Descripción general del artículo: Aleaciones de aluminio fundidas a presión sin tratamiento térmico para piezas estructurales de automóviles

1 Introducción

La aplicación comercial de las piezas fundidas a presión de aleación de aluminio se remonta a 1915. Después de un siglo de desarrollo, más de la mitad de las piezas fundidas de aleación de aluminio utilizan actualmente el proceso de fundición a presión. En la década de 1990, un caso típico era el chasis de carrocería totalmente de aluminio del Audi A8, que utilizaba piezas de fundición a presión de aleación de aluminio en las uniones clave de la carrocería. Tiene buena dureza manteniendo una buena resistencia. Por lo tanto, en comparación con las piezas de fundición a presión tradicionales, dichas piezas de fundición a presión utilizan un proceso de fundición a presión de alto vacío para reducir los defectos de porosidad de las piezas de fundición a presión y, por otro lado, utilizan una aleación de aluminio de fundición a presión resistente y de alta resistencia para obtener excelentes propiedades mecánicas integrales.

Durante mucho tiempo, la aleación de aluminio de fundición a presión ampliamente utilizada para piezas estructurales de fundición a presión al vacío de cuerpos es la aleación AlSi10MnMg. Las características de esta aleación son controlar el bajo contenido de Fe y al mismo tiempo aumentar el contenido de Mn para mejorar el problema de adherencia. La baja relación Fe/Mn forma una fase α-Al(Fe, Mn)Si de carácter chino, estrella o poliédrica mediante precipitación. Se evita la precipitación de la fase β-AlFeSi escamosa, lo que da como resultado una buena tenacidad. Como aleación de aluminio de fundición a presión tratable térmicamente, las propiedades mecánicas de los materiales de fundición a presión con diferentes resistencias y tenacidad se pueden obtener ajustando el contenido del elemento Mg y el sistema de tratamiento térmico. Por ejemplo, la torre de choque de fundición a presión al vacío y la caja de torsión de un determinado modelo de vehículo adoptan un contenido de Mg del 0,25% al 0,35%, combinado con tratamiento térmico T7, límite elástico ≥ 120 MPa, resistencia a la tracción ≥ 180 MPa y alargamiento después de la fractura ≥ 10 %, los requisitos de rendimiento del ángulo de flexión en frío extremadamente agudo ≥60°, Cumplir con los requisitos del proceso de conexión del remache autoperforante (SPR) y el rendimiento de seguridad en caso de colisión.

Sin embargo, con el rápido desarrollo de los vehículos de nueva energía, las piezas estructurales de los automóviles están evolucionando rápidamente hacia un diseño y una fabricación integrados, ligeros y de alta eficiencia, como las aldabas de puerta de estampación en caliente de una sola pieza, la carrocería de fundición a presión de una sola pieza, el bastidor auxiliar de fundición a presión de una sola pieza, etc. Para las piezas estructurales de fundición a presión al vacío de los automóviles, El proceso de tratamiento térmico de la aleación AlSi10MnMg provocará problemas de deformación y formación de ampollas en la superficie de las piezas de fundición a presión, especialmente con la ampliación continua de las piezas de fundición a presión, la dificultad de conformación posterior y la tasa de desechos aumentarán considerablemente. Por lo tanto, por un lado, los materiales de aleación de aluminio de fundición a presión no tratados térmicamente se pueden utilizar directamente en estado de fundición para evitar los problemas mencionados anteriormente y, por otro lado, también pueden reducir el coste de fabricación de piezas. En los últimos años, su desarrollo y aplicación se han convertido paulatinamente en un foco de investigación. En la actualidad, la investigación sobre aleaciones de aluminio fundidas a presión no tratadas térmicamente para piezas estructurales de automóviles se centra principalmente en dos categorías: series Al-Si y series Al-Mg. Este estudio se centra en el progreso de la investigación de estos dos tipos de aleaciones de fundición a presión.

