Нові галузі застосування конструкційних компонентів
У 1990-х роках Audi поставив важливий етап у галузі полегшеної конструкції з алюмінію першим A8 із конструкцією космічної рами. Вже тоді Райнфельден був партнером у розробці литих сплавів зі сплавом Silafont-36 (AlSi10MnMg), який зараз використовується як стандарт у кузовних роботах. Silafont-36 був першим сплавом, який дозволив застосовувати литий алюміній у компонентах, що відповідають аваріям. На додаток до мінімального рівня міцності, такі компоненти вимагають, зокрема, високого ступеня пластичності, раніше невідомого у виливках.
Зображення 1 Задній поздовжній елемент Audi A8 виготовлений з Castasil-37 (довжина 1,4 м, вага 10 кг). Зображення: сплави Рейнфельдена
На основі цього матеріалу використання алюмінієвого лиття під тиском для конструктивних деталей значно розширилося за останні роки виробниками автомобілів вдома та за кордоном. З боку матеріалів в даний час переслідуються дві основні цілі розвитку: Подальший прогрес у полегшеній конструкції завдяки алюмінієвим матеріалам та сплавам з більшою міцністю, які легко піддаються обробці та забезпечують надійний виробничий процес. У таблиці 1 представлені чотири нові матеріали, які сплави Рейнфельдена розробили з урахуванням цих цілей і які більш докладно описані нижче.
Таблиця 1 Хімічний склад нових розробок сплавів Рейнфельдена (дані для свиней, виливків частково ширші).
Кастасил-37
При розробці цього сплаву основна увага була зосереджена на бажанні простого та надійного виробничого процесу. При використанні сплаву Silafont-36 (AlSi10MnMg) необхідна двоступенева термічна обробка Т7, якщо потрібно дотримуватися вимог до компонентів, що відповідають аварії. Така термічна обробка вимагає не тільки додаткового етапу виготовлення, але також призводить до спотворення компонентів із бажаною товщиною тонкої стінки компонентів (2-3 мм), що, в свою чергу, робить необхідними роботи по випрямленню. Це робить виробничий процес складним і дорогим. Крім того, спектр ливарних цехів, які можуть надійно виготовляти такі великі структурні компоненти, помітно обмежений.
З цих причин було шукано матеріальне рішення, яке відповідало б вимогам до конструкційних компонентів без термічної обробки. В результаті сплав Кастасил-37 легко лити завдяки високому вмісту кремнію, а це означає, що можна виготовляти деталі великої площі з тонкими стінками зі складною геометрією. У разі технології з'єднання корисними є їхні хороші зварювальні та адгезійні властивості. Якщо використовується відповідна геометрія заклепки та штампу, то при серійному виробництві досягаються хороші результати клепання. Їх висока чистота призводить до хорошої корозійної стійкості. Прикладом застосування може служити бічний елемент Audi A8, який протягом декількох років виготовлявся із сплаву Кастасил-37 (AlSi9MnMoZr) (рис. 1, таблиця 2).
Таблиця 2 Механічні властивості
Кастадукт-42
Кастадукт-42 - одна з останніх розробок сплавів фірми Rheinfelden Alloys. Тут також метою був простий і надійний процес виготовлення литих конструкційних деталей з подальшими поліпшеними властивостями матеріалу. Простий хімічний склад відкриває нові можливості застосування. Високий вміст заліза призводить до дуже низької схильності до злипання, що полегшує лиття та збільшує термін служби цвілі. Особливо у випадку з алюмінієвими конструкційними компонентами, зусилля, обумовлені зносом цвілі, є важливим фактором витрат. Подібно до Castasil-37, для виконання вимог до компонентів, що відповідають аваріям, не потрібна термічна обробка. У таблиці 2 наведено механічні властивості литого стану. Депресія Еріхсена корелює з здатністю до розкльовування, характерне значення 3,6 мм при товщині стінки 3 мм є високим значенням (із значення 2,5 мм, як правило, дається згідність).
Сплав Кастадукт-42 був випробуваний на поперечині в ливарному заводі Fonderie 2a (Сантена, Італія). Порівняно зі сплавом, що використовується у серійному виробництві (Магсімаль-59, див. Наступний пункт), час розпилення та затвердіння можна значно скоротити, а це означає, що можна очікувати високої продуктивності та висновку про низький знос цвілі. У порівнянні зі сплавами AlSi сплав Кастадукт-42 має більшу усадку. Це потрібно враховувати при проектуванні компонента та ливарної форми. Крім того, низький вміст Si призводить до дуже хорошої анодабельності. Компоненти, виготовлені з Кастадукту-42, також можуть бути анодовані в хорошій оптичній якості чорним кольором, що навряд чи можливо з Si-містять сплавами Al. Корозійні випробування (міжкристалічна корозія та випробування сольовим розпиленням) показали кращу корозійну стійкість, ніж AlSi10MnMg.
Магсімаль-плюс
Інший сплав, розроблений компанією Rheinfelden Alloys, базується на Magsimal-59, який успішно використовується протягом 20 років (рис. 2).
Малюнок 2 Дверна рама та розпірний купол Porsche Panamera з Магсімаль-59 (довжина 1,1 м, вага 4,1 кг) Малюнок: сплави Рейнфельдена
Тут основна увага приділяється збільшенню міцності для подальшого вдосконалення легкої конструкції. За допомогою сплаву Магсімаль-плюс можна було досягти межі текучості між 230 і 240 МПа з 10% подовженням при розриві у великих деталях конструкційного лиття після термічної обробки Т5 (таблиця 2). Це означає майже подвоєння міцності порівняно із типовою межею текучості 120 МПа для структурних компонентів. Таким чином можна націлити на зменшення ваги компонента на 30%. Зменшення ваги такої величини призводить не тільки до бажаної економії ваги компонента, але також до меншого обсягу металу при закупівлі та в плавильному цеху ливарного цеху.
Сплав Магсімаль-плюс - це холоднотвердіючий сплав. Процес затвердіння можна скоротити за допомогою одноетапної термічної обробки Т5. Крім того, регулювання температури в процесі лиття впливає на властивості матеріалу. Це вимагає вищого рівня технічних ноу-хау у виробництві конструкційних компонентів, ніж для сплаву типу Силафонт-36 (AlSi10MnMg). Процес клепки сплаву вимагає коригувань через високу міцність. Потім заклепки можна вставити без тріщин на великі конструктивні деталі, виготовлені з Magsimal-plus. Випробування на корозію (ІС та випробування сольовим розпиленням) виявилися значно кращими, ніж зі сплавом Силафонт-36 (AlSi10MnMg). Залежно від застосування, заходи захисту від корозії можуть бути непотрібними.
Силафонт-38
Сплав Silafont-38 вперше був представлений на Єврогусі 2016. Метою цієї розробки була полегшена конструкція за рахунок збільшення міцності матеріалу, з особливою метою досягнення межі текучості більше 180 МПа. Властивості матеріалу, наведені в таблиці 2, були досягнуті для структурних компонентів на заводах для лиття під тиском вагою до 11 кг та довжиною потоку до 1 м. Спосіб термічної обробки відіграє вирішальну роль. Слід досягти хорошого компромісу між необхідними параметрами матеріалу та спотворенням компонентів, при цьому, крім температур та часу відпалу, важливим є загартування повітря після відпалу. Подібно сплаву Magsimal-plus, здатність до клепання дещо обмежена через більшу міцність. За допомогою відповідного процесу клепки компоненти можна з’єднати без тріщин. Зварюваність, як правило, залежить не тільки від самого процесу зварювання, але також значною мірою від процесу лиття, використання засобів, що виділяють цвіль, та евакуації ливарної форми. Якщо тут вжити необхідних заходів, можна добре зварити Сілафонт-38, використовуючи процес МІГ.
Висновок
Останні розробки матеріалів із сплавів Рейнфельдена дозволяють розширити використання лиття під тиском алюмінію в конструкційних компонентах. За допомогою цих матеріалів можна досягти таких цілей, як подальше вдосконалення полегшеної конструкції за рахунок збільшення міцності сплаву або простого, міцного виробництва конструкційних деталей. Кастасил-37 (AlSi9MnMoZr) - це сплав, який вже кілька років випробовується і випробовується у серійному виробництві, і, зокрема, робить термічну обробку Т6 непотрібною. Нещодавно розроблений Кастадукт-42 (AlMg4Fe2) забезпечує додаткове спрощення процесу лиття, кращі властивості матеріалу та клепок, а також високу корозійну стійкість. Сплав Magsimal-plus (AlMg6Si2MnZr) можна розглядати як високотехнологічний сплав для конструкційних компонентів. Їх висока міцність (Rp0,2 до 230–240 МПа) у поєднанні з хорошою пластичністю встановлюють нові стандарти у легкій конструкції з литим алюмінієм. За допомогою сплаву Silafont-38 (AlSi10MnMgZn) можливі більш високі показники міцності (Rp0,2 до 180-200 МПа), ніж із Silafont-36 (AlSi10MnMg), який зараз є стандартом.