Почему не делают кузова авто из нержавейки или алюминия, чтобы они не «цвели» с годами?
Комментарии: 1 20.02.2022 Вероятно, найдется немало автолюбителей, кто хотел бы обзавестись “вечным” автомобилем. Ну, если и не “вечным”, то хотя бы тем, который прослужил лет 50. Есть надежные агрегаты, подвески и оборудование. А вот кузовной металл через пять лет обзаводится “рыжиками”. Но это не останавливает автопроизводителей. Так почему не делают кузов полностью из “нержавейки”? Предупреждая возмущенные комментарии, уточним, что из алюминия некоторые премиальные бренды делают отдельные части кузова. Но мы же говорим о массовости процесса.
Пусть если не алюминий в чистом виде, то хотя бы “нержавейка”. Этот металл немного тяжелее обычной стали. Но он же не ржавеет. Вот он рецепт “вечной” машины.
Увы, но производители автомобилей рассуждают, видимо, иначе. Для чего выпускать машины на 50 лет, если можно “клепать” их пачками, только успевай покупать. Кроме собственно алчности, производители еще имеют и практический подход к вопросу. Сколько людей хотело бы ездить на одном и том же автомобиле 20 лет и более? Единицы! Остальным подавай новые модели с новомодными опциями. Что до автомобилей из металла, которому не страшна коррозия, то, возможно, мелкосерийно следовало бы производить и такие машины. Но кто ж будет этим заниматься? Это дополнительные траты. А прибыль от данного предприятия будет просто мизерная.
Автомобилестроение
Автомобиль – самый распространенный вид транспорта в мире. Главным конструкционным материалом для него является относительно дешевая сталь. Но поскольку основными приоритетами автомобильной отрасли становятся экономия топлива, снижение выбросов СО2 и дизайн автомобиля, все более важную роль в автомобилестроении начинает играть алюминий.
В 2014 году мировая автомобильная индустрия (без учета Китая) потребила 2,87 млн тонн алюминия. Ожидается, что к 2020 году эта цифра вырастет до 4,49 млн тонн. На рост потребления алюминия в автопроме влияют как увеличение производства самих автомобилей, так и рост содержания в них алюминия.
Каждый килограмм алюминия, использованный при изготовлении автомобиля, позволяет снизить общую массу машины на килограмм. Поэтому из алюминия производится все большее количество автомобильных деталей — радиаторы системы охлаждения двигателя, колесные диски, бампера, детали подвески, блоки цилиндров двигателя, корпуса трансмиссий и, наконец, детали кузова – капоты, двери и даже вся рама.
В результате с 1970-х годов доля алюминия в общем весе автомобиля увеличилась с 35 кг до сегодняшних 152 кг. Согласно прогнозам экспертов, к 2025 году среднее содержание алюминия в одном автомобиле достигнет 250 кг.
Основными методами производства автодеталей являются литье и штамповка из прокатанных листов и полос. Но некоторые из них изготавливаются необычным способом горячего прессования мелкого алюминиевого порошка – САП (спеченная алюминиевая пудра). Окисленную алюминиевую пудру помещают в алюминиевую же оболочку и нагревают до температуры чуть меньшей, чем плавление металла, и в горячем виде прессуют. Получившиеся изделия отличаются высокой прочностью и используются там, где нужны детали для работы в условиях высоких температур с низким коэффициентом трения – например, так делаются поршни двигателей.
У алюминия есть замечательное свойство – он отлично «гасит» удар, причем делает это в два раза эффективнее, чем сталь. Поэтому автопроизводители давно используют этот металл для изготовления бамперов. Алюминиевый кузов безопаснее стального еще и потому, что деформации в алюминиевых конструкциях локализуются в компактных зонах, не давая деформироваться другим частям кузова и сохраняя максимальную безопасность той части машины, где находятся пассажиры.
Эксперты утверждают, что в ближайшее десятилетие автопроизводители существенно увеличат использование алюминия в своих моделях. Легкий и прочный металл будет в большом количестве использоваться в деталях кузова либо для изготовления кузова целиком.
