CN1308103C - 制造金属元件如车轮部件的方法及由该方法制造的车轮 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于制造车辆滚动系统的金属车轮的方法，该车轮包括轮盘和轮缘或车轮部件，该车轮部件由金属轮盘或金属轮缘组成，该方法包括：在一初始步骤中，通过半固态和具有触变组织的金属材料形成该车轮或车轮部件，该方法还包括以下后续步骤：(i)在所述初始步骤之后，使所形成的车轮或车轮部件经受一模锻步骤，以使得在模锻期间该车轮或车轮部件的心部温度在400℃和500℃之间，然后(ii)在一冷处理步骤中，利用喷丸喷射由步骤(i)所获得的车轮或车轮部件的至少一个表面的全部或一部分，以使其塑性变形。本发明还提出一种用于车辆滚动系统的车轮，该车轮包括在其上固定有金属轮盘的轮缘，其中，该金属轮盘采用前述制造方法得到。

Description

制造金属元件如车轮部件的方法及由该方法制造的车轮

技术领域

本发明涉及一种用于制造金属元件如车辆滚动系统的车轮部件的方法，以及由此方法制造而成的车轮。本发明特别涉及一种金属车轮部件如轮盘，所述车轮部件由轻金属如铝、镁或基本上可允许减小重量的金属如钛构成，或可以由这些金属之一的合金所构成。

背景技术

由金属合金如铝构成的轮盘通常用锻造或铸造方法制造。

上述第一种方法，尽管其生产出的轮盘通常具有令人满意的机械和美学性能，但是它具有成本较高的较大缺点。

近年来，为实施上述第二种方法，已经选择使用一种由一种合金组成的材料，该材料可以预先转变成一种触变、半固态金相状态。此触变状态具有包含非树枝晶初晶相的合金组织的特征，所述初晶相由基本上为球形的珠滴或球粒组成。

对于这种利用触变、半固态合金的铸造方法以及实施该方法的模具的有关描述例如可以参考欧洲专利EP-A-710 515。

也可以参考欧洲专利EP-A-439 981得到实现上述触变状态方法的描述。

该成形方法通常用专业术语“触变成形”表示，它包括模铸(即“触变铸造”)的原理和在立式机器上铸/锻(即“触变锻造”)的原理。

特别地，由于形成准确的上述合金金相状态，用此铸造方法形成的轮盘具有许多优点，所述金相状态可以用小球(一般小于120μm)来定义，这些小球以一种基本上均匀的方式分布。

这些轮盘可以较薄，从而比在其它状态下的合金铸造而成的轮盘轻。

此外，它们具有较少的孔隙，从而具有均匀的、改善了密度和机械强度，并且也改善了热处理的能力。

此成形方法还具有其它优点，特别是：

-可在很宽的选择范围内获得具有美观外观的轮盘(例如，可以实现薄壁或大的截面变化)，

-所获得的轮盘具有良好的尺寸精度，从而将机加工降低到最低程度，

-短的周期和工作自动化导致了高的生产率，以及

-与利用液态金属例如铝喷射模铸的传统工艺相比提高了模具的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于制造金属元件的方法，该方法包括在一个初始步骤中，利用一种半固态和具有触变组织的金属材料形成所述元件，这样所述元件比前述方法所制造的元件具有较好的机械性能且减轻了重量。

为达到此目的，本发明提供一种用于制造车辆滚动系统的金属车轮的方法，所述车轮包括轮盘和轮缘或车轮部件，所述车轮部件由金属轮盘或金属轮缘组成，所述方法包括：在一初始步骤中，通过半固态和具有触变组织的金属材料形成所述车轮或车轮部件，其中，该方法还包括以下后续步骤：

