Nagy szilárdságú alumíniumötvözetek a gépjárműipar számára

A legnagyobb kihívás a tömegcsökkentés és 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.

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 %-ért a motor lökettérfogat-csökkentése, míg a fennmaradó 40%-ért az általános tömegcsökkentés felel. 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 alumíniumötvözetek növekvő felhasználása szükséges.

A 2008-as gazdasági válság előtti években az összes alumíniumöntvény-termelés 76%-át a gépjárműipar használta fel. Ezeknek az öntvényeknek 70%-a nagynyomású technológiával készült. A gazdasági válságot követően ismét folyamatosan növekszik az alumíniumöntvény-felhasználás az acél rovására és ezt a tendenciát erősíti az elektromos autók térnyerése. Ott ugyanis robbanómotor híján csak a váz és a karosszériaelemek tömegének csökkentésével lehet a hatótávolságot növelni a jelenlegi akkumulátortechnológia mellett. Azoknak a gyártóknak, akik robbanómotoros járművekhez gyártanak alkatrészeket, nem kell attól tartaniuk, hogy pár éven belül megszűnik a munkájuk és nem lesz szükség az eddig gyártott öntvényekre, mert ez a jól bevált, hosszú hatótávolságú utazásokat biztosító technológia várhatóan további évtizedekig jelen lesz.

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 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. Ezen felül, 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, karosszéria csomóponti elemek, ajtópanelek, B-oszlop.

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, mivel tűszerű FeSiAl₅ intermetallikusfázisok jelennek meg a szövetszerkezetben, s ezek bemetsző hatásuk következtében gyengítik az alkatrész teherviselő képességét.

Ezért több alapanyaggyártó is kifejlesztette az elmúlt évtizedekben a saját, kiváló minőségű könnyűfémötvözet-családját, általában primer minőségű szekunder ötvözetekről van szó. 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%-rakorlátozták, amennyiben a nagy korrózióállóság követelmény. A mangánötvözés hatására a vastartalmú fázis morfológiája megváltozik, a tűs struktúra helyett ún. kínai írásjelhez hasonló, intermetallikus fázis alakul ki. A mangán adagolásánál ugyanakkor fellép egy probléma, nevezetesen az iszapképződés, illetve ez az ötvöző kis mértékben rontja a nyúlási tulajdonságokat, amennyiben az öntvényt hőkezelésnek vetik alá.

Egyes tengerentúli gyártók úgy próbálták az iszapképződést csökkenteni, hogy az eutektikus fázis szövetszerkezetének finomítása, ez által a szilárdság növelése érdekében az ötvözethez adagolt stroncium mennyiségét néhány század százalékkal megnövelték (0,01%-ról 0,05%-ra), ugyanis azt vették észre, hogy ennek az ötvözőnek pozitív hatása van a feltapadás csökkentése szempontjából. Bár vannak olyan gyártók, akik a növelt stroncium mennyiségét inkább hátrányosnak tartják, és az öntés során fellépő negatív hatásokra hivatkoznak, úgymint a gyors lecsengés, túlmódosítás, túlzott oxidáció, hidrogénfelvétel növekedése, csökkent folyékonyság és csökkent formakitöltő képesség, valamint Al₄SrSi₂ intermetallikus fázisok kialakulása.

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 csak hőkezeléssel lehet elérni. 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, 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, 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. 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.

3. 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 a AlSi9MnMoZr összetételű ötvözetek. Ezek az ötvözetek jó mechanikai tulajdonságuk mellett kiválóan hegeszthetőek.

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.

Természetesen ahhoz, hogy hőkezelhető, hegeszthető alkatrészt kapjunk, elengedhetetlen, hogy az öntés vákuum alatt történjen, amely a magas technológiai színvonalat és a gyártási fegyelmet követel meg. Az általánosan elterjedt, vákuum alatt történő nyomásos öntés esetén, ahol a formaüreg egy kilevegőztető vagy 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. Ezt a speciális öntési eljárást a szakirodalom CVC-nek (controlled vacuum casting), vagyis ellenőrzött vákuum alatt történő öntésnek nevezi.

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.

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.