Nové oblasti použitia pre konštrukčné prvky
V 90. rokoch minulého storočia dosiahlo Audi míľnik v oblasti ľahkej konštrukcie s hliníkom s prvou A8 s konštrukciou priestorového rámu. Už vtedy bol Rheinfelden partnerom pri vývoji zliatin zo zliatiny so zliatinou Silafont-36 (AlSi10MnMg), ktorá sa dnes v karosárstve používa ako štandard. Silafont-36 bola prvou zliatinou, ktorá umožnila použitie tlakového liateho hliníka v komponentoch dôležitých pre nárazy. Okrem minimálnej úrovne pevnosti vyžadujú také súčasti predovšetkým vysoký stupeň tvárnosti, aký bol v odliatkoch doteraz neznámy.
Obrázok 1 Zadný pozdĺžny nosník Audi A8 vyrobený z Castasil-37 (dĺžka 1,4 m, hmotnosť 10 kg). Obrázok: Zliatiny Rheinfelden
Na základe tohto materiálu sa v posledných rokoch významne rozšírilo použitie hliníkového tlakového odlievania pre konštrukčné komponenty u výrobcov automobilov doma i v zahraničí. Pokiaľ ide o materiály, v súčasnosti sa sledujú dva hlavné vývojové ciele: Ďalší pokrok v ľahkej konštrukcii prostredníctvom vysoko pevných hliníkových materiálov a zliatin, ktoré sa dajú ľahko spracovať a umožňujú robustný výrobný proces. Tabuľka 1 zobrazuje štyri nové materiály, ktoré spoločnosť Rheinfelden Alloys vyvinula s ohľadom na tieto ciele a ktoré sú podrobnejšie opísané nižšie.
Tabuľka 1 Chemické zloženie nového vývoja v zliatinách Rheinfelden (údaje pre ošípané, odliatky sú čiastočne širšie).
Castasil-37
Pri vývoji tejto zliatiny sa dôraz kládol na túžbu po jednoduchom a robustnom výrobnom procese. Pri použití zliatiny Silafont-36 (AlSi10MnMg) je potrebné dvojstupňové tepelné ošetrenie T7, ak majú byť splnené požiadavky na komponenty dôležité z hľadiska nárazu. Takéto tepelné spracovanie vyžaduje nielen ďalší výrobný krok, ale vedie aj k zdeformovaniu súčiastok pri požadovanej hrúbke tenkej steny súčiastok (2 - 3 mm), čo zase vyžaduje narovnávanie. To robí výrobný proces zložitým a nákladným. Okrem toho je spektrum zlievarní, ktoré dokážu spoľahlivo vyrobiť také veľkoplošné štrukturálne komponenty, zreteľne obmedzené.
Z týchto dôvodov sa hľadalo materiálové riešenie, ktoré by spĺňalo požiadavky na konštrukčné prvky bez tepelného spracovania. Výsledkom je ľahká odliatok zliatiny Castasil-37 vďaka vysokému obsahu kremíka, čo znamená, že je možné vyrobiť veľkoplošné tenkostenné komponenty so zložitou geometriou. V prípade technológie spájania sú užitočné ich dobré zváracie a lepiace vlastnosti. Ak sa použije vhodná geometria nitov a matríc, dosiahnu sa pri sériovej výrobe dobré výsledky nitovania. Ich vysoká čistota vedie k dobrej odolnosti proti korózii. Príkladom aplikácie je bočný člen Audi A8, ktorý je už niekoľko rokov vyrobený zo zliatiny Castasil-37 (AlSi9MnMoZr) (obr. 1, tabuľka 2).
Tabuľka 2 Mechanické vlastnosti
Kastadukt-42
Castaduct-42 je jedným z najnovších vývojov zliatin od spoločnosti Rheinfelden Alloys. Aj tu bol cieľom jednoduchý a robustný výrobný proces pre tlakové liate konštrukčné komponenty s ďalším zlepšením vlastností materiálu. Jednoduché chemické zloženie otvára nové možnosti použitia. Vysoký obsah železa vedie k veľmi nízkej tendencii k lepeniu, čo uľahčuje odlievateľnosť a zvyšuje životnosť formy. Najmä v prípade hliníkových konštrukčných komponentov je úsilie v dôsledku opotrebenia formy dôležitým nákladovým faktorom. Podobne ako v prípade Castasil-37 nie je potrebné žiadne tepelné ošetrenie, aby sa splnili požiadavky na komponenty dôležité z hľadiska nárazu. Tabuľka 2 ukazuje mechanické vlastnosti stavu odliatku. Erichsenova depresia koreluje s nitovateľnosťou, hodnota 3,6 mm pri hrúbke steny 3 mm je vysoká hodnota (od hodnoty 2,5 mm sa všeobecne uvádza nitovateľnosť).
Zliatina Castaduct-42 bola testovaná na priečnom nosníku v zlievarni Fonderie 2a (Santena, Taliansko). V porovnaní so zliatinou použitou pri sériovej výrobe (Magsimal-59, pozri ďalší bod) sa doba striekania a tuhnutia mohla výrazne znížiť, čo znamená, že možno očakávať vysokú produktivitu a možno dospieť k nízkemu opotrebovaniu formy. V porovnaní so zliatinami AlSi má zliatina Castaduct-42 väčšie zmrštenie. Toto je potrebné vziať do úvahy pri navrhovaní súčasti a odlievacej formy. Nízky obsah Si navyše vedie k veľmi dobrej anodiskovateľnosti. Súčasti vyrobené z Castaduct-42 môžu byť tiež eloxované v dobrej optickej kvalite v čiernej farbe, čo je s Al zliatinami obsahujúcimi Si ťažké. Korózne skúšky (medzikryštalická korózia a skúška soľným postrekom) preukázali lepšiu koróznu odolnosť ako AlSi10MnMg.
Magsimal-plus
Ďalšia zliatina vyvinutá spoločnosťou Rheinfelden Alloys je založená na Magsimal-59, ktorý sa úspešne používa už 20 rokov (obr. 2).
Obrázok 2 Zárubňa a kupola vzpery modelu Porsche Panamera vyrobená z materiálu Magsimal-59 (dĺžka 1,1 m, hmotnosť 4,1 kg) Obrázok: Zliatiny Rheinfelden
Tu sa kladie dôraz na zvýšenie pevnosti s cieľom ďalej pokročiť v ľahkej konštrukcii. So zliatinou Magsimal-plus bolo možné dosiahnuť medzu klzu medzi 230 a 240 MPa s 10% predĺžením pri pretrhnutí vo veľkých konštrukčných odliatkoch po tepelnom spracovaní T5 (tabuľka 2). To znamená takmer zdvojnásobenie pevnosti v porovnaní s typickou medzou klzu 120 MPa pre konštrukčné komponenty. Týmto spôsobom je možné dosiahnuť zníženie hmotnosti komponentov o 30%. Zníženie hmotnosti o túto veľkosť vedie nielen k požadovanej úspore hmotnosti súčiastky, ale aj k nižšiemu objemu kovu pri nákupe a taviarni zlievarne.
Zliatina Magsimal-plus je zliatina kalená za studena. Proces vytvrdzovania je možné skrátiť jednostupňovým tepelným spracovaním T5. Okrem toho regulácia teploty počas procesu liatia ovplyvňuje vlastnosti materiálu. To si vyžaduje vyššiu úroveň technického know-how pri výrobe konštrukčných prvkov ako pri zliatine typu Silafont-36 (AlSi10MnMg). Nitovací proces pre zliatinu vyžaduje úpravy kvôli jej vysokej pevnosti. Nity potom možno bez trhliniek vložiť na veľké konštrukčné diely z materiálu Magsimal-plus. Korózne testy (IC a test v spreji so slanou hmlou) dopadli podstatne lepšie ako pri zliatine Silafont-36 (AlSi10MnMg). V závislosti od použitia môžu byť opatrenia na ochranu proti korózii zbytočné.
Silafont-38
Zliatina Silafont-38 bola po prvýkrát predstavená na veľtrhu Euroguss 2016. Cieľom tohto vývoja bola ľahká konštrukcia zvýšením pevnosti materiálu, pričom bola zameraná na obzvlášť vysokú medzu klzu vyššiu ako 180 MPa. Materiálové vlastnosti uvedené v tabuľke 2 sa dosiahli na konštrukčných komponentoch v zariadeniach na tlakové liatie s levacou hmotnosťou do 11 kg a dĺžkami toku do 1 m. Zásadnú úlohu zohráva spôsob tepelného spracovania. Musí sa dosiahnuť dobrý kompromis medzi požadovanými parametrami materiálu a deformáciou komponentov, pričom okrem teplôt a časov žíhania je dôležité aj kalenie vzduchu po žíhaní. Podobne ako pri zliatine Magsimal-plus je schopnosť nitovania do istej miery obmedzená kvôli vyššej pevnosti. Vhodným nitovacím procesom je možné spojiť komponenty bez trhlín. Zvariteľnosť vo všeobecnosti závisí nielen od samotného procesu zvárania, ale do značnej miery aj od procesu liatia, použitia odlučovacích prostriedkov formy a evakuácie lejacej formy. Ak sa tu prijmú potrebné opatrenia, môže sa Silafont-38 dobre zvárať pomocou procesu MIG.
Záver
Najnovší vývoj materiálov zo zliatin Rheinfelden umožňuje rozšírenie využitia tlakového liatia hliníka v konštrukčných komponentoch. S týmito materiálmi je možné dosiahnuť ciele, ako je ďalšie zdokonalenie ľahkej konštrukcie zvýšením pevnosti zliatiny alebo jednoduchá, robustná výroba konštrukčných prvkov. Castasil-37 (AlSi9MnMoZr) je zliatina, ktorá je už niekoľko rokov vyskúšaná a testovaná v sériovej výrobe, a najmä preto nepotrebuje tepelné spracovanie T6. Novo vyvinutý Castaduct-42 (AlMg4Fe2) prináša ďalšie zjednodušenie procesu odlievania, lepšie vlastnosti materiálu a nitovania, ako aj vysokú odolnosť proti korózii. Zliatinu Magsimal-plus (AlMg6Si2MnZr) možno považovať za high-tech zliatinu pre konštrukčné prvky. Ich vysoká pevnosť (Rp0,2 až 230–240 MPa) s dobrou ťažnosťou stanovuje nové štandardy v ľahkej konštrukcii s tlakovým liatím. Pomocou zliatiny Silafont-38 (AlSi10MnMgZn) sú možné vyššie pevnosti (Rp0,2 až 180–200 MPa) ako v prípade Silafont-36 (AlSi10MnMg), ktorý je dnes štandardom.