(i)在所述初始步骤之后，使所形成的车轮或车轮部件经受一模锻步骤，以使得在模锻期间所述车轮或车轮部件的心部温度在400℃和500℃之间，然后

(ii)在一冷处理步骤中，利用喷丸喷射由步骤(i)所获得的所述车轮或车轮部件的至少一个表面的全部或一部分，以使其塑性变形。

有利的是，在步骤(i)和步骤(ii)之间的一中间步骤中，所形成和模锻的车轮或车轮部件还经受由以下方式实施的组织硬化；

(i)加热至520℃和540℃之间的温度，然后

(ii)通过保持在30℃和60℃之间的温度的流体进行淬火，然后

(iii)退火。

所述方法最好包括，为了进行所述初始成形步骤，使用一种金属基合金，该金属属于包含有铝、镁、钛、铁、铬、钴、镍、铜、锌、银、锡、铅和锑的组。

优先使用一种铝基合金，这种合金还包含重量百分比在6.5％-7.5％之间的硅和重量百分比在0.5％-0.6％之间的镁。

这种铝基合金具有可降低腐蚀的优点。

根据本发明的另一个特征，所述初始成形步骤包括触变成形，它可以由触变铸造或流变铸造构成。

应该注意的是，触变铸造方法包括一个用半固态触变金属材料充入模具中的第一步骤和一个在模具中用高压如100Mpa等级的压力压缩所述材料的第二步骤。

还应该注意的是，在一种已知方式中，通常所述的“流变铸造”方法基本上包括机械搅拌液态合金以得到半固态材料，然后直接进行半固态合金铸造，所述铸造是在没有预先进行任何冷却步骤的情况下进行的。

根据本发明的方法的一个实施例，所述冷处理步骤的至少一个操作包括使用尺寸在75-150μm之间的刚玉颗粒作为所述喷丸。

根据本发明的方法的另一个实施例，所述冷处理步骤的至少一个操作包括使用玻璃微球作为所述喷丸。

根据本发明的另一个实施例，所述冷处理步骤的至少一个操作包括使用尺寸在200-800μm之间的钢或铸铁小球作为所述喷丸。

本发明还提供一种用于车辆滚动系统的车轮，所述车轮包括在其上固定如焊接有金属轮盘的轮缘，该金属轮盘采用前述制造方法得到。

附图说明

下面，参照附图阅读对本发明的实施例的描述后，将可以更好地理解本发明的上述以及其他特征，所述实施例是作为非限定性例子给出的，其中：

图1a和1b分别表示根据本发明的两个不同实施例的制造金属元件的方法的框图，

图2表示用于实施根据本发明所述制造方法的喷丸喷射装置的示意图，和

图3是组装成一个车轮的轮盘和轮缘的局部剖面图，所述车轮构成了根据本发明的金属元件。

具体实施方式

参照图1a，根据本发明的第一实施例中用于制造金属元件的方法包括，在一个第一步骤10中，利用半固态和具有触变组织的金属材料通过触变铸造来形成所述元件，然后，在一个第二可选步骤20中，使得所述成形元件组织硬化，最后在一个第三步骤30中，至少在所述元件的一部分上喷射喷丸。

参考图1b，可以看出，根据本发明的第二实施例的方法包括，首先进行与前述步骤10相同或类似的第一步骤110，然后进行模锻所形成的金属元件的第二步骤120，接着进行不同于所述步骤20的一个可选第三步骤即组织硬化步骤130，最后进行与所述步骤30相同或类似的喷丸喷射冷处理的第四步骤140。

为了进行第一步骤10或110，将由例如轻金属如铝和镁基合金构成的预定长度的圆棒或条注入一个模具中(未示出，因为与欧洲专利EP-A-710515中所描述的一样)。

优先使用铝基合金。最好所述合金是属于铝/硅族的合金。

最好所述合金是根据NF A 02-004标准的名称为A-S7G0.6的合金，该合金是这样的，它除了铝之外按重量百分比计具体地还包括下列组分：

硅          6.5％-7.5％

铁          0.15％

铜          0.03％

锰          0.03％

镁          0.06％

镍          0.03％

锌          0.05％

铅和锡      0.03％

钛          0.20％

锶          0.05％

在下面的本说明书中，将参照合金A-S7G0.6，一方面涉及第二实施例的描述，另一方面涉及由实施所述第一和第二实施例所获得的机械强度和重量减轻结果。

在所述模具的上游，要注入的合金已经预先在一第一阶段转变成触变金相组织，并在一第二阶段转变成半固态。

更准确地说，所述第一阶段包括，例如将所述合金料块根据欧洲专利EP-A-439 981所述的方法和相应的装置通过电磁感应进行搅动，以得到触变材料。

为了保证在第二阶段所述触变材料也处在半固态，接着进行所述触变材料的感应加热，以将触变材料的温度加热至温度T(℃)，即：

T_fe＜T＜T_fe+10，这里T_fe是共晶熔化温度(对于优先使用的所述合金A-S7G0.6是577℃)。

应该注意到，注入模具的合金的触变性是这样的，即球粒的最大尺寸小于120μm。

应该注意到，可以用其它方法来获得触变组织和半固态。特别提到的是可以用本领域技术人员所公知的“流变铸造”工艺来获得，所述流变铸造工艺基本上由搅动半固态合金所构成，它可与或可不与化学精炼树枝状晶粒的方法相结合。

