Разделительные покрытия для литья под низким давлением

Рассмотрены технологические решения, направленные 
на повышение качества автомобильных колес при литье 
под низким давлением за счет использования теплопроводящих и теплоизолирующих разделительных покрытий 
металлических форм.

РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ  ПОКРЫТИЯ

ДЛЯ  ЛИТЬЯ  ПОД  НИЗКИМ  ДАВЛЕНИЕМ

Оглавление 
 

1 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ  ПОКРЫТИЯ 
ДЛЯ  ЛИТЬЯ  ПОД  НИЗКИМ  ДАВЛЕНИЕМ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2019 

Оглавление 
 

2 

УДК 621.74.043 
ББК 34.616 
        Р171  
 
 
 
 
А в т о р ы: 
А. А. Косович, Т. Р. Гильманшина, Т. А. Богданова,  
И. Е. Илларионов, Е. Г. Партыко 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
П. М. Салов, доктор технических наук, профессор Чувашского государственного университета имени И. Н. Ульянова; 
Г. Г. Крушенко, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Института вычислительного моделирования Сибирского 
отделения Российской академии наук 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Р171           Разделительные покрытия для литья под низким давлением : монография / А. А. Косович, Т. Р. Гильманшина, Т. А. Богданова [и др.]. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2019. – 164 с. 
         ISBN 978-5-7638-4094-0 
 
Рассмотрены технологические решения, направленные на повышение качества автомобильных колес при литье под низким давлением за счет использования теплопроводящих и теплоизолирующих разделительных покрытий металлических форм.  
Предназначена для научных и инженерно-технических работников, аспирантов, а также может быть интересна бакалаврам и магистрантам металлургических вузов. 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 621.74.043   
ББК 34.616 
 
ISBN 978-5-7638-4094-0                                                           © Сибирский федеральный  
                                                                                                         университет, 2019 

Оглавление 
 

3 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРИНЯТЫЕ  СОКРАЩЕНИЯ  И  УСЛОВНЫЕ  ОБОЗНАЧЕНИЯ ....................... 4 

ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................... 5 

1. РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ  ПОКРЫТИЯ,  ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ  
    ПРИ  ИЗГОТОВЛЕНИИ  ДИСКОВ  АВТОМОБИЛЬНЫХ  КОЛЕС .................. 6 
1.1. Современные технологии изготовления дисков автомобильных колес ..... 6 
1.2. Характеристика метода литья под низким давлением ................................ 16 
1.3. Классификация дефектов литых автомобильных колес ............................. 21 
1.4. Разделительные покрытия для литья под низким давлением .................... 24 
1.5. Управление качеством литых автомобильных колес 
       путем изменения состава и свойств 
       разделительных покрытий металлических форм ........................................ 50 

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И МАТЕРИАЛЫ ................................................ 58 
2.1. Этапы производства легкосплавных колес ................................................... 58 
2.2. Исходные компоненты разделительных покрытий ..................................... 60 
2.3. Методы оценки свойств разделительных покрытий ................................... 65 
2.4. Методы оценки влияния разделительных покрытий  
       на литейные свойства сплава и качество колес ............................................ 71 
2.5. Моделирование процесса литья колес из сплава АК12  
       в металлических формах с нанесенным разделительным покрытием ....... 77 

3. РАЗРАБОТКА  ИМПОРТОЗАМЕЩАЮЩИХ  ПОКРЫТИЙ  
    МЕТАЛЛИЧЕСКИХ  ФОРМ  ДЛЯ  ЛИТЬЯ  
    ПОД  НИЗКИМ  ДАВЛЕНИЕМ ............................................................................ 81 
3.1. Исследование влияния качества графита на свойства  
       разделительных покрытий ............................................................................. 81 
3.2. Разработка теплопроводящего покрытия металлических форм ................ 96 
3.3. Разработка теплоизолирующего покрытия металлических форм ........... 107 
3.4. Прогнозирование эффективности покрытий путем моделирования  
       процесса литья в окрашенную металлическую форму ............................. 114 

4. ПРОМЫШЛЕННАЯ  АПРОБАЦИЯ   
    РАЗРАБОТАННЫХ  ПОКРЫТИЙ  МЕТАЛЛИЧЕСКИХ  ФОРМ ................. 120 
4.1. Внедрение теплопроводящего разделительного покрытия ...................... 120 
4.2. Испытания теплоизолирующего разделительного покрытия .................. 125 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 130 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..................................................................... 132 

ПРИЛОЖЕНИЯ ........................................................................................................ 153 

Оглавление 
 

4 

 
ПРИНЯТЫЕ  СОКРАЩЕНИЯ 
И  УСЛОВНЫЕ  ОБОЗНАЧЕНИЯ 
 
 
Сокращения 
 
ДСК – дифференциальная сканирующая калориметрия 
ДТА – дифференциальный термический анализ 
ЛНД – литье под низким давлением 
ОП – относительная оптическая плотность газа 
РП – разделительное покрытие 
ТГА – термогравиметрический анализ 
ЭПР – электронный парамагнитный резонанс 
ЭЭЭ – экзоэлектронная эмиссия 
MAT – Most Advanced Technology 
 
