Автомобільні виробники все частіше використовують спеціальні високоміцні сплави для досягнення цілей викидів

Вівторок, 15 січня 2019 р., 18:00

високоміцні

В даний час виробництво автомобілів зазнає значних змін. На додаток до безпеки та надійності, все більш важливими стають низькі викиди та екологічно свідоме виробництво та використання транспортних засобів. Крім того, автозаводи дедалі частіше заявляють про розробку електричних моделей та запуск масового виробництва протягом декількох років. Це спонукає виробників автомобілів використовувати якомога більше деталей із легких металів у своїх автомобілях.

Найбільшим викликом з точки зору зменшення ваги та зменшення викидів є те, що норми та стандарти ЄС повинні застосовуватися таким чином, щоб безпека та керованість автомобілів не погіршувались, і навіть краще для кожної нової моделі, ніж для зношеної моделі . За останні 40 років маса легкових автомобілів тієї самої категорії зросла приблизно на 50% (рис. 1) завдяки покращенню безпеки та комфорту, вбудованих у транспортні засоби [1].

Рисунок 1: Збільшення маси транспортного засобу в період з 1960 по 2002 рік [1]

(Джерело: Greven, K., Zeuner, T.: Сильно напружені компоненти алюмінієвого литого шасі - індивідуальні для кожного застосування, щорічний конгрес JSAE, 2011 [094-20115380] Сторінка 1)

Основи розвитку автомобільної промисловості

Є два шляхи зменшення викидів автомобілів. Перший спосіб - це зменшення робочого об'єму двигунів для виробників, інше рішення, яке використовується на практиці, - зменшення загальної ваги транспортних засобів. Зменшуючи робочий об’єм двигуна (зменшуючи розмір), можна досягти більшого скорочення викидів, ніж зменшенням ваги автотранспорту. Згідно з деякими дослідженнями, 60% зменшення загальних викидів для даного транспортного засобу відбувається за рахунок зменшення робочого обсягу двигуна, тоді як решта 40% - загального зменшення маси [2]. Ці два методи використовувались паралельно виробниками автомобілів, але в даний час конструкція двигунів досягла такої нижньої межі, що їх робочий об’єм не може бути додатково зменшений при збереженні потужності та динаміки руху. Виробництво деталей кузова, двигунів та інших сталевих деталей із легких сплавів надає виробникам автомобілів додаткові можливості зменшити вагу і тим самим зменшити викиди. Для цього потрібно встановити деталі з легких металів (головним чином з алюмінію) та все частіше використовувати високоміцні сплави.

Очікування щодо деталей з автомобільних сплавів

Але на що розраховують автовиробники, коли замінюють дотепер сталеві деталі на легкі металеві? Якщо компонент піддається динамічному напруженню, він повинен мати хороше демпфування вібрацій та енергопоглинання, мати високу межу втоми, велике подовження (A5 = 10-14%) і бути пластично деформованим, наприклад для кріплення. Сплав повинен бути корозійно-стійким і зварювальним. З точки зору технології виробництва, сплав має хороші формозаливні та ливарні характеристики, завдяки чому з нього можна відливати деталі великої та складної геометрії, і немає високої тенденції до усадки. Крім того, термічна обробка може змінювати свої механічні властивості в широкому діапазоні. Ці властивості та очікування вже передбачають, що найменше газових включень залишається у виливку під час лиття, щоб не викликати утворення пухирів та тріщин після термічної обробки. Коротше кажучи, сировина разом із технологією виготовлення становить основу для виробництва деталей з високоміцних сплавів.

Як правило, у все більшій кількості в кузов та шасі автомобільних транспортних засобів вбудовуються такі високоміцні компоненти із сплаву: бічні та поперечні елементи, люльки двигуна, амортизаційні вежі (рис. 2), елементи з'єднання кузова, дверні панелі, B-стовп.

Рисунок 3: Відливання башти з легкого металу амортизатора [5]

(Джерело: Хартліб, М.: Алюмінієві сплави для структурного лиття під тиском, Журнал лиття під тиском, 2013/05, с. 40)

Висока міцність та відмінні механічні властивості неможливі завдяки “традиційним” алюмінієвим сплавам (наприклад: EN AC 4600, EN AC 47100 відповідно до стандарту ЄС) через вміст заліза близько 1%. Незважаючи на те, що вміст заліза сприяє зменшенню адгезії та полегшує видалення виливки з форми, це негативно впливає на механічні властивості, послаблює несучу здатність деталі.

Тому кілька виробників сировини за останні десятиліття розробили власне сімейство високоякісних сплавів. Загальною особливістю цих сплавів є те, що вміст заліза було зменшено (з 1% до 0,15%) з метою підвищення механічних властивостей і що додано 0,5 - 0,8% марганцю, щоб утримати проблему адгезії. сплаву. Кількість міді було обмежено до 0,03%, а кількість цинку - до 0,1%, якщо потрібна висока корозійна стійкість.