在根据所述欧洲专利EP-A-710 515进行铸造操作时，应该注意到，注入模具的材料最后是在例如100MP压力下压缩的(压缩压力值可随所用的合金及方法而变化)。

铸造材料允许冷却直至得到固态，然后立即脱模。这样就得到一个根据模具型腔所形成的金属元件。

根据本发明的方法的第一实施例的所述第二(可选)步骤(20)，连续的组织硬化包括在所述脱模后最好立即对所述元件进行淬火和退火。应该注意的是，此组织硬化可以省略。

在所述淬火期间，淬火是用适当的液体如水进行的并持续几秒钟，所述液体温度保持在30-60℃之间，最好在30-40℃之间。

所述退火是在170℃下保温6小时完成的。

应该注意的是，用于元件组织硬化的处理温度和时间参数是这样匹配的，以获得强度和韧性之间的特定相互关系。

根据本发明所述第一实施例的第三步骤30，对在第二步骤20得到的金属元件进行冷塑变形处理，即在环境温度下在元件上喷丸喷射处理。

喷丸处理是通过例如一个用于喷射喷丸2的装置1来实现的，其结构在图2中以简化方式示出。

装置1包括至少一个进口3a以及至少一个用于喷射流束J的出口3b，所述进口3a的上游与喷丸的储存料斗4相连。

在图2所示的实施例中，装置1是这样一种类型，即它吸取容纳在料斗4中的空气，以在料斗中产生低压，它以名称“吉法德”喷射器而为公众所知。

更准确地说，此实施例中所示的装置1包括一个第一软管5a，其端部分别形成进口3a和出口3b。进口3a与料斗4的底部连接，并且它还包括一个空气进口P，该进口P具有一个用于控制吸入空气流的控制装置R。

用于输送压缩空气(箭头A)的第二软管5b与所述出口3b的上游连接。由此软管5b输送的空气通过使所述料斗4形成一个局部真空，以用于通过所述出口3b从料斗4的底部连续抽取喷丸(箭头A)。一个用于调节压缩空气流量从而调节喷丸喷射速度的调节器5c安装在所述软管5b上。

软管5a的出口3b和所述软管5b的下游端以密封方式在喷枪6上开口，并在设计用来喷射所述流束J的喷嘴6a处结束。

应该注意的是，也可以使用一种装置1，该装置1利用一液体如水为推进流体来取代空气。

也应该注意的是，可以采用不同于图2所示的装置1，例如采用产生重力型、在料斗4内产生过压或定向压力型、或者用于喷丸2的机械喷射的涡轮机型等类型的装置。也可以采用超声或电磁类型的装置1，以使粒子加速或使之相对预处理的元件激烈振荡，或甚至是爆炸类型或产生激光脉冲类型的装置1。

总之，能够理解的是，可以使用任意装置在被处理表面上喷射喷丸，只要它能保证力学、热力学和弹道参数符合所期望处理的特性和强度。

实现步骤30、140的例子

轮盘7的一个表面7a(见图3)用参照图2所描述的所述装置1经受所述冷处理步骤30、140。所述轮盘7由所述合金A-S7G0.6构成，并构成了根据步骤10、110已经形成的所述金属元件。

在此例子中，使用的喷丸2是由褐色刚玉(氧化铝，特别是含有钛)构成的。更准确地说，褐色刚玉的成分如下，用重量百分比表示：

Al₂O₃                     89％-94％

TiO₂                       2％-4％

SiO₂                       0.4％-1.5％

Fe₂O₃                     1.5％-3.5％

CaO+MgO                   0.3％-0.5％

Na₂O+K₂O               0.01％-0.02％

少Mg                      ＜4％

此外，喷丸2具有75-150μm之间的尺寸以及棱角形状。

此外，利用4巴的压缩空气压力来推进喷丸2通过软管5b和喷嘴6a，所选择的喷射方向基本上垂直于待处理轮盘7的表面7a，所选择的喷射距离相对与所述表面1a为100mm。

为对用喷丸2喷射处理的所述轮盘7的表面7a的表面状态进行度量，采用在NF/E05-015标准中精确定义的表面粗糙度标准或参数(RugotestNo.3至标准NF/E05-051的N10b表面粗糙度触觉和视觉控制，已注册)。

