Aliaje de aluminiu de înaltă rezistență pentru industria auto

Producătorii de automobile folosesc din ce în ce mai multe aliaje speciale din aliaj de înaltă rezistență pentru a atinge obiectivele de emisii

Marți, 15 ianuarie 2019, ora 18:00

În prezent, producția de mașini se află într-o transformare majoră. În plus față de siguranță și fiabilitate, emisiile reduse și producția și utilizarea vehiculelor ecologice devin din ce în ce mai importante. În plus, fabricile de automobile anunță din ce în ce mai mult dezvoltarea de modele electrice și lansarea producției de masă în câțiva ani. Acest lucru încurajează producătorii de automobile să utilizeze cât mai multe piese metalice ușoare în vehiculele lor.

Cea mai mare provocare în ceea ce privește reducerea greutății și reducerea emisiilor este că reglementările și standardele UE trebuie să fie puse în aplicare în așa fel încât siguranța și manevrabilitatea mașinilor să nu se deterioreze și chiar mai bine pentru fiecare model nou decât pentru modelul degradat. . În ultimii 40 de ani, masa autoturismelor din aceeași categorie a crescut cu aproximativ 50% (Figura 1) datorită îmbunătățirilor de siguranță și confort încorporate în vehicule [1].

Figura 1: Creșterea masei vehiculului între 1960 și 2002 [1]

(Sursă: Greven, K., Zeuner, T.: Componente ale șasiului din aluminiu foarte solicitat - Personalizate pentru fiecare aplicație, congresul anual JSAE, 2011 [094-20115380] Pagina 1)

Bazele dezvoltării industriei auto

Există două moduri de a reduce emisiile auto. Prima metodă este ca producătorii să reducă deplasarea motoarelor, cealaltă soluție utilizată în practică este reducerea greutății totale a vehiculelor. Prin reducerea deplasării motorului (reducere), se pot realiza reduceri mai mari ale emisiilor decât prin reducerea greutății autovehiculelor. Conform unor studii, 60% din reducerea emisiilor totale pentru un anumit vehicul se datorează reducerii cilindrării motorului, în timp ce restul de 40% se datorează reducerii globale a masei [2]. Aceste două metode au fost utilizate în paralel de către producătorii de autoturisme, dar în prezent proiectarea motoarelor a atins o limită atât de mică încât deplasarea lor nu poate fi redusă în continuare, menținând în același timp puterea și dinamica de conducere. Producția de piese ale caroseriei, motoare și alte componente din oțel din aliaje ușoare oferă producătorilor auto oportunități suplimentare de a reduce greutatea și, astfel, de a reduce emisiile. Pentru a realiza acest lucru, este necesară instalarea componentelor metalice ușoare (în principal din aluminiu) și utilizarea crescândă a aliajelor de înaltă rezistență.

Așteptări pentru piesele din aliaj auto

Dar la ce se așteaptă producătorii de automobile atunci când înlocuiesc piesele de oțel până acum cu piese metalice ușoare? Dacă o componentă este supusă unei solicitări dinamice, aceasta trebuie să aibă o bună amortizare a vibrațiilor și absorbție de energie, să aibă o limită ridicată de oboseală, o alungire ridicată (A5 = 10-14%) și să fie deformabilă din punct de vedere plastic, de exemplu pentru fixare. Aliajul trebuie să fie rezistent la coroziune și sudabil. Din punct de vedere al tehnologiei de producție, aliajul trebuie să aibă caracteristici bune de umplere a formei și turnare, astfel încât să poată fi turnate componente de dimensiuni mari, cu geometrii complexe, și să nu existe o tendință ridicată de contracție. În plus, tratamentul termic îi poate modifica proprietățile mecanice pe o gamă largă. Aceste proprietăți și așteptări presupun deja că cele mai puține incluziuni de gaz rămân în turnare în timpul turnării, astfel încât să nu provoace vezicule și fisuri după tratamentul termic. Pe scurt, materia primă, împreună cu tehnologia de fabricație, formează baza pentru producerea pieselor din aliaj de înaltă rezistență.

De obicei, în cantități tot mai mari, următoarele componente din aliaj de înaltă rezistență sunt încorporate în caroseria și șasiul autovehiculelor: elemente laterale și transversale, suporturi ale motorului, turnuri de amortizare (Figura 2), elemente de joncțiune ale caroseriei, panouri de ușă, stâlp B.

Figura 3: Turnare turn turn de amortizor de șoc ușor [5]

(Sursa: Hartlieb, M.: Aliaje de aluminiu pentru turnare sub presiune structurală, Revista inginerului de turnare sub presiune, 2013/05, p. 40)

Rezistența ridicată și proprietățile mecanice excelente nu sunt posibile datorită aliajelor de aluminiu „tradiționale” (de exemplu: EN AC 4600, EN AC 47100 conform standardului UE) datorită conținutului lor de fier de aproximativ 1%. Deși conținutul de fier este benefic în reducerea aderenței și facilitează îndepărtarea turnării din matriță, acesta afectează negativ proprietățile mecanice, slăbește capacitatea portantă a piesei.

Prin urmare, mai mulți producători de materii prime și-au dezvoltat propria familie de aliaje de înaltă calitate în ultimele decenii. O caracteristică comună a acestor aliaje este că conținutul de fier a fost redus (de la 1% la 0,15%) pentru a crește proprietățile mecanice și că 0,5 până la 0,8% din mangan a fost adăugat pentru a menține problema aderenței. aliaj. Cantitatea de cupru a fost limitată la 0,03% și cantitatea de zinc la 0,1% dacă a fost necesară o rezistență ridicată la coroziune.

Dintre aliajele de înaltă calitate, se pot distinge trei grupe principale de aliaje:

Figura 3: Proprietăți mecanice ale aliajelor AlMg5Si2Mn în funcție de grosimea peretelui [4]

(Sursa: Franke, R., Dragulin, D., Zovi, A., Casarotto, F.

Al treilea grup include aliaje aparținând familiei AlSi (Mn), care se caracterizează printr-un conținut ridicat de 8-12% siliciu și 0,3-0,6% mangan, dar un conținut foarte mic de magneziu sub 0,1%. De asemenea, conține aliaje care îmbunătățesc proprietățile mecanice (de exemplu, stronțiu, titan). Acest grup include de ex. aliaje din compoziția AlSi9Mn sau AlSi9MnMoZr. Aceste aliaje sunt foarte bine sudabile, cu proprietăți mecanice bune.

Figura 4 este potrivită pentru compararea proprietăților de rezistență și rezistență disponibile atunci când se utilizează diferite aliaje „convenționale” (AlSi9Cu3, AlSi12) și de înaltă calitate (AlSi9MgMnSr, AlSi5Si2Mn, AlSi9MnMoZr) [5].

Figura 4: Clasarea printre aliajele de aluminiu pe baza proprietăților mecanice [4]

(Sursa: Franke, R., Dragulin, D., Zovi, A., Casarotto, F.: Progresul în aliajele de turnare sub presiune de aluminiu ductil de înaltă presiune pentru industria auto. Revista La Metallurgia Italiana, 2007/03, p. 19)

Aceste aliaje de înaltă calitate pot fi utilizate și utilizate în orice proces de turnare, fie că este vorba de turnare prin înclinare, turnare prin gravitate, turnare cu presiune scăzută sau contrapresiune, dar turnarea la presiune înaltă este cea mai comună metodă de producție, cu 70-75% din piese realizate . În plus față de productivitate, un alt avantaj al turnării sub presiune este că proprietățile mecanice ale pieselor turnate realizate din același material de bază pot fi variate pe o gamă largă în funcție de tipul de tratament termic aplicat (Figura 5).

Figura 5: Valori de rezistență și alungire ale unui aliaj AlSi10MnMg sub vid pentru o piesă turnată sub presiune după tratamentul termic T6 și T7 [1]

(Sursa: Greven, K., Zeuner, T.: Componente ale șasiului turnat din aluminiu foarte solicitat - Personalizate pentru fiecare aplicație, congresul anual JSAE, 2011 [094-20115380] Pagina 5)

Desigur, pentru a obține o piesă termosudabilă, sudabilă, este esențial ca turnarea să aibă loc sub vid, ceea ce necesită un nivel ridicat de tehnologie și disciplină de fabricație. În cazul turnării sub presiune obișnuite, în care cavitatea matriței este conectată la o supapă de vid printr-un sistem de aerisire, se poate obține o presiune de 0,4 bari în cavitatea matriței. Dar, în cazuri speciale, în care supapele de vid sunt conectate la cavitatea matriței din mai multe direcții sau în care, pe lângă cavitatea matriței, camera de umplere este, de asemenea, ventilată, se poate realiza un vid de până la 0,2-0,1 bari în cavitatea matriței.

Desigur, pe lângă fondul tehnologic și tehnic, acest lucru necesită și o construcție adecvată a sculei de turnare sub presiune. În funcție de materia primă, trebuie examinate proiectarea razelor și a înclinării laterale, gradul de contracție, problemele de ejecție și proiectarea adecvată pentru menținerea vidului.

rezumat

În prezent, turnătorii și producătorii de componente au disponibile aliaje speciale de aluminiu pentru a satisface nevoile producției de vehicule. O caracteristică comună a acestor materiale de turnătorie este că conținutul lor de fier a fost redus la minimum și manganul a fost adăugat la aliaj pentru a reduce tendința de lipire. Acestea conțin aliaje (Ti, Sr) care rafinează boabele și îmbunătățesc morfologia fazei de siliciu eutectic pentru proprietăți mecanice remarcabile. Proprietățile de rezistență și rezistență ale produsului final sunt ajustate în funcție de sistemele standard și de așteptări, de obicei prin tratament termic. Tratamentul termic necesită o tehnologie adecvată de fabricație, în cazul pieselor turnate sub presiune, turnării sub vid.

Îmbinări carosabile sudabile Lamborghini

(Sursa: R. Franke, D. Dragulin, A. Zovi, F. Casarotto - Progresul în aliajele de turnare sub presiune de aluminiu ductil de înaltă presiune pentru industria auto, revista La Metalurgie)

Provocarea viitorilor producători de vehicule este de a crește siguranța vehiculelor și de a le păstra experiența de conducere, reducând în același timp emisiile. Este de așteptat ca producătorii să întâmpine tot mai multe piese turnate din aliaj de înaltă rezistență, deci merită să vă pregătiți pentru utilizare, să cunoașteți proprietățile și caracteristicile lor de turnare.

Péter Marcalek

Literatură

[1] Greven, K., Zeuner, T.: Componente ale șasiului din aluminiu foarte solicitat - Personalizate pentru fiecare aplicație, congresul anual JSAE, 2011 (094-20115380)

[2] Revista Global Casting - Posibilități de reducere a emisiilor cu structura Castings, 2015/49. vechi.

[3] Zovi, A., Casarotto, F: Silafont-36, The Low Iron Ductile Alloy Casting Alloy Development and Applications, La Metallurgia Italiana Magazin, 2007/06

[4] Franke, R., Dragulin, D., Zovi, A., Casarotto, F. La Metallurgia Italiana Magazin, 2007/03

[5] Hartlieb, M.: Aliaje de aluminiu pentru turnare sub presiune structurală, Revistă inginer turnare, 2013/05