鋁合金鍛造技術在汽車工業中的應用

文／孫偉，王玲·江蘇龍城精鍛集團有限公司

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本文簡述了當前鋁合金鍛造技術在汽車工業中的應用現狀和趨勢，詳細介紹了目前汽車上應用比較廣泛的典型鋁鍛材料、產品及工藝流程，并對國內外生產汽車用鋁鍛產品的主要設備和相關企業進行了總結和分析，為國內鍛造企業和相關研發人員今后的研發方向提供參考。

應用現狀及趨勢

隨著汽車工業的發展，全球汽車保有量逐年攀升，各種電動汽車也不斷涌現，由此帶來的能源危機、大氣污染及氣候變暖問題日益嚴重，各國政府對汽車排放的政策法規要求日趨嚴苛。無論對于燃油車還是電動車，汽車輕量化都是有效提高產品競爭力的重要手段，其主要途徑之一就是采用輕質金屬零件替代傳統鋼質零件，從而降低燃油車的排放，提高電動車電池的續航能力。

鋁合金密度小，其密度只有鋼的三分之一，同時導熱性能、加工性能和耐腐蝕性等都優于鋼，典型的鋁合金材質零件一次減重效果可達到30%～40%，二次減重效果可進一步提高到50%。鋁合金材質零件的主要生產工藝分為鑄造和鍛造，采用鑄造工藝生產的零件主要為殼體類和支撐類，例如發動機缸體缸蓋、變速箱殼體、轉向器殼體、發動機托架、轉向器支架等；采用鍛造工藝生產的零件主要為力學性能要求較高的零件，例如車輪、底盤懸架系統控制臂、轉向節、空調壓縮機渦旋盤等。

典型汽車用鋁鍛材料

用于汽車工業的鋁合金鍛造原材料一般采用擠壓或鑄造棒材(圖1)，其材料牌號一般來源于美國鋁業協會公司(AA)注冊登記、國際標準化組織(ISO)和各國制訂的變形鋁合金標準。我國的變形鋁合金牌號表示方法參照的標準為GB/T 16474-2011《變形鋁及鋁合金牌號表示方法》，此外相關的國家標準還有GB/T 3190-2020《變形鋁及鋁合金化學成分》、GB/T 33910-2017《汽車用鋁及鋁合金擠壓型材》。典型汽車鋁鍛零件用的材料牌號以6 系為主，如6060、6061、6066、6082 等，也有部分產品需要用到2 系、4 系、5 系和7 系的材料，如2014、4032、5754 和7075 等。

圖1 鋁合金鍛造用棒材

典型汽車用鋁鍛零件及成形工藝

整體式車輪

鋁合金整體式鍛造車輪(圖2)是基于汽車輕量化、高效節能需求而不斷發展起來的一類產品，一般采用6061 和6082 鋁合金制造，相比于傳統的鑄造車輪其組織性能更加優越，重量輕、強度高且表面質量好，但由于工藝復雜、設備投入大，導致其制造成本居高不下，只能在高端乘用車和商用車得到一定的應用。

圖2 鋁鍛整體式車輪

整體式鍛造車輪的成形工藝根據產品結構特點、應用場景和批量不同一般選擇不同的工藝流程，目前市場上常用的成形工藝及其應用情況如表1 所示。

表1 整體式鍛造車輪成形工藝類型及應用情況

整體式鍛造車輪完成鍛造成形后通常需要熱處理、機加工及表面處理等鍛后處理，其中熱處理一般采用T6 熱處理工藝(固溶處理+人工時效)以提高車輪各部分的強度。

控制臂

汽車控制臂也叫擺臂(圖3)，是汽車底盤系統的重要零件，它的綜合力學性能對車輛的安全、操穩等性能起著至關重要的作用，一般采用6082 鋁合金制造。控制臂分為前控制臂和下控制臂，前控制臂是懸架的向導和支撐，其變形會影響到車輪的定位，降低行車穩定性；下控制臂主要是用來支撐車身、減振器并且緩沖行駛中的振動。

圖3 典型鋁鍛控制臂

早期的控制臂多采用鑄鐵、鑄鋼或鋼板沖壓焊接制成，伴隨著材料加工技術的提高，鍛造鋁合金控制臂正逐步替代鋼制控制臂，并在國內外中高檔車上實現批量應用，如日系軒逸、逍客、奇駿，韓系朗動，美系愛維歐、嘉年華，歐系的速騰、帕薩特等。

鋁合金控制臂的典型鍛造工藝一般包括下料、加熱、制坯、成形、切邊、熱處理和表面清理工序。其中制坯工序根據產品形狀結構不同可采用輥鍛、斜橫軋等方式，部分產品還需要采用彎曲和預鍛以降低終鍛成形的難度。熱處理一般進行固溶和時效處理以提高產品的力學性能，表面清理可采用拋丸或噴砂處理去除工件表面氧化皮并改善工件力學性能。

轉向節

轉向節(圖4)是汽車前橋總成及前懸架系統中的關鍵結構件，它連接前橋和轉向系統，不僅承載汽車全部重量，傳遞轉向動力，還承擔著來自地面的沖擊和車輪側向制動等產生的負荷，是汽車行駛中安全性的有力保證。轉向節在汽車底盤部件中屬于形狀復雜的保安件。