 
Условные обозначения 
 
а – коэффициент температуропроводности, мм2/с 
D – диаметр колеса, дюйм 
DIА – диаметр центрального отверстия для посадки на ступицу, мм 
ET – вылет колеса, мм 
LZ – количество отверстий под посадочные болты, шт. 
PCD – диаметр расположения отверстий под посадочные болты, мм 
W – ширина колеса, дюйм 
ρ – плотность, кг/м3 
λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К) 

Введение 
 

5 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Литье под низким давлением (ЛНД) – один из наиболее автоматизированных и высокопроизводительных способов получения крупносерийных фасонных изделий из легких сплавов. Однако при имеющейся высокой геометрической точности отливок по-прежнему актуальной остается 
задача повышения качества их поверхности.  
Для автомобильных колес, отлитых под низким давлением, характерными являются поверхностные и подповерхностные дефекты (неслитины, пористость и др.). Их возникновение обусловлено наличием в кристаллизующемся расплаве двухфазной области, в которой одновременно существуют 
твердая и жидкая фазы. Ширина этой переходной области, играющей ключевую роль в формировании структуры колеса, прямо пропорционально зависит 
от величины температурного интервала кристаллизации сплава и обратно пропорционально – от интенсивности отвода теплоты к металлической форме. 
Одним из решений по регулированию теплоотвода, не требующих 
больших экономических затрат, является применение разделительных покрытий (РП), создающих на поверхности металлической формы защитный 
слой с заданными теплофизическими свойствами. Однако данная область 
исследований практически не освещена в научных изданиях. 
В то же время покрытия, выпускаемые в России и странах СНГ, не в 
полной мере удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям, часто уступают зарубежным аналогам по уровню свойств. В связи с этим отечественные производители фасонной продукции из легких сплавов вынуждены 
закупать их за рубежом (Великобритания, Германия, Италия, США и др.).  
В монографии отражены результаты по разработке составов импортозамещающих разделительных покрытий и экспериментально обоснована 
возможность их применения при литье автомобильных колес под низким 
давлением из силумина АК12, приведены результаты исследований с использованием программного пакета PrоCАST® процесса формирования качества поверхности колес под низким давлением при различных теплофизических свойствах разделительного слоя в системе «расплав – разделительное покрытие – металлическая форма». 
В работе были применены методы лазерной гранулометрии, дифференциально-термического анализа (ДТА) оптической плотности (ОП)         
газов, лазерной вспышки, метод измерения формозаполняемости расплава 
по спиральной металлической пробе, оптической микроскопии, контроля 
уровня механических свойств, ресурсных испытаний автомобильных колес, что обеспечило достоверность полученных результатов, при обработке 
которых использовались стандартные компьютерные программы. 

1. Разделительные покрытия, используемые при изготовлении дисков автомобильных колес 
 

6 

 
1. РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ  ПОКРЫТИЯ, 
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ  ПРИ  ИЗГОТОВЛЕНИИ 
ДИСКОВ  АВТОМОБИЛЬНЫХ  КОЛЕС 
 
В последние годы в структуре мирового рынка металлов заметно 
растет доля, приходящаяся на алюминиевые сплавы, которые обладают 
высокими технологическими и эксплуатационными свойствами: низкой 
литейной усадкой, высокой формозаполняемостью, хорошей коррозийной 
стойкостью и свариваемостью. Это связано с развитием автомобильной 
промышленности ведущих стран и увеличением такого сегмента отрасли, 
как производство легкосплавных колес. Ежегодно разрабатываются новые 
модели, и подавляющее большинство их изготавливается из алюминиевых 
сплавов методом литья под низким давлением. 
Одним из ключевых условий получения годных отливок по данной 
литейной технологии является нанесение на поверхность металлической 
формы разделительных покрытий, способствующих регулированию теплового режима. 
Анализ литературных данных показан в работах [1–3]. 
 
 
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 [2–5]. При всем многообразии диски колес 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 массу автомобиля, снизить 
расход топлива, повысить экономический и экологический аспекты [2, 3, 7].  
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 [2, 3]. 

