节能减排成趋势，铝合金轮毂走红汽车市场

2014-10-10杨忠敏东风汽车公司

锻造与冲压 2014年13期

关键词：钢制轮毂镁合金

文／杨忠敏·东风汽车公司

节能减排成趋势，铝合金轮毂走红汽车市场

文／杨忠敏·东风汽车公司

杨忠敏，高级工程师，主要从事汽车用材料的研究工作。

当前，能源、环境和安全是备受关注的三大问题，而也正是这三大问题制约了汽车工业的发展和汽车的普及。汽车的安全性和可靠性很大程度上取决于所用轮毂的性能及其使用寿命，因此轮毂选用何种材料及其加工成形方式就变得愈发重要。

几种不同材料的轮毂及其综合性能

在汽车的行驶过程中，作为高速回转运动的零件，轮毂常承受着车辆的垂直负荷、横向力、驱动(制动）扭矩和行驶过程中所产生的各种应力，因此要求其尺寸精度高、不平衡度小、支撑轮胎的轮辋外形准确，并有一定的刚度、弹性和耐疲劳性。优质的汽车轮毂应具备以下基本条件：足够的负载能力及速度能力；良好的缓冲性和气密性；良好的均匀性和质量平衡性；良好的静力学、动力学以及耐腐蚀特性；良好的回转特性和导热特性；精美的外观和良好的装饰性；表面质量高，易于成形；尺寸精度高，质量轻；拆装方便，互换性好；回收性好；价格适宜等。轮毂材料的选用、轮毂结构和制造工艺的设计与上述要求密切相关，它们是决定轮毂性能好坏的关键因素。

目前，全世界的汽车轮毂，不管是载重汽车轮毂还是轿车轮毂，所用材料基本分为两种，即钢材和铝合金材料，这两种材料制造的轮毂所占的市场份额约为95%。而随着材料技术的发展和人们对轮毂质量要求的不断提高，一些新型材料如镁合金等目前也已被用于制造汽车轮毂。随着世界各国政府对节能、安全、环保的要求日趋严格，轮毂材料的选择逐渐成为一个焦点问题。

钢制轮毂

图1 钢制辐板式轮毂

钢制辐板式轮毂(图1）最早生产于1905年，由于其强度高、散热性能好、耐磨损等，故此在很长时间里被轿车采用。尽管20世纪70年代以来各种新型材料如轻质合金等相继问世，但该种轮毂仍以其成熟简单的工艺、低廉的成本和优良的性能在汽车市场占据一定的份额。长期以来，钢制轮毂在汽车轮毂中一直占主导地位，但是自20世纪80年代起其开始慢慢被铝合金轮毂所代替，市场份额逐步减小。钢制轮毂之所以被铝合金轮毂代替有多方面的因素，而外观性差是其中最主要的因素。钢制轮毂在经济性和安全性方面较铝合金轮毂具有很大的优势，因此目前载重汽车的轮毂大部分还都是钢制轮毂。不过钢制轮毂的缺点也非常明显，钢材的加工成形性能和制造工艺决定了钢制轮毂难以做到铝合金轮毂那样多样化的结构和外形，而且钢制轮毂的质量比较重，制造和使用钢制轮毂所消耗的能量要比铝合金轮毂大得多。近年来，面对替代品的渗透和挑战，国际钢轮行业在技术方面进行了一系列的革新，例如将微合金钢HSLA、双相钢(DP钢）和贝氏体钢等高强度钢种逐步应用于制造钢制轮毂，为减轻钢制轮毂的质量、进行更加大胆的款式设计创造了条件。据统计，HSLA钢轮毂比一般的碳素钢轮毂重量轻约15%。同时，国际钢轮行业还与设备制造商紧密合作研究发展了钢制轮毂的旋压生产工艺，目前商用车无内胎轮毂的轮辐使用旋压生产工艺已非常普遍，Magnetto Wheels的法国工厂和Hayes Lemmerz International的西班牙工厂已开始投入小批量生产，日本的Topy公司和美国的Arvin Meritor公司也已掌握了这项技术。在巨大的成本压力和钢制轮毂的材料与制造技术不断革新的局势之下，国际汽车业也在开始重新评估钢制轮毂和铝合金轮毂的价值。

加入钛元素的低合金钢，其合金元素可以细化晶粒，提高钢的力学性能，使钢的强度高、塑韧性好、加工成形性和焊接性良好，故此可以作为轮毂用钢。此外，低合金高强度F＋B双相钢如低碳含铌钢，其贝氏体含量有所增加，故而其屈服强度和扩孔率较高，可以作为轮辐和轮辋用钢。

铝合金轮毂

1923年，赛车开始使用砂模铸造的铝合金轮毂。第二次世界大战后，铝合金轮毂开始用于普通汽车。1958年，整体铸造式铝合金轮毂问世，此后不久又出现了锻造铝合金轮毂。1979年，美国把铝带成形轮毂作为标准轮毂。1980年，联邦德国的奔驰公司开始成批采用带材成形铝合金轮毂装备240D型轿车。1981年，美国凯泽铝及化学公司首次用挤压方法生产出轿车用整体式铝合金轮毂，其直径为457.2mm，用于装备当时前轮驱动的小型轿车。1990年，阿卢马克斯工程金属工艺公司(AEMP）与索帕里奥工业公司(Superior）合资在阿肯萨斯州菲耶特维尔市建设的全球第一个半固态模锻(SSF）铝合金轮毂厂投产，从此铝合金轮毂的生产进入了一个新阶段。

日本是世界上生产铝合金轮毂(图2）最多的国家，1973年开始成批生产轿车铝合金轮毂；1977年开始成批生产载货车与大客车铝合金轮毂；1979年开始成批生产摩托车铝合金轮毂。我国的铝合金轮毂制造业起步于20世纪80年代末期，20世纪90年代中期出现了一股兴建汽车铝合金轮毂厂的投资热潮；后来由于国内汽车铝合金轮毂的产能远远大于汽车行业的需求，我国的铝合金轮毂制造业进入了缓慢发展的阶段；近10年，我国的汽车制造业快速发展，且轿车开始大量使用铝合金轮毂(比例高达90%以上），因此又出现了新一轮的汽车铝合金轮毂投资热潮。

图2 铝合金轮毂

铝合金轮毂使用的材料有AlSi7Mg(A356）、AlSi11、AlSi11Mg、AlSi12Mg、AlMg1SiCu(6061）等，其中以采用Ti、Sr变质的A356用量最大。A356是一种铸造铝合金，一般Si和Mg的含量分别为6.5%～7.5%、0.25%～0.45%。A356既有良好的铸造性能，又有很好的综合力学性能，因此目前世界各国的铸造铝合金轮毂基本都是采用此合金生产的。6061是一种加工用的铝合金，其主要化学元素的含量分别为：0.4%～0.8%(Si）、0.7%(Fe）、0.15%～0.40%(Cu）、0.15%(Mn）、0.8% ～ 1.2%(Mg）、0.04% ～ 0.35%(Cr）、0.25%(Zn）、0.15%(Ti），其余为Al。此合金产品大多在固溶处理与时效处理后应用，时效温度为155～165℃，保温18h。大多数锻造铝合金轮毂都是采用6061合金生产的。

相关数据显示，2001年时美国59%的轿车与轻型卡车使用的是铝合金轮毂，其总质量约290kg，其中约81%是用A356合金低压永久模铸造的，用6061合金锻造的轮毂仅占11%，以5454合金薄板及厚板加工的分别占4%及3%，高压挤铸的占1%。不过，近些年随着锻造铝合金轮毂的性价比越来越得到认可，其增长速度要比铸造铝合金轮毂快许多。

镁合金轮毂

另一种很有发展前途的轮毂材料是镁合金，它应用在汽车或摩托车轮毂上主要有以下4点优势：⑴一般镁合金的密度在1.8g/cm3以下，相同体积下镁合金比铝合金轻约1/3，因此如果汽车或者摩托车选用镁合金轮毂(图3），那么汽车或者摩托车的重量势必可以得到进一步的减小，油耗也可以大大减少；⑵镁合金轮毂的强度高于铝合金轮毂和钢制轮毂，刚度接近铝合金轮毂和钢制轮毂，能够承受一定的负荷；⑶镁合金轮毂具有良好的铸造性和尺寸稳定性，易加工，废品率低，生产成本低；⑷镁合金轮毂具有良好的阻尼系数，减振性好于铝合金轮毂和钢制轮毂，使汽车有更好的安全性和舒适性。近一两年来，国外汽车和摩托车镁合金轮毂的订单很多，价格也不错，工厂收购价格是相同规格铝合金轮毂的1.5倍，零售市场上的价格是铝合金轮毂的2～3倍。近两年国内试制的汽车和摩托车镁合金轮毂已能够通过台架试验。不过目前镁合金轮毂在生产和使用过程中还存在一些问题，一是熔炼过程有污染，二是产品在使用中漆皮划破后会在大气中腐蚀。

