Aluminium odlewane, kute i blaszane: jakie są różnice?

Stopy aluminium łączą w sobie wysoką wytrzymałość właściwą, doskonałą odporność na korozję oraz dobrą obrabialność. Są one drugim najczęściej stosowanym materiałem w przemyśle motoryzacyjnym, zaraz po stali. Wraz ze wzrostem wymagań dotyczących zmniejszenia masy pojazdów zużycie aluminium stale rośnie. W elementach samochodowych coraz częściej wykorzystuje się odlewy ze stopów aluminium, odkuwki ze stopów aluminium oraz blachy aluminiowe.

Stopy aluminium odlewane są powszechnie stosowane do produkcji elementów nośnych i obudów, w tym obudów skrzyń biegów, bloków silnika i głowic cylindrów oraz wsporników zwrotnic. Procesy produkcyjne obejmują odlewanie próżniowe, odlewanie z przepłukiwaniem tlenem oraz odlewanie pod ciśnieniem.

Odlewy ze stopów aluminium

W odlewaniu ciśnieniowym w warunkach wysokiej próżni metalowa forma jest opróżniana przed wypełnieniem, co teoretycznie zapobiega mieszaniu się gazu ze stopionym metalem. Powstałe odlewy charakteryzują się niską zawartością gazów, wysoką gęstością oraz znacznie lepszymi właściwościami mechanicznymi. Aby umożliwić przeprowadzenie późniejszej obróbki cieplnej i spawania, efektywne ciśnienie próżniowe w wnęce formy musi wynosić poniżej 5 kPa. Poniższy rysunek przedstawia porównanie odlewów wykonywanych metodą odlewania ciśnieniowego w warunkach wysokiej próżni z odlewami wykonywanymi metodą konwencjonalną.

Odlewanie ciśnieniowe z przepłukaniem tlenem również zmniejsza porowatość. Najpierw wnęka jest wypełniana tlenem. Gdy wprowadzane jest stopione aluminium, reaguje ono z tlenem, tworząc równomiernie rozłożone cząstki tlenku glinu. Cząstki te mają rozmiar mniejszy niż 1 μm i stanowią zaledwie od 0,1% do 0,2% całkowitej masy, więc praktycznie nie mają wpływu na dalszą obróbkę. Poniższy schemat ilustruje tę zasadę.

W odlewaniu tłoczonym stopiony metal wlewa się bezpośrednio do otwartej formy. Następnie forma zostaje zamknięta i wywierane jest ciśnienie statyczne, co powoduje formowanie reologiczne, krzepnięcie pod wysokim ciśnieniem oraz niewielką deformację plastyczną, w wyniku czego powstaje wysokiej jakości element metalowy. Proces ten dzieli się głównie na odlewanie tłoczone bezpośrednie i pośrednie. W odlewaniu ciśnieniowym bezpośrednim ciśnienie oddziałuje bezpośrednio na stopiony metal, powodując wyraźny efekt krzepnięcia pod wysokim ciśnieniem; proces ten nadaje się zazwyczaj do odlewów o prostych kształtach. W odlewaniu ciśnieniowym pośrednim ciśnienie tłoka jest przenoszone przez tuleję wtryskową i podkładkę na odlew. Wywierane ciśnienie jest ograniczone, a proces przebiega stosunkowo wolno, co sprawia, że nadaje się on do produkcji seryjnej skomplikowanych elementów. Poniższy rysunek przedstawia porównanie tych dwóch procesów.

Kute stopy aluminium

Kute stopy aluminium są zazwyczaj stosowane do produkcji części wymagających dobrych właściwości mechanicznych, w tym kluczowych elementów podwozia, takich jak wahacze zawieszenia i zwrotnice. Obecnie stosowane metody kucia obejmują kucie w matrycy z użyciem stopionego materiału, kucie w matrycy z użyciem półstałego materiału, kucie izotermiczne oraz kucie proszkowe.

