鍛造鎂合金輪轂機加工后熱處理工藝研究

■ 王柱興，呂金旗，栗智鵬

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1. 鎂合金材料性能及在汽車領域的應用

鎂合金材料具有重量輕、強度高、彈性模量佳、吸震減振好、能全部回收利用的特點，采用鎂合金材料制造汽車輪轂是繼鋁合金材料后最佳的輪轂材料，可提高汽車的操控性能、加速性能和制動性能，且能省油10%～14%。

相對傳統的鋁合金輪轂，鎂合金輪轂具有重量更輕、力學性能更好等優勢。隨著汽車輕量化和汽車工業節能減排環保的要求，越來越多的鎂合金輪轂會被應用于汽車上。

2. 鎂合金輪轂的成形工藝現狀

由于鎂合金材料的晶粒粗大且晶格呈六角方形排列，在常溫下晶粒位錯滑移度很低，難以塑性變形；在高溫塑性變形時，變形溫度范圍較窄，且對變形速率、變形速度的控制要求十分敏感。

（1）鎂合金輪轂毛坯的鑄造成形 在當前技術背景下，鎂合金汽車輪轂多采用鑄造成形工藝，鑄造工藝的優點是生產效率較高，鑄造設備、技術成熟。

比較成熟的鎂合金汽車輪轂成形生產工藝，有上海交通大學輕合金研究所的低壓鑄造法，還有中北大學的先鑄后鍛二步法，雖然生產效率較高，但是存在較多問題，例如鎂合金汽車輪轂組織不夠致密，組織成分不夠均勻，以及成形輪轂機械強度較低等缺點。

（2）鎂合金輪轂毛坯的鍛造成形 鑒于鎂合金材料的材料性能，本文以AM81M牌號鎂合金為例，提供了一種生產效率較高，能夠提高鎂合金汽車輪轂組織致密性，以及可獲得組織成分均勻、機械強度較高的鎂合金汽車輪轂鍛造生產工藝。

具體鍛造生產工藝如下：

步驟一，將鎂合金棒料加工成圓柱形毛坯，毛坯形狀如圖1a所示，經過毛坯加熱爐中加熱，毛坯爐加熱溫度控制在350～410℃，預熱1～1.5h；同時對鍛造模具預熱，使模具表面溫度達到380℃±10℃。

步驟二，將鎂合金棒料從加熱爐中取出并通過轉運裝置快速轉運至初鍛工序。起動液壓鍛造機（40000kN）將鎂合金棒料鍛壓成盤狀毛坯，鍛壓時間控制在30s，成形后盤狀毛坯如圖1b所示。

步驟三 ，將盤狀毛坯通過轉運裝置轉運到中間加熱爐中加熱，中間爐加熱溫度控制在350～410℃；起動初成形液壓鍛造機（40000kN）將盤狀毛坯鍛成初成形輪轂，初成形輪轂如圖1c所示。

步驟四，將初成形輪轂通過轉運裝置轉運到精成形中間爐中加熱，加熱溫度控制在350～410℃；起動精成形液壓鍛造機（60000kN）將初成形輪轂鍛壓成精成形輪轂，精成形輪轂如圖1d所示。

步驟五，將精成形輪轂通過轉運裝置轉運到精準成形中間爐中加熱，加熱溫度控制在350～400℃ ；起動精準成形液壓鍛造機（60000kN），將精成形輪轂鍛成精準成形輪轂，精準成形輪轂如圖1e所示。

步驟六，對精準成形輪轂進行輪輞旋壓定形，將精準成形輪轂通過轉運裝置轉運到鎂合金汽車輪轂成形模具上，進行輪輞旋壓定形，完成鎂合金汽車輪轂的鍛造。

采用上述鍛壓工藝加工成形的鎂合金輪轂，內部組織致密，表面無裂紋、折疊等鍛壓缺陷。

（3）鎂合金輪轂毛坯的鍛造成形優點 該鎂合金汽車輪轂鍛造生產工藝，在鍛造過程中通過加熱爐對鎂合金棒料及各工序坯料進行加熱，并通過多個轉運裝置進行轉運，縮短了鍛造時間，生產效率較高，獲得的鎂合金汽車輪轂組織致密，成分均勻，機械強度較高。