圖4 典型鋁鍛轉向節

鋁合金轉向節的鍛造工藝一般包括下料、加熱、制坯、預鍛、終鍛、切邊、熱處理和表面清理工序。根據產品的結構和成形難度不同，可進行一次加熱或多次加熱，加熱工序可在制坯、預鍛和終鍛任一工序之前，熱處理一般也采用固溶和時效處理。寧波拓普汽車電子有限公司申請的中國專利(CN107955893A)公開了一種鋁合金轉向節的鍛造成形方法，其工藝步驟為：⑴選擇鋁合金棒料為毛料，進行切割；⑵將切割后的棒料加熱至510℃～530℃；⑶將加熱至510℃～530℃的棒料墩粗；⑷將鐓粗后的棒料二次加熱至510℃～530℃；⑸將二次加熱至510℃～530℃的棒料進行模鍛；⑹模鍛結束后，將棒料冷卻；⑺將冷卻的棒料切邊；⑻將切邊后的棒料時效處理，時效處理的溫度為165℃～175℃；⑼取時效處理后的棒料檢驗，取合格棒料包裝。

渦旋盤

汽車空調壓縮機發展過程經歷了四代。第一代壓縮機為往復直立活塞式壓縮機，之后演變為第二代斜盤式、搖板式和徑向輻射式壓縮機，進而發展為第三代回旋式壓縮機，諸如旋葉式、滾動活塞式、螺桿式和三角轉子式，現在第四代高效率的渦旋式壓縮機已經開發有二十多年的歷史，并且實現了產業化、規模化生產。渦旋盤(圖5)是渦旋壓縮機的關鍵構件，有動盤和靜盤之分，材質一般為4032 鋁硅合金，結構比較復雜，性能要求高，目前國內外一般采用一步或兩步背壓成形鍛造工藝生產，也有部分企業采用液態模鍛工藝生產。江蘇威鷹公司申請的中國專利(CN107186159A)公開了一種渦旋盤的典型生產工藝，其工藝步驟為：⑴下料；⑵制坯；⑶噴砂處理，將坯料放入履帶式拋丸機中噴砂處理，降低粗糙度Ra 值；⑷潤滑和鍛擠成形，將坯料加熱到(220±10)℃，在坯料表面涂覆美國埃奇森公司生產的德爾他-144 高分子潤滑劑，以防加熱時表面氧化，同時也為鍛擠成形起到潤滑作用；然后將坯料加熱到(515±5)℃，坯料表面再次涂覆油性石墨后，放置入(220±10)℃的模腔內，在3150t 液壓力的作用下擠壓坯料使其金屬流動，完成一次性擠壓成形；⑸固溶及時效處理，將擠壓成形后的坯料固溶及時效處理，表面硬度為(120±5)HBS；⑹噴砂處理，將坯料放入履帶拋丸機中噴砂處理，去除表面氧化物；⑺清洗，去除表面雜質。

圖5 典型鋁鍛渦旋盤

典型鋁鍛設備

汽車鋁鍛零件生產設備通常包括下料、加熱、成形和鍛后處理設備，其中成形設備最為關鍵，根據零件結構和成形目的不同可選擇輥鍛機、楔橫軋機、液壓機、機械壓力機、螺旋壓力機、輾鍛機和強力旋壓機等。

一方面由于鋁合金鍛造溫度范圍窄，不宜在模鍛設備上直接制坯，宜選擇輥鍛機(圖6)、楔橫軋機或輾鍛機(圖7)等進行預制坯，以提高產品的材料利用率。另一方面由于鋁合金材質對鍛造變形速度比較敏感，速度越快則加工硬化問題越嚴重，變形抗力也會隨之增加，進而導致可鍛性降低，而且由于熱效應會導致鍛件出現過熱或過燒問題。因此對于大型鋁合金零件的鍛造首選成形速度比較慢的液壓機(圖8)，對于中小型鋁合金模鍛件，除液壓機外，常選用機械壓力機或螺旋壓力機，此外鋁合金車輪鍛造通常需要用到強力旋壓機。

圖6 輥鍛機

圖7 輾鍛機

國內生產汽車鋁鍛件的主要企業

目前，國內具備汽車鋁鍛件生產能力的企業很多，大多以生產鋁鍛車輪為主要業務，其他鋁鍛件(不含車輪)的生產企業如表2 所示。

表2 主要汽車鋁鍛件(不含車輪)生產企業

結束語

鋁合金鍛造技術在汽車工業中的應用正逐漸增多，但由于汽車鋁鍛件價格較高，主要應用于高端車型，市場總需求量并不大，而且由于國際市場上掌握話語權的整車廠多為國外企業，進入其供應商體系比較困難，一直以來國內生產鋁合金鍛件的企業大多只能為售后市場提供產品，產品質量要求不高，缺乏持續提升鋁鍛技術的動力。隨著汽車輕量化和電動化的不斷發展，全球汽車廠商面臨越來越激烈的競爭和成本壓力，越來越多的鋁鍛產品將直接在中國本土生產，給國內具備鋁鍛件生產能力的企業提供了前所未有的發展機遇。