При этом многие автомобильные компании сегодня договариваются с производителями алюминия о создании производств замкнутого цикла, когда из идущих на лом алюминиевых деталей утилизируемых автомобилей создаются запчасти для новых машин. Сложно представить себе более экологичный вид промышленного производства.
Алюминий в автомобилестроении. Часть 2
В автомобилестроении алюминий используют, преследуя вполне определенные цели: увеличение грузоподъемности, уменьшение массы, а значит и снижение расходов топлива. Кроме экономического, это имеет и немаловажный экологический аспект: cокращение расхода топлива приводит в уменьшению вредных выбросов в атмосферу, ведь именно транспортные выхлопы главный загрязнитель воздуха в крупных городах.
Согласно расчетам, приведенным Ассоциацией автомобилестроителей, каждый килограмм алюминия, использованный при изготовлении автомобиля, ведет к уменьшению его массы на килограмм, а каждый процент экономии веса автомобиля к снижению расхода топлива в среднем на 1,0%. Это значит, что 100кг алюминия в автомобиле экономят более 1000 л бензина на каждые 200 тысяч километров, а это в свою очередь означает, что выбросы углекислого газа становятся меньше на целых 2500кг.
Европейские требования от 2005 года к параметрам автомобиля с бензиновым двигателем ограничивают выбросы углекислого газа уровнем 150г/км, что может быть достигнуто при массе транспортного средства не более 1000кг. В то же время за последние 20 лет среднестатистический легковой автомобиль стал на 150кг тяжелее, что объясняется увеличением его габаритов, а также повышением требований к безопасности и комфорту. Именно поэтому в автомобилестроении все шире применяют алюминий. Сегодня автомобиль, произведенный в Северной Америке содержит в среднем 116кг этого металла, японский и южнокорейский 93кг, западноевропейский 90кг, а отечественный 30-40кг.
Из истории. Автомобиль Pierce-Arrow с кузовом из алюминия 1909г.
Алюминиевые сплавы широко используют для изготовления многих деталей. В легковых автомобилях-это корпуса двигателей, крышки клапанно-распределительного механизма, капоты, трансмиссии, дверные ручки. Помимо головок и блоков цилиндров, на которые приходится преобладающая часть потребления алюминия в автомобилестроении, расширяется его применение в изготовлении колесных дисков, подвесок, шасси и частей трансмиссии. Алюминий обладает еще одним значительным свойством-он гасит удар в полтора, два раза эффективнее, чем сталь. Недаром алюминий-традиционный материал для бамперов. Более 80% деталей автомобиля изготавливают методом литья-это коллекторы, насосы, детали трансмиссии и подвески, диски колес и подрамники. Однако в последние годы увеличилось использование алюминиевых листов и полос. Так, например, современные колесные диски состоят из центральной части, полученной литьем и периферийного ободка, сделанного с помощью штамповки из листа. Ковка придает алюминиевым сплавам лучшие механические свойства, чем литье. Однако кованые детали все еще редко встречаются в конструкции автомобилей массового производства. В среднем лишь 1,3% алюминиевых деталей являются коваными
Автомобиль Audi 100
При выпуске моделей Porsche 928, Chevrolet Corvette, Honda NSX, Mercedes S-Class применяют кованый алюминиевый сплав в подрамнике и в деталях подвески. Кованые диски колес значительно меньше массы, чем литые, но не уступают им в прочности. Примерно четверть от общей массы алюминиевых деталей в автомобиле изготовлена из прокатных листов. Из них штампуют панели кузова, небольшие решетки, профили и тому подобное. Алюминиевые листы стали использовать и для изготовления каркаса кузова
Автомобиль Porsche 928
Здесь первенство принадлежит немецкой компании Audi. которая в 1994 году в германском городе Некарсульме основала фирму «Алюминиумцентрум». Выпускаемая с 1994 года модель Audi A8-это автомобиль с полностью алюминиевым каркасом кузова. Однако он относится к разряду малосерийных: выпускают всего 70 экземпляров в день. Второй автомобиль этой фирмы с цельноалюминиевым кузовом Audi A2-был впервые представлен на Франкфуртском автосалоне 1997 года как AI2. С 1999 года он стал серийной моделью. Замена стального кузова алюминиевым привела к снижению массы на 43%. В результате автомобиль стал весить всего 960кг (его первоначальная масса почти 1700кг)
Автомобиль Audi A8
