В последние два десятилетия технология изготовления автомобильных дисков претерпела огромные изменения. До появления легкосплавных колёс, диски изготавливались только в стальном варианте, конструктивно они состояли из двух деталей: обода и привариваемой к нему лицевой части. С развитием автомобильной промышленности, задуматься об усовершенствовании колёс пришлось не только шинникам, но и производителям дисков. Теперь их делают из самых разных сплавов алюминия, магния и даже титана, причём современное производство легкосплавных дисков продолжает развиваться.
Как развивалось производство дисков
Самой большой проблемой металла является коррозия, поэтому конструкторами делались попытки изготавливать колёса из высокопрочных пластмасс. Однако такая идея широкого распространения не получила, и лидирующее положение в этом сегменте промышленности заняли алюминиевые сплавы. Их главным преимуществом стал меньший по сравнению со сталью вес, позволяющий снизить неподрессоренную массу, и тем самым сделать ход автомобиля более плавным.
Обратите внимание: При более лёгких дисках – а алюминиевые легче стальных на 10-20%, неровности дороги меньше воздействуют на подвеску, и соответственно, срок службы всех сочленений и узлов увеличивается. При сниженной массе колёса обладают меньшей инерцией движения — это благотворно влияет на устойчивость машины, её управляемость, особенно на большой скорости.
Существующие технологии изготовления дисков, их принципиальные отличия
В настоящее время производство автомобильных дисков из лёгких сплавов осуществляется по двум, принципиально разным технологиям: литьё и горячая штамповка, в обиходе называемая ковкой. Литьё – это формование изделия из расплава. Оно выгодно изготовителям, так как производство практически безотходное, что даёт возможность снизить себестоимость конечного продукта.
Качество у таких дисков неплохое, а так как они на выходе проходят рентгеновский контроль, никаких раковин и пор в металле быть не должно. Однако литой металл не обладает направленной кристаллической структурой, поэтому для обеспечения дискам требуемой прочности, их толщину приходится увеличивать.
Этого недостатка лишены кованые диски, так как при штамповке металла в разогретом состоянии структура металла видоизменяется. Она становится волокнистой, причём волокна располагаются в заданном направлении, что обеспечивает наибольшую прочность. Эта технология даёт возможность уменьшить толщину металла процентов на двадцать, что снижает вес, но из-за немалого процента отходов пропорционально возрастает цена.
Слишком большая разница в стоимости не позволяет полностью отказаться от литья в пользу ковки, хотя разумный компромисс всё же появился – за счёт совмещения этих технологий. Вообще, технология объёмной горячей штамповки металла понятие относительное, ведь термину forging (дословно: «кующий») соответствует пять технологий. Все они имеют определённые преимущества, но реальный максимум в улучшении потребительских свойств дисков, можно достичь лишь благодаря горячей штамповке.
Только она даёт возможность сохранять прочность обода при толщине металла всего 1,8 мм. Тем не менее, общее количество всех производимых в мире алюминиевых колёс, составляет порядка 85%, что обусловлено не только более низкой ценой, но и более широкими возможностями для дизайна. По этой причине создатели технологий горячей штамповки всё же используют и литьё – для формирования более эстетичной сердцевины диска.
Особенности литья
Литьё, кстати, тоже осуществляется по нескольким технологиям:
- под низким давлением;
- под высоким давлением;
- с противодавлением;
- гравитационным способом;
- при тиксотропном состоянии металла.
Чаще всего из перечисленного списка используется технология гравитационного литья (а так же литьё под низким давлением), обеспечивающая самый низкий уровень отходов. Себестоимость дисков благодаря экономии снижается, что и определяет более низкую рыночную стоимость конечного продукта. У литья она вдвое ниже, чем у ковки.
Литьевое производство сплавы использует преимущественно алюминиевые, что опять же, связано с ценой. Сырьевой алюминий поставляется на завод в слитках, которые плавят в печах до достижения определённого состояния текучести, дабы исключить появления в металле пустот. В процессе нагрева к алюминию могут быть добавлены: кремний до 7,5%, а так же очень небольшие дозы (менее 1%) магния, железа, титана, цинка, марганца, меди.
Когда сплав готов, приступают к отливу заготовки и её последующей механической обработке. При литье под низким давлением из расплава выдавливается воздух, форму охлаждают до 400 градусов, и открывают в ожидании полного застывания металла. После рентгеновской проверки, исключающей наличие брака, отлитое изделие закаляют, подвергая повторному нагреву и охлаждению.
Продолжительность термической обработки заготовок составляет несколько часов, и состоит она из нескольких этапов. Сначала отжиг при температуре до 550 градусов, что позволяет улучшить процесс растворения легирующих добавок и повысить прочность диска. Далее охлаждение до 70 градусов – и снова нагрев. При этом важно чтобы температура не превышала указанный максимум, иначе образуется брак и болванки придётся отправлять на переплавку.
Жидкая штамповка – технология Liquid Forging
Одной из самых перспективных является технология Liquid Forging, объединившая в себе преимущества ковки и литья. Её особенность заключается в многократном изменении давления в сторону увеличения после того, как расплавленный алюминий залит в формы. Причём воздействовать давление продолжает до тех пор, пока металл полностью затвердеет.
Застывание под нагрузкой исключает образование в металле пор и раковин, и обеспечивает изделиям более высокую прочность, чем при обычном литье. Сплав для такой технологии должен использоваться иной, с более высокой текучестью в жидком состоянии, да и оснастка требуется другая: гидравлический пресс с определённым усилием, оснащённый изотермическим блочным штампом.
Кроме мелкозернистой структуры с высокими механическими свойствами, данная технология даёт возможность получать диски с пониженным весом (на 30% по сравнению с обычным литьём), а так же создавать изысканные дизайны, что довольно сложно при цельном штамповании. Если у литого колеса предел прочности составляет 270 МПа, то у жидкоштампованного — не менее 320 МПа.
Штамповка дисков в полутвёрдом состоянии – технология SSF
Технологию Semi-Solid Forging, при которой металл отштамповывается в полутвёрдом состоянии, разработали в США (Массачусетский технологический институт) ещё в 1971 году. Она основана на тиксотропных свойствах металла — снижении вязкости с целью увеличения текучести. Чтобы добиться полутвёрдого состояния, заготовки разогреваются до температуры, одновременно обеспечивающей две фазы металла: твёрдую и жидкую.
На следующем этапе полурасплав перемещается в полость штампового блока, внутри которого производится прессование. Делается это быстро, пока металл не остыл. Под нагрузкой полутвёрдый металл становится ещё более текучим, что позволяет ему качественно и равномерно заполнить форму.
Затем заготовка проходит два этапа формовки:
- раскатку за счёт усилий натяжных гидравлических роликов;
- растяжку для придания ободу нужной толщины;
При этом металл не даёт усадки при охлаждении, в нём не возникает трещин и пор, а отменная однородность и высокая плотность избавляет от необходимости в дополнительной обработке.
Если не считать высокой цены, у этой технологии нет недостатков. Вслед за США её внедрили на своих заводах японские производители автодисков, после чего стали применять и в Европе.
Роль магния в кованых дисках — заключение
Учёные и конструкторы не переставали искать новые возможности для улучшения технических характеристик колёсных дисков, и поиск этот привел к выбору другого металла — более лёгкого, упругого и прочного магния. С его применением выигрыш в массе по сравнению с алюминиевым диском получался почти вдвое – а это уже серьёзная заявка.
Магниевые колёса стали практически обязательными в автоспорте, и даже тот факт, что этот металл склонен к коррозии, а при достижении определённой температуры не плавится, а горит как уголь, никого не смутил. Для большого спорта имеет значение только скорость и победы, в соревнованиях диски могут использоваться одноразово – лишь бы выгадать несколько секунд.
Для серийных машин всё же важнее безопасность, длительность срока службы. Коррозионная неустойчивость магния стала главным препятствием к массовому применению магниевых дисков, в производстве этот металл используется лишь в качестве легирующей добавки к алюминию.