目前，镁合金轮毂常使用的材料为AEC81(美国牌号，相当于我国的5号镁合金），其力学性能指标与铝合金的差距不是很大。我国镁的蕴藏量居全世界之首，其价格也比国外便宜，而从2013年开始镁价已经低于铝价，因此目前来说国内生产镁合金轮毂应比铝合金轮毂更便宜。对汽车来说，轮毂是用镁量最大的零件，因此一旦在技术、工艺上打通路径，这个领域势必会引发新一轮的投资热潮。

当前，发达国家的赛车及部分民用高档汽车正在使用镁合金锻造轮毂，这大幅度提高了镁合金锻造轮毂的用量，使用镁合金锻造轮毂是高档汽车的一个发展趋势。

性能卓越，铝合金轮毂大行其道

图3 镁合金轮毂

因为质轻、散热性好并具有良好的外观，铝合金轮毂逐渐代替了钢制轮毂。质轻降低了整车的自重；散热性好，可以及时将制动器的热量散发出去，以免出现制动热衰退而影响行车安全。在行驶时，飞驰的银钱、轻盈的脚步显示出车与路之间的和谐统一，给人以美的感受，这进一步提高了车的品位，因此铝合金轮毂大行其道。现在，几乎所有的新车型都采用了铝合金轮毂，并且很多车主也将原来车上用的钢制轮毂换成铝合金轮毂。与钢制轮毂相比，铝合金轮毂有以下几点明显的优势：

节能

由于铝合金轮毂重量轻、制造精度高，因此在高速转动时轮毂的变形小、惯性阻力也小，这有利于提高汽车的直线行驶性能，降低轮胎的滚动阻力，从而减少油耗。一般地，铝合金轮毂可比钢制轮毂轻30%～40%，相关数据表明，每使用1kg铝合金，汽车自重就会下降2.25kg，减轻自重是汽车提高燃油经济性、降低能耗、提高安全性的重要措施之一，汽车自重减轻10%，燃油效率即可提高15%。目前美国每辆轿车使用铝合金至少100kg，可减重225kg，按一辆轿车使用10年计算，可节约6.3t汽油，经济和社会效益都非常可观。由此可见，铝合金轮毂具有明显的节能效果。

安全

对于高速行驶的汽车来说，因轮毂变形、制动等产生的高温爆胎和制动效能降低等现象已屡见不鲜，而铝合金的热传导系数比钢、铁等大三倍，散热效果自然要好得多，因此选用铝合金轮毂可改善汽车的制动效能，降低轮胎的工作温度，提高轮胎和制动盘的使用寿命，有效保障汽车的安全行驶。铝合金轮毂的高硬度增加了刚性，可明显地减小过弯时轮胎和轮毂的倾斜，这对于安装了高性能轮胎的车子尤为重要。铝合金轮毂中有些金属本身就是良好的热导体，加上铝合金轮毂可以较自由地造型，更能以某些有利于将气流导入到制动系统的造型有效降温，所以铝合金轮毂可将制动产生的热量迅速释放从而降低由于高热导致的制动失灵现象的发生。

舒适

装有铝合金轮毂的汽车一般都采用子午线轮胎，而子午线轮胎的缓冲和吸振性能优于普通轮胎，减振性能好，吸收冲击能量强，尤其汽车在不平的道路上或高速行驶时，舒适性将大大提高。另外，转向力和路面振动对非载荷重量非常敏感，而铝合金轮毂有效地降低了非载荷重量使得车轮的抓地性得到提高，因此铝合金轮毂表现出更为精确的转向动作和更好的入弯性能，这使得汽车的安全性和舒适性都得到了很好的改善。

结构多样，外形时尚美观

采用不同工艺生产的铝合金轮毂其结构非常多样，可以很好地满足各类使用者的审美要求。除此之外，铝合金轮毂还有耐腐蚀、成形性好、尺寸精确、平衡性好、加工精准、材料利用率高等显著优点，符合现代汽车安全、节能、环保三大主题的要求，对降低汽车自重、减少油耗、减轻环境污染与改善操作性能等有着重大意义，因此铝合金已成为目前汽车轮毂的首选材料。随着汽车ABS普及率的提高，为了减轻非悬挂件的质量和刹车系统的负荷，铝合金轮毂的使用正变得越来越普及。据统计，轻型车上铝合金轮毂的使用率现已达到50%左右，有的国家已经超过60%。