Что интересно, для алюминиевого кузова требуется чуть ли не в полтора раза меньше деталей, чем для аналогичного стального. Полностью собранный алюминиевый кузов Audi закаливают при 200 градусах по Цельсию в течении 40 минут. Технология производства алюминиевых кузовов принадлежит фирме Audi Space Frame (ASF). Но не только автомобили Audi имеют алюминиевый кузов-это еще и Honda NSX, Jaguar XJ220, Ferrari 512GT, Plymouth Prowler который также сделаны из чистого алюминия
Автомобиль Honda NSX
Ряд фирм выпускают стальные кузова с некоторыми деталями из алюминиевых сплавов. Так в автомобилях Toyota, Ford US, Porsche из сплавов изготовлены двери, капот, крыша, крышки багажника. Компании Ferrari, Aston Martin, Ford US активно включают алюминиевые сплавы для производства всех наружных панелей кузова. Годовой объем продаж автомобилей с такими панелями только в США превышает 1,5 миллиона долларов. Алюминиевым кузовам не страшна коррозия, такие автомобили можно эксплуатировать в любых климатических условиях. Для усилителей бамперов, защитных брусьев в боковых дверях, каркасов сидений, рамок окон, аэродинамического спойлера, маслопровода, гидравлического трубопровода и впускного коллектора прибегают к методу экструзии: изделия формируют путем выдавливания размягченного алюминия через матрицу (форму) с отверстием определенного сечения
Автомобиль BMW Z4
При экструзии алюминиевых сплавов можно добиться максимальной точности размеров. Одна из новозеландских компаний недавно применила экструзию для изготовления деталей внутреннего сгорания. Производство мгновенно стало более дешевым. Такой двигатель весит меньше. Из выдавленного профиля могут быть получены двигатели с различным ходом поршня и числом цилиндров
Другой перспективный метод производства алюминиевых деталей-порошковая металлургия, при которой заготовки прессуются из порошков с последующим спеканием. По этой технологии в Японии изготавливают детали компрессоров, воздушных кондиционеров, поршней двигателей, блоков цилиндров. Многие алюминиевые сплавы настолько пластичны, что при нагревании способны значительно растягиваться. Благодаря этому свойству детали сложной формы можно получить из плоского металлического листа
Итак, использование алюминия в автомобилестроении возрастает, однако есть и сдерживающий фактор-это высокая цена металла. Автомобиль с алюминиевым кузовом сегодня-предмет роскоши. Его стоимость значительно превосходит стоимость автомобиля такого же класса с кузовом из стали
Отремонтировать алюминиевый кузов дороже и сложнее, чем стальной. Небольшую вмятину устранить нетрудно, ведь алюминий достаточно мягок и пластичен, однако при серьезных повреждениях вернуть цельноалюминиевому кузову прежнюю форму очень непросто. Дело в том, что в работе с алюминием может использоваться только специальная сварка в атмосфере инертного газа аргона, а большинство сервисных центров, понятное дело, таковой пока не располагают
Источник: энциклопедия Rusal
Крылатый наступает: почему кузова машин будущего будут алюминиевыми и чем это чревато
Электромобиль с автопилотом – примерно так можно вкратце описать типичную машину условного 2030 года. Если не произойдет каких-то глобальных сломов трендов, то так оно и будет. Но с одной оговоркой – этот электромобиль, скорее всего, будет еще и алюминиевым. В этой статье вспомним все плюсы и минусы кузовов из крылатого металла и отследим, как он постепенно вытесняет сталь из автопромышленности.
Немного из истории
И спользование алюминия в производстве кузова кажется столь соблазнительной и новой технологией, что забывается, что родом она из первой половины двадцатого века. Как конструктивный материал для авто его опробовали сразу, как только начали отказываться от дерева и кожи, причем именно с деревом он оказался настолько хорошо совместим, что на автомобилях Morgan подобная технология используется до сих пор. Вот только большинство компаний, которые в тридцатые годы успели изготовить немало автомобилей с широким использованием алюминиевых деталей, в дальнейшем от легкого металла отказались. И причиной стал не только дефицит этого материала в годы Второй мировой. Планам фантастов-футуристов о широком использовании алюминия в конструкции машин не суждено было сбыться. Во всяком случае, до нынешнего момента, когда что-то стало меняться.
Алюминий в металлической форме известен не так уж давно – его вывели только в конце XIX века, и он сразу стал цениться весьма высоко. И вовсе не из-за своей редкости, просто до открытия электролитического метода восстановления производство обходилось баснословно дорого, алюминий был дороже золота и платины. Недаром весы, подаренные Менделееву после открытия периодического закона, содержали немало алюминиевых деталей, на тот момент это был поистине королевский подарок. С 1855 по 1890 годы изготовили всего 200 тонн материала по методу Анри Этьена Сент-Клер Девиля, заключающемся в вытеснении алюминия металлическим натрием.
Уже к 1890 году цена упала в 30 раз, а к началу Первой мировой – более чем в сотню. А после тридцатых годов постоянно сохраняла примерный паритет с ценами на стальной прокат, будучи дороже в 3-4 раза. Дефицит тех или иных материалов периодически изменял это соотношение на небольшой срок, но тем не менее в среднем тонна алюминия всегда обходится минимум в три раза дороже обычной стали.
«Крылатым» алюминий называют за сочетание малой массы, прочности и доступности. Этот металл заметно легче стали, на кубометр приходится примерно 2 700 кг против 7 800 кг для типичных сортов стали. Но и прочность ниже, для распространенных сортов стали и алюминия разница примерно в полтора-два раза что по текучести, что по растяжению. Если о конкретных цифрах, то прочность алюминиевого сплава АМг3 – 120/230 Мпа, низкоуглеродистой стали марки 2C10 – 175/315, а вот высокопрочная сталь HC260BD – это уже 240/450 Мпа.
В итоге конструкции из алюминия имеют все шансы быть заметно легче, минимум на треть, но в отдельных случаях превосходство в массе деталей может быть больше, ведь алюминиевые детали имеют более высокую жесткость и заметно более технологичны в изготовлении. Для авиации это сущий подарок, ведь более прочные титановые сплавы куда дороже, и массовое производство попросту недоступно, а магниевые сплавы отличаются высокой коррозийной активностью и повышенной пожароопасностью.
Практика использования на земле
В массовом сознании алюминиевые кузова в основном ассоциируются с машинами марки Audi, хотя первая A8 в кузове D2 появилась лишь в 1994 году. Это была одна из первых крупносерийных цельноалюминиевых машин, хотя изрядная доля крылатого металла была фирменной «фишкой» таких марок, как Land Rover и Aston Martin на протяжении десятков лет, не говоря уже о уже упомянутом Morgan, с его алюминием на деревянном каркасе. Все же реклама творит чудеса.
В первую очередь в новой технологии изготовления кузова подчеркивалась низкая масса и стойкость алюминиевых кузовов к коррозии. Иногда упоминались и другие преимущества алюминиевых конструкций: например, особенные акустические свойства кузовов и пассивная безопасность конструкций из объемной штамповки и литья.
Список машин, в которых алюминиевые детали составляют не менее 60% массы кузова (не путать с полной массой машины), довольно велик. В первую очередь известны модели Audi, A2, A8, R8 и родственная R8 Lamborghini Gallardo. Менее очевидны Ferrari F430, F360, 612, последние поколения Jaguar XJ X350-X351, XJR, XF, XE и F-Pace. Ценители настоящих спортивных машин вспомнят Lotus Elise, а также соплатформенные Opel Speedster и Tesla Roadster. Особенно дотошные читатели припомнят Honda NSX, Spyker и даже Mercedes SLS.
Часто ошибочно к числу алюминиевых относят современные Land Rover, Range Rover, BMW последних серий и некоторые другие премиум-модели, но там общая доля алюминиевых деталей не так уж велика, а каркас кузова по-прежнему из сталей – обычных и высокой прочности. Цельноалюминиевых машин немного, и большая часть из них – это сравнительно малосерийные конструкции.
Но как же так? Почему при всех своих достоинствах алюминий не применяется максимально широко в строении кузова?
Казалось бы, можно выиграть на массе, а разница в цене материалов не так уж критична на фоне других составляющих стоимости дорогой машины. Тонна «крылатого» стоит сейчас 1 600 долларов – это не так уж много, особенно для премиальной машины. Всему есть объяснения. Правда, для понимания вопроса опять придется немного углубиться в прошлое.
Как алюминий проиграл пластику и стали
Восьмидесятые годы двадцатого века войдут в историю автомобилестроения как время, когда сформировались основные бренды на мировом рынке и создалось соотношение сил, которое мало изменилось и по сей день. Новой крови с тех пор добавили автомобильному рынку лишь китайские компании, в остальном же именно тогда появились основные тренды, классы и тенденции в автомобилестроении. Тогда же наметился перелом в использовании в конструкции машины альтернативных материалов, помимо стали и чугуна.
Благодарить за это стоит увеличившиеся ожидания по части долговечности машин, новые нормы по расходу топлива и пассивной безопасности. Ну и, традиционно, развитие технологий, которые все это позволили. Робкие попытки использовать алюминий в узлах, отвечающих за пассивную безопасность, быстро закончились внедрением лишь простейших элементов в виде брусьев для сминаемых зон и декоративных элементов, которые в общей массе кузова составляли несколько процентов.
А вот сражение за конструкции самого кузова было безнадежно проиграно на тот момент. Победу однозначно одержали производители пластика. Простая технология изготовления крупных деталей из пластика изменила дизайн автомобилей в восьмидесятые. Европейцы удивлялись технологичности и «продвинутости» Ford Sierra и VW Passat B3 с их развитым пластиковым обвесом. Формы и материалы радиаторных решеток, бамперов и других элементов со временем стали соответствовать пластиковым деталям – нечто подобное просто немыслимо изготовить из стали или алюминия.
Тем временем конструкция кузовов машин оставалась традиционно стальной. Задачу повышения прочности кузова и снижения массы выполнили переходом на более широкое использование сталей высокой прочности, их масса в составе кузова непрерывно увеличивалась, с нескольких процентов в конце семидесятых годов и до уверенных 20-40% к середине девяностых у передовых конструкций европейских марок и 10-15% у американских авто.
Проблемы с коррозией решили переходом на оцинкованный прокат и новые технологии окраски, которые позволили увеличить срок гарантии на кузов до 6-10 лет. Алюминий же остался не у дел, его содержание в массе машины даже уменьшилось по сравнению с 60-ми годами – сыграл роль нефтяной кризис, когда дороже стали энергоносители, а значит и сам металл. Где возможно, его заменил пластик, а где пластик не годился – снова сталь.
Алюминий наносит ответный удар
Проиграв битву за экстерьер, через десятилетие алюминий отыграл свое под капотом. В 90-е и 2000-е годы производители массово переходили на алюминиевые корпуса КПП и блоки цилиндров, а затем и детали подвески. Но это было только начало.
Падение цен на алюминий в девяностые годы удачно совпало с ужесточением требований к экономичности и экологичности машин. Помимо уже упомянутых крупных узлов, алюминий прописался во множестве деталей и агрегатов машины, особенно имеющих отношение к пассивной безопасности – кронштейнах рулевого управления, балках-усилителях, опорах моторов. Пригодилась и его природная хрупкость, и широкий диапазон изменения вязкости, и низкая масса.
Дальше – больше, алюминий стал появляться и в конструкции кузова. Про цельноалюминиевые Audi A8 я рассказывал подробно, но и на более простых машинах стали появляться внешние панели из легкого металла. В первую очередь это навесные панели, капот, передние крылья и двери на авто премиальных марок. Легкосплавными стали подрамники, брызговики и даже усилители. На современных BMW и Audi в передней части кузовов остался практически один алюминий и пластик. Единственное, где позиции стали пока незыблемы – это силовые конструкции.
Про минусы и коррозию
Алюминий – это всегда сложности со сваркой и крепежом. Для соединения со стальными элементами подходят только клепка, болты и склейка, для соединения с другими алюминиевыми деталями – еще сварка и шурупы. Немногие примеры конструкций с использованием легкосплавных несущих элементов проявили себя весьма капризными в эксплуатации и отменно неудобными в восстановлении.
