Литые алюминиевые колесные диски

Обычно различают стальные колесные диски и легкосплавные колесные диски. В колесных дисках из легких сплавов применяют только алюминиевые и магниевые. Магниевые диски в обычных автомобилях встречаются крайне редко из-за их дороговизны, а главное, низкой коррозионной стойкости.

Колесные диски: стальные и алюминиевые

Основное преимущество литых алюминиевых дисков перед стальными – это возможность получать разнообразный дизайн, высокую точность размеров, а также оптимальные статические и динамические механические характеристики.

Снижение веса алюминиевых колесных дисков по сравнению со стальными является одним из их преимуществ, но часто не решающим. В некоторых случаях, вес литых алюминиевых колесных дисков равен или только чуть легче стандартных стальных с простейшим дизайном.

Алюминиевые колесные диски: литые или кованые

Большинство алюминиевых дисков являются литыми или коваными. Небольшое количество дисков, в основном для «элитных» и спортивных автомобилей, изготавливают из нескольких составных деталей и по смешанным технологиям с привлечением методов литья, ковки, штамповки, прессования, прокатки, сварки и других.

Литые алюминиевые колесные диски

Когда речь идет о литых дисках, то обычно имеются в виду только алюминиевые литые диски. Стальные диски изготавливают не литьем, а штамповкой, а магниевые литые диски применяют только на эксклюзивных авто по причинам, указанным выше.

Рисунок 1 – Литой колесный диск

Литье алюминиевых дисков

Для производства алюминиевых колесных дисков применяют различные методы литья. От метода литья алюминия зависит качество литого колесного диска, внешнее и внутреннее. Выбор метода литья в основном определяется качеством литой микроструктуры (например, пористости), применяемыми типами алюминиевых сплавов и режимами термической обработки. Все это определяет не только прочность и надежность колесных дисков, но также влияет на уровень качества их внешнего вида.

Основные методы литья колесных дисков

Основными методами литья, которые применяют при производстве колесных дисков, являются следующие:

литье под низким давлением – основной метод;
литье в кокиль – применяется реже;
литье с противодавлением – еще реже.

Иногда применяются технологии, совмещающие литье с ковкой и штамповкой.

Литье колесных дисков в кокиль

Вообще говоря, литье под давлением, когда металл закачивается в в литейную форму, является более предпочтительным, чем простая заливка в нее под действием силы тяжести. Однако литье в кокиль еще остается вполне релевантным литейным процессом для производства колесных дисков. Литье в кокиль является более дешевым, его применяют в основном тогда, когда не гонятся за снижением веса, а хотят получить оригинальный дизайн. Поскольку этот процесс при заполнении литейной формы полагается только на силы гравитации, то литейная структура обычно имеет больше дефектов (например, пористости), чем та, которая получается при литье под давлением. Поэтому диски, отлитые в кокиль, обычно имеют больший вес для того, чтобы обеспечить требуемую прочность.

Литье колесных дисков под низким давлением

Большинство литых колесных дисков изготавливаются методом литья под низким давлением (рисунок 2). Метод литья под низким давлением применяет относительно низкое давление (около 2 бар) для того, чтобы достичь быстрого заполнения литейной формы и получить более плотную микроструктуру, а, следовательно, и более высокие механические свойства, по сравнению с литьем в кокиль. Вдобавок, эта технология обеспечивает и несколько более высокую производительность (рисунок 3).

Рисунок 2 – Алюминиевый колесный диск, изготовленный методом литья под низким давлением

Рисунок 3 – Схема метода литья колесных дисков под низким давлением

Другие методы литья колесных дисков

Кроме классического метода литья под низким давлением применяются многочисленные технологические варианты, которые оптимизированы под производство колесных дисков. Например, получают даже более легкие и прочные колесные диски, когда применяют специальное оборудование, которое обеспечивает более высокое давление литья.

Пустотелые колесные диски

Интересной новой разработкой является запатентованный метод «air inside technology» фирмы BBC. Основная ее идея заключается в применении в конструкции колесного диска полых камер и спиц вместо сплошного металла. В результате получается более легкое колесо с лучшей динамикой и комфортом вождения. Эта технология включает кроме литья такие операции как формовка и сварка.

Рисунок 4– Алюминиевый колесный диск с пустотелыми элементами,
изготовленный по технологии «Air-Inside»

Контроль качества литых колесных дисков

Каждый литой диск подвергается рентгеновскому контролю, а затем обычно подвергается термической обработке и механической обработке. После этого поверхность дисков подвергают специальной подготовке под окраску и наносят краску или защитное покрытие. Затем образцы из статистической выборки дисков проходят трехмерный контроль размеров, проверку динамической балансировки, испытания на усталостную и ударную прочность.

Требования к алюминиевым сплавам для колесных дисков

К материалам для колесных дисков предъявляется ряд требований, которые могут противоречить друг другу.

Литейный сплав должен обладать хорошими литейными свойствами:

безупречное заполнение литейной формы,
отсутствие налипания металла на литейную форму,
минимальная склонность к горячему растрескиванию и усадке.

Материал должен иметь

высокую способность выдерживать механические удары (пластичность, ударная прочность).

Материал колесного диска должен иметь

высокое сопротивление коррозии как в нормальной, так и в солевой атмосфере.

Материал диска должен иметь

высокую усталостную прочность.

Алюминиево-кремниевые сплавы для колесных дисков

В соответствии с этими требованиями для изготовления колесных дисков применяют доэвтектические алюминево-кремниевые сплавы с содержанием кремния от 7 до 12 %. Эти сплавы имеют также добавки различного количества магния для обеспечения хорошего сочетания прочности и пластичности. Кроме того, эти сплавы имеют низкое содержание железа и других примесей.

Алюминиевый сплав AlSi11Mg

Вплоть до 80-х годов в Германии и Италии применяли близкий к эвтектическому составу сплав AlSi11Mg с содержанием кремния 11-12 %. Этот сплав обладает очень хорошими литейными свойствами, особенно в отношении к заполнению литейных форм и минимальной усадки. С другой стороны, этот химический состав алюминиевого сплава не обеспечивает ему достаточно высокой прочности и предела усталости, которые бы позволили далее уменьшать вес колесного диска.

Рисунок 5 – Литой колесный диск из алюминиевого сплава AlSi11Mg

Алюминиевый сплав AlSi7Mg0,3 (A356)

В настоящее время стандартным сплавом для изготовления колесных дисков является литейный алюминиевый сплав AlSi7Mg0,3, который более известен как сплав A356, с дополнительным модифицированием стронцием. Впервые этот сплав применялся для изготовления колесных дисков во Франции, причем термическая обработка не применялась.

Однако преимуществом этого сплава AlSi7Mg0,3 является именно то, что он является термически упрочняемым, а это позволяет обеспечивать дискам дополнительную прочность. В Соединенных Штатах и Японии этот сплав с самого начала применяли с термической обработкой Т6, то есть в состоянии после закалки и искусственного старения.

Термическое упрочнение алюминиевых колесных дисков

На графиках рисунка 6 показана зависимость прочностных свойств сплава AlSi7Mg, модифицированного натрием, от содержания магния. Прочностные характеристики сплава AlSi7Mg0,3 дают лучшее сочетание усталостной прочности и относительного удлинения. С увеличением содержания магния усталостная прочность практически не возрастает, относительное удлинение значительно падает.

Рисунок 6 – Предел прочности, предел текучести, относительное удлинение и усталостная прочность алюминиевого литейного сплава AlSi7Mg-T6

Аналогичные исследования были выполнены для различного содержания кремния. Установлено, что с увеличением содержания кремния пластичность сплава снижается, особенно при низкой скорости затвердевания в местах утолщений. Тем не менее, сплавы с содержанием кремния 11-12 % продолжают применять в тех случаях, когда требуется повышенная текучесть алюминиевого расплава.

Большое значение для усталостной прочности сплава AlSi7Mg имеет уровень его пористости в отливке. На рисунке 7 показана зависимость усталостной прочности алюминиевого сплава AlSi7Mg0,3 от максимального размера пор в материале опытных образцов.

Рисунок 7 – Усталостная прочность алюминиевого литейного сплава AlSi7Mg0,3
в зависимости от размера пор

Источник:
European Aluminium Association, 2011