参数            控制               喷丸处理后

Ra              2μm               11μm

Rt              40μm              120μm

Rz              24μm              94μm

Rmax              36μm              111μm

在这里，

Ra是特征轮廓的算术平均偏差，

Rt是所述轮廓的最大高度，

Rz是10点处的不规则高度，

Rmax是所述轮廓不规则性的最大高度。

应该注意到，对于所述喷丸2，也可以使用其它材料和粒度来取代所述褐色刚玉，例如白色刚玉(晶体氧化铝)或陶瓷材料颗粒2，或者干或湿的玻璃微球，或者甚至钢或铸铁小球，其平均尺寸在200-800μm之间，最好为400μm。

总之，可以使用喷丸2，其可以涂层或也可以不涂层，其材料、重量、形状或尺寸以这样一种方式适于得到待处理表面的热机械应力，即，使之经历一特定程度和深度的压应力，和/或为实现表面状态(例如粗糙度、褶皱)的控制，和/或为了使所述处理表面具有特殊的美观(特别是亮度、反射系数、漫反射系数、光泽效果和色彩等)。

应该注意的是，包括喷射喷丸2的冷处理步骤30可以在一个或更多的操作下进行。在后一种情况下，对每个操作设定喷射条件例如喷丸2的速度、入射角度和覆盖率，以实现上述结果。

现在考虑根据本发明的制造金属元件方法的第二实施例，在根据步骤110完成铸造的基础上进行的第二模锻步骤120采用欧洲专利EP-A-119365中所描述的类型。更准确地说，在模锻操作期间，也就是当所述铸造元件在模具的两部分之间受压时，脱模后的元件的心部温度大约为450℃(在400至500℃之间)。

对铸造和模锻部件进行组织硬化的第三步骤130包括在第一阶段，由设计用于使所述合金A-S7G0.6的镁转变成一个在铝中的置换固溶体的加热，然后是在一第二阶段，与在所述第一实施例的步骤20中一样的淬火之后退火。

所述加热的时间为1至10小时，温度为520℃至540℃，以得到上述固溶体。

在此例子中，淬火的目的是为了使镁保持在铝的过饱和固溶体中，而所述退火具有在铝中使镁产生微量析出的效果，从而实现所期望的组织硬化。

第二实施例的第四步骤140与如上所述的第一实施例的所述步骤30类似。

下面是15英寸直径的轮盘7所得到的旋转弯曲试验结果(疲劳极限或耐用度L_f和相对重量减小率e)，所述轮盘7由所述触变合金A-S7G0.6构成，利用本发明的第一或第二实施例制造而成，并具有细微的差别，即根据本发明的第一轮盘D’仅在一个表面7a上经受了步骤30或140的喷射处理，而根据本发明的第二轮盘D”在其两个表面上经受了相同的喷射处理。

在这些试验中采用了两种“控制”盘。

第一控制盘D1，由根据本发明的触变组织铸造轮盘构成，但并不在步骤30或140中进行喷射处理。

第二控制盘D2，由一种精炼和锻造合金6082T6(欧洲标准NF EN573-3)构成，也就是说，该合金特别包括铝、镁和硅，该合金已经转变成一种固溶体，并经过淬火和退火。与第一控制盘一样，第二控制盘也没有进行喷射处理。

疲劳极限L_f(MPa)通过滚动弯曲多个6.10⁶圈数来评定。

相对重量减小率e(％)通过在6.10⁶圈数的断裂负载Q(公斤力)下根据以下公式来评定：

e(％)＝100(1-((L_f1)ⁿ/(L_f2)ⁿ))，

在这里，对于滚动弯曲，n＝2/3。

所有的测试盘D’、D”、D1和D2具有相同的15英寸直径。

此外，每个盘的厚度参考厚度e₀来确定，e₀是类似的参考盘的厚度。此参考盘是由Y33至标准NF A/02-004的铝基合金A-S7G0.3构成的，通过“壳型铸造”方法，也就是本领域技术人员所公知的“低压铸造”得到。此外，所述参考盘的疲劳极限L_f1＝105MPa。

                    结果

	在6*106圈下断裂负载Q(Kg力)	Lf(MPa)	e(％)
				轮盘D1厚度＝0.75e0轮盘D2厚度＝0.84e0轮盘D’厚度＝0.75e0轮盘D”厚度＝0.75e0	7057908201020	126119147183	14.411.022.633.3

总之，根据本发明的盘D’或D”的疲劳极限和重量减小率的结果显著好于通过触变铸造得到但不进行喷射处理的控制盘D1以及锻造得到的同样也不进行喷射处理的控制盘D2，对于盘D”来说这一点更明显。

图3表示如何将轮缘8与轮盘7组装在一起以得到车轮9，从而构成根据本发明的方法生产的金属元件的例子。轮缘8由例如一种轻金属构成，所述轻金属例如为铝和镁，或者为这类轻金属的合金和能够达到满意的重量减小程度和足够的耐用度的任意其他已知材料。

