A szerkezeti elemek új alkalmazási területei
Az 1990-es években az Audi mérföldkövet állított fel az alumíniummal készült könnyű kivitelezés terén, az első A8-as űrkeret-konstrukcióval. Már akkor Rheinfelden partner volt az öntött ötvözetek fejlesztésében a Silafont-36 ötvözet (AlSi10MnMg) ötvözetével, amelyet ma már standardként használnak a karosszériában. A Silafont-36 volt az első ötvözet, amely lehetővé tette az öntött alumínium alkalmazását az ütközés szempontjából releváns alkatrészekben. A minimális szilárdsági szint mellett az ilyen alkatrészek különösen nagy öntési képességet igényelnek, amely korábban nem volt ismert az öntvényekben.
1. kép Az Audi A8 hátsó hosszanti tagja Castasil-37-ből (hossza 1,4 m, súlya 10 kg). Kép: Rheinfelden ötvözetek
Ezen anyag alapján az alumínium öntvény szerkezeti alkatrészekhez történő felhasználása az utóbbi években jelentősen kibővült a hazai és külföldi autógyártók részéről. Az anyagok oldalán két fő fejlesztési célt követnek jelenleg: A könnyűszerkezetes építés további előrelépése a nagyobb szilárdságú alumínium anyagok és ötvözetek révén, amelyek könnyen feldolgozhatók és lehetővé teszik a robusztus gyártási folyamatot. Az 1. táblázat négy új anyagot mutat be, amelyeket a Rheinfelden ötvözetek e célok figyelembevételével fejlesztettek ki, és amelyeket az alábbiakban részletesebben leírunk.
1. táblázat A Rheinfelden ötvözetek új fejlesztéseinek kémiai összetétele (sertésekre, öntvényekre vonatkozó adatok részben szélesebbek).
Castasil-37
Az ötvözet kifejlesztésekor a hangsúly az egyszerű és robusztus gyártási folyamat vágyára összpontosult. A Silafont-36 ötvözet (AlSi10MnMg) használatakor kétlépcsős T7 hőkezelésre van szükség, ha teljesíteni kívánják az ütközés szempontjából releváns alkatrészek követelményeit. Az ilyen hőkezelés nemcsak további gyártási lépést igényel, hanem az alkatrészek kívánt vékony falvastagságával (2-3 mm) is az alkatrészek torzulásához vezet, ami viszont szükségessé teszi az egyengetési munkát. Ez bonyolulttá és drágává teszi a gyártási folyamatot. Ezenkívül észrevehetően korlátozott az öntödék spektruma, amelyek megbízhatóan képesek előállítani az ilyen nagy területű szerkezeti alkatrészeket.
Ezen okokból olyan anyagmegoldást kerestek, amely hőkezelés nélkül megfelel a szerkezeti alkatrészek követelményeinek. Az eredmény, a Castasil-37 ötvözet a magas szilíciumtartalmának köszönhetően könnyen önthető, ami azt jelenti, hogy nagy felületű, vékony falú, összetett geometriájú alkatrészek készülhetnek. A csatlakozási technológia esetében jó hegesztési és tapadási tulajdonságaik hasznosak. Megfelelő szegecs- és szerszámgeometria alkalmazása esetén jó szegecselési eredmény érhető el a sorozatgyártásban. Nagy tisztaságuk jó korrózióállósághoz vezet. Alkalmazási példa az Audi A8 oldalsó tagja, amelyet évek óta a Castasil-37 ötvözetből (AlSi9MnMoZr) gyártanak (1. ábra, 2. táblázat).
2. táblázat Mechanikai tulajdonságok
Castaduct-42
A Castaduct-42 a Rheinfelden Alloys legújabb ötvözetfejlesztéseinek egyike. Itt is a cél egy egyszerű és robusztus gyártási folyamat volt a fröccsöntött szerkezeti elemek további javított anyagtulajdonságokkal. Az egyszerű kémiai összetétel új alkalmazási lehetőségeket nyit meg. A magas vastartalom nagyon alacsony tapadási hajlamhoz vezet, ami megkönnyíti az önthetőséget és növeli a penész élettartamát. Különösen az alumínium szerkezeti elemek esetében a penész kopása miatti erőfeszítés fontos költségtényező. A Castasil-37-hez hasonlóan nincs szükség hőkezelésre, hogy megfeleljen az ütközés szempontjából releváns alkatrészek követelményeinek. A 2. táblázat az öntött állapot mechanikai tulajdonságait mutatja. Az Erichsen-mélyedés korrelál a szegecselhetőséggel, a 3,6 mm-es jellemző érték 3 mm-es falvastagsággal nagy érték (2,5 mm-es értéktől a szegecelhetőség általában megadva).
A Castaduct-42 ötvözetet keresztfán tesztelték a Fonderie 2a öntödében (Santena, Olaszország). A sorozatgyártásban használt ötvözethez (Magsimal-59, lásd a következő pontot) képest a permetezési és megszilárdulási idő jelentősen lerövidülhet, ami azt jelenti, hogy magas termelékenységre lehet számítani, és alacsony penészkopásra lehet következtetni. Az AlSi ötvözetekhez képest a Castaduct-42 ötvözetnek nagyobb a zsugorodása. Ezt az alkatrész és az öntőforma tervezésénél figyelembe kell venni. Ezenkívül az alacsony Si-tartalom nagyon jó eloxálhatósághoz vezet. A Castaduct-42-ből készült alkatrészeket szintén jó optikai minőségben lehet eloxálni, ami Si-tartalmú Al-ötvözetekkel aligha lehetséges. Korróziós tesztek (szemcsék közötti korrózió és sóporlasztási teszt) jobb korrózióállóságot mutattak, mint az AlSi10MnMg.
