Структурообразование литейных алюминиевых сплавов при литье под низким давлением

785763 831894

ISBN 978-5-7638-3189-4

Монография 

Институт цветных металлов и материаловедения

Структурообразование 
литейных  алюминиевых 
Сплавов  при  литье  
под  низким  давлением

Рассмотрены сплавы, используемые для изготовления 
дисков автомобильных колес. Приведены способы модифицирования и рафинирования алюминиевых сплавов, структура и свойства сплавов АК12 и АК7пч, особое внимание 
уделено применению современных ультрамелкодисперсных 
модификаторов. Описана технология изготовления дисков 
автомобильных колес из алюминиевых сплавов методом литья под низким давлением.

 

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 
 
СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ 
ЛИТЕЙНЫХ  АЛЮМИНИЕВЫХ  СПЛАВОВ 
ПРИ  ЛИТЬЕ  ПОД  НИЗКИМ  ДАВЛЕНИЕМ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2015 

 

УДК 621.74.043:669.715 
ББК  34.333.1 
С873  
 
Авторы: 
Т.А. Богданова, Н.Н. Довженко, Т.Р. Гильманшина, В.Г. Бабкин, 
В.П. Жереб, Г.А. Меркулова, А.В. Чеглаков, С.В. Мельников, 
Е.Г. Партыко, А.А. Косович 
 
Р е ц е н з е н т ы:  
А.Е. Михеев, доктор технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой летательных аппаратов Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева;  
Т.А. Верещагина, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник ФГБУН «Институт химии и химической технологии СО РАН» 
 
 
 
 
С873 
 
Структурообразование литейных алюминиевых сплавов 
при литье под низким давлением : монография / Т.А. Богданова, Н.Н. Довженко, Т.Р. Гильманшина [и др.]. – Красноярск : Сиб. 
федер. ун-т, 2015. – 164 с. 
ISBN 978-5-7638-3189-4 
 
Рассмотрены сплавы, используемые для изготовления дисков автомобильных колес. Приведены способы модифицирования и рафинирования 
алюминиевых сплавов, структура и свойства сплавов АК12 и АК7пч, особое 
внимание уделено применению современных ультрамелкодисперсных модификаторов. Описана технология изготовления дисков автомобильных колес из алюминиевых сплавов методом литья под низким давлением. 
Предназначена для научных и инженерно-технических работников, аспирантов, магистрантов и бакалавров металлургических вузов. 
 
Электронный вариант издания см.: 
УДК 621.74.043:669.715 
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК  34.333.1 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-3189-4 
© Сибирский федеральный 
университет, 2015 

Оглавление 

3 

ОГЛАВЛЕНИЕ  
 
 
Условные обозначения ...............................................................................  
5 
 
Введение ........................................................................................................  
6 
 
1. Перспективные технологии получения автомобильных колес  
из сплавов цветных металлов ..............................................................  10 
1.1. Современные технологии изготовления дисков  
автомобильных колес ........................................................................  10 
1.2. Перспективные сплавы для изготовления автомобильных колес 
методом литья под низким давлением ............................................  16 
1.3. Влияние чистоты расплава на свойства алюминиевых сплавов 
и качество литых колес .....................................................................  21 
1.4. Современные технологии модифицирования доэвтектических 
и эвтектических алюминиевых сплавов ..........................................  29 
1.5. Влияние скорости охлаждения при кристаллизации 
на структурные параметры и механические свойства 
алюминиевых сплавов .......................................................................  36 
 
2. Методы исследования и материалы ...................................................  41 
2.1. Стадии изготовления колес ...............................................................  41 
2.2. Методы оценки загрязненности сплава по неметаллическим 
включениям и водороду ....................................................................  43 
2.3. Методы оценки структуры и свойств алюминиевых сплавов .......  46 
2.4. Методы оценки механических и ресурсных свойств  
литых колес .........................................................................................  49 
2.5. Моделирование процесса литья автомобильных колес  
из сплава АК12 ...................................................................................  52 
 
3. Влияние соотношения железа и марганца в сплаве АК12 
на основе алюминия А7 на свойства автомобильных колес ..........  55 
3.1. Анализ влияния технологии рафинирования  
на качество отливок ...........................................................................  56 
3.2. Анализ влияния содержания железа на уровень механических 
свойств отливок колес ................................................................................  77 
3.3. Исследование изменения свойств колеса по отдельным  
его зонам .............................................................................................  81 
3.4. Исследование свойств сплава АК12 при различном 
соотношении Fe : Mn .........................................................................  85 
3.5. Разработка технологии литья легкосплавных колес из сплава 
АК12 с повышенным содержанием железа.....................................  91 