此组件优先用已知的MIG焊接方法来实现，所述MIG焊接为随着金属进给使用一种惰性气体如氩气保护的电弧焊。应该注意的是，轮盘7的触变组织有利于这种类型的焊接。

然而，将轮盘7连接到轮缘8上的任何其它方法也是切实可行的，例如机械固定。

应该注意的是，可以使用不同于图3所示的车轮轮廓9。特别地，可以使用例如以Full Face^TM销售的轮盘轮廓7或以PAX^TM或Single^TM销售的轮缘轮廓8。

对于将根据本发明的用于制造金属元件的方法的两个实施例应用到车辆滚动系统的车轮9上，应该注意的是，初始成形步骤10、110不是单独地限于轮盘7的铸造，它也可涉及由轮盘7和轮缘8构成的整个车轮9的铸造，这样，由所述工艺最后得到的元件由所述车轮9组成。在此情况下，冷处理步骤30、140包括用喷丸2喷射轮盘7和/或轮缘8的至少一个表面7a的全部或一部分。

同样对于在车轮9上的这种应用，应该注意的是，初始成形步骤10、110可以包括形成一轮缘8(即车轮9的一个或其它部件7，8)而不是所述轮盘7，这样，由所述工艺最后得到的元件由所述轮缘8组成。在此情况下，如轮盘7的情况那样，冷处理步骤30、140包括用喷丸2喷射轮缘8的至少一个表面的全部或一部分。

另外应该注意的是，在冷处理步骤30、140用一个单独操作(所述操作包括用喷丸2仅喷射一个表面7a)完成的情况下，由于所述喷射表面7a的不平滑外观，所述表面7可以优先设计为位于车轮9内部的一个表面。

Claims (12)

1、一种用于制造车辆滚动系统的金属车轮(9)的方法，所述车轮包括轮盘(7)和轮缘(8)或车轮部件(7，8)，所述车轮部件由金属轮盘(7)或金属轮缘(8)组成，所述方法包括：在一初始步骤(110)中，通过半固态和具有触变组织的金属材料形成所述车轮或车轮部件(7，8，9)，其特征在于，该方法还包括以下后续步骤：

(i)在所述初始步骤之后，使所形成的车轮或车轮部件(7，8，9)经受一模锻步骤(120)，以使得在模锻期间所述车轮或车轮部件(7，8，9)的心部温度在400℃和500℃之间，然后

(ii)在一冷处理步骤(140)中，利用喷丸(2)喷射由步骤(i)所获得的所述车轮或车轮部件(7，8，9)的至少一个表面(7a)的全部或一部分，以使其塑性变形。

2、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在所述模锻步骤(i)中，所述车轮或车轮部件(7，8，9)的心部温度大约为450℃。

3、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤(i)和步骤(ii)之间的一中间步骤(130)中，所形成和模锻的车轮或车轮部件(7，8，9)还经受由以下方式实施的组织硬化；

(i)加热至520℃和540℃之间的温度，然后

(ii)通过保持在30℃和60℃之间的温度的流体进行淬火，然后

(iii)退火。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述加热以1小时和10小时之间的时间进行。

5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述退火以170℃的温度进行。

6、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，为了进行所述初始成形步骤(110)，使用一种金属基合金，该金属属于包含铝、镁、钛、铁、铬、钴、镍、铜、锌、银、锡、铅和锑的组。

7、根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述合金为铝基合金。

8、根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述合金还包含重量百分比为6.5％和7.5％之间的硅和重量百分比为0.5％和0.6％之间的镁。

9、根据权利要求1至8中任何一项所述的制造方法，其特征在于，所述冷处理步骤(140)的至少一个操作中包括使用尺寸在75μm和150μm之间的刚玉颗粒作为所述喷丸(2)。

10、根据权利要求1-8中任何一项所述的制造方法，其特征在于，所述冷处理步骤(140)的至少一个操作中包括使用玻璃微球作为所述喷丸(2)。

11、根据权利要求1-8中任何一项所述的制造方法，其特征在于，所述冷处理步骤(140)的至少一个操作中包括使用尺寸在200μm和800μm之间的钢或铸铁小球作为所述喷丸(2)。

12、一种用于车辆滚动系统的车轮(9)，所述车轮(9)包括在其上固定有金属轮盘(7)的轮缘(8)，其特征在于，所述金属轮盘(7)采用根据前述权利要求之一所述的制造方法得到。

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