3. 鎂合金輪轂鍛造后機加工及熱處理工藝

鎂合金與鋁合金及黑色金屬相比，鎂合金具有良好的可加工性能，可在高切削速度和大進給量情況下進行強力切削，采用這種方式可提高鎂合金輪轂的機加工效率；但是采用這種加工方法的同時，會造成鎂合金輪轂產生較大的應力變形，因此需要采用相應的熱處理工藝，以消除應力，減少輪轂變形。

（1）鎂合金輪轂鍛造后的機加工工藝 通常情況下，成品鎂合金輪轂重量只有5～6kg；而鍛造成形后的鎂合金輪轂毛坯重量為8～9kg，因此還需要進一步對鍛造后的鎂合金輪轂進行切削加工，去除多余的金屬，獲得輕量化輪轂。因為輪轂的輪輞占整只輪轂重量的60%～70%，所以輕量化加工方法主要涉及輪轂的輪輞減重。

本文以鎂合金輪轂輪輞機加工為例，簡述采用CNC立車加工鍛造鎂合金輪轂輪輞的機加工藝，具體工藝詳見附表。

圖1 鎂合金輪轂鍛造工藝示意

鍛造鎂合金輪轂輪輞CNC機加工工藝

由附表可見，鍛造鎂合金輪轂輪輞的機加工工藝，包括對鍛壓后輪轂粗機加工，然后經過兩次精機加工，最后對輪轂進行第三次精加工。

在粗機加工工序中，因為去除金屬較多，所以CNC機床的轉速通常選取得較低，控制在1500r/min以下，采用這種機加工工藝，可最大限度地減少輪轂輪輞變形。同樣，為了減少輪輞變形，在第一次精機加工序、第二次精機加工序，將CNC機床的轉速控制在1500r/min以下，其目的也是為了減少輪輞變形。

需要注意的是，鎂合金在機加工過程會產生較大的熱量，而鎂合金的燃點低于熔點，根據生產經驗，當鎂合金切屑的溫度達到其熔點600℃時會與空氣中的氧氣相結合，發生燃燒現象。因此，鎂合金輪轂機加工時要合理地采用切削液，尤其是在第三次精加工時，要加大切削液供應量，降低切屑的溫度；同時，主軸轉速盡量控制在3000～4000 r/min，減少鎂合金加工時產生的熱量，避免鎂合金燃燒而發生安全事故。

（2）鎂合金輪轂機加工過程中的熱處理工藝 鎂合金輪轂在機加工過程中因切削產生的變形量，可以通過特定的熱處理工藝進行校正。通常在鎂合金輪轂粗機加工序后采用特定的熱冷循環處理工藝，消除因應力產生的變形，減少輪轂的后續機加工誤差。

在輪轂的粗機加工序后，采用的熱處理工藝包括：

步驟一，將鎂合金輪轂熱處理去應力溫度設定在140～150℃，保溫時間為6h，隨爐冷卻至室溫。

步驟二，隨爐冷卻至室溫后，進行冷處理，工藝方法為在低溫－40℃環境下保持4h。

步驟三，冷處理后，將輪轂在室溫下保持4h。

步驟四，在室溫下保持4h后，繼續在低溫－40℃環境下保持4h，然后在室溫下保持4h。

經過大量生產數據驗證，采用該熱處理工藝，可以有效地消除因機加工產生的機械殘余應力，減少輪轂變形量。

4. 鎂合金與鋁合金輪轂在可靠性及材料試驗中的對比

通過輪轂彎曲疲勞試驗驗證，當彎曲載荷在5.73kN·m時，鎂合金輪轂的疲勞壽命/循環次數可以達到75萬LC，而鋁合金輪轂的疲勞壽命/循環次數只有13萬LC，如圖2所示。

圖2 鎂合金與鋁合金輪轂的疲勞壽命/循環次對比

通過材料試驗驗證，以A M 8 1 M牌號鎂合金做成的輪轂，其極限抗拉強度≥300MPa，硬度≥70HBW，伸長率≥8%，疲勞強度σ≥160MPa；而以A356.2為代表的鋁合金輪轂，其極限抗拉強度≥220MPa，硬度≥50HBW，伸長率≥2%，疲勞強度σ≥150MPa。

綜上所述，鎂合金輪轂更符合汽車輕量化的發展趨勢。