Оглавление 

4 

4. Разработка технологии модифицирования сплава АК12 
на основе первичного алюминия А7 для литья  
автомобильных колес .............................................................................  100 
4.1. Исследование влияния типа и способа введения 
таблетированного модификатора на свойства алюминиевого 
сплава АК12 ........................................................................................  101 
4.2. Исследование влияния комплексной обработки расплава  
на качество автомобильных колес ...................................................  116 
 
5. Влияние режимов термической обработки и нанесения 
декоративно-защитного покрытия на структуру и свойства 
дисков автомобильных колес из алюминиевых сплавов ...............  127 
5.1. Влияние термической обработки и нанесения декоративнозащитного покрытия на структуру и механические свойства 
колес из сплава АК7пч ......................................................................  127 
5.2. Влияние нанесения декоративно-защитного покрытия  
на структуру и свойства колес из сплава АК12 ..............................  134 
 
Заключение ...................................................................................................  148 
 
Список литературы .....................................................................................  150 
 
 
 

УСЛОВНЫЕ  ОБОЗНАЧЕНИЯ 
 
 
σв 
– временное сопротивление разрыву, МПа 
σ0,2 
– предел текучести условный, МПа 
δ 
– относительное удлинение, % 
НВ 
– твердость по Бринеллю 
γ 
– удельная электропроводимость, МСм/м 
ЛНД 
– литье под низким давлением 
ЛПД 
– литье под давлением 
Кд 
– коэффициент пораженности оксидными пленами, % 
НМВ 
– неметаллические включения 
ДТА 
– дифференциально-термический анализ 
РЭМ 
– растровая электронная микроскопия 
ПЭМ 
– просвечивающая электронная микроскопия 
УДП 
– ультрадисперсный порошок 
ПМ 
– переходные металлы 
ТВО 
– температурно-временная обработка 
ВТВО – высокотемпературно-временная обработка 
ТСО 
– температурно-скоростная обработка 
 
 

Введение 

6 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Сплавы на основе алюминия занимают особое положение среди конструкционных материалов. С одной стороны, это связано с возможностью 
достижения уникального сочетания основных эксплуатационных свойств 
(прочности, пластичности, коррозионной стойкости и т. д.) с низкой плотностью (в частности, сравнительно со сталью и медными сплавами). 
С другой стороны, алюминий относится к наиболее распространенным 
в природе элементам, занимая по содержанию в земной коре третье место 
(и первое среди металлов, превосходя по этому показателю медь в 800 раз). 
Уже сейчас он занимает прочное первое место по объему производства 
и потребления среди всех цветных металлов. Все это говорит о хороших 
перспективах увеличения его производства и потребления. Однако существует актуальная проблема, связанная с необходимостью значительного 
снижения себестоимости продукции из алюминиевых сплавов (в виде фасонных отливок, слитков, деформированных полуфабрикатов) при сохранении (а желательно, при повышении) основных эксплуатационных и технологических характеристик.  
Марочные алюминиевые сплавы, ориентированные на применение 
в ответственных изделиях, как правило, имеют строгие ограничения по 
примесям, прежде всего это относится к железу. Такие строгие ограничения требуют применения алюминия повышенной чистоты, что во многих 
случаях приводит к запредельно высокой себестоимости сплава и, следовательно, стоимости готовых изделий.  
В монографии отражены результаты исследований структуры 
и свойств литейных алюминиевых сплавов и дисков автомобильных колес, 
изготовленных на их основе. На основании анализа состояния технологий 
производства автомобильных колес из легких сплавов была сформулирована цель исследований – совершенствование сквозной технологии приготовления и литья под низким давлением силумина на основе первичного 
алюминия А7, обеспечивающей стабильность физико-механических и эксплуатационных свойств автомобильных колес. 
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: 
 предложить и экспериментально обосновать методы оперативного 
контроля загрязненности литейных сплавов типа силуминов водородом и оксидными пленами; 
 выполнить экспериментальные исследования по поиску соотношения железа и элемента-компенсатора (марганца) в силумине на 

Введение 

7 

основе алюминия А7, обеспечивающего стабильность физикомеханических и эксплуатационных свойств автомобильных колес; 
 исследовать с использованием программного комплекса ProCast® 