2. Aleaciones de fundición a presión no tratadas térmicamente de la serie Al-Si

En la Tabla 2 se enumeran algunos nombres de aleaciones y sus composiciones químicas para piezas estructurales fundidas a presión no tratadas térmicamente. Desde la perspectiva del contenido de Si, se puede dividir en dos categorías: alto contenido de silicio y bajo contenido de silicio. En comparación con las aleaciones de fundición a presión para el tratamiento térmico, el contenido de Mg es significativamente menor e incluso no requiere Mg. Además, dichas aleaciones todavía tienen las características comunes de las aleaciones de fundición a presión de alta resistencia y tenacidad, es decir, bajo contenido de Fe, alto contenido de Mn, adición de elemento Sr para modificar el silicio eutéctico, etc.

La aleación Castasil 37, o AlSi9MnMoZr, es una aleación de fundición a presión no tratable térmicamente desarrollada por Rheinfeld. La aleación no contiene Mg, por lo que no tiene efecto de endurecimiento por envejecimiento, mientras que se añaden Mo y Zr para fortalecer la dispersión. El contenido de Si de la aleación es cercano al de la aleación AlSi10MnMg, por lo que la tasa de contracción es básicamente la misma. Cuando el contenido de Mg en la aleación es diferente, tendrá un cierto impacto en el límite elástico y el alargamiento después de la fractura del material de fundición. Por lo tanto, se debe prestar atención al control del contenido de Mg en la producción. Las propiedades mecánicas de las aleaciones y los efectos de diferentes contenidos de Mg se muestran en la Tabla 3. Sin embargo, según las investigaciones de la empresa Rheinfeld, el aumento del contenido de elemento Mg afectará a la estabilidad térmica de las propiedades mecánicas de la pieza fundida, lo que significa que el límite elástico aumentará gradualmente durante el servicio en un entorno de temperatura determinado. Por lo tanto, Castasil 37 limitará el contenido del elemento Mg al límite superior. Definido como 0,06%.

La aleación Aural 6, o 375.0, es una aleación fundida a presión no tratable térmicamente desarrollada por Magna Corporation. La composición química de la aleación es muy similar a la del Castasil 37 mencionado anteriormente, pero la aleación no añade Mo ni Zr, sino que contiene una pequeña cantidad de Mg para obtener un cierto efecto de fortalecimiento. Por lo tanto, combinado con el análisis del efecto del contenido de elementos Mg sobre las propiedades de Castasil 37, también se debe prestar atención a la estabilidad térmica de las propiedades mecánicas de esta fundición de aleación.

La aleación C611 es una aleación fundida a presión sin tratamiento térmico desarrollada por Alcoa. El contenido de Si de esta aleación es relativamente bajo, porque el tratamiento térmico en solución puede mejorar la morfología del silicio eutéctico y normalmente se puede tolerar un mayor contenido de Si para obtener una buena tenacidad. Sin embargo, no se puede utilizar más del 8% de Si en estado fundido. La resistencia de la pieza fundida mejora aún más, pero el alargamiento después de la fractura disminuirá, por lo que es más apropiado utilizar un menor contenido de Si para aleaciones no tratadas térmicamente. La aleación contiene una cierta cantidad de Mg, lo que significa que la aleación no es un material no tratado térmicamente en sentido estricto. El tratamiento térmico T5 o T85 (tratamiento de recubrimiento y horneado) para la fundición de aleaciones puede mejorar aún más el límite elástico, como se muestra en la Tabla 4. Espectáculo.

La aleación Aural 5, o 374, es una aleación fundida a presión no tratable térmicamente desarrollada por Magna Corporation. La aleación es básicamente la misma que la C611 anterior. Randolf Scott Beals elaboró y estudió las ideas de diseño y las propiedades mecánicas de la aleación en la patente e hizo una comparación detallada con la aleación C611. En comparación con la aleación de fundición a presión Aural2 para tratamiento térmico, la aleación cancela el proceso de solución sólida, conformación y envejecimiento puede reducir el costo de fabricación. La buena plasticidad y la estabilidad natural del envejecimiento de la aleación después de la fundición y antes del horneado del recubrimiento pueden cumplir con los requisitos de conexión SPR de las piezas estructurales de la carrocería, como se muestra en la Tabla 4. Al mismo tiempo, la aleación es similar al C611, la resistencia mejorará aún más después del recubrimiento y horneado, y también puede cumplir con los requisitos de estabilidad térmica de ciclo corto de 1h a 205℃ y los requisitos de estabilidad térmica a largo plazo de 1000h a 150℃.