Do produkcji jednoczęściowych kół często stosuje się kucie matrycowe na gorąco. Gotowe wyroby charakteryzują się dobrymi właściwościami mechanicznymi i wysoką jakością powierzchni, jednak kosztowny sprzęt oraz złożony proces powodują, że koszty produkcji są wysokie.

Kucie półstałe przypomina kucie w stanie ciekłym. Kęs jest podgrzewany do stanu półstałego, szybko wtłaczany do matrycy i poddawany ciśnieniu statycznemu, dzięki czemu przepływ cieczy i odkształcenie plastyczne powodują ukształtowanie elementu. W porównaniu z kuciem cieczowym proces ten charakteryzuje się niższą temperaturą formowania i mniejszym skurczem objętościowym. Ryzyko powstania wnęk skurczowych i zapadania się jest mniejsze, wydłuża się żywotność matrycy, zmniejsza się ilość wciągniętych gazów, a jakość gotowego elementu ulega znacznej poprawie.

W procesie kucia izotermicznego rozgrzany półfabrykat umieszcza się w matrycy o regulowanej temperaturze i kuje się go powoli w stałej temperaturze. Stała temperatura i niska prędkość kucia umożliwiają pełniejsze krystalizowanie dynamiczne, uzyskanie bardziej jednolitej mikrostruktury oraz poprawę plastyczności. Niedawno zbadany zaawansowany proces dla stopu aluminium 6082 łączy kucie półstałe z izotermicznym: kęs jest wstępnie kuty w temperaturze obróbki rozpuszczającej, poddawany wstępnemu starzeniu, a na koniec kuty izotermicznie w temperaturze 200°C. Proces ten pozwolił uzyskać części o akceptowalnej jakości, charakteryzujące się wyższą twardością i wytrzymałością dzięki poprawie wzmocnienia przez wytrącanie i dyslokacje.

Blacha aluminiowa

Po 2012 roku zaostrzone przepisy dotyczące ochrony pieszych w Europie i Ameryce Północnej przyczyniły się do powszechnego stosowania blach aluminiowych w produkcji zewnętrznych paneli samochodowych. Do 2020 roku aluminium stanowiło 75% zastosowań w maskach silnikowych w Ameryce Północnej, podczas gdy jego udział w drzwiach, bagażnikach i dachach przekroczył 25%. Niektóre modele marek Audi, Jaguar, Ford i Tesla wykorzystują w przeważającej mierze aluminiowe konstrukcje karoserii. Oprócz konwencjonalnego tłoczenia i ciągnienia, znacznemu rozwojowi uległo formowanie na gorąco blach aluminiowych, które obecnie stanowi ważną technologię formowania o wysokiej wydajności.

Obróbkę na gorąco opracowano w celu rozwiązania problemu niskiej plastyczności i trudności w odkształcaniu stopów aluminium o wysokiej wytrzymałości. Główną metodą jest tłoczenie na gorąco. W niedawnym badaniu połączono sieć neuronową z algorytmem wstecznego rozprzestrzeniania się z wielo-celowym algorytmem genetycznym w celu optymalizacji kluczowych zmiennych, takich jak temperatura półfabrykatu, prędkość tłoczenia i luz matrycy. Otrzymane elementy charakteryzowały się wytrzymałością na rozciąganie wynoszącą od 300 do 320 MPa, co odpowiada wytrzymałości granicznej stopu aluminium 6061-T6. Zoptymalizowane parametry pozwoliły uzyskać elementy o zadowalającej wydajności, dobrych właściwościach mechanicznych i wysokiej dokładności formowania.

Tłoczenie na zimno blach aluminiowych stosuje się głównie do produkcji paneli karoserii samochodowych. Złożona geometria, niewielka grubość względna oraz wysokie wymagania dotyczące jakości powierzchni sprawiają, że niektóre panele są podatne na marszczenie się, pękanie i sprężystość powrotną. W trakcie tłoczenia na zimno naukowcy zbadali, w jaki sposób parametry procesu wpływają na przerzedzenie i sprężystość powrotną, a następnie skompensowali powierzchnię matrycy i dostosowali parametry. Środki te skutecznie ograniczyły sprężystość powrotną, marszczenie się i pękanie.