Применение магниевых сплавов для колес автомобиля ВАЗ-2103(06)

17.07.2019

Проблема увеличения долговечности, повышения качества и конкурентоспособности отечественных легковых автомобилей в настоящее время очень важна. Одно из направлений решения этой проблемы — применение легких сплавов взамен стали с целью облегчения конструкции автомобиля. В частности, с 1972 г. ведется разработка и готовится внедрение в производство литых колес из алюминиевых и магниевых сплавов для легковых автомобилей ВАЗа.

Колеса являются ответственными, тяжелонагруженными деталями автомобиля, испытывающими в процессе эксплуатации различные ударные и знакопеременные динамические нагрузки, а также кратковременное и длительное воздействие перепадов температуры (от минусовых до +150°С). Поэтому к материалу колеса предъявляются требования высоких демпфирующих свойств, усталостной прочности и теплопроводности.

Известно, что магниевые сплавы обладают хорошей способностью гасить энергию упругих колебаний, возникающих от вибрационных и ударных нагрузок, уменьшая тем самым опасность усталостного разрушения. Демпфирующая способность магниевых сплавов в 20 раз выше, чем у стали, и в 100 раз выше, чем у дуралюмина.

Более высокая (почти в 2 раза), чем у стали, теплопроводность и теплоемкость магниевых сплавов позволила бы улучшить охлаждение тормозов, обеспечить высокую эффективность торможения и уменьшить износ фрикционных элементов тормозов. Благодаря высокой удельной прочности магниевых сплавов возможно облегчение каждого колеса на 50—60% по сравнению со стальным, уменьшение неподрессоренной массы автомобиля и, как следствие, снижение расхода горюче-смазочных материалов, износа шин, а также деталей подвески. Уменьшение момента инерции колеса приведет к улучшению управляемости автомобиля. Экономия дефицитного стального проката составит до 35 кг на автомобиль.

Существенным недостатком широко применяемых в отечественной и зарубежной промышленности сплавов системы магний—алюминий—цинк (МЛ5 и AZ91), а также колесного сплава АМ60 (G—MgA16) является значительная склонность к образованию горячих трещин, что недопустимо при литье такой сложной, крупногабаритной и ответственной детали, как автомобильное колесо.

Суммируя технические требования к материалу колеса, можно сказать что, помимо достаточно высокого уровня механических свойств, особенно пластичности, магниевый сплав для литья автомобильных колес должен обладать пониженной горячеломкостью при литье в металлические формы.
Применение магниевых сплавов для колес автомобиля ВАЗ-2103(06)

При разработке специального колесного сплава была взята система магний—алюминий, являющаяся основой для большинства литейных магниевых сплавов. Анализ зависимости механических свойств от состава магниево-алюминиевых сплавов свидетельствует о том, что механические свойства в литом состоянии повышаются с увеличением содержания алюминия до 6%, дальнейшее легирование алюминием приводит к монотонному снижению предела прочности и резкому падению уровня относительного удлинения. Указанный характер изменения механических свойств соответствует увеличению на границах зерен в структуре сплава количества второй фазы — хрупкого интерметаллического соединения Mg17Al12. Исследованиями последних лет показано, что кристаллизация сплавов в металлических формах протекает в условиях, весьма далеких от равновесных. Для сплавов системы магний—алюминий, согласно неравновесной диаграмме, концентрационная граница появления второй фазы для условий затвердевания в кокиле (скорость охлаждения 10—20 град/мин) лежит при концентрации алюминия около 3%. В сплавах, содержащих 6—8% алюминия, включения второй фазы в структуре имеют значительную протяженность и оказывают существенное влияние на механические свойства сплавов как вблизи солидуса при затвердевании и усадке, так и при рабочих температурах сплава. Кроме того, интерметаллическая фаза в значительной мере предопределяет литейные свойства сплавов и в первую очередь горячеломкость. Поэтому были проведены исследования влияния легирующих добавок на механические и литейные свойства интерметаллида Mg17Al12.

На основании результатов этих исследований за основу специального колесного сплава была принята система магний—алюминий—кадмий, с целью повышения коррозионной стойкости в состав сплава введен Ti. Методом математического планирования эксперимента определен оптимальный состав сплава с факторами оптимизации (предел прочности, относительное удлинение и горячеломкость). Сплав получил условное название МЛ20 и включен совместно со сплавом MЛ5 в ТУ на опытную партию литых колес из магниевых сплавов для автомобиля ВАЗ-2103.