Por primera vez, Tesla utilizó una gran unidad de fundición a presión de 6.000 t para fabricar la carrocería inferior trasera de fundición a presión integrada de aleación de aluminio en su modelo Model Y. El diseño altamente integrado e innovador de esta pieza también plantea mayores requisitos para las aleaciones de fundición a presión no tratadas térmicamente. Stucki Jason introdujo el proceso de desarrollo de la nueva aleación en la patente. Los primeros son los requisitos de resistencia y tenacidad del material. El límite elástico y el ángulo máximo de flexión en frío de la aleación objetivo en el estado recién fundido deben ser superiores a 135 MPa y 24°, respectivamente, para cumplir con los requisitos de rendimiento de la fundición. Al mismo tiempo, debido al enorme tamaño de la pieza fundida, también se requiere que la aleación tenga excelentes propiedades de flujo. El estudio encontró que en condiciones de fundición a presión, cuando el contenido de Si es superior al 6%, continuar aumentando el contenido de Si no mejorará significativamente la fluidez, pero aumentará el contenido de fase de silicio eutéctico y afectará la tenacidad de la aleación. Por tanto, la aleación controla al mismo tiempo el contenido de Si. Cumple con los requisitos de fluidez y tenacidad. Por lo general, agregar un elemento Cu puede aumentar la resistencia, pero reducir la ductilidad y la tenacidad. Al controlar la relación Cu/Mg para facilitar la precipitación de la fase AlCuMgSi para reemplazar las fases Mg2Si y Al2Cu, se puede mejorar la resistencia sin causar una disminución significativa en la ductilidad y la tenacidad. Además, se añade el elemento Sr a la aleación para modificar la fase Si, y se añade el elemento V para precipitar la fase esférica AlFeSi(Mn+V), lo que reduce la fase rica en hierro escamoso, lo que es beneficioso para la mejora de la tenacidad del material. Se tolera un mayor contenido de impurezas de Fe.

3. Aleaciones de fundición a presión no tratadas térmicamente de la serie Al-Mg

En la Tabla 5 se enumeran las composiciones químicas de algunas aleaciones de fundición a presión no tratadas térmicamente de la serie Al-Mg, de las cuales no se revelan algunos contenidos de elementos de algunas aleaciones de fundición a presión nuevas, y los contenidos de elementos en las posiciones correspondientes en la tabla están en blanco. Se puede observar que se puede subdividir en Al-Mg-Mn, Al-Mg-Si-Mn, Al-Mg-Fe, Al-Mg-Mn-Cu y otros tipos.

La aleación C446F, o 560, es una aleación de fundición a presión a base de Al-Mg no tratable térmicamente desarrollada tempranamente por Alcoa. Esta aleación se utilizó en el panel interior de la puerta del Nissan GT-R. El espesor de la pared de la pieza es de unos 2-3 mm y el peso de una sola puerta se puede reducir en 5,5 kg. La aleación tiene excelentes propiedades mecánicas. Sin embargo, debido a su amplio rango de temperatura de solidificación, la tendencia al agrietamiento en caliente durante la fundición a presión es muy alta. Por lo tanto, no es una muy buena opción para piezas complejas, especialmente piezas con cambios obvios en el espesor del material. Buena elección. La Figura 1a muestra el cambio del contenido de fase líquida de la aleación Al-3,6Mg-1,2Mn-0,12Fe durante el proceso de enfriamiento calculado por el software JmatPro, en el que la temperatura del líquido es 642,93 °C, la temperatura del sólido es 450 °C y el rango de temperatura de solidificación es 193 °C.

La aleación A152/A153 es un nuevo tipo de aleación de fundición a presión desarrollada por Alcoa sobre la base de la aleación C446F mencionada anteriormente para mejorar el rendimiento del agrietamiento en caliente. Al agregar una proporción apropiada de elemento Si a la aleación, el rango de temperatura de solidificación de la aleación se puede acortar significativamente, como se muestra en la Figura 1b, agregar 1,3 % de Si reduce el rango de temperatura de solidificación a 43 °C, reduciendo así significativamente la susceptibilidad al agrietamiento en caliente. La aleación se desarrolló utilizando el método de cálculo de materiales, se compararon y optimizaron los coeficientes de sensibilidad al agrietamiento en caliente de aleaciones con diferentes composiciones y se utilizó el índice de tendencia al agrietamiento en caliente para la verificación experimental. Para las aleaciones, un contenido de Si del 1,2% al 1,6% puede mejorar significativamente el problema del agrietamiento en caliente, como se muestra en la Figura 2. La aleación se divide en dos grados: aleación A152 con bajo contenido de Mg y aleación A153 con alto contenido de Mg. Entre ellos, el A152 puede alcanzar un límite elástico de 150 MPa y una resistencia a la tracción de 265 MPa y un alargamiento después de la fractura del 11%. , la resistencia a la tracción es de 280 MPa y las propiedades mecánicas del alargamiento después de la fractura son del 9%.

La aleación Magsimal 59, o AlMg5Si2Mn, es una aleación de fundición a presión no tratable térmicamente desarrollada por Rheinfeld. Además de mejorar las propiedades de agrietamiento en caliente de la aleación mencionada anteriormente, la adición de elemento Si también puede mejorar la fluidez en el proceso de fundición, pero Geof-frey ve que la aleación aún es difícil de fundir con referencia a la experiencia real del caso, por lo que es difícil de fundir en América del Norte y otros países. Tiene pocas aplicaciones en China y sólo se utiliza en algunas plantas de fundición a presión en Europa. Además, dado que las propiedades mecánicas de la aleación están estrechamente relacionadas con la tasa de solidificación, es decir, el espaciamiento de las dendritas α, el espesor de la pared tiene un mayor impacto en las propiedades mecánicas, como se muestra en la Tabla 6.

La aleación SJTU-Al-Mg-Si-Mn es una aleación de fundición a presión no tratada térmicamente desarrollada por la Universidad Jiaotong de Shanghai. Su propósito es mejorar el límite elástico del material manteniendo al mismo tiempo la buena tenacidad del material. Para la aleación Al-Mg-Si-Mn, con el aumento del contenido de Mg, el límite elástico del material aumenta y el límite de fatiga aumenta, pero el alargamiento disminuye significativamente. Por lo tanto, mientras se aumentaba el contenido de elementos Mg y Si y se ajustaba la relación relativa, se agregaron aleaciones Ti, Zr y V para mejorar la estructura, y se introdujo la modificación del compuesto Re/Ca para refinar el silicio eutéctico para obtener un límite elástico >180 MPa, alargamiento Las propiedades mecánicas de la tasa>10%. De manera similar, la aleación SJ-TU-Al-Mg-Cu-Mn se fortaleció mediante la introducción de elementos Cu, y se introdujeron elementos de tierras raras Y, Er, Ce para refinar la fase Al2CuMg, límite elástico>180MPa, resistencia a la tracción>320MPa, elongación ＞8% propiedades mecánicas integrales de alta resistencia y alta tenacidad.

La aleación Castaduct 42, o AlMg4Fe2, es un nuevo tipo de aleación de fundición a presión no tratada térmicamente desarrollada por Rheinfeld. A diferencia de la aleación Al-Mg-Mn mencionada anteriormente, esta aleación es un nuevo sistema de composición Al-Mg-Fe desarrollado basado en el sistema eutéctico Al-Fe, y su alto contenido de Fe puede evitar el problema de adherencia del molde durante la fundición a presión, pero al mismo tiempo también hace que el elemento Si se convierta en un elemento de impureza que debe limitarse estrictamente. Sin embargo, esta aleación tiene una gran similitud con el C446F anterior, es decir, características de composición altas de Mn o Fe y bajas de Si, por lo que su moldeabilidad aún está por verificarse. La aleación tiene una resistencia moderada y una buena tenacidad plástica en estado fundido, lo que puede cumplir con los requisitos de remachado y rendimiento de seguridad contra choques de las piezas. Las propiedades mecánicas se muestran en la Tabla 7. También vale la pena señalar que la composición química de esta aleación es muy similar a las aleaciones de aluminio forjado de la serie 5XXX comúnmente utilizadas en el estampado de piezas estructurales de cuerpos, como la aleación 5182 (AlMg4.5Mn0.4), y el diseño de la composición de la aleación con alto contenido de Fe puede hacer que sea relativamente fácil realizar el reciclaje de dicho aluminio residual, reducir la proporción de aluminio electrolítico A00 utilizado, y así reducir en gran medida la emisión de carbono de las piezas estructurales de la carrocería de aleación de aluminio.

4 Conclusión

Con la demanda cada vez más severa de ahorro de energía y reducción de emisiones en los automóviles, la tasa de penetración de piezas fundidas al vacío de aleación de aluminio en piezas estructurales automotrices clave continúa aumentando debido a su integración, peso ligero y buena resistencia y tenacidad. Sin embargo, con la mejora continua del grado de integración de las piezas de fundición a presión, especialmente el concepto y la aplicación de la tecnología de formación de carrocería integrada de Tesla, la aleación tradicional AlSi10MnMg no puede satisfacer la demanda debido a la necesidad de tratamiento térmico, por lo que la investigación sobre nuevas aleaciones de aluminio de fundición a presión no tratadas térmicamente se promueve continuamente. En cuanto a la aplicación, los casos actuales de investigación y aplicación relacionados se concentran principalmente en dos categorías: sistema Al-Si y sistema Al-Mg.

Para las empresas automovilísticas, las piezas fundidas a presión de aleación de aluminio para piezas estructurales de automóviles son diferentes de las piezas fundidas a presión tradicionales. El proceso de conexión en el proceso de fabricación y el rendimiento del vehículo durante el servicio tienen mayores requisitos en cuanto a las propiedades mecánicas integrales de las piezas fundidas a presión, especialmente la tenacidad. Las aleaciones actuales de Al-Si y Al-Mg generalmente tienen características de resistencia y tenacidad moderadas. Con la mejora continua de los requisitos de integración y diseño liviano de las piezas estructurales de fundición a presión de aleación de aluminio, el desarrollo de nuevas aleaciones de fundición a presión debería avanzar en la dirección de mejorar la resistencia y/o tenacidad, al tiempo que tienen buenas propiedades de fluidez y fundición.

Para las empresas de procesamiento de aluminio, debido a su bajo contenido de Fe, las aleaciones de aluminio de fundición a presión para piezas estructurales de automóviles, incluso si se agregan elementos con alto contenido de Mn, las aleaciones de fundición a presión aún se erosionan seriamente en el molde y la vida útil del molde se reduce significativamente en comparación con las piezas de fundición a presión tradicionales, lo que conduce a que el costo de fabricación de las piezas estructurales de fundición a presión de automóviles sea obviamente alto especialmente con la continua ampliación de las piezas de fundición a presión, el desafío para el molde es cada vez mayor. Al mismo tiempo, las aleaciones de fundición a presión con bajo contenido de Fe deben prepararse con lingotes de aluminio puro, y el costo de las materias primas y las emisiones de carbono son significativamente más altos que los de las piezas de fundición a presión tradicionales. Por lo tanto, se necesita investigación y desarrollo de nuevas aleaciones de fundición a presión resistentes y de alta resistencia con mayor tolerancia a los elementos Fe para promover la regeneración. La aplicación de aleaciones de aluminio en piezas estructurales de fundición a presión de automóviles no sólo es beneficiosa para el control de costos de las piezas, sino que también reduce en gran medida las emisiones de carbono en la etapa de adquisición de materia prima, mejorando así significativamente la competitividad del producto.