Un aperçu de l'article - Alliages d'aluminium moulés sous pression non traités thermiquement pour pièces structurelles automobiles

1 Introduction

L’application commerciale des pièces moulées sous pression en alliage d’aluminium remonte à 1915. Après un siècle de développement, plus de la moitié des pièces moulées en alliage d’aluminium utilisent actuellement le procédé de moulage sous pression. Dans les années 1990, un cas typique était celui de la carrosserie entièrement en aluminium de l'Audi A8, qui utilisait des pièces moulées sous pression en alliage d'aluminium dans les articulations clés de la carrosserie. Il a une bonne ténacité tout en conservant une bonne résistance. Par conséquent, par rapport aux pièces moulées sous pression traditionnelles, ces pièces moulées sous pression utilisent un processus de moulage sous pression à vide élevé pour réduire les défauts de porosité des pièces moulées sous pression et utilisent d'autre part un alliage d'aluminium moulé sous pression à haute résistance et résistant pour obtenir d'excellentes propriétés mécaniques complètes.

Pendant longtemps, l'alliage d'aluminium moulé sous pression largement utilisé pour le moulage sous pression de pièces structurelles sous vide est l'alliage AlSi10MnMg. Les caractéristiques de cet alliage sont de contrôler la faible teneur en Fe, et en même temps d'augmenter la teneur en Mn pour améliorer le problème de collage. Le faible rapport Fe/Mn forme une phase α-Al(Fe, Mn)Si de caractère chinois, en étoile ou polyédrique par précipitation. La précipitation de la phase β-AlFeSi feuilletée est évitée, ce qui se traduit par une bonne ténacité. En tant qu'alliage d'aluminium moulé sous pression pouvant être traité thermiquement, les propriétés mécaniques des matériaux moulés sous pression présentant différentes résistances et ténacité peuvent être obtenues en ajustant la teneur en élément Mg et le système de traitement thermique. Par exemple, la tour de choc moulée sous vide et la boîte de torsion d'un certain modèle de véhicule adoptent une teneur en Mg de 0,25 % à 0,35 %, combinée à un traitement thermique T7, une limite d'élasticité ≥ 120 MPa, une résistance à la traction ≥ 180 MPa et un allongement après rupture ≥ 10 %, les exigences de performance de l'angle de flexion à froid extrêmement prononcé ≥60°, répondre aux exigences du processus de connexion des rivets auto-perçants (SPR) et des performances de sécurité en cas de collision.

Cependant, avec le développement rapide des véhicules à énergie nouvelle, les pièces structurelles automobiles évoluent rapidement vers une conception et une fabrication intégrées, légères et à haut rendement, telles que les heurtoirs de porte monoblocs à emboutissage à chaud, le corps monobloc moulé sous pression, le sous-châssis monobloc moulé sous pression, etc. Pour les pièces structurelles automobiles moulées sous pression sous vide, le processus de traitement thermique de l'alliage AlSi10MnMg entraînera des problèmes de déformation et de cloquage de surface des pièces moulées sous pression, en particulier avec l'agrandissement continu des pièces moulées sous pression, la difficulté de mise en forme ultérieure et le taux de rebut seront considérablement augmentés. Par conséquent, d'une part, des matériaux en alliage d'aluminium moulés sous pression non traités thermiquement peuvent être utilisés directement à l'état moulé pour éviter les problèmes ci-dessus, et d'autre part, cela peut également réduire le coût de fabrication des pièces. Ces dernières années, son développement et son application sont progressivement devenus un haut lieu de la recherche. À l’heure actuelle, la recherche sur les alliages d’aluminium moulés sous pression non traités thermiquement pour les pièces structurelles automobiles se concentre principalement sur deux catégories : les séries Al-Si et Al-Mg. Cette étude porte sur l’avancement de la recherche sur ces deux types d’alliages moulés sous pression.

2. Alliages moulés sous pression non traités thermiquement de la série Al-Si

Le tableau 2 répertorie certains noms d’alliages et leurs compositions chimiques pour les pièces structurelles moulées sous pression non traitées thermiquement. Du point de vue de la teneur en Si, elle peut être divisée en deux catégories : teneur élevée en silicium et faible teneur en silicium. Par rapport aux alliages moulés sous pression pour le traitement thermique, la teneur en Mg est nettement inférieure et ne nécessite même pas de Mg. De plus, ces alliages présentent toujours les caractéristiques communes des alliages moulés sous pression à haute résistance et ténacité, à savoir une faible teneur en Fe, une teneur élevée en Mn, l'ajout d'élément Sr pour modifier le silicium eutectique, etc.

L'alliage Castasil 37, ou AlSi9MnMoZr, est un alliage moulé sous pression non traitable thermiquement développé par Rheinfeld. L'alliage ne contient pas de Mg, il n'a donc pas d'effet de durcissement par vieillissement, tandis que Mo et Zr sont ajoutés pour renforcer la dispersion. La teneur en Si de l'alliage est proche de celle de l'alliage AlSi10MnMg, le taux de retrait est donc fondamentalement le même. Lorsque la teneur en Mg de l'alliage est différente, cela aura un certain impact sur la limite d'élasticité et l'allongement après rupture du matériau de coulée. Il convient donc de veiller à contrôler la teneur en Mg lors de la production. Les propriétés mécaniques des alliages et les effets des différentes teneurs en Mg sont présentés dans le tableau 3. Cependant, d'après les recherches de la société Rheinfeld, l'augmentation de la teneur en élément Mg affectera la stabilité thermique des propriétés mécaniques de la pièce moulée telle que coulée, ce qui signifie que la limite d'élasticité augmentera progressivement pendant le service dans un certain environnement de température. Par conséquent, Castasil 37 limitera la teneur en élément Mg à la limite supérieure. Défini comme 0,06 %.

L'alliage Aural 6, ou 375,0, est un alliage moulé sous pression non traitable thermiquement développé par Magna Corporation. La composition chimique de l'alliage est très similaire à celle du Castasil 37 mentionné ci-dessus, mais l'alliage n'ajoute pas de Mo et de Zr, mais contient une petite quantité de Mg pour obtenir un certain effet de renforcement. Par conséquent, combinée à l'analyse de l'effet de la teneur en éléments Mg sur les propriétés du Castasil 37, la stabilité thermique des propriétés mécaniques de cette pièce moulée en alliage doit également être prise en compte.

L'alliage C611 est un alliage moulé sous pression non traité thermiquement développé par Alcoa. La teneur en Si de cet alliage est relativement faible, car le traitement thermique en solution peut améliorer la morphologie du silicium eutectique, et une teneur en Si plus élevée peut généralement être tolérée pour obtenir une bonne ténacité. Cependant, plus de 8 % de Si à l’état brut de coulée ne peuvent pas être utilisés. La résistance de la pièce moulée est encore améliorée, mais l'allongement après rupture diminuera, il est donc plus approprié d'utiliser une teneur en Si plus faible pour les alliages non traités thermiquement. L'alliage contient une certaine quantité de Mg, ce qui signifie que l'alliage n'est pas un matériau non traité thermiquement au sens strict. Le traitement thermique T5 ou T85 (traitement de revêtement et de cuisson) pour la coulée d'alliage peut encore améliorer la limite d'élasticité, comme indiqué dans le tableau 4. Montrer.

L'alliage Aural 5, ou 374, est un alliage moulé sous pression non traitable thermiquement développé par Magna Corporation. L'alliage est fondamentalement le même que le C611 ci-dessus. Randolf Scott Beals a élaboré et étudié les idées de conception et les propriétés mécaniques de l'alliage dans le brevet, et a effectué une comparaison détaillée avec l'alliage C611. Par rapport à l'alliage moulé sous pression Aural2 pour le traitement thermique, l'alliage annule le processus de solution solide, de mise en forme et de vieillissement peut réduire le coût de fabrication. La bonne plasticité et la stabilité naturelle au vieillissement de l'alliage après la coulée et avant la cuisson du revêtement peuvent répondre aux exigences de connexion SPR des pièces structurelles de carrosserie, comme le montre le tableau 4. Dans le même temps, l'alliage est similaire au C611, la résistance sera encore améliorée après revêtement et cuisson, et il peut également répondre aux exigences de stabilité thermique à cycle court de 1 h à 205℃ et aux exigences de stabilité thermique à long terme de 1000 h à 150℃.

Pour la première fois, Tesla a utilisé une unité de moulage sous pression de 6 000 t de grande taille pour fabriquer la partie inférieure arrière moulée sous pression intégrée en alliage d'aluminium sur son modèle Model Y. La conception hautement intégrée et innovante de cette pièce impose également des exigences plus élevées pour les alliages moulés sous pression non traités thermiquement. Stucki Jason a présenté le processus de développement du nouvel alliage dans le brevet. La première concerne les exigences relatives à la résistance et à la ténacité du matériau. La limite d'élasticité et l'angle de flexion ultime à froid de l'alliage cible à l'état coulé doivent être supérieurs respectivement à 135 MPa et 24° pour répondre aux exigences de performance de la pièce moulée. Dans le même temps, en raison de la taille énorme de la pièce moulée, l’alliage doit également avoir d’excellentes propriétés d’écoulement. L'étude a révélé que dans des conditions de moulage sous pression, lorsque la teneur en Si est supérieure à 6 %, continuer à augmenter la teneur en Si n'améliorera pas significativement la fluidité, mais augmentera la teneur en phase eutectique de silicium et affectera la ténacité de l'alliage. Par conséquent, l’alliage contrôle en même temps la teneur en Si. Répond aux exigences de fluidité et de ténacité. Habituellement, l’ajout d’élément Cu peut augmenter la résistance, mais réduire la ductilité et la ténacité. En contrôlant le rapport Cu/Mg pour faciliter la précipitation de la phase AlCuMgSi pour remplacer les phases Mg2Si et Al2Cu, la résistance peut être améliorée sans provoquer de diminution significative de la ductilité et de la ténacité. De plus, l'élément Sr est ajouté à l'alliage pour modifier la phase Si, et l'élément V est ajouté pour précipiter la phase sphérique AlFeSi(Mn+V), ce qui réduit la phase feuilletée riche en fer, ce qui est bénéfique pour l'amélioration de la ténacité du matériau. Une teneur plus élevée en impuretés Fe est tolérée.

3. Alliages moulés sous pression non traités thermiquement de la série Al-Mg

Le tableau 5 répertorie les compositions chimiques de certains alliages moulés sous pression non traités thermiquement de la série Al-Mg, dont certaines teneurs en éléments de certains nouveaux alliages moulés sous pression ne sont pas divulguées, et les teneurs en éléments dans les positions correspondantes dans le tableau sont vierges. On peut voir qu'il peut être subdivisé en Al-Mg-Mn, Al-Mg-Si-Mn, Al-Mg-Fe, Al-Mg-Mn-Cu et d'autres types.

L'alliage C446F, ou 560, est un alliage moulé sous pression à base d'Al-Mg non traitable thermiquement développé très tôt par Alcoa. Cet alliage a été utilisé dans le panneau intérieur de la porte de la Nissan GT-R. L'épaisseur de paroi de la pièce est d'environ 2 à 3 mm et le poids d'une seule porte peut être réduit de 5,5 kg. L'alliage présente d'excellentes propriétés mécaniques. Cependant, en raison de sa large plage de températures de solidification, la tendance à la fissuration à chaud lors du moulage sous pression est très élevée. Ce n’est donc pas un très bon choix pour les pièces complexes, en particulier les pièces présentant des changements évidents d’épaisseur de matériau. Bon choix. La figure 1a montre l'évolution de la teneur en phase liquide de l'alliage Al-3,6Mg-1,2Mn-0,12Fe pendant le processus de refroidissement calculé par le logiciel JmatPro, dans lequel la température de liquidus est de 642,93 °C, la température de solidus est de 450 °C et la plage de températures de solidification est de 193 °C.

L'alliage A152/A153 est un nouveau type d'alliage moulé sous pression développé par Alcoa sur la base de l'alliage C446F mentionné ci-dessus pour améliorer les performances de fissuration à chaud. En ajoutant une proportion appropriée d'élément Si à l'alliage, la plage de température de solidification de l'alliage peut être considérablement raccourcie, comme le montre la figure 1b, l'ajout de 1,3 % de Si réduit la plage de température de solidification à 43 °C, réduisant ainsi considérablement la susceptibilité à la fissuration à chaud. L'alliage a été développé en utilisant la méthode de calcul des matériaux, et les coefficients de sensibilité à la fissuration à chaud d'alliages de différentes compositions ont été comparés et optimisés, et l'indice de tendance à la fissuration à chaud a été utilisé pour la vérification expérimentale. Pour les alliages, une teneur en Si de 1,2 % à 1,6 % peut améliorer considérablement le problème de fissuration à chaud, comme le montre la figure 2. L'alliage est divisé en deux qualités : l'alliage A152 à faible teneur en Mg et l'alliage A153 à haute teneur en Mg. Parmi eux, l'A152 peut atteindre une limite d'élasticité de 150 MPa et une résistance à la traction de 265 MPa et un allongement après rupture de 11 %. , la résistance à la traction est de 280 MPa et les propriétés mécaniques de l'allongement après rupture sont de 9 %.

L'alliage Magsimal 59, ou AlMg5Si2Mn, est un alliage moulé sous pression non traitable thermiquement développé par Rheinfeld. En plus d'améliorer les propriétés de fissuration à chaud de l'alliage mentionné ci-dessus, l'ajout d'élément Si peut également améliorer la fluidité du processus de coulée, mais Geof-frey constate que l'alliage est encore difficile à couler en référence à l'expérience réelle du cas, il est donc difficile de couler en Amérique du Nord et dans d'autres pays. Il existe peu d’applications en Chine et il n’est utilisé que dans certaines usines de moulage sous pression en Europe. De plus, comme les propriétés mécaniques de l’alliage sont étroitement liées à la vitesse de solidification, c’est-à-dire à l’espacement des dendrites α, l’épaisseur de la paroi a un impact plus important sur les propriétés mécaniques, comme le montre le tableau 6.

L'alliage SJTU-Al-Mg-Si-Mn est un alliage moulé sous pression non traité thermiquement développé par l'Université Jiaotong de Shanghai. Son but est d'améliorer la limite d'élasticité du matériau tout en conservant la bonne ténacité du matériau. Pour l'alliage Al-Mg-Si-Mn, avec l'augmentation de la teneur en Mg, la limite d'élasticité du matériau augmente et la limite de fatigue augmente, mais l'allongement diminue significativement. Par conséquent, tout en augmentant la teneur en éléments Mg et Si et en ajustant le rapport relatif, des alliages Ti, Zr et V ont été ajoutés pour améliorer la structure, et une modification composite Re/Ca a été introduite pour affiner le silicium eutectique afin d'obtenir une limite d'élasticité >180MPa, allongement Les propriétés mécaniques du taux>10 %. De même, l'alliage SJ-TU-Al-Mg-Cu-Mn a été renforcé en introduisant un élément Cu, et des éléments de terres rares Y, Er, Ce ont été introduits pour affiner la phase Al2CuMg, limite d'élasticité > 180 MPa, résistance à la traction > 320 MPa, allongement ＞8 % propriétés mécaniques complètes de haute résistance et de haute ténacité.

L'alliage Castaduct 42, ou AlMg4Fe2, est un nouveau type d'alliage moulé sous pression non traité thermiquement développé par Rheinfeld. Différent de l'alliage Al-Mg-Mn mentionné ci-dessus, cet alliage est un nouveau système de composition Al-Mg-Fe développé sur la base du système eutectique Al-Fe, et sa teneur élevée en Fe peut éviter le problème de collage du moule pendant la coulée sous pression, mais en même temps, il fait également de l'élément Si un élément impur qui doit être strictement limité. Cependant, cet alliage présente une grande similitude avec le C446F précédent, c'est-à-dire des caractéristiques de composition élevées en Mn ou Fe, faibles en Si, sa coulabilité reste donc à vérifier. L'alliage présente une résistance modérée et une bonne ténacité plastique à l'état brut de coulée, ce qui peut répondre aux exigences de rivetage et de sécurité en cas de collision des pièces. Les propriétés mécaniques sont présentées dans le tableau 7. Il convient également de noter que la composition chimique de cet alliage est très similaire à celle des alliages d'aluminium forgés de la série 5XXX couramment utilisés dans l'emboutissage de pièces structurelles, tels que l'alliage 5182 (AlMg4,5Mn0,4), et la conception de la composition d'alliage à haute teneur en Fe peut Il est relativement facile de réaliser le recyclage de ces déchets d'aluminium, de réduire la proportion d'aluminium électrolytique A00 utilisée, et ainsi réduire considérablement les émissions de carbone des pièces structurelles de carrosserie en alliage d'aluminium.

4 Conclusion

Avec la demande de plus en plus forte d'économies d'énergie et de réduction des émissions dans les automobiles, le taux de pénétration des pièces moulées sous vide en alliage d'aluminium dans les pièces structurelles automobiles clés continue d'augmenter en raison de son intégration, de sa légèreté et de sa bonne résistance et ténacité. Cependant, avec l'amélioration continue du degré d'intégration des pièces moulées sous pression, en particulier le concept et l'application de la technologie de formage de carrosserie intégrée de Tesla, l'alliage AlSi10MnMg traditionnel ne peut pas répondre à la demande en raison de la nécessité d'un traitement thermique, de sorte que la recherche sur de nouveaux alliages d'aluminium moulés sous pression non traités thermiquement est continuellement encouragée. En ce qui concerne l'application, les recherches et cas d'application actuels sont principalement concentrés dans deux catégories : le système Al-Si et le système Al-Mg.

Pour les entreprises automobiles, les pièces moulées sous pression en alliage d’aluminium pour pièces structurelles automobiles sont différentes des pièces moulées sous pression traditionnelles. Le processus de connexion dans le processus de fabrication et les performances du véhicule pendant le service ont des exigences plus élevées en matière de propriétés mécaniques globales des pièces moulées sous pression, en particulier de ténacité. Les alliages Al-Si et Al-Mg actuels présentent généralement des caractéristiques de résistance et de ténacité modérées. Avec l'amélioration continue des exigences d'intégration et de conception légère des pièces structurelles moulées sous pression en alliage d'aluminium, le développement de nouveaux alliages moulés sous pression devrait évoluer dans le sens d'une amélioration de la résistance et/ou de la ténacité, tout en ayant de bonnes propriétés de fluidité et de moulage.

Pour les entreprises de traitement de l'aluminium, en raison de sa faible teneur en Fe, les alliages d'aluminium moulés sous pression pour les pièces structurelles automobiles, même si des éléments à haute teneur en Mn sont ajoutés, les alliages moulés sous pression sont toujours sérieusement érodés dans le moule, et la durée de vie du moule est considérablement réduite par rapport aux pièces moulées sous pression traditionnelles, ce qui conduit à Le coût de fabrication des pièces structurelles moulées sous pression automobiles est évidemment élevé, surtout avec l'agrandissement continu des pièces moulées sous pression, le défi du moule devient de plus en plus grand. Dans le même temps, les alliages moulés sous pression à faible teneur en Fe doivent être préparés avec des lingots d’aluminium pur, et le coût des matières premières et les émissions de carbone sont nettement plus élevés que ceux des pièces moulées sous pression traditionnelles. Par conséquent, la recherche et le développement de nouveaux alliages moulés sous pression à haute résistance et résistants avec une tolérance plus élevée aux éléments Fe sont nécessaires pour favoriser la régénération. L’application d’alliages d’aluminium dans les pièces structurelles moulées sous pression des automobiles est non seulement bénéfique pour le contrôle des coûts des pièces, mais réduit également considérablement les émissions de carbone au stade de l’acquisition des matières premières, améliorant ainsi considérablement la compétitivité des produits.