Промышленное опробование сплава МЛ20 показало более высокие технологические качества сплава по сравнению с серийным сплавом МЛ5. В частности, брак отливок по горячим трещинам из сплава МЛ20 примерно в 2 раза меньше, чем из сплава МЛ5. Всего было отлито 80 колес из сплава МЛ5 и 70 колес из сплава МЛ20.

Программа сравнительного исследования металлургического качества литых колес из сплавов МЛ5 и МЛ20 включала оценку плотности литья, изучение структуры, определение механических свойств.

Оценка плотности отливок производилась методом гидростатического взвешивания темплетов размерами 10x10x15 мм, вырезанных из различных сечений колеса (обода, диска, ступицы) в соответствии со специально разработанной схемой вырезки.

Как показали измерения и расчеты, плотность различных элементов отливки колеса неодинакова. Наибольшая пористость наблюдается в сечении массивной ступичной части колеса, наименьшая — в сечении диска. Уровень плотности сплавов в отливках примерно одинаков.

Макроструктура отливок изучалась на темплетах, вырезанных из тонких и массивных элементов колеса. В макроструктуре отливок обоих сплавов нет явных структурных зон с различной величиной и ориентировкой зерен. Практически во всех сечениях наблюдается мелкое равноосное верно, без каких-либо значительных дефектов усадочного или газового происхождения.

Микроструктура образцов из сплавов MЛ5 и MЛ20 выявлялась в литом, литом и состаренном, закаленном и состаренном состояниях. Микроструктура сплавов в литом состоянии представляет собой a-твердый раствор и выделения фазы Mg17Al12 эвтектического происхождения по границам зерен. Существенных различий в микроструктуре сплавов не наблюдается.

Механические свойства изучались на вырезанных из обода, диска и ступицы колеса образцах с рабочим диаметром 3 мм и расчетной длиной 30 мм, термообработанных по режимам Ti, Т4, Тб. В отличие от сплава MЛ5 закалка сплава MЛ20 производилась при 385 °С. Средние результаты механических испытаний представлены в табл. 1.

Результаты механических испытаний показывают, что в литом и состаренном состояниях сплав МЛ20 имеет значительно более высокий уровень прочности и пластичности, чем сплав МЛ5; в закаленном и состаренном состоянии прочность сплавов примерно одинакова при более высокой пластичности сплава МЛ20.

Высокий уровень механических свойств сплава МЛ20 в литом и состаренном состояниях позволил рекомендовать колеса из сплава МЛ20 для стендовых и эксплуатационных испытаний на ВАЗе без термообработки по режиму Т6 (в литом и состаренном состояниях), в то время как колеса из сплава МЛ5 были подвергнуты термообработке по этому режиму.

Предварительно в лабораторных условиях проведены стандартные усталостные испытания круглых образцов из сплавов МЛ5 и МЛ20 на малогабаритной усталостной машине при симметричном цикле нагружения (изгиб вращающегося, консольно закрепленного образца). Выбранная схема нагружения образца в наибольшей степени соответствует условиям нагружения автомобильных колес при эксплуатации. Установлено, что предел выносливости сплава MЛ20 составляет 9,5 кгс/мм2, а сплава MЛ5 — 8,0 кгс/мм2, т. е. усталостные свойства сплава МЛ20, определяющие эксплуатационные качества автомобильных колес, превышают свойства сплава MЛ5.

Оценка долговечности колес производилась на стенде ВАЗа. Колеса испытывались на изгиб с изгибающим моментом 180 кгм при скорости вращения 350 об/мин; по этой методике норма составляет 200 000 циклов.

Результаты стендовых испытаний представлены в табл. 2.

Результаты стендовых испытаний доказывают более высокие усталостные свойства колес из сплава МЛ20 в состаренном состоянии по сравнению с состаренными и закаленными по режиму Т6 колесами из сплава MЛ5. Преждевременное разрушение колес из сплава МЛ20 в литом состоянии указывает на наличие значительных остаточных литейных напряжений в теле отливки, что снижает усталостные свойства сплава.

Другие новости по теме:

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна