Литой, кованый и листовой алюминий: в чём разница?

Алюминиевые сплавы сочетают в себе высокую удельную прочность, превосходную коррозионную стойкость и хорошую технологичность. Они являются вторым по популярности материалом в автомобильной промышленности после стали. По мере ужесточения требований к снижению массы автомобилей объем использования алюминия продолжает расти. При производстве автомобильных компонентов все чаще применяются литые и кованые алюминиевые сплавы, а также алюминиевый лист.

Литые алюминиевые сплавы широко используются для изготовления опорных элементов и корпусов, в том числе корпусов коробки передач, блоков цилиндров и головок блока цилиндров, а также кронштейнов поворотных кулаков. Производственные процессы включают вакуумное литье под давлением, литье под давлением с продувкой кислородом и литье под высоким давлением.

Литейные алюминиевые сплавы

При литье под высоким вакуумом металлическая полость перед заливом очищается от газа, что теоретически предотвращает смешивание газа с расплавленным металлом. Полученные отливки характеризуются низким содержанием газа, высокой плотностью и значительно улучшенными механическими свойствами. Для обеспечения возможности последующей термообработки и сварки эффективное вакуумное давление в полости формы должно быть ниже 5 кПа. На следующем рисунке представлено сравнение отливок, полученных методом литья под высоким вакуумом и методом традиционного вакуумного литья.

Литье под давлением с продувкой кислородом также снижает пористость. Сначала полость заполняется кислородом. При поступлении расплавленного алюминия он вступает в реакцию с кислородом, образуя равномерно распределённые частицы оксида алюминия. Размер этих частиц не превышает 1 мкм, а их доля в общей массе составляет всего от 0,1% до 0,2%, поэтому они практически не влияют на последующую обработку. Принцип действия показан на следующей схеме.

При литье под давлением расплавленный металл заливается непосредственно в открытую форму. Затем форма закрывается и к ней прикладывается статическое давление, что приводит к реологической формовке, затвердеванию под высоким давлением и небольшой пластической деформации, в результате чего получается высококачественная металлическая деталь. Этот процесс подразделяется в основном на прямое и косвенное литье под давлением. При прямом литье под давлением давление воздействует непосредственно на расплавленный металл, что приводит к выраженному эффекту затвердевания под высоким давлением; как правило, этот метод подходит для отливок простой формы. При косвенном литье под давлением давление пуансона передается через зарядную гильзу и заготовку на отливку. Прилагаемое давление ограничено, а процесс относительно медленный, что делает его подходящим для крупносерийного производства сложных деталей. На следующем рисунке приведено сравнение этих двух процессов.

Кованые алюминиевые сплавы

Кованые алюминиевые сплавы, как правило, используются для изготовления деталей, к которым предъявляются высокие требования к механическим характеристикам, в том числе таких важных элементов ходовой части, как рычаги подвески и поворотные кулаки. Существующие методы ковки включают ковку в жидком состоянии, ковку в полутвердом состоянии, изотермическую ковку и порошковую ковку.

Для производства цельных колес часто применяется метод гидроискровой штамповки. Готовая продукция отличается хорошими механическими свойствами и качеством поверхности, однако дорогостоящее оборудование и сложность технологического процесса приводят к высоким производственным затратам.

Полутвердое штамповка в матрице напоминает штамповку в матрице из жидкого материала. Заготовка нагревается до полутвердого состояния, быстро впрыскивается в матрицу и подвергается статическому давлению, в результате чего под действием потока жидкого материала и пластической деформации формируется деталь. По сравнению с ковкой в жидком состоянии при этом методе используется более низкая температура формовки и наблюдается меньшая объемная усадка. Вероятность образования усадочных полостей и разрушения формы снижается, срок службы формы увеличивается, уменьшается увлечение газа, а качество готовой детали существенно повышается.

При изотермической ковке нагретую заготовку помещают в матрицу с регулируемой температурой и медленно ковают при постоянной температуре. Постоянная температура и низкая скорость ковки обеспечивают более полную динамическую рекристаллизацию, более однородную микроструктуру и повышенную пластичность. Недавно исследованный усовершенствованный процесс для алюминиевого сплава 6082 сочетает в себе полутвердое и изотермическое кование: заготовка подвергается предварительному кованию при температуре растворительной обработки, предварительному старению и, наконец, изотермическому кованию при 200 °C. Данная технология позволила получить детали приемлемого качества с более высокой твёрдостью и прочностью за счёт усиления, обусловленного преципитацией и дислокациями.

Алюминиевый лист

После 2012 года ужесточение норм по защите пешеходов в Европе и Северной Америке способствовало широкому применению алюминиевого листа для изготовления наружных панелей автомобилей. К 2020 году на долю алюминия приходилось 75% в производстве капотов в Северной Америке, а его доля в производстве дверей, багажных отсеков и крыш превысила 25%. В некоторых моделях Audi, Jaguar, Ford и Tesla в основном используются алюминиевые каркасы кузова. Помимо традиционных методов штамповки и волочения, горячая формовка алюминиевого листа значительно усовершенствовалась и в настоящее время является важной высокоэффективной технологией формовки.

Горячая штамповка была разработана для решения проблем, связанных с низкой пластичностью и сложностью деформации высокопрочных алюминиевых сплавов. Основным методом является горячее штамповка. В недавнем исследовании была использована нейронная сеть с обратной связью в сочетании с многоцелевым генетическим алгоритмом для оптимизации ключевых параметров, таких как температура заготовки, скорость штамповки и зазор в штампе. Полученные детали имели предел прочности при растяжении от 300 до 320 МПа, что соответствует пределу прочности алюминиевого сплава 6061-T6. Оптимизированные параметры позволили получить детали с удовлетворительными эксплуатационными характеристиками, хорошими механическими свойствами и высокой точностью формовки.

Холодная штамповка алюминиевого листа применяется в основном для изготовления панелей кузова автомобилей. Сложная геометрия, небольшая относительная толщина и высокие требования к качеству поверхности приводят к тому, что некоторые панели подвержены образованию складок, растрескиванию и упругой деформации. В ходе холодной штамповки исследователи изучили влияние технологических параметров на утоньшение и пружинный отскок, после чего скорректировали поверхность штампа и отрегулировали параметры. Эти меры позволили эффективно подавить пружинный отскок, образование складок и растрескивание.