Серед високоякісних сплавів можна виділити три основні групи сплавів:

Рисунок 3: Механічні властивості сплавів AlMg5Si2Mn як функція товщини стінки [4]

(Джерело: Франке, Р., Драгулін, Д., Зові, А., Касаротто, Ф.: Прогрес у виробництві пластичних алюмінієвих сплавів для лиття під тиском високого тиску для автомобільної промисловості. Журнал La Metallurgia Italiana, 2007/03, с. 21)

  1. Третя група включає сплави, що належать до сімейства AlSi (Mn), які характеризуються високим вмістом 8-12% кремнію та 0,3-0,6% марганцю, але дуже низьким вмістом магнію менше 0,1%. Він також містить сплави, що покращують механічні властивості (наприклад, стронцій, титан). До цієї групи належать напр. сплави складу AlSi9Mn або AlSi9MnMoZr. Ці сплави чудово зварюються з хорошими механічними властивостями.

Малюнок 4 підходить для порівняння властивостей міцності та в’язкості, доступних при використанні різних “звичайних” (AlSi9Cu3, AlSi12) та високоякісних (AlSi9MgMnSr, AlSi5Si2Mn, AlSi9MnMoZr) сплавів [5].

Рисунок 4: Рейтинг серед алюмінієвих сплавів на основі механічних властивостей [4]

(Джерело: Франке, Р., Драгулін, Д., Зові, А., Касаротто, Ф.: Прогрес у виробництві пластичних алюмінієвих сплавів під тиском для лиття під тиском для автомобільної промисловості. Журнал La Metallurgia Italiana, 2007/03, с. 19)

Ці високоякісні сплави можуть бути використані та використані в будь-якому процесі лиття, будь то лиття під нахилом, лиття під тиском, лиття під низьким або зворотним тиском, але лиття під високим тиском є ​​найпоширенішим методом виробництва, коли виготовляється 70-75% деталей ... На додаток до продуктивності, ще однією перевагою лиття під тиском є ​​те, що механічні властивості виливків, виготовлених з однієї і тієї ж сировини, можуть варіюватися в широкому діапазоні залежно від типу термообробки (рис. 5).

Рисунок 5: Значення міцності та подовження сплаву AlSi10MnMg під вакуумом для литої під тиском частини після термічної обробки Т6 та Т7 [1]

(Джерело: Greven, K., Zeuner, T.: Сильно напружені компоненти шасі з литого алюмінію - індивідуальні для кожного застосування, щорічний конгрес JSAE, 2011 [094-20115380] Сторінка 5)

Звичайно, для того щоб отримати термооброблювану, зварювану деталь, дуже важливо, щоб лиття проходило у вакуумі, що вимагає високого рівня технології та виробничої дисципліни. У випадку звичайного вакуумного лиття під тиском, де порожнина форми з’єднана з вакуумним клапаном через систему вентиляції, у порожнині форми можна досягти тиску 0,4 бар. Але в особливих випадках, коли вакуумні клапани підключені до порожнини прес-форми з кількох напрямків або де, крім порожнини прес-форми, наповнювальна камера також вентилюється, у порожнині прес-форми можна досягти вакууму до 0,2-0,1 бар .

Звичайно, окрім технологічного та технічного досвіду, для цього також потрібна грамотно розроблена конструкція інструменту для лиття під тиском. Залежно від сировини, слід вивчити конструкцію радіусів та бічного перекосу, ступінь усадки, проблеми викиду та відповідну конструкцію для підтримки вакууму.

Резюме

На сьогоднішній день ливарні та виробники комплектуючих мають спеціальні алюмінієві сплави для задоволення потреб виробництва автомобілів. Загальною особливістю цих ливарних матеріалів є те, що вміст заліза зводиться до мінімуму, а марганець додається до сплаву для зменшення схильності до залипання. Вони містять сплави (Ti, Sr), які вдосконалюють зерна та покращують морфологію евтектичної фази кремнію за видатні механічні властивості. Властивості міцності та в'язкості кінцевого продукту регулюються відповідно до стандартних систем та очікувань, як правило, шляхом термічної обробки. Термічна обробка вимагає належної технології виготовлення, у випадку виливки під тиском, лиття під вакуумом.

Зварювані з'єднання кузова Lamborghini

(Джерело: Р. Франке, Д. Драгулін, А. Зові, Ф. Касаротто - Прогрес у виробництві пластичних алюмінієвих сплавів під тиском під тиском для автомобільної промисловості, журнал La Metalurgie)

Завданням для виробників транспортних засобів у майбутньому є підвищення безпеки автомобіля та збереження їх досвіду водіння при одночасному зменшенні викидів. Очікується, що виробники будуть стикатися з дедалі більшою кількістю високоміцних сплавних виливків, тому варто підготуватися до їх використання, ознайомитися з їх властивостями та характеристиками лиття.

Петр Маркалек

Література

[1] Гревен, К., Цойнер, Т.: Високо напружені компоненти шасі з алюмінієвого лиття - індивідуально для кожного застосування, щорічний конгрес JSAE, 2011 (094-20115380)

[2] Журнал глобального лиття - Можливості зменшення викидів за допомогою виливків Structura, 2015/49. старий.

[3] Zovi, A., Casarotto, F: Silafont-36, Розробка та застосування низькозалізних ковких сплавів для лиття під тиском, La Metallurgia Italiana Magazin, 2007/06

[4] Франке, Р., Драгулін, Д., Зові, А., Касаротто, Ф.: Прогрес у виробництві пластичних алюмінієвих сплавів для лиття під тиском високого тиску для автомобільної промисловості. La Metallurgia Italiana Magazin, 2007/03

[5] Хартліб, М.: Алюмінієві сплави для структурного лиття під тиском, Інженерний журнал лиття під тиском, 2013/05