国内外铝合金轮毂市场分析

铝合金轮毂以其质量轻、散热快、减振性能好、轮胎寿命长、安全可靠、外观美丽、图案丰富多彩、尺寸精确、平衡性好、容易制造等优点在汽车工业中脱颖而出，发展潜力巨大。相关资料显示，在过去的10年里，全球汽车铝合金轮毂年产量的平均增长率达7.6%，到2010年，汽车轮毂的铝化率达72%～78%，每年全世界铝合金轮毂的产量约1.5亿只，用铝量达110多万吨，产值约45亿美元。时至今日，世界上几个主要汽车生产大国都已经将铝合金轮毂作为车辆的标准配置。

国内

随着汽车、摩托车制造工业的快速发展，我国的铝合金轮毂制造业从无到有，日益发展壮大。铝合金轮毂制造业在我国只有十几年的历史，是个新兴的汽车、摩托车零部件产业。在20世纪80年代后期，除了进口汽车原装的铝合金轮毂之外，只有在广州、北京的高级轿车配件商店中才可以看到铝合金轮毂的身影，不过当时铝合金轮毂的价格在1200～1500元/只，被认为是奢侈品，并没有引起人们的注意。直到1988年，戴卡轮毂制造有限公司在秦皇岛建成投产才引起国内汽车界人士的关注。随后，广东南海中南铝合金轮毂厂、昆山六丰机械工业有限公司等铝合金轮毂制造企业相继建成。铝合金轮毂制造业对国内汽车工业的最大贡献是满足了引进车型的轮毂国产化需求，在国内的引进车型国产化配套中，铝合金轮毂是第一个实现国产化的总成零部件。

相关数据显示，截至2012年末，我国铝合金轮毂生产企业有150家左右，产能已接近1.8亿只/年。这些企业主要分布在山东、河北、江苏、浙江、云南、吉林、河南、广东等地，主要生产汽车、摩托车铝合金轮毂。国内铝合金轮毂主要以给汽车厂配套为主，市场主要集中在上海大众、一汽大众、广州本田和几个微型车厂、皮卡厂等。从车型看，高级轿车(奥迪A6）、中级轿车(雅阁、帕萨特）、低级轿车(普桑、捷达、夏利、富康）以及微面、皮卡、中面、吉普等都广泛采用了铝合金轮毂。如果有卡车铝合金轮毂，国内高速豪华大客车会立即采用。

随着汽车社会保有量的增加，配件市场的需求量也会增加，《中国汽车车轮行业“十二五”发展规划》指出，预计到2015年我国汽车铝合金轮毂的年产量将达到1.8亿只，其中OEM市场1.4亿只，AM市场4000万只；出口6000万只，其中OEM市场4000万只，AM市场2000万只。同时该规划还指出，将支持优势企业以市场为先导，通过合资、合作、兼并重组等方式形成具有规模化、专业化生产能力的大型轮毂制造企业集团，提倡钢、铝轮毂企业资本和市场相互融合，争取到“十二五”末期形成2～3家年产2000万只轮毂以上的大型轮毂制造企业，同时形成3～5家以大陆资金为主体的跨国轮毂制造企业。

国外

铝合金轮毂是材料能源和劳动力密集型的低附加值产品，从目前的情况看，发达国家对此不太感兴趣，外部竞争环境不是很严酷，竞争对手主要来自东南亚和国内行业内部。与给国内市场配套比较，出口的优点是回款及时，市场稳定，销售费用低；缺点是批量小，品种多，成本略高。国外对货车铝合金轮毂的需求量很大，价格较高，对镁合金轮毂的需求也很迫切，价格也较高，可惜目前国内尚无厂家能够批量提供这两类产品。近年来，铝合金轮毂已成为我国颇受重视的出口汽车零部件，经营较好的汽车铝合金轮毂厂，产品大部分远销海外，有的企业直接给德国大众(本土）、日本丰田(本土）配套，并通过了美国QS9000和德国VDA6.1认证，纳入了它们的全球采购配套系统。目前我国的铝合金轮毂主要出口到美国、日本、韩国、澳大利亚、中东、欧洲等地，其中出口到美国的最多。出口的铝合金轮毂有300多个部件号，直径从14～22in(1in＝25.4mm）不等，能满足世界上各种车型的需要。摩托车铝合金轮毂是我国铝合金轮毂的另一大支系，年总产值约14.7亿元。近年来，我国的摩托车铝合金轮毂大量出口到越南、印尼、尼日利亚、阿根廷等国。

美国、日本、德国是世界上主要的汽车制造及消费市场，同样也是铝合金轮毂的主要消费市场。有资料显示，美国年铝合金轮毂需求量在5000万只左右，日本年铝合金轮毂需求量在3000万只左右，德国年铝合金轮毂需求量也在3000万只左右，预计2014年世界铝合金轮毂的需求量在2.5亿只左右。目前，国内出口主要面对的还是这些国家的零售市场，这个市场的优点是需求量大、要求不太高、订单稳定、价格尚可，缺点是花色变化多、生产周期短、品种更新快、成本稍高。欧洲的价格比美国稍高，但表面涂装要求高，订单量一般较小，而日本市场则对外观质量最为挑剔。近年来，我国各铝合金轮毂厂出口订单充足，产品供不应求，且铝合金轮毂的价格略有增长，业内几个大型铝合金轮毂制造企业对进入国际OEM市场尤其是美国三大汽车厂也都充满信心，因此如果没有其他外部影响，预计未来几年我国铝合金轮毂的出口量仍会持续增长。

铝合金轮毂的发展趋势

2013年我国的汽车产销量双双超过2100万辆，创历史新高，居全球第一位，而与此同时，我国也成为了世界上铝合金轮毂的生产大国，并且出口份额大。

为了适应汽车更安全、更节能、噪声和污染物排放进一步降低的要求，当前汽车铝合金轮毂正在向大直径、轻量化、高强度、美观化等方向发展。在铝合金轮毂的制造技术方面，其主要发展趋势是自动化、智能化、节材、节能和环保，具体措施包括液态铝合金直送生产现场、铝液无污染精炼、铝液热分析、X射线自动探伤、氦气自动试漏、干式机械加工、高速静电旋杯喷涂、无铬化处理、喷粉和水性漆等新技术与新工艺。

以北美铝合金轮毂市场为例，在前些年轮毂直径还是以13～14in为主，而现在则是以15～16in甚至17in为主。不止于此，为了满足市场的新需求，目前一些铝合金轮毂生产商已开始着手安排直径为22、24in及以上的铝合金轮毂生产线。由于轮毂的直径大、轮辋宽，故而轮胎与地面的接触面积更大，这就增加了轮胎与地面的附着力和摩擦力，从而使汽车的操纵性能更好，安全性得到提高。不过需要注意的是，大直径、宽轮辋也会产生使轮胎磨损加快的不利影响。

汽车铝合金轮毂的生产工艺主要有铸造和锻造两种，而目前我国的铝合金轮毂主要采用成本较低的低压铸造工艺生产，其产量约占全部产量的80%左右，其次是采用最简便的重力铸造工艺来进行生产，采用锻造工艺生产铝合金轮毂的厂家还比较少，产量也较小。不过由于锻造铝合金轮毂强度高、抗蚀性好、尺寸精确、加工量小等，一般情况下其重量仅相当于同尺寸钢制轮毂的1/2或更低一些，且其强度、韧性与疲劳强度均显著优于铸造铝合金轮毂，故近几年来锻造铝合金轮毂越来越受到市场的青睐，其增长速度要远远快于铸造铝合金轮毂。

为了使铝合金轮毂更美观，一般采用镀铬、抛光、喷漆、喷粉、加装不锈钢或塑料毂盖、压铸花纹、改进轮毂设计图案等办法。而在铝合金轮毂加工方面，一般采用数控机床、高精度自动化柔性加工系统；在表面涂装方面，采用自动化涂装工艺，喷粉技术渐有替代喷漆之势，少部分企业还采用先进的真空电镀涂装技术。

虽然我国铝合金轮毂制造企业目前的经营状况较好，但与国际大公司相比实力还是要差一些，企业规模比较小，而且目前我国的铝合金轮毂制造企业也还没有设计研发能力，几乎所有轮毂产品都是来样来图加工，产品和市场都捏在别人手里。随着我国入世和全球经济一体化进程的加快，我国汽车零部件进口的平均关税将下降到10%，配额也将逐步增加直至放开，鼓励国产化的级差关税政策将取消，除生产不便于运输的零部件的企业及劳动密集型零部件企业受影响较小外，受关税和国产化率双重保护的国内汽车零部件企业将面临巨大的挑战。因此，从全行业来看，我们要尽快着手产业优势资源的整合，促成几个大的产业集团；加强设计研发能力；统一协调出口价格，维护正常利润；研究WTO规则，防范反倾销调查；积极开辟新的国际市场空间，避免扎堆；监督全行业产品质量，建立可靠性抽查制度，维护我国产品的质量信誉。只有通过全行业的共同努力，我国的铝合金轮毂产业才能进一步发展壮大，转出更大的天地。