Так, алюминиевые чашки передней подвески на машинах BMW и лонжероны до сих пор имеют сложности с электрохимической коррозией в местах стыков и проблемы с восстановлением соединений после повреждений кузова.
Что касается коррозии алюминия, то бороться с ней даже сложнее, чем с коррозией стали. При более высокой химической активности его стойкость к окислению объясняется в основном образованием защитной пленки окислов на поверхности. А этот способ самозащиты в условиях соединения деталей из кучи разных сплавов оказался бесполезен.
Сложности со сталью, которые могут изменить все
Пока алюминий захватывал новые территории, технологии производства стального проката не стояли на месте. Стоимость высокопрочных сталей снижалась, появились массовые стали горячей штамповки, антикоррозийная защита пусть и с пробуксовками, тоже улучшалась.
Но алюминий все же наступает, и причины этого понятны всем, кто знаком с процессом штамповки и сварки стальных деталей. Да, более прочные стали позволяют облегчить кузов машины и сделать его крепче и жестче. Обратная сторона медали – повышение стоимости самой стали, увеличение цены штамповки, рост цены сварки и сложности с ремонтом поврежденных деталей. Ничего не напоминает? Точно, это те самые проблемы, которые свойственны алюминиевым конструкциям от рождения. Только у высокопрочной стали и традиционные «железные» сложности с коррозией никуда не исчезают.
Еще один минус – сложности рециклинга. В век, когда вещи становятся одноразовыми, о переработке задумываются все чаще и чаще. И высоколегированные стали в этом отношении – плохой пример. Цена алюминия мало зависит от его марки, содержание в сплаве ценных присадок сравнительно невелико, а основные характеристики задаются содержанием кремния. При переплавке добавки хорошо извлекаются для дальнейшего использования. К тому же сравнительно мягкий металл хорошо перерабатывается.
А вот о высокопрочной стали подобного сказать нельзя. Пакет дорогих легирующих добавок при переработке неизбежно теряется. Более того, он загрязняет вторичное сырье и требует дополнительных расходов по его очистке. Цена на простые марки стали и высокопрочные различается в разы, и при повторном использовании железа вся эта разница будет утеряна.
Что дальше?
Судя по всему, нас ждет алюминиевое будущее. Как вы уже поняли, исходная стоимость сырья не играет сейчас такой роли, как технологичность и экологичность. Набирающее силу «зеленое» лобби способно влиять на популярность алюминиевых машин еще множеством способов, от удачного пиара до уменьшенного сбора на утилизацию. В итоге имидж премиальных брендов требует более широкого использования алюминия и популяризации технологий в массах, с максимальной выгодой для себя, разумеется.
Стальные конструкции остаются уделом дешевых производителей, но по мере удешевления алюминиевых технологий они, несомненно, тоже не устоят перед соблазном, тем более что теоретическое преимущество алюминия можно и даже нужно реализовать. Пока автопроизводители не пытаются форсировать этот переход – конструкции кузовов большинства машин содержат не больше 10-20% алюминия.
То есть «алюминиевое будущее» не придет ни завтра, ни послезавтра.
У традиционного стального кузовостроения впереди виднеется кузовостроительный тупик, избежать которого можно, только переломив тренды на всемерное упрочнение и облегчение конструкций.
Пока прогресс тормозит технологичность процессов сварки и наличие хорошо отлаженных производственных процессов, которые пока можно недорого адаптировать к новым маркам сталей. Увеличить ток сварки, ввести точный контроль параметров, увеличить усилия сжатия, ввести сварку в инертных средах… Пока такие методы помогают, сталь останется основным элементом конструкции. Перестраивать производство слишком дорого, глобальные изменения очень тяжелы для неповоротливого локомотива промышленности.
А что же стоимость владения автомобилем? Да, она растет, и будет расти дальше. Как мы уже неоднократно говорили, современный автопром развитых стран заточен под быстрое обновление автопарка и состоятельного покупателя с доступом к дешевым кредитам под 2-3% годовых. Про страны с реальной инфляцией 10-15% и зарплатами «среднего класса» в районе 1 000 долларов управленцы корпораций думают далеко не в первую очередь. Придется подстраиваться.