1.1. Современные технологии изготовления дисков автомобильных колес 
 

7 

Классификация дисков автомобильных колес 

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

Литые 

Штампованные (кованые) 

Комбинированные  
(с применением различных 
технологий) 

Профилированный обод  
и кованый диск 

Профилированный обод  
и литой диск 

Из алюминиевых сплавов 

Из магниевых сплавов 

Из титановых сплавов 

Стальные 

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 
вовнутрь обода или выпуклыми 

С Y-образными  
спицами 

С вентиляционными отверстиями  
круглой, овальной и специальной формы 

Со звездообразными 
спицами: цельными, 
сдвоенными, строенными 

С тремя спицами:  
цельными, сдвоенными, строенными 

С четырьмя 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 

Рис. 1.1. Классификация дисков автомобильных колес [2, 5, 6] 

1. Разделительные покрытия, используемые при изготовлении дисков автомобильных колес 
 

8 

С ростом скоростей и требований безопасности недостатки стальных 
штампованных дисков колес становились все более ощутимыми. В то же 
время развитие технологий проектирования и производства шин способствовало существенному повышению их геометрической точности и снижению неоднородности [2, 3]. 
В 30–50-е гг. прошлого века на гоночные автомобили начали устанавливать алюминиевые диски. В отечественной промышленности попытки 
производства дисков из алюминиевых, магниевых и титановых сплавов 
делали в 80-е гг. ХХ в. [2–4].  
Как видно из рис. 1.1, по способу изготовления диски можно поделить 
на три категории: литые, штампованные и комбинированные (сборные). 
Штампованные (кованые) диски. В мире существуют следующие 
виды кованых дисков:  
● изготовленные монобочной штамповкой; 
● полученные штамповкой с последующей раскаткой; 
● для сборных кованых колес. 
Монобочная штамповка. При горячей штамповке (ковке) достигается 
наивысшая прочность, поскольку структура металла становится волокнистой, 
а направление этих волокон – изначально заданным. Недостаток штамповки – большой процент отходов, что увеличивает цену изделия [2, 3, 8, 9].  
В России используют технологию объемной горячей штамповки, 
включающую несколько этапов. Сначала небольшую цилиндрическую 
болванку (слитки, из которых делают диски колес, имеют форму цилиндрических столбов различного диаметра, их нарезают на болванки нужной 
длины) на первом прессе осаживают, превращая в диск. Затем этот диск 
проходит несколько прессов, обеспечивающих различное усилие, постепенно превращаясь в окончательную заготовку. На определенном этапе, 
еще в заготовке, прошивают центральное отверстие (рис. 1.2) [2, 3, 9].  
Перед каждым прессованием заготовку и рабочие штампы нагревают 
до температуры в несколько сотен градусов. Сами прессы, несмотря на 
достаточно большую мощность (до 20 тыс. т), производят горячую штамповку медленно. Нагрев и малая скорость деформирования исключают 
возможность возникновения нежелательных разрывов и трещин в теле заготовки [2, 3, 9].  
Полученную заготовку закаливают и подвергают искусственному 
старению. Затем, после многочисленных проверок и выборочного контроля 
качества заготовки (структуры волокон), она проходит механическую обработку на токарных и фрезерных станках, в результате превращаясь 
в готовое изделие [2, 3, 9].  
При пластическом деформировании за счет измельчения кристаллической решетки и ликвидации внутренних микродефектов металл упрочняется. 

1.1. Современные технологии изготовления дисков автомобильных колес 
 

9 

Благодаря такой технологии с формированием у металла волокнистой 
структуры прочность дисков колес получается выше, чем у остальных, 
в 2,5 раза, а пластичность – ниже всего на 20–30 %.  
Можно делать стенки на 20 % меньшей толщины по сравнению с литыми. В результате вес такого диска на 15–20 % ниже литого и на 40–50 % 
стального штампованного [2, 3, 9].  
 

 
 
Рис. 1.2. Установка для производства кованых дисков [9] 
 
Имеется еще один существенный недостаток данной технологии. 
В процессе формирования в колесо превращается лишь 30–40 % исходного 
материала. Остальное выгорает в печах, и особенно много уходит со 

1. Разделительные покрытия, используемые при изготовлении дисков автомобильных колес 
 

10 

стружкой. Эти отходы можно переплавить и снова пустить в производство, 
но себестоимость значительно повышается. Однако такие диски при эксплуатации хорошо противостоят неровностям и ухабам. Расколоть качественный кованый диск колеса почти невозможно. В случае небольшого замятия их можно отреставрировать, хотя любое воздействие на такой диск 
все равно нарушает его структуру [2, 3, 9]. 
Штамповка с последующей раскаткой. Суть данной технологии заключается в штамповке заготовок до оформления ступицы, полотна с прилегающей ребордой и цилиндрической частью с последующим формообразованием (раскаткой) из нее обода и реборды (рис. 1.3).  
 

 
 
Рис. 1.3. Технология получения диска методом штамповки 
с последующей раскаткой [11] 
 
Формообразование обода и реборды производят роликом с обжатием 
до размера, превышающего толщину обода на величину калибровки. Калибровку обода и реборды осуществляют калибровочным роликом, про