就会引发危险。而如果按轮辋应有的强度和轮辐应有的塑韧性来设计成分的话，无论是轮辋还是轮辐都会有很大的性能的过剩，而且使用寿命也不会增加，虚耗成本。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明是针对汽车轮毂不同部位所需力学性能不同而对不同部位采用不同成分设计。轮辋部分因为主要在外围，承受较高载荷，且尺寸较薄，所以需要更高的强度，而但对塑韧性要求稍低；而轮辐部分因有轮辋保护，主要承受轴向应力，且径向尺寸较大，故对强度要求稍低，但对安全性要求更高，需要更良好塑韧性。这样的性能要求冲突使得成分设计时不管以哪个为依据都会造成性能上存在隐患，整体成分采用二者兼得的形式则会造成轮辋塑韧性方面性能过剩而轮辐方面强硬度性能过剩的情况。本发明设计的轮辋、轮辐、轮芯采用不同的合金成分，这样使得得到的轮毂整体各部分均能满足各自的性能要求，同时不会有过多的性能冗余，轮毂整体性能更好，轮辋部分具有高强度，轮辐部分具有高塑韧性，轮芯部分具有较高的综合性能。

2、本发明轮毂按照各部位各自性能指标设计最合适的成分，使轮辋、轮辐、轮芯都达到对于其承担的工作来说最佳的性能，补掉了短板，使用时应力分布更为均匀，整个轮毂并不存在薄弱环节，可以很好的适应各种各样的使用环境，除去了原本可能存在的性能隐患，较之现有技术，轮毂本身安全性得以提升，能适宜更加复杂的路况。

3、不同部位采用不同成分，节约了大量昂贵的合金元素，降低了轮毂的成本。

附图说明

图1是轮毂的结构示意图，其中：1轮辋，2轮辐，3轮芯。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步描述。

本发明实施例所提供合金成分是轮辋部位合金按质量百分比的材料成分为：Si7.2～7.5％， Mg 0.35～0.4％，Ti 0.17～0.2％，Sr 0.015～0.017％，Cr 0.21～0.24％，Zr 0.1～0.14％，余量为铝。轮辐部位合金按质量百分比的材料成分为：Si 6.5～6.7％，Mg0.21～0.25％，Ti 0.13～0.16％，Sr 0.011～0.013％，Cr 0.26～0.3％，Zr 0.16～0.2％，余量为铝。轮芯部位合金按质量百分比的材料成分：Si 6.～6.2％，Mg 0.28～0.33％，Ti0.1～0.12％，Sr 0.008～0.010％，Cr 0.1～0.15％，余量为铝。

本发明实施例新型铝合金轮毂按重量百分比的材料成分举例如下表：

轮辋实施例成分：

组	Si	Mg	Ti	Sr	Cr	Zr	Al
								1	7.2	0.35	0.17	0.015	0.18	0.1	余量
2	7.3	0.36	0.18	0.015	0.20	0.12	余量
								3	7.3	0.37	0.19	0.016	0.20	0.12	余量
4	7.4	0.38	0.19	0.017	0.21	0.13	余量
								5	7.5	0.4	0.2	0.017	0.22	0.14	余量

上表中的第一组，一开始Si，Mg含量均较低，同时Cr，Sr，Ti，Zr均加入的较少，可以确保不会因为加入合金元素过量而出现过变质或者吸氢倾向加重乃至出现粗大相的同时也能保证熔体的流动性。Si，Mg主要用于与Al形成强化相。而Sr，Ti的加入可以细化α枝晶与其余共晶相并在同时改善共晶相的形貌使其变得连续和均匀减少吸气。Cr加入后可以净化杂质，增加时效时析出的第二相的数量与细化第二相，而Zr可以抑制再结晶促进晶粒细化，同时进行弥散强化。

上表中的第二组，较之第一组，Si上升0.1％，Mg上升0.02％，Cr上升0.02％，Zr上升 0.02％，Si含量与Mg含量均有上升，强化相增多了，而Cr，Zr含量同样增多，提升强度的同时没有对塑韧性造成较大的影响。

上表中的第三组，较之第二组，Ti含量，Sr含量上升，变质效果提升了，α枝晶进一步细化，组织整体形貌改善，强硬度与塑韧性均有提升，Ti，Zr的增多使耐蚀性也得到了一定的提高。

上表中的第四组，较之第三组，Si上升0.1％，Mg上升0.01％，Ti上升0.01％继续使强硬度升高，同时塑韧性不会有太大的损失。

上表中的第五组，基本上各元素都达到了设计中的最大加入值，依旧属于低镁亚共晶含量的范畴，因为加入的Cr，Zr的量一直在增加，细化晶粒的元素的含量上升的原因，整体的塑韧性没有太大的损失，而时效期间能析出的强化相的量在增多，强硬度上升。

轮辐实施例成分：

组	Si	Mg	Ti	Sr	Cr	Zr	Al
								1	6.5	0.21	0.13	0.011	0.26	0.16	余量
2	6.6	0.22	0.13	0.011	0.27	0.17	余量
								3	6.6	0.23	0.14	0.012	0.28	0.18	余量
4	6.7	0.24	0.15	0.012	0.29	0.19	余量
								5	6.7	0.25	0.16	0.013	0.30	0.20	余量

与轮辋成分的改变趋势大致上是相同的，因为轮辐的强硬度方面的性能指标低于轮辋很多，所以Mg元素的投入量变化较大，而Cr，Zr的加入量高过轮辋成分，其同样的组别性能相比轮辋部分塑韧性下降较少，而强硬度方面下降较大。

轮芯实施成分：

组	Si	Mg	Ti	Sr	Cr	Al
							1	6.0	0.28	0.1	0.008	0.1	余量
2	6.0	0.29	0.1	0.008	0.1	余量
							3	6.1	0.31	0.11	0.009	0.13	余量
4	6.1	0.32	0.11	0.010	0.13	余量
							5	6.2	0.33	0.12	0.010	0.15	余量

比起轮辋部分，轮芯部分对塑韧性性能要求更加宽松，因此减少了Cr元素的加入量同时不再加入较昂贵的Zr元素，对细化晶粒，抑制再结晶的元素的要求进一步下降。但是相对于轮辐部分多加入了Mg的投入保证强硬度。

实施例1：

按照轮辋成分Si 7.2％，Mg 0.35％，Ti 0.17％，Sr 0.015％，Cr 0.18％，Zr0.08％，轮辐成分Si 6.5％，Mg 0.21％，Ti 0.13％，Sr 0.011％，Cr 0.26％，Zr 0.16％，轮芯成分Si 6.0％，Mg 0.28％， Ti 0.1％，Sr 0.008％，Cr 0.1％质量百分比称取纯Al，Al-Si中间合金及其他元素的中间合金，分别配成合金，然后采用常规铸造方法(徐宁.汽车铝合金轮毂铸造工艺研究，长春大学学报， 2015,25(2)：13～16)制成完整的轮毂并进行后续冷却及热处理。铸造时在轮芯、轮辐、轮辋部位分别设浇道口，分别由不同铝水包、升液管和浇注系统浇注铝液。制成轮毂的轮辋部位合金材料抗拉强度为310MPa，屈服强度为240MPa，延伸率为8％，所得轮辐部位合金抗拉强度为258MPa，屈服强度为188MPa，延伸率为9.2％，所得轮芯部位合金抗拉强度为 245MPa，屈服强度为182MPa，延伸率为7.3％。弯曲疲劳试验中3.816KN/M的载荷下20万转无异常；径向疲劳试验中半径方向载荷19.294kN的情况下100万转无异常。13°冲击试验中705kg的冲击锤由0°方向下落230mm，造成冲击，轮毂无异常；90°冲击试验中1010kg的冲击锤由0°方向下落245mm，造成冲击，轮毂依然无异常。以上疲劳试验及冲击试验中所发明轮毂均未产生裂纹，疲劳寿命良好。

实施例2：

按照轮辋成分Si 7.3％，Mg 0.36％，Ti 0.18％，Sr 0.015％，Cr 0.19％，Zr0.09％，轮辐成分Si 6.6％，Mg 0.23％，Ti 0.14％，Sr 0.012％，Cr 0.27％，Zr 0.18％，轮芯成分Si 6.1％，Mg 0.31％， Ti 0.11％，Sr 0.009％，Cr 0.13％质量百分比称取纯Al，Al-Si中间合金及其他元素的中间合金，分别配成合金，然后按照常规方法制成完整的轮毂。其中轮辋部位合金材料抗拉强度为 320MPa，屈服强度为250MPa，延伸率为7.8％，所得轮辐部位合金抗拉强度为266MPa，屈服强度为197MPa，延伸率9.0％，所得轮芯部位合金抗拉强度为251MPa，屈服强度为184MPa，延伸率为7.1％。弯曲疲劳试验中3.816KN/M的载荷下20万转无异常；径向疲劳试验中半径方向载荷19.294kN的载荷下100万转无异常。13°冲击试验中705kg的冲击锤由0°方向下落 230mm，造成冲击，轮毂无异常；90°冲击试验中1010kg的冲击锤由0°方向下落245mm，造成冲击，轮毂依然无异常。以上疲劳试验及冲击试验中所发明轮毂均未产生裂纹，疲劳寿命良好。

实施例3：

按照轮辋成分Si 7.5％，Mg 0.4％，Ti 0.2％，Sr 0.017％，Cr 0.22％，Zr0.12％，轮辐成分 Si 6.7％，Mg 0.25％，Ti 0.16％，Sr 0.013％，Cr 0.3％，Zr 0.2％，轮芯成分Si 6.2％，Mg 0.33％， Ti 0.12％，Sr 0.010％，Cr 0.15％，质量百分比称取纯Al，Al-Si中间合金及其他元素的中间合金，分别配成合金，然后按照常规方法制成完整的轮毂。其中轮辋部位合金材料抗拉强度为 325MPa，屈服强度为255MPa，延伸率为7.8％，所得轮辐部位合金抗拉强度为271MPa，屈服强度为203MPa，延伸率为8.9％，所得轮芯部位合金抗拉强度为253MPa，屈服强度为 185MPa，延伸率为7％。弯曲疲劳试验中3.816KN/M的载荷下20万转无异常；径向疲劳试验中半径方向载荷19.294kN的载荷下100万转无异常。13°冲击试验中705kg的冲击锤由0°方向下落230mm，造成冲击，轮毂无异常；90°冲击试验中1010kg的冲击锤由0°方向下落 245mm，造成冲击，轮毂依然无异常。以上疲劳试验及冲击试验中所发明轮毂均未产生裂纹，疲劳寿命良好。

通过本发明的技术方案，所得轮辋部位合金材料抗拉强度均不低于310MPa，屈服强度均不低于240MPa，延伸率均不低于7.8％，所得轮辐部位合金抗拉强度均不低于258MPa，屈服强度均不低于188MPa，延伸率均不低于8.9％，所得轮芯部位合金抗拉强度均不低于245MPa，屈服强度均不低于182MPa，延伸率均不低于7％，超过现有车用轮毂性能要求。轮辋部位在保证塑性满足使用要求的同时，合金材料抗拉强度、屈服强度明显高于现有常规典型轮毂轮辋的强度值(如前所述，具有代表性的某典型轮毂轮辋抗拉强度为275MPa，屈服强度165 MPa)，轮辐部位在保证强度满足使用要求的同时，合金延伸率明显高于现有常规典型轮毂轮辐的塑性值(8.0％)，各部位性能配合好，轮毂整体性能优于现有铝合金轮毂，抗疲劳性能、抗冲击性能好。完成2500Nm弯矩、20万转弯曲疲劳试验后车轮无裂纹，加载点的偏移量不超过初始全加载量的15％；完成加装轮胎充气压力450kPa、螺母扭矩130Nm、15000N载荷、 100万转径向疲劳试验后车轮无裂纹；冲击位置15°、30°、90°加装轮胎充气压力180kPa，螺母扭矩130Nm，250mm落下高度冲击试验后轮辐、轮辋任一断面无裂纹，轮辋无分离和漏气现象。该新型的高强轻质铝合金轮毂具有外观无缺陷、表面质量高、强度高、塑性、韧性好、不易变形和漏气的优点。

Claims (1)

1.一种铝合金轮毂，其特征在于：

所述铝合金轮毂的轮辋、轮辐、轮芯采用不同成分合金材料；

所述轮辋部位合金材料的成分按质量百分比构成为：Si 7.2~7.5%，Mg 0.35~0.4%，Ti0.17~0.2%，Sr 0.015~0.017%，Cr 0.18~0.22%，Zr 0.08~0.12%，余量为铝；

所述轮辐部位合金材料的成分按质量百分比构成为：Si 6.5~6.7%，Mg 0.21~0.25%，Ti0.13~0.16%，Sr 0.011~0.013%，Cr 0.26~0.3%，Zr 0.16~0.2 %，余量为铝；

所述轮芯部位合金材料的成分按质量百分比构成为：Si 6.0~6.2%，Mg 0.28~0.33%，Ti0.1~0.12%，Sr 0.008~0.010%，Cr 0.1~0.15%，余量为铝。

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