Magsimal-plus
A Rheinfelden Alloys által kifejlesztett másik ötvözet a 20 éve sikeresen használt Magsimal-59 alapú (2. ábra).
2. kép A Porsche Panamera Magsimal-59-ből készült ajtókerete és támasztókupolája (hossza 1,1 m, súlya 4,1 kg) Fotó: Rheinfelden Alloys
Itt a hangsúly a szilárdság növelésére összpontosít annak érdekében, hogy tovább könnyítsék a könnyű konstrukciót. A Magsimal-plus ötvözet segítségével a T5 hőkezelést követően nagy szerkezeti öntött alkatrészekben 10 és 22% -os szakadási nyúlás mellett 10% szakadási nyúlást lehetett elérni (2. táblázat). Ez azt jelenti, hogy a szilárdság csaknem megkétszereződik a szerkezeti elemek tipikus 120 MPa folyáshatárához képest. Ily módon a komponensek tömegének 30% -os csökkentését lehet elérni. Az ilyen nagyságrendű súlycsökkenés nemcsak a kívánt tömegmegtakarítást eredményezi az alkatrészben, hanem alacsonyabb fémmennyiséget is eredményez a beszerzésben és az öntöde olvasztóüzemében.
A Magsimal-plus ötvözet hidegen edző ötvözet. A kikeményedési folyamat rövidíthető egylépéses T5 hőkezeléssel. Ezenkívül az öntési folyamat hőmérséklet-szabályozása befolyásolja az anyag tulajdonságait. Ehhez magasabb szintű technikai know-how szükséges a szerkezeti elemek gyártása során, mint a Silafont-36 ötvözetű típusnál (AlSi10MnMg). Az ötvözet szegecselési folyamata a nagy szilárdság miatt beállításokat igényel. A szegecsek ezután repedésmentesen behelyezhetők a Magsimal-plus anyagból készült nagy szerkezeti elemekre. A korróziós tesztek (IC és sóköd-permetezési teszt) lényegesen jobban sikerültek, mint a Silafont-36 ötvözetnél (AlSi10MnMg). Az alkalmazástól függően szükség lehet a korrózió elleni védelemre.
Silafont-38
A Silafont-38 ötvözetet először mutatták be az Euroguss 2016 rendezvényen. Ennek a fejlesztésnek a célja a könnyű kivitelezés volt, az anyag szilárdságának növelésével, különös tekintettel a 180 MPa-nál nagyobb folyáshatárra. A 2. táblázatban megadott anyagjellemzőket a legfeljebb 11 kg-os öntési súlyú és 1 m-ig terjedő áramlási hosszúságú présöntő üzemek szerkezeti komponensein érték el. A hőkezelés módja döntő szerepet játszik. Jó kompromisszumot kell elérni a szükséges anyagparaméterek és az alkatrészek torzulása között, ezáltal a hőkezelési hőmérséklet és idő mellett fontos a hőkezelés utáni levegő kioltása is. A Magsimal-plus ötvözethez hasonlóan a szegecselő képesség a nagyobb szilárdság miatt némileg korlátozott. Megfelelő szegecselési eljárással az alkatrészek repedések nélkül összeilleszthetők. A hegeszthetőség általában nemcsak magától a hegesztési eljárástól függ, hanem nagymértékben az öntési eljárástól, a szerszámkibocsátó szerek használatától és az öntőforma kiürítésétől is. Ha a szükséges intézkedéseket megteszik itt, a Silafont-38 jól hegeszthető a MIG eljárással.
Következtetés
A Rheinfelden Alloys legújabb anyagfejlesztései lehetővé teszik az alumínium öntvény felhasználásának kiterjesztését a szerkezeti elemekben. Ezekkel az anyagokkal olyan célokat lehet elérni, mint a könnyűszerkezetes konstrukció további javítása az ötvözet szilárdságának növelésével vagy a szerkezeti elemek egyszerű, robusztus gyártásával. A Castasil-37 (AlSi9MnMoZr) olyan ötvözet, amelyet évek óta kipróbáltak sorozatgyártásban, ami különösen szükségtelenné teszi a T6 hőkezelését. Az újonnan kifejlesztett Castaduct-42 (AlMg4Fe2) további egyszerűsítést jelent az öntési folyamatban, jobb anyag- és szegecselő tulajdonságokat, valamint magas korrózióállóságot biztosít. A Magsimal-plus ötvözet (AlMg6Si2MnZr) a szerkezeti elemek csúcstechnológiájú ötvözetének tekinthető. Nagy szilárdságuk (Rp0,2 - 230–240 MPa), jó alakíthatósággal, új követelményeket támaszt a könnyűszerkezetes kivitelben, alumínium öntéssel. A Silafont-38 ötvözet (AlSi10MnMgZn) segítségével nagyobb szilárdságok (Rp0,2 - 180–200 MPa) lehetségesek, mint a Silafont-36 (AlSi10MnMg) esetében, amely ma már a szabvány.