新材料与工艺手册

[轻量化轻卡|重卡] 锻造铝合金轮圈在卡车上的应用

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发表于 2012-3-3 20:04:15 | 显示全部楼层 |阅读模式

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近几年来,由于国际油价的上涨,各国都在发展轻量化卡车,以期减少油耗。因此,铝镁合金越来越多地运用在了卡车上。锻造卡车铝轮圈的重量比铁轮圈轻50%;强度比铁轮圈增加5倍;具有散热快、真圆度高、动平衡好、操纵性好、漂亮美观等优点。因此,美日欧等发达国家越来越多地将卡车铁轮圈换成锻造铝合金轮圈。

一、铝合金轮圈的制造工艺
1、铝合金轮圈的材料
A356是一种铸造铝合金,它是Al-Si-Mg系合金,由于含有大量的Si(含量6.5—7.5%),使A356铝合金具有良好液态流动性和综合的铸造性能。但是,也因此使此类铝合金的冲击性降低。铸造铝合金轮圈就是采用此类铝硅镁合金生产的。
6061合金是一种变形铝合金,也就是通常说的可锻造铝合金,由于对其液态流动性没有要求,而对其固态变形要求比较高,因此,它的Si的含量0.4~0.8%。因此它的抗冲击能力要比A356铸造铝强得多。大多数锻造铝合金轮圈是用6061合金锻压的。
2、铝合金轮圈的生产工艺,可分为铸造、锻造以及介于铸造和锻造之间制造方式。
(1)铝轮圈的铸造工艺
A356铝合金的熔化——除气——浇注——成型——T6热处理——机加工——表面处理等。
重力铸造铝轮圈的工艺,就是将熔化的铝液从模具上的浇口直接浇注到模具中冷却成型。这种铸造方式简单,模具成本低。但是,浇冒口比较大,铝料耗费大;浇注时容易卷进气体和杂质,流量和温度稳定性差,因此,铸造缺陷比较多。在此基础上发展而来的倾斜式重量铸造能够减少这些缺陷。
低压铸造铝轮圈工艺,是在模具下面的铝液保温炉内,通过升液管直接将铝液通过空气压力注入轮圈模型中,原理与气压式热水瓶类似。这样的方式温度和速度稳定,不会将气体和杂质带入模具中,因此,铸造缺陷比较少。由于浇冒口几乎没有,铝料耗费比较少。在此基础上发展出差压铸造和气氛保护铸造能够使铸造缺陷减少到最低程度。
(2)锻造的制造工艺
6061铝合金圆棒——根据毛坯重量切割成段——加热到400度左右——在8000吨以上的锻压机进行3到4次的锻造初步成型——强力旋压机最终冷旋成型——T6热处理——机加工——表面处理等。
通过锻压的铝合金密度高,晶粒细化并且呈出纤维状的组织,其硬度、抗拉强度、屈服强度等机械性能和强度大大提高。同时,避免了铸造铝合金的疏松、气孔、冲击性差的缺陷。因此,同一规格的锻造铝合金轮圈的力学性能要比铸造轮圈的高30%左右,而重量可以做得比后者轻20%左右。
另外,锻造铝轮圈含硅量比铸造铝轮圈少、密度大。因此,锻造铝轮圈导电性和导热都比铸造铝轮圈好。所以,锻造铝轮圈能够通过阳极氧化进行表面完美的着色处理;导热性好更能够减少爆胎和刹车系统的损耗。
(3)介于铸造和锻造之间工艺
挤压铸造(也叫熔汤锻造),也就是在铸造完毕后在模具中进行加压,使其晶粒细化而密度增加,提高强度减少重量。
铸造加旋压,就是用铸造毛坯通过旋压机拉伸挤压轮圈胎环的部位,使胎环部位晶粒细化而密度增加,增强机械性能减轻重量。
还有国内近年来发明的所谓连铸连锻的技术。
国外还有半凝固锻造,其技术难度和设备要求非常高。
但是,这些铝轮圈的制造都采用的是Al-Si-Mg系合金。他们的机械性能,特别是冲击性能都不能够与锻造铝合金轮圈相比较。
二、锻造铝合金轮圈的特点
1.强度高,安全可靠
(1)承载力高
锻造铝合金轮圈的承载能力是普通铁圈的5倍。锻造铝合金轮圈在承受72000公斤后才变形5厘米,铁圈只承受14000公斤后已变形5厘米,换句话说,锻造铝合金轮圈的强度超越铁圈的5倍。
(2)冲击测试
以日本轻金属协会测试模拟一辆货车以时超50公里撞向路边石,相当于910公斤的重量从高处跌下撞向轮胎与车轮的标准。通过我们的日本VIA实验室标准测试,在6米高的冲击试验机中,以1000公斤的重量,以自由落体的状态高速冲击的结果:锻造铝合金轮圈经过冲击实验基本没有损坏;而铁轮圈损坏程度非常严重而不能够使用;铸造铝轮圈则完全断裂。
2.重量轻,操纵性好
(1)自身轻
卡车锻造铝合金轮圈不到23公斤,铁轮圈为46公斤左右。每辆车至少可以减轻161公斤。据世界铝业协会提供的数据,一般情况下汽车每减少10%的重量,其燃油消耗便可降低6%-8%。
(2)提高驾驶的舒适性
由于锻造铝合金轮圈重量轻的特性,安装后行车感觉方向较轻,高速行驶特别平稳;同时,起步快、刹车轻、制动效果好。从而提高了驾驶乐趣。
3.散热快,不宜爆胎
(1)安全性好
对于高速行驶的汽车来说,因轮胎着地摩擦、制动等产生的高温爆胎、制动效能降低等现象屡见不鲜。而铝合金的热传导系数是钢铁的3倍,加上铝合金车轮因其结构的特征,极易将轮胎、车底盘所产生的热量排散在空气中。即使在长途高速行驶或下坡路连续刹车的情况下,亦能使汽车保持适当的温度降低爆胎率。
(2)轮胎磨损降低26%
由于锻造铝合金轮圈的特性,它的平衡值为0,不容易变形,再加上锻造铝合金轮圈特有的空气流动,散温快(正常行驶温度比铁圈低20-30度)对悬挂系统的保护较佳,因此,轮胎在低温状态下磨损大大降低,使每条轮胎多跑3-5万公里不等。
(3)刹车的维修费用降低
由于锻造铝合金轮圈的特性散温快,正常行驶温度低,所以对刹车系统不耐高温的材料及配件有极佳的保护效果,从而大大降低了刹车系统的维修费用。
4.圆度高,动平衡佳
(1)真圆度高
锻造铝合金车轮是一体锻造成型后,通过数控车床加工完成,真圆度不到0.1mm,高速行驶不会产生颤抖。而钢轮由钢板卷曲焊接而成,圆度误差在1mm以上。
(2)动平衡佳
锻造铝合金轮圈质地均匀,动平衡在50克以下。而钢轮圈的动平衡大大超过了这个数字。因此,锻造铝合金车轮在行驶过程中更加平稳舒适。
5.一体成型,漂亮美观
由于铝合金轮圈是一体成型,表面光滑且易于处理。经过镜面车削的表面具有铝合金特有的漂亮的金属质感;若通过涂装、抛光、电镀、阳极氧化,可使铝合金轮圈更具有高贵的风范和气质。

三、实现卡车轻量化后的优势
1.使用成本低
(1)节省燃油
安装锻造铝合金轮圈以后,不仅整车的重量降低,更主要的是:发动机扭矩的扭力减少,降低了车轮的转动惯性,使汽车加速性能提高,并相应减少了制动能量的需求,从而降低了油耗。
(2)散热性好,延长轮胎寿命
由于行驶过程中轮胎温度低,从而延长轮胎使用寿命26%;同样道理,车轮散热性好也使得刹车系统的维修成本降低。
(3)轻量化带来更好的收益
以专跑无锡到厦门货运线路的某车队的40吨半挂车为例,该车有22个车轮,采用铝合金轮圈后,整车重量减轻528公斤以上。按运输成本每吨公路0.5元计算,无锡到厦门的里程大约1200公里,该车每天单次的运输收入可以增加316元,每年以300天计算,年增加收入94800元。减去铝轮圈的一次性投入,当年的实际增加效益也在61800元以上。
另外,铝轮圈回收价值高,1个23kg的铝合金轮圈回收价值达270元。
2.降低碳排放
(1)生产制造过程中降低二氧化碳排量:生产1吨钢铁的碳排放量为1700kg;而生产1吨铝的碳排放量是1500kg。以生产过程中碳排放量的计算,生产1个23kg铝轮圈比46kg的铁轮圈的材料碳排放量可以减少87.4kg。
(2)降低油耗减少碳排放:以每天行驶1000公里计算,1000公里/天×2.5升(每100公里降低的油耗)×300天×0.785kg(每升燃油的碳排放量)=每年降低碳排放5887kg。
发表于 2012-4-5 07:25:39 | 显示全部楼层
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唐山钢铁
发表于 2012-9-4 12:23:47 | 显示全部楼层
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唐山钢铁
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