Nagy szilárdságú alumíniumötvözetek a gépjárműipar számára

A gépjárműgyártók egyre növekvő mennyiségben használják a speciális, nagy szilárdságú könnyűfém ötvözeteket az emissziós célok elérése érdekében

2019. január 15., kedd, 06:00

Címkék: alumínium alumíniumöntvény autógyár autógyártás autóipar autóipari beszállító gépjárműipar magnézium ötvözetek

Jelenleg az autógyártás nagy átalakuláson megy keresztül. A biztonság és a megbízhatóság mellett egyre fontosabb tényező a minél kisebb mértékű emisszió, valamint a környezettudatos gépjárműgyártás és -használat. Ezenfelül egyre-másra jelentik be az autógyárak az elektromos modellek kifejlesztését, és néhány éven belüli a tömeggyártás beindítását. Ez ösztönzi az autógyártókat arra, hogy minél több könnyűfém alkatrészt használjanak fel a gépjárművekben.

A legnagyobb kihívás a tömegcsökkentés és a károsanyagkibocsátás-csökkentés területén, hogy az előírásokat és az európai uniós normákat úgy kell megvalósítani, hogy az autók biztonsága és vezethetősége ne romoljon, sőt minden egyes új modell esetében jobb legyen, mint a kifutó modell esetében. Az elmúlt 40 évben az egyazon kategóriába eső személyautók tömege megközelítőleg 50%-kal növekedett (1. ábra) azoknak a biztonsági és kényelmi fejlesztéseknek köszönhetően, amelyeket beépítettek a járművekbe [1].

1. ábra: A gépjárművek tömegének növekedése 1960 és 2002 között [1]

(Forrás: Greven, K., Zeuner, T.: Highly stressed aluminium cast chassis components –Customized for each application, JSAE annual congress, 2011 [094-20115380] 1. oldal)

A gépjárműipar fejlődésének alapjai

Az autók károsanyag-kibocsátásának csökkentése két úton történhet. Az első módszer, hogy a gyártók csökkentik a motorok lökettérfogatát, a másik gyakorlatban alkalmazott megoldás, hogy a járművek teljes tömegét csökkentik. A motor lökettérfogatának csökkentésével (downsizing) nagyobb kibocsátáscsökkenést lehet elérni, mint a gépjárművek tömegcsökkentésével. Egyes vizsgálatok szerint egy adott járműnél a teljes károsanyag-emisszió csökkentésének 60%-áért a motor lökettérfogat-csökkentése, míg a fennmaradó 40%-ért az általános tömegcsökkentés felel [2]. Ezt a két módszert párhuzamosan alkalmazták az autógyártók, de jelenleg a motorok tervezése egy olyan alsó határhoz ért el, hogy azok lökettérfogatát nem lehet tovább csökkenteni a teljesítmény és a vezetési dinamika megőrzése mellett. A karosszériaelemek, a motor és az egyéb acél részegységek könnyűfémből történő gyártása további lehetőséget nyújt az autógyártóknak a tömegcsökkentés, és ezáltal a károsanyag-emisszió csökkentésének terén. Ennek eléréséhez könnyűfém (főképp alumínium) komponensek beépítése, nagy szilárdságú ötvözetek növekvő felhasználása szükséges.

Az autóipari könnyűfém alkatrészekkel szembeni elvárások

De mit is várnak el az autógyártók, amikor könnyűfém alkatrészre cserélik az eddig acélból készült elemeket? Amennyiben egy alkatrész dinamikus igénybevételnek lesz kitéve, akkor legyen jó rezgéscsillapító és energiaelnyelő képessége, rendelkezzen magas kifáradási határral, nagy nyúlással (A= 10–14%), és legyen képlékenyen alakítható, például peremezéssel történő rögzítéshez. Az ötvözet legyen korrózióálló, hegeszthető. Gyártástechnológiai szempontból az ötvözet jó formakitöltési, öntési jellemzőkkel bírjon, hogy nagy méretű, komplex geometriájú alkatrészeket is lehessen belőle önteni, illetve ne legyen nagy a zsugorodási hajlama. Ezenfelül lehessen hőkezeléssel a mechanikai tulajdonságait széles tartományban változtatni. Ezek a tulajdonságok és elvárások már feltételezik, hogy az öntés során a legkevesebb gázzárvány maradjon az öntvényben, hogy ne okozzon hólyagosodást, repedést a hőkezelést követően. Egyszóval, az alapanyag a gyártási technológiával együtt képezi az alapját a nagy szilárdságú könnyűfém alkatrészek előállításának.

Jellemzően, növekvő mennyiségben, a következő nagy szilárdságú könnyűfém alkatrészeket építik be a gépjárművek karosszériájába és alvázába: hossz- és kereszttartók, motorbölcsők, lengéscsillapító tornyok (2. ábra), karosszéria-csomóponti elemek, ajtópanelek, B-oszlop.

3. ábra: Könnyűfém lengéscsillapító torony öntvény [5]

(Forrás: Hartlieb, M.: Aluminium Alloys for Structural Die Casting, Die Casting Engineer Magazin, 2013/05, 40. oldal)

A nagy szilárdság és a kiváló mechanikai tulajdonságok elérését nem teszik lehetővé a „hagyományos” (például: az EU-szabvány szerinti EN AC 4600, EN AC 47100) alumíniumötvözetek, azok 1% körüli vastartalma miatt. A vastartalom ugyan előnyös a feltapadás csökkentésében, és megkönnyíti az öntvény eltávolítását a formából, de negatívan befolyásolja a mechanikai tulajdonságokat, gyengíti az alkatrész teherviselő képességét.

Ezért több alapanyaggyártó is kifejlesztette az elmúlt évtizedekben a saját, kiváló minőségű könnyűfémötvözet-családját. Ezeknek az ötvözeteknek a közös jellemzője, hogy a mechanikai tulajdonságok növelése érdekében a vastartalmat csökkentették (1%-ról 0,15%-ra), illetve azért, hogy továbbra se okozzon gondot a feltapadás, 0,5–0,8% mangánt adtak az ötvözethez. A réz mennyiségét 0,03%-ra, a cink mennyiségét pedig 0,1%-ra korlátozták, amennyiben a nagy korrózióállóság követelmény.

A kiváló minőségű ötvözetek között három fő ötvözetcsoport különböztethető meg:

  1. A nagy szilíciumtartalmú AlSi(Mg) csoport, ahol a 8 és 12% közötti szilíciumtartalom és a kis magnéziumtartalom (Mg = 0,1–0,8%) a jellemző. A két fő ötvöző mellett a mechanikai tulajdonságok javítása céljából 0,01% körüli Sr és 0,1% körüli Ti is található az ötvözetben, illetve 0,3–0,8% Mn a feltapadás csökkentése végett. Ebbe a csoportba tartoznak például az AlSi7Mg, AlSi10Mg, AlSi10MnMg, AlSi9Sr összetételű ötvözetek. Ezek az ötvözetek az eutektikushoz közeli kémiai összetételnek köszönhetően jól önthetők, jó formakitöltő képességgel rendelkeznek, viszont kiemelkedő mechanikai tulajdonságokat (pl. Rp0,2 = 280 Mpa és A= 10%) csak hőkezeléssel lehet elérni [4][5]. Vagyis az alkatrész ára a gyártási technológia bonyolultsága és munkaigénye miatt magas lesz.
  2. A második nagy csoport a nagy, 4–8% magnézium-, és kisebb, 2–3% szilíciumtartalmú alumíniumötvözetek, amelyekben a mechanikai tulajdonságok javítása érdekében 0,01% stroncium és 0,2% körüli titán, illetve a feltapadás csökkentése érdekében 0,3–0,8% mangán is található. Ez az ötvözet kiemelkedő nyúlással rendelkezik (A5>12%), jól alakítható, dinamikusan terhelhető. A rosszabb formakitöltő képessége ellenére előszeretettel használják, mivel hőkezelés nélkül is kiemelkedő mechanikai tulajdonságú alkatrészek gyárthatók belőle. Ezeknél az ötvözeteknél összefüggés tapasztalható a falvastagság és a mechanikai tulajdonságok között (3. ábra [4]), ezért a tervezők vékonyfalú alkatrészek esetében ajánlják alkalmazását, ugyanis vékonyabb fal esetén, a gyorsabb lehűlés következtében a szövetszerkezet finomabb lesz, és ennek köszönhetően növekszik a szakítószilárdság és a fajlagos nyúlás [4][5]. A nagy nyúlás következtében az öntőszerszámot úgy kell megtervezni, hogy a formából károsodás, torzulás nélkül el lehessen távolítani az öntvényt, ami nagyobb tapasztalatot és az ötvözet tulajdonságainak ismeretét követeli meg a szerszám tervezőjétől. Ebbe a csoportba tartoznak például az AlMg5Si2Mn, AlMg6Si2MnZr.

3. ábra: AlMg5Si2Mn ötvözetből készült próbák mechanikai tulajdonságai a falvastagság függvényében [4]

(Forrás: Franke, R., Dragulin, D., Zovi, A., Casarotto, F.: Progress in ductile aluminium high pressure die casting alloys for theautomotive industry. La Metallurgia Italiana Magazin, 2007/03, 21. oldal)

  1.  A harmadik csoportba sorolhatók az AlSi(Mn) családba tartozó ötvözetek, amelyekre a nagy, 8–12% szilícium- és a 0,3–0,6% mangántartalom jellemző, ellenben a magnéziumtartalom igen kicsi, 0,1% alatti. A mechanikai tulajdonságot javító ötvözők (pl.: stroncium, titán) is megtalálhatók benne. Ebbe a csoportba tartoznak pl. az AlSi9Mn vagy az AlSi9MnMoZr összetételű ötvözetek. Ezek az ötvözetek jó mechanikai tulajdonságuk mellett kiválóan hegeszthetőek.

A 4. ábra különböző „hagyományos” (AlSi9Cu3, AlSi12) és kiváló minőségű (AlSi9MgMnSr, AlSi5Si2Mn, AlSi9MnMoZr) ötvözet használata esetén elérhető szilárdsági és szívóssági tulajdonságok összehasonlítására alkalmas [5].

4. ábra: Rangsor az alumíniumötvözetek között a mechanikai tulajdonságok alapján [4]

(Forrás: Franke, R., Dragulin, D., Zovi, A., Casarotto, F.: Progress in ductile aluminium high pressure die casting alloys for theautomotive industry. La Metallurgia Italiana Magazin, 2007/03, 19. oldal)

Ezek a jó minőségű ötvözetek bármilyen öntési eljárás esetén alkalmazhatóak és használatosak is, legyen szó billentő öntésről, gravitációs öntésről, kis- vagy ellennyomású öntésről, de a nagy nyomás alatt végzett öntés a legelterjedtebb gyártási mód, amellyel az alkatrészek 70–75%-a készül. A termelékenység mellett a nyomásos öntésnek a másik előnye, hogy az egyazon alapanyagból készült öntvény mechanikai tulajdonságai az alkalmazott hőkezelés típusától függően széles tartományban változtathatók (5. ábra).

5. ábra: Szilárdsági és nyúlási értékek egy AlSi10MnMg minőségű ötvözetből vákuum alatt, nyomásos eljárással öntött alkatrész esetében T6 és T7 hőkezelés után [1]

(Forrás: Greven, K., Zeuner, T.: Highly stressed aluminium cast chassis components –Customized for each application, JSAE annual congress, 2011 [094-20115380] 5. oldal)

Természetesen ahhoz, hogy hőkezelhető, hegeszthető alkatrészt kapjunk, elengedhetetlen, hogy az öntés vákuum alatt történjen, amely magas technológiai színvonalat és gyártási fegyelmet követel meg. Az általánosan elterjedt, vákuum alatt történő nyomásos öntés esetén, ahol a formaüreg kilevegőztető rendszeren keresztül egy vákuumszelephez csatlakozik, 0,4 bar nyomást lehet a formaüregben elérni. De azokban a speciális esetekben, ahol a formaüreghez több irányból is vákuumszelepek csatlakoznak, vagy ahol a formaüreg mellett a töltőkamra légtelenítése is megtörténik, akár 0,2–0,1 bar vákuum is elérhető a formaüregben.

Ehhez persze a technológiai és technikai háttér mellett megfelelően kialakított nyomásos öntő szerszámkonstrukció is szükséges. Az alapanyagtól függően meg kell vizsgálni a rádiuszok és oldalferdeségek kialakítását, a zsugorodás mértékét, a kidobás esetén felmerülő problémákat, a vákuum megtartásához megfelelő konstrukciót.

Összefoglalás

Az öntödék és az alkatrészgyártók számára jelenleg rendelkezésre állnak a járműgyártás igényeinek megfelelő speciális alumíniumötvözetek. Ezeknek az öntészeti alapanyagoknak közös jellemzője, hogy vastartalmukat minimalizálták, a feltapadási hajlam csökkentése céljából pedig mangánt adagoltak az ötvözethez. A kiemelkedő mechanikai tulajdonságok érdekében szemcsefinomító és az eutektikus szilíciumfázis morfológiáját javító ötvözőket (Ti, Sr) tartalmaznak. A végtermék szilárdsági és szívóssági tulajdonságait a normarendszereknek és elvárásoknak megfelelően, jellemzően hőkezeléssel állítják be. A hőkezelés megköveteli a megfelelő gyártástechnológiát, nyomásos öntvények esetén a vákuum alatt történő öntést.

Lamborghini hegeszthető karosszéria csomópontok

(Forrás: R. Franke, D. Dragulin, A. Zovi, F. Casarotto - Progress in ductile aluminium high pressure die casting alloys for the automotive industry, La Metalurgie magazin)

A jövő kihívása a járműgyártókkal szemben, hogy a járművek biztonságát fokozzák, és vezetési élményét megőrizzék a károsanyag-kibocsátás csökkentése mellett. Várhatóan a gyártók egyre több nagy szilárdságú könnyűfém öntvénnyel fognak találkozni, ezért érdemes felkészülni ezek használatára, megismerni a tulajdonságaikat, öntési jellemzőiket.

Marcalek Péter

ügyvezető igazgató

Inno-cast Hungary Kft.

Irodalom

[1] Greven, K., Zeuner, T.: Highly stressed aluminium cast chassis components – Customized for each application, JSAE annual congress, 2011 (094-20115380)

[2] Global Casting Magazin – Emission Reduction Possibilities With Structura Castings, 2015/49. old.

[3] Zovi, A., Casarotto, F: Silafont-36, The Low Iron Ductile Die Casting Alloy Development and Applications, La Metallurgia Italiana Magazin, 2007/06

[4] Franke, R., Dragulin, D., Zovi, A., Casarotto, F.: Progress in ductile aluminium high pressure die casting alloys for theautomotive industry. La Metallurgia Italiana Magazin, 2007/03

[5] Hartlieb, M.: Aluminium Alloys for Structural Die Casting, Die Casting Engineer Magazin, 2013/05

Keresés
Bejelentkezés / Regisztráció
Média Partnerek