Перспективные сплавы для изготовления автомобильных колес методом литья под низким давлением

В настоящее время автомобильные колеса изготавливают из следующих сплавов:

• • сталь, из которой получают недорогие стоковые колеса;
• • алюминиевые сплавы, используемые для изготовления легкосплавных колес;

• • магниевые сплавы, применяемые прежде всего для колес гоночных автомобилей;
• • другие сплавы, которые также используются для изготовления легких и прочных колес [24].

Достоинствами стальных колес являются:

• • низкая стоимость;
• • пластичность, позволяющая стальным колесам при их ударе деформироваться, причем в определенной степени сохраняется геометрия колеса и есть вероятность, что шина не разгерметизируется;
• • возможность восстановления стальных колес после повреждений, стандартное замятие ободьев колес может быть устранено прокаткой.

К недостаткам стальных колес можно отнести низкую коррозионную стойкость стали, поэтому такие колеса приходится защищать специальными покрытиями. По сравнению с колесами, полученными из других сплавов, стальные колеса имеют довольно большой вес, уменьшение которого влечет за собой снижение прочностных характеристик всего колеса [14].

Колеса из магния очень легкие и достаточно прочные. Из-за сложности в обработке и реакции на высокие температуры процесс производства колес из магния требует большого профессионализма и применения первоклассного оборудования. Потому магниевые сплавы используются только при производстве колес для категорий racing и supercar [24, 25].

В автомобильной промышленности используют сплавы алюминия с кремнием, магнием, марганцем и рядом других элементов. Их достоинствами являются малый вес и прочность, они имеют более высокие, чем сталь, теплопроводность, электропроводность и коррозионную стойкость [17].

В работе [25] отмечено, что наибольшее распространение получили следующие алюминиевые сплавы:

• • AlSi7 - сплав из алюминия и кремния, используется при производстве колес OEM и Aftermarket. Этот сплав хорошо переносит термическую обработку и на 20 % лучше выдерживает механические нагрузки, что делает его наиболее популярным.
• • AlSilO/11 - сплав из алюминия и кремния, наиболее широко используется при производстве колес Aftermarket. Он почти не применяется при производстве OEM, так как по сравнению с AlSi7 хуже поддается термической обработке и менее устойчив к нагрузкам и механическому сопротивлению в целом.

Развитие автомобильной индустрии направлено на постепенное уменьшение доли стали за счет освоения высокопрочных конструкционных алюминиевых и магниевых сплавов, а также пеносплавов и композиционных материалов (в том числе многослойных) на основе алюминия и магния [26, 27].

Однако следует учитывать ряд объективных факторов, тормозящих широкое применение алюминиевых сплавов:

• • массовый экспорт алюминия и его сплавов за рубеж;
• • нехватка конструкторских разработок по замене черных сплавов на алюминиевые сплавы;
• • технологические проблемы в достижении требуемых свойств (прочности, жаропрочности, свариваемости и др.) деталей из алюминиевых сплавов.

Особо следует выделить проблему получения алюминиевых сплавов из ломов, так называемых вторичных сплавов.

Выделим некоторые проблемы в технологиях алюминиевого литья на примере ОАО «АвтоВАЗ» (табл. 1.1).

Конечный результат такого неудовлетворительного состояния технологий конструирования отливок, плавки, литья и контроля качества - это получение излишне тяжелых отливок; большие потери металла от брака; невысокий выход годного; получение дорогостоящих отливок и невысокие механические свойства сплавов в деталях.

Таблица 1.1

Проблемы в технологиях алюминиевого литья на примере ОАО «АвтоВАЗ» [27]

Для выхода из такого сложного положения требуется инновационное комплексное решение проблемы.

Анализ ситуации в области алюминиевого литья на ООО «КиК (и других автозаводах России) позволяет сформулировать некоторые перспективные направления работ:

• 1. Выполнение комплекса исследований, направленных на повышение качества чушковых вторичных сплавов на предприятиях-поставщиках. Следует пересмотреть и ужесточить требования к сплавам относительно интервалов (пределов) содержания легирующих элементов и примесей; содержания водорода и неметаллических включений; параметров структуры и уровня механических свойств; увеличения доли вторичных сплавов в производстве отливок до 40-60 %; использования явления структурной наследственности; определения оптимальных составов шихты для каждой марки сплава.
• 2. Использование современных способов подготовки шихтовых металлов и качественной обработки расплавов. Особое внимание следует обратить на приоритетные технологии, которые позволяют решать в комплексе многие задачи. Крайне эффективны мелкокристаллические модификаторы, полученные по специальным технологиям из переплавов обрабатываемых сплавов и лигатур. Перспективны физико-механические способы обработки расплавов: ультразвуковая, магнитно-импульсная, температурно-временная, фильтрационная и др.
• 3. Повышение прочности и уменьшение массы отливок за счет применения более современных специальных способов литья (литье под давлением (ЛПД) с вакуумированием и с подпрессовкой, ЛНД с разными вариантами противодавления, рео- и тиксолитье, вытягивание из расплава) и компьютерных программ (САПР «Отливка», «Полигон», LVM Flow и др.).
• 4. Организация жесткого и непрерывного контроля структуры и физических, механических и литейных свойств сплавов в жидком и твердом состояниях и качества отливок [27].

Затраты на изготовление отливок могут быть заметно снижены за счет применения при приготовлении сплавов более дешевых шихтовых материалов. Однако в этом случае обязательно тщательное рафинирование расплавов от водорода, металлических примесей и неметаллических включений (НМВ). Конкурентность вторичных сплавов на рынке металла заметно выросла, что обусловлено не только их меньшей стоимостью, но и широким использованием при их производстве технологий комплексной переработки исходного сырья и внепечной рафинирующей и модифицирующей обработки расплавов [27, 28].

Следует отметить, что нет стандартных решений по химическому составу вторичных сплавов, которые могли бы по свойствам быть в полной мере аналогами первичных, ранее применяемых на этих заводах. Часто неприемлем и переход на сплавы, заимствованные из стандартов других стран. Простой, легкой замены первичного сплава вторичным, как правило, сделать не удается. Исследованиями доказано, что сплавы, соответствующие ГОСТ 1583-93 по химического составу и свойствам, приготовленные из первичных металлов, и сплавы из отходов (лома, возврата собственного производства, стружки, шлака, сливов, бракованных деталей и отливок) часто существенно различаются по структуре и технологическим свойствам. В связи с этим для адаптации вторичного сплава к конкретным условиям изготовления отливки и требованиям, предъявляемым к ней конструкторской документацией, нужны всесторонние исследования его структуры и свойств [27].

При использовании низкосортной шихты для изготовления деталей автомобилей технологии плавки и литья алюминиевых сплавов должны адаптироваться к конкретным производственным условиям и требованиям, предъявляемым к детали (отливке) конструкторской документацией [29].

Это можно объяснить тем, что использование повышенного количества низкосортной шихты при выплавке алюминиевых литейных сплавов значительно снижает их свойства: способствует насыщению газами, неметаллическими включениями, приводит к неизбежному накоплению нежелательных примесей, в том числе и железа, образующего с компонентами сплавов сложные интерметаллические соединения, которые приводят к снижению пластичности и коррозионной стойкости, ухудшению обработки отливок резанием [30, 31].

В России требования, предъявляемые к колесам из легких сплавов, изложены в ГОСТ Р 50511-93 «Колеса из легких сплавов для пневматических шин». Общие технические требования». В соответствии с этим ГОСТом механические свойства материалов колес должны соответствовать требованиям, приведенным в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Механические свойства материалов колес [32]

Как следует из табл. 1.2, сплав для изготовления литых автомобильных колес должен иметь высокий уровень механических свойств: прочности, пластичности и твердости.

Помимо хороших механических и эксплуатационных свойств сплав должен иметь высокие технологические свойства: хорошую жидкотекучесть, малую склонность к образованию горячих трещин. Сплав должен иметь небольшую усадку, предпочтительнее в виде усадочной пористости [111].