процесс формирования колес при литье под низким давлением по 
времени затвердевания и распределению пористости по объему 
колеса при различном содержании в силумине железа; 
 экспериментально исследовать влияние различных модификаторов 
и технологий их использования на структуру и свойства силумина 
на основе алюминия А7; 
 исследовать влияние режимов термической обработки и нанесения 
декоративно-защитного покрытия на структуру и свойства дисков 
автомобильных колес из алюминиевых сплавов АК7пч и АК12; 
 провести опытно-промышленное опробование сквозной технологии приготовления и литья под низким давлением колес из силумина на основе первичного алюминия А7. 
Для решения поставленных задач были применены методы: индекса 
плотности, технологической пробы; спектрального анализа; оптической, 
электронной растровой и просвечивающей микроскопии; контроля уровня 
механических свойств; рентгеноструктурного анализа; дифференциальнотермического анализа; удельной электропроводимости; ресурсных испытаний автомобильных колес, что обеспечило достоверность полученных 
результатов, для обработки которых использовались стандартные компьютерные программы. 
В результате исследования были установлены взаимосвязи прогнозирования индекса плотности от содержания водорода и оксидных включений в расплаве для алюминиевых литейных сплавов, а также граничное 
значение индекса плотности, обеспечивающее получение качественных 
отливок колес методом литья под низким давлением из алюминиевых 
сплавов. Определено, что при индексе плотности, равной 8 %, пораженность оксидными пленами на макрошлифе составляет от 0,5 до 1,5 %, содержание водорода в сплаве – 0,2–0,25 см3/100 г.  
Взаимосвязь между структурой, механическими свойствами, содержанием железа и марганца в силумине, приготовленном на основе первичного алюминия А7, позволяет прогнозировать высокие механические 
свойства автомобильных колес. С помощью компьютерного моделирования в программном комплексе ProCast® были исследованы и установлены 
рациональные технологические параметры литья автомобильных колес из 
силумина на основе алюминия А7. 
Ультрамелкодисперсные модификаторы (таблетированные модификаторы на основе карбида кремния и комплексного гранулированного 
флюса на основе солей калия) влияют на структуру и механические 

Введение 

8 

свойства силуминов, предназначенных для литья конкурентоспособных 
автомобильных колес под низким давлением. Экспериментально был 
обоснован механизм модифицирования силумина таблетированным модификатором на основе ультрамелкодисперсного карбида кремния, что 
позволило повысить относительное удлинение сплава на 50 %, временное сопротивление разрыву – на 20 % за счет управления морфологией 
-фазы. 
Комплексный гранулированный флюс на основе солей калия обладает рафинирующим (индекс плотности снижается в 1,3–1,5 раза) и модифицирующим (размер макрозерна уменьшается до 0,7 мм) действиями, что 
позволяет совмещать эти операции обработки расплава.  
Полученные результаты исследований имеют практическую значимость. Реализованные в производственных условиях методы оперативного 
контроля водорода и оксидных плен (индекс плотности и метод технологической пробы) для доэвтектических и эвтектических силуминов позволили повысить показатель воспроизводимости процесса приготовления 
сплава в 2 раза. 
Разработанный сплав типа силумин на основе первичного алюминия 
А7 для изготовления автомобильных колес методом литья под низким давлением соответствует требованиям DIN EN 1706 и ГОСТ Р 50511–93 и был 
внедрен в условиях ООО «КиК». Уровень механических свойств автомобильных колес из предложенного сплава на 25 % по пределу текучести условному, на 15 % по временному сопротивлению на разрыв и на 40 % по 
относительному удлинению выше уровня свойств колес, полученных по 
серийной технологии, что дает возможность автомобильным колесам конкурировать на мировом рынке. 
Использование ультрамелкодисперсного модификатора на основе 
карбида кремния позволило применять в составе шихтовых материалов 
алюминий марки А7 взамен А8, А85 при приготовлении силумина АК12 
для литья дисков автомобильных колес. 
Для сокращения времени внепечной обработки расплава была разработана технология, совмещающая рафинирование и модифицирование силуминов на основе первичного алюминия А7 гранулированным флюсом на 
основе солей калия. 
Формирование мелкодисперсной структуры при литье под низким 
давлением дисков автомобильных колес из сплава АК7пч гарантирует более высокие механические свойства после термической обработки, позволяет сократить время нагрева перед закалкой и обеспечить экономию энергоресурсов. 
Экспериментально было установлено, что использование температурно-временного режима при нанесении декоративно-защитного покры

Введение 

9 

тия способствует дополнительному упрочнению дисков автомобильных 
колес из сплава АК12 и АК7пч. 
Операция покраски приводит к уменьшению внутренних напряжений в дисках автомобильных колес из сплава АК12. Полученный результат 
позволяет прогнозировать повышение стойкости изделий при циклических 
нагрузках. 
Для оценки качества дисков автомобильных колес из сплава АК12 
было предложено измерение удельной электропроводимости в качестве быстрого структурно-чувствительного и неразрушающего экспресс-метода 
контроля. 
 
 

1.  Перспективные технологии получения автомобильных колес  
из сплавов цветных металлов 

10 

1. 
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ  ТЕХНОЛОГИИ  ПОЛУЧЕНИЯ  
АВТОМОБИЛЬНЫХ  КОЛЕС  ИЗ  СПЛАВОВ  
ЦВЕТНЫХ  МЕТАЛЛОВ 
 
 
В автомобильной промышленности разных стран все шире применяют легкие сплавы для производства автомобильных колес методом литья 
под низким давлением. Использование алюминиевых сплавов (силуминов) 
вместо стали обусловлено их высокими физико-механическими и литейными свойствами [1]. 
Область использования этих сплавов может быть расширена за счет 
разработок, снижающих экологическую опасность технологических процессов и повышающих уровень их механических и технологических свойств [2]. 
Благодаря исследованиям отечественных и зарубежных ученых 
А.В. Курдюмова, М.В. Пикунова, В.М. Чурсина, В.Г. Саньяна, В.И. Никитина, Ри Хосена, Н.А. Белова, В.С. Золоторевского, В.И. Напалкова, 
В.И. Добаткина и многих других созданы научные основы плавки и кристаллизации цветных металлов и сплавов, используемые в данной работе 
для обоснования тематики исследования и решения поставленных задач. 
 
 
1.1. Современные технологии изготовления  
дисков автомобильных колес 
 
Колесо, обеспечивая движение автомобиля, воспринимает все усилия 
и моменты, действующие между дорогой и автомобилем, и должно надежно противостоять ударным и циклическим нагрузкам [3, 4]. 
При всем многообразии дисков колес их можно классифицировать 
по отдельным группам (рис. 1.1). 
Сегодня основными факторами, определяющими технический уровень автотранспортного средства и направления его развития, являются 
материалы и конструкции, способные облегчить автомобиль, снизить расход топлива, повысить экономический и экологический аспекты [5]. 
Примерно до середины ХХ в. диски колес автомобилей изготавливали путем раскатки и штамповки из стальной полосы с последующей сваркой, что обеспечивало их дешевизну и сравнительную близость к стандартным размерам. Невысокая точность геометрии и несбалансированность дисков колес, получаемых при такой технологии, не считались 
существенными недостатками из-за умеренных требований к скоростным 
характеристикам автомобилей тех времен.  

 

 

 
 
Рис. 1.1. Классификация дисков автомобильных колес [3]  

Классификация дисков автомобильных колес 

По способу изготовления 
По применяемому сплаву 
По конструкции 
По исполнению дисков 
По назначению 

Литье 

Кованые 

Комбинированные  
(с применением  
различных технологий) 

Профилированный обод 
и кованый диск 

Профилированный обод 
и литой диск 

Алюминиевые сплавы 

Магниевые сплавы 

Титановые сплавы 

Сталь 

Одноэлементные  
(литые или кованые) 

Двухэлементные  
(профилированный обод и приваренный диск) 

Трехэлементные  
(диск соединен 
болтами с ободом) 

C параллельными 
спицами 

C ажурным  
орнаментом  

Со спицами, вогнутыми 
во внутрь обода или 
выпуклыми 

С Y-образными  
спицами 

С вентиляционными отверстиями  
круглой, овальной и специальной формы 

Со звездообразными 
спицами: цельными, 
сдвоенными,  
строенными 

С 3 спицами:  
цельными, сдвоенными, 
строенными

С 4 спицами: цельными, 
сдвоенными 

С радиальными  
спицами: 8–20 шт.  

Со скрещенными  
спицами  

Со спицами, изогнутыми 
в области качения колеса 

С коммерческим дизайном 

С эксклюзивным дизайном 

Со спортивным 
дизайном 

С дизайном  
автомобилей 4×4