Gaznaauto Сайт про автомобили
Електромобіль з автопілотом — приблизно так можна коротко описати типову машину умовного 2030 року. Якщо не станеться якихось глобальних зламів трендів, то так воно і буде. Але з одним застереженням — цей електромобіль, найімовірніше, буде ще й алюмінієвим. У цій статті згадаємо всі плюси і мінуси кузовів з крилатого металу і відстежимо, як він поступово витісняє сталь з автопромисловості.
Трохи з історії
І використання алюмінію у виробництві кузова здається настільки спокусливою і новою технологією, що забувається, що родом вона з першої половини двадцятого століття. Як конструктивний матеріал для авто його випробували одразу, тільки-но почали відмовлятися від дерева та шкіри, причому саме з деревом він виявився настільки добре сумісним, що на автомобілях Morgan подібна технологія використовується досі. От тільки більшість компаній, які в тридцяті роки встигли виготовити чимало автомобілів із широким використанням алюмінієвих деталей, надалі від легкого металу відмовилися. І причиною став не лише дефіцит цього матеріалу в роки Другої світової. Планам фантастів-футуристів про широке використання алюмінію в конструкції машин не судилося збутися. У всякому разі, до нинішнього моменту, коли щось стало змінюватися.
Алюміній у металевій формі відомий не так уже й давно — його вивели тільки наприкінці XIX століття, і він одразу став цінуватися досить високо. І зовсім не через свою рідкість, просто до відкриття електролітичного методу відновлення виробництво коштувало нечувано дорого, алюміній був дорожчим за золото і платину. Недарма ваги, подаровані Менделєєву після відкриття періодичного закону, містили чимало алюмінієвих деталей, на той момент це був воістину королівський подарунок. З 1855 по 1890 роки виготовили всього 200 тонн матеріалу за методом Анрі Етьєна Сент-Клер Девіля, що полягає у витісненні алюмінію металевим натрієм.
1 / 3
2 / 3
3 / 3
Уже до 1890 року ціна впала в 30 разів, а до початку Першої світової — більш ніж у сотню. А після тридцятих років постійно зберігала приблизний паритет із цінами на сталевий прокат, будучи дорожчою в 3-4 рази. Дефіцит тих чи інших матеріалів періодично змінював це співвідношення на невеликий термін, але, тим не менш, у середньому тонна алюмінію завжди коштує мінімум утричі дорожче за звичайну сталь.
«Крилатим» алюміній називають за поєднання малої маси, міцності та доступності. Цей метал помітно легший за сталь, на кубометр припадає приблизно 2 700 кг проти 7 800 кг для типових сортів сталі. Але і міцність нижча, для поширених сортів сталі та алюмінію різниця приблизно в півтора-два рази що за плинністю, що за розтягуванням. Якщо про конкретні цифри, то міцність алюмінієвого сплаву АМг3 — 120/230 Мпа, низьковуглецевої сталі марки 2C10 — 175/315, а ось високоміцна сталь HC260BD — це вже 240/450 Мпа.
У підсумку конструкції з алюмінію мають всі шанси бути помітно легшими, щонайменше на третину, але в окремих випадках перевага в масі деталей може бути більшою, адже алюмінієві деталі мають вищу жорсткість і помітно більш технологічні у виготовленні. Для авіації це справжній подарунок, адже міцніші титанові сплави набагато дорожчі, і масове виробництво просто недоступне, а магнієві сплави вирізняються високою корозійною активністю і підвищеною пожежонебезпекою.
Практика використання на землі
У масовій свідомості алюмінієві кузови здебільшого асоціюються з машинами марки Audi, хоча перша A8 у кузові D2 з’явилася лише 1994 року. Це була одна з перших великосерійних суцільноалюмінієвих машин, хоча неабияка частка крилатого металу була фірмовою «фішкою» таких марок, як Land Rover і Aston Martin упродовж десятків років, не кажучи вже про вже згаданий Morgan, з його алюмінієм на дерев’яному каркасі. Все ж реклама творить чудеса.
1 / 4
2 / 4
3 / 4
4 / 4
Насамперед у новій технології виготовлення кузова наголошували на низькій масі та стійкості алюмінієвих кузовів до корозії. Іноді згадувалися й інші переваги алюмінієвих конструкцій: наприклад, особливі акустичні властивості кузовів і пасивна безпека конструкцій з об’ємного штампування і лиття.
Список машин, у яких алюмінієві деталі становлять щонайменше 60% маси кузова (не плутати з повною масою машини), доволі великий. Насамперед відомі моделі Audi, A2, A8, R8 і споріднена R8 Lamborghini Gallardo. Менш очевидні Ferrari F430, F360, 612, останні покоління Jaguar XJ X350-X351, XJR, XF, XE і F-Pace. Поціновувачі справжніх спортивних машин згадають Lotus Elise, а також співплатформні Opel Speedster і Tesla Roadster. Особливо прискіпливі читачі пригадають Honda NSX, Spyker і навіть Mercedes SLS.
Часто помилково до числа алюмінієвих відносять сучасні Land Rover, Range Rover, BMW останніх серій і деякі інші преміум-моделі, але там загальна частка алюмінієвих деталей не така вже й велика, а каркас кузова, як і раніше, зі сталей — звичайних і високої міцності. Суцільноалюмінієвих машин небагато, і більша частина з них — це порівняно малосерійні конструкції.
Але як же так? Чому при всіх своїх перевагах алюміній не застосовується максимально широко в будові кузова?
Здавалося б, можна виграти на масі, а різниця в ціні матеріалів не така вже й критична на тлі інших складових вартості дорогої машини. Тонна «крилатого» коштує зараз 1 600 доларів — це не так вже й багато, особливо для преміальної машини. Всьому є пояснення. Щоправда, для розуміння питання знову доведеться трохи заглибитися в минуле.
Як алюміній програв пластику і сталі
Вісімдесяті роки двадцятого століття увійдуть в історію автомобілебудування як час, коли сформувалися основні бренди на світовому ринку та створилося співвідношення сил, яке мало змінилося й донині. Нової крові відтоді додали автомобільному ринку лише китайські компанії, в іншому ж саме тоді з’явилися основні тренди, класи і тенденції в автомобілебудуванні. Тоді ж намітився перелом у використанні в конструкції машини альтернативних матеріалів, крім сталі і чавуну.
Дякувати за це варто очікуванням щодо довговічності машин, що збільшилися, новим нормам по витраті палива і пасивній безпеці. Ну і, традиційно, розвиток технологій, які все це дозволили. Боязкі спроби використовувати алюміній у вузлах, що відповідають за пасивну безпеку, швидко закінчилися впровадженням лише найпростіших елементів у вигляді брусів для зон, що зминаються, і декоративних елементів, які в загальній масі кузова становили кілька відсотків.
А ось бій за конструкції самого кузова було безнадійно програно на той момент. Перемогу однозначно здобули виробники пластику. Проста технологія виготовлення великих деталей із пластику змінила дизайн автомобілів у вісімдесяті. Європейці дивувалися технологічності та «просунутості» Ford Sierra і VW Passat B3 з їхнім розвиненим пластиковим обвісом. Форми і матеріали радіаторних решіток, бамперів та інших елементів згодом стали відповідати пластиковим деталям — щось подібне просто немислимо виготовити зі сталