Обзор статьи - Нетеплообработанные литые алюминиевые сплавы для автомобильных конструкционных деталей

1 Введение

Коммерческое применение литья под давлением из алюминиевого сплава можно проследить с 1915 года. После столетия развития более половины отливок из алюминиевых сплавов в настоящее время используют процесс литья под давлением. В 1990-х годах типичным примером была полностью алюминиевая рама кузова Audi A8, в которой в ключевых соединениях кузова использовались детали из литого под давлением алюминиевого сплава. Он обладает хорошей прочностью и при этом сохраняет хорошую прочность. Поэтому, по сравнению с традиционными деталями, полученными литьем под давлением, такие детали, полученные литьем под давлением, используют процесс литья под давлением в высоком вакууме для уменьшения дефектов пористости деталей, полученных литьем под давлением, а с другой стороны, используют высокопрочный и прочный алюминиевый сплав, полученный литьем под давлением, для получения превосходных комплексных механических свойств.

Долгое время широко используемым литьевым алюминиевым сплавом для корпусных конструкционных деталей методом вакуумного литья под давлением является сплав AlSi10MnMg. Характеристики этого сплава заключаются в контроле низкого содержания Fe и в то же время увеличении содержания Mn для решения проблемы прилипания. Низкое отношение Fe/Mn образует путем осаждения фазу α-Al(Fe, Mn)Si в виде китайского символа, звезды или полиэдра. Осаждение хлопьевидной фазы β-AlFeSi предотвращается, что обеспечивает хорошую прочность. Поскольку алюминиевый сплав, получаемый методом термообработки методом литья под давлением, обладает различными механическими свойствами, соответствие прочности и вязкости может быть получено путем регулирования содержания элемента Mg и системы термообработки. Например, вакуумная литая ударная башня и торсионная коробка определенной модели транспортного средства имеют содержание Mg 0,25-0,35% в сочетании с термообработкой Т7, предел текучести ≥ 120 МПа, предел прочности ≥ 180 МПа и удлинение после разрушения ≥ 10%, требования к характеристикам чрезвычайно острого угла холодного изгиба ≥60°, соответствуют требованиям процесса соединения самопроникающей заклепкой (SPR) и показателям безопасности при столкновении.

Однако с быстрым развитием новых энергетических транспортных средств автомобильные конструктивные детали стремительно развиваются в направлении интегрированного, легкого и высокоэффективного проектирования и производства, например, цельные дверные молотки с горячей штамповкой, цельный литой корпус, цельный литой подрамник и т. д. Для автомобильных конструктивных деталей, изготовленных методом вакуумного литья под давлением, Процесс термической обработки сплава AlSi10MnMg приведет к проблемам деформации и образования пузырей на поверхности литьевых деталей, особенно при постоянном увеличении литьевых деталей, что значительно увеличит сложность последующего формования и процент брака. Таким образом, с одной стороны, нетермообработанные литые алюминиевые сплавы можно использовать непосредственно в литом состоянии, чтобы избежать вышеуказанных проблем, а с другой стороны, это также может снизить стоимость изготовления деталей. В последние годы его разработка и применение постепенно стали предметом исследований. В настоящее время исследования нетермообработанных литьевых алюминиевых сплавов для деталей автомобильных конструкций в основном сосредоточены на двух категориях: серии Al-Si и серии Al-Mg. В настоящем исследовании основное внимание уделяется прогрессу в исследовании этих двух типов сплавов для литья под давлением.

2. Сплавы серии Al-Si, не подвергнутые термической обработке и литью под давлением

В таблице 2 приведены некоторые названия сплавов и их химический состав для нетермообработанных литых под давлением конструкционных деталей. С точки зрения содержания Si его можно разделить на две категории: высокое содержание кремния и низкое содержание кремния. По сравнению со сплавами для литья под давлением для термической обработки содержание Mg значительно ниже и даже не требует Mg. Кроме того, такие сплавы по-прежнему обладают общими характеристиками высокопрочных и ударных сплавов для литья под давлением, то есть низким содержанием Fe, высоким содержанием Mn, добавлением элемента Sr для модификации эвтектического кремния и т. д.

Сплав Castasil 37, или AlSi9MnMoZr, представляет собой нетермообрабатываемый литейный сплав, разработанный компанией Rheinfeld. Сплав не содержит Mg, поэтому не оказывает эффекта упрочнения при старении, а для дисперсионного упрочнения добавляются Mo и Zr. Содержание Si в сплаве близко к содержанию Si в сплаве AlSi10MnMg, поэтому скорость усадки в основном одинакова. Если содержание Mg в сплаве различно, это окажет определенное влияние на предел текучести и удлинение после разрушения литейного материала. Поэтому следует уделять внимание контролю содержания Mg в производстве. Механические свойства сплавов и влияние различного содержания Mg показаны в таблице 3. Однако, согласно исследованиям компании Rheinfeld, увеличение содержания элемента Mg повлияет на термическую стабильность механических свойств отливки в литом виде, а это означает, что предел текучести будет постепенно увеличиваться в процессе эксплуатации в условиях определенной температуры. Поэтому Castasil 37 ограничит содержание элемента Mg до верхнего предела. Определяется как 0,06%.

Сплав Aural 6, или 375.0, представляет собой нетермообрабатываемый литой сплав, разработанный корпорацией Magna. Химический состав сплава очень похож на вышеупомянутый Castasil 37, но в сплав не добавляются Mo и Zr, а содержится небольшое количество Mg для получения определенного упрочняющего эффекта. Поэтому в сочетании с анализом влияния содержания элемента Mg на свойства Castasil 37 следует также обратить внимание на термическую стабильность механических свойств отливки из этого сплава.

Сплав C611 — это нетермообработанный литой сплав, разработанный компанией Alcoa. Содержание Si в этом сплаве относительно низкое, поскольку термообработка на твердый раствор может улучшить морфологию эвтектического кремния, а более высокое содержание Si обычно допускается для получения хорошей прочности. Однако более 8% Si в литом состоянии использовать нельзя. Прочность отливки дополнительно повышается, но удлинение после разрушения уменьшается, поэтому для нетермообработанных сплавов более целесообразно использовать меньшее содержание Si. Сплав содержит определенное количество Mg, что означает, что сплав не является нетермообработанным материалом в строгом смысле этого слова. Термическая обработка Т5 или Т85 (обработка покрытием и выпечкой) для литья сплава может дополнительно улучшить предел текучести, как показано в Таблице 4. Показывать.

Сплав Aural 5, или 374, представляет собой нетермообрабатываемый литой сплав, разработанный корпорацией Magna. Сплав в основном такой же, как и у вышеуказанного C611. Рэндольф Скотт Билс разработал и изучил конструктивные идеи и механические свойства сплава, описанного в патенте, а также провел подробное сравнение со сплавом C611. По сравнению со сплавом Aural2 для литья под давлением для термообработки, сплав нейтрализует процесс твердого раствора, формования и старения, что может снизить стоимость производства. Хорошая пластичность и естественная стабильность сплава при старении после литья и перед обжигом покрытия могут соответствовать требованиям к соединению SPR конструктивных деталей корпуса, как показано в Таблице 4. В то же время сплав аналогичен C611, прочность будет дополнительно улучшена после нанесения покрытия и обжига, а также он может соответствовать требованиям к термостойкости в течение короткого цикла 1 ч при 205℃ и требованиям к термостойкости в течение длительного периода 1000 ч при 150℃.

Впервые Tesla использовала литейную установку большой грузоподъемностью 6000 тонн для изготовления интегрированной литой задней нижней части кузова из алюминиевого сплава на своей модели Model Y. Высокоинтегрированная и инновационная конструкция этой детали также предъявляет более высокие требования к нетермообработанным литейным сплавам. В патенте Стаки Джейсон представил процесс разработки нового сплава. Первое — это требования к прочности и вязкости материала. Предел текучести и предельный угол холодного изгиба целевого сплава в литом состоянии должны быть больше 135 МПа и 24° соответственно, чтобы соответствовать эксплуатационным требованиям отливки. В то же время из-за огромных размеров отливки сплав также должен обладать отличными текучими свойствами. Исследование показало, что в условиях литья под давлением, когда содержание Si составляет более 6%, дальнейшее увеличение содержания Si не приведет к значительному улучшению текучести, но увеличит содержание эвтектической фазы кремния и повлияет на прочность сплава. Таким образом, сплав одновременно контролирует содержание Si. Соответствует требованиям текучести и прочности. Обычно добавление элемента Cu может повысить прочность, но снизить пластичность и вязкость. Контролируя соотношение Cu/Mg для облегчения осаждения фазы AlCuMgSi для замены фаз Mg2Si и Al2Cu, можно повысить прочность, не вызывая значительного снижения пластичности и вязкости. Кроме того, в сплав добавляется элемент Sr для модификации фазы Si, а элемент V добавляется для выделения сферической фазы AlFeSi(Mn+V), что уменьшает образование хлопьевидной фазы, богатой железом, что способствует повышению прочности материала. Более высокое содержание примесей Fe допускается.

3. Сплавы серии Al-Mg, не подвергнутые термической обработке и литью под давлением

В таблице 5 приведен химический состав некоторых нетермообработанных литейных сплавов серии Al-Mg, из которых некоторые элементы в некоторых новых литейных сплавах не раскрыты, а элементы в соответствующих позициях таблицы пусты. Видно, что его можно подразделить на Al-Mg-Mn, Al-Mg-Si-Mn, Al-Mg-Fe, Al-Mg-Mn-Cu и другие типы.

Сплав C446F, или 560, представляет собой нетермообрабатываемый литейный сплав на основе Al-Mg, разработанный ранее компанией Alcoa. Этот сплав использовался во внутренней панели двери Nissan GT-R. Толщина стенки детали составляет около 2-3 мм, а вес одной двери можно уменьшить на 5,5 кг. Сплав обладает превосходными механическими свойствами. Однако из-за широкого диапазона температур затвердевания тенденция к образованию горячих трещин при литье под давлением очень высока. Поэтому это не очень хороший выбор для сложных деталей, особенно деталей с очевидными изменениями толщины материала. Хороший выбор. На рисунке 1а показано изменение содержания жидкой фазы сплава Al-3,6Mg-1,2Mn-0,12Fe в процессе охлаждения, рассчитанное с помощью программного обеспечения JmatPro, при котором температура ликвидуса составляет 642,93 °С, температура солидуса — 450 °С, а диапазон температур затвердевания — 193 °С.

Сплав A152/A153 — это новый тип литьевого сплава, разработанный компанией Alcoa на основе вышеупомянутого сплава C446F для улучшения характеристик горячего растрескивания. Добавляя в сплав соответствующую долю элемента Si, можно значительно сократить диапазон температур затвердевания сплава, как показано на рисунке 1б. Добавление 1,3% Si снижает диапазон температур затвердевания до 43 °C, тем самым значительно снижая восприимчивость к образованию горячих трещин. Сплав был разработан с использованием метода расчета материалов, при этом были сравнены и оптимизированы коэффициенты чувствительности сплавов с различным составом к образованию горячих трещин, а для экспериментальной проверки использовался индекс склонности к образованию горячих трещин. Для сплавов содержание Si 1,2–1,6% может значительно решить проблему горячего растрескивания, как показано на рисунке 2. Сплав делится на две марки: сплав А152 с низким содержанием Mg и сплав А153 с высоким содержанием Mg. Среди них А152 может достигать предела текучести 150 МПа и предела прочности на разрыв 265 МПа и удлинения после разрушения 11%. , предел прочности на разрыв составляет 280 МПа, а механические свойства удлинения после разрушения составляют 9%.

Сплав Magsimal 59, или AlMg5Si2Mn, представляет собой нетермообрабатываемый литейный сплав, разработанный компанией Rheinfeld. Помимо улучшения свойств сплава при горячем растрескивании, упомянутого выше, добавление элемента Si также может улучшить текучесть в процессе литья, но Geof-frey видит, что сплав по-прежнему трудно отливать, исходя из реального опыта, поэтому его трудно отливать в Северной Америке и других странах. В Китае его применение невелико, и он используется только на некоторых заводах по литью под давлением в Европе. Кроме того, поскольку механические свойства сплава тесно связаны со скоростью затвердевания, то есть расстоянием между α-дендритами, толщина стенки оказывает большее влияние на механические свойства, как показано в таблице 6.

Сплав SJTU-Al-Mg-Si-Mn — нетермообработанный литейный сплав, разработанный Шанхайским университетом Цзяотун. Его цель — повысить предел текучести материала, сохранив при этом его хорошую прочность. Для сплава Al-Mg-Si-Mn с увеличением содержания Mg предел текучести материала увеличивается, а предел усталости увеличивается, но удлинение значительно уменьшается. Поэтому при увеличении содержания элементов Mg и Si и регулировании относительного соотношения для улучшения структуры были добавлены сплавы Ti, Zr и V, а также введена модификация композита Re/Ca для измельчения эвтектического кремния с получением предела текучести >180 МПа, удлинения и механических свойств >10%. Аналогичным образом сплав SJ-TU-Al-Mg-Cu-Mn был упрочнен путем введения элемента Cu, а редкоземельные элементы Y, Er, Ce были введены для измельчения фазы Al2CuMg, предела текучести > 180 МПа, предела прочности на растяжение > 320 МПа, удлинения ＞8%, комплексных механических свойств высокой прочности и высокой вязкости.

Сплав Castaduct 42, или AlMg4Fe2, представляет собой новый тип нетермообработанного литейного сплава, разработанный компанией Rheinfeld. В отличие от вышеупомянутого сплава Al-Mg-Mn, этот сплав представляет собой новую композиционную систему Al-Mg-Fe, разработанную на основе эвтектической системы Al-Fe, и его высокое содержание Fe позволяет избежать проблемы прилипания формы во время литья под давлением, но в то же время это также приводит к тому, что элемент Si становится примесным элементом, который необходимо строго ограничить. Однако этот сплав имеет большое сходство с предыдущим C446F, т.е. высокие композиционные характеристики Mn или Fe, низкие характеристики Si, поэтому его литейные свойства еще предстоит проверить. Сплав обладает умеренной прочностью и хорошей пластической вязкостью в литом состоянии, что позволяет удовлетворить требованиям к клепке и ударопрочности деталей. Механические свойства приведены в таблице 7. Стоит также отметить, что химический состав этого сплава очень похож на деформируемые алюминиевые сплавы серии 5XXX, обычно используемые при штамповке корпусных деталей конструкций, такие как сплав 5182 (AlMg4.5Mn0.4), а разработка состава сплава с высоким содержанием Fe позволяет относительно легко реализовать переработку таких отходов алюминия, сократить долю используемого электролитического алюминия А00, и, таким образом, значительно сократить выбросы углерода конструктивными деталями кузова из алюминиевого сплава.

4 Заключение

В связи с растущим спросом на энергосбережение и сокращение выбросов в автомобилях скорость проникновения вакуумного литья алюминиевых сплавов в ключевые конструктивные детали автомобилей продолжает расти благодаря их интеграции, легкости, хорошей прочности и вязкости. Однако с постоянным повышением степени интеграции деталей, отлитых под давлением, особенно с учетом концепции и применения интегрированной технологии формования кузова Tesla, традиционный сплав AlSi10MnMg не может удовлетворить спрос из-за необходимости термической обработки, поэтому исследования новых нетермообработанных алюминиевых сплавов, отлитых под давлением, постоянно продвигаются. Что касается применения, то текущие соответствующие исследования и примеры применения в основном сосредоточены в двух категориях: система Al-Si и система Al-Mg.

Для предприятий автомобильной промышленности литье под давлением алюминиевых сплавов для деталей автомобильных конструкций отличается от традиционного литья под давлением. Процесс соединения в процессе производства и эксплуатационные характеристики транспортного средства в процессе эксплуатации предъявляют более высокие требования к комплексным механическим свойствам отливок под давлением, особенно к прочности. Современные сплавы Al-Si и Al-Mg обычно обладают характеристиками умеренной прочности и вязкости. В связи с постоянным совершенствованием требований к интеграции и облегчению конструкции литых под давлением конструкционных деталей из алюминиевых сплавов разработка новых литых под давлением сплавов должна развиваться в направлении повышения прочности и/или вязкости, обеспечивая при этом хорошую текучесть и литейные свойства.

Для предприятий по переработке алюминия, из-за низкого содержания железа, литьевые алюминиевые сплавы для автомобильных конструкционных деталей, даже при добавлении элементов с высоким содержанием марганца, все равно серьезно разрушаются до формы, а срок службы формы значительно сокращается по сравнению с традиционными литьевыми деталями, что приводит к Очевидно, что себестоимость производства автомобильных литьевых конструкционных деталей высока, особенно с постоянным увеличением размеров деталей, отлитых под давлением, проблема, с которой сталкивается пресс-форма, становится все более серьезной. В то же время литейные сплавы с низким содержанием железа необходимо изготавливать из чистых алюминиевых слитков, а стоимость сырья и выбросы углерода значительно выше, чем у традиционных литейных деталей. Поэтому для содействия регенерации необходимы исследования и разработки новых высокопрочных и прочных литейных сплавов с более высокой толерантностью к элементам Fe. Применение алюминиевых сплавов в конструкционных деталях автомобилей, отлитых под давлением, не только выгодно для контроля затрат на детали, но и значительно снижает выбросы углекислого газа на этапе приобретения сырья, тем самым значительно повышая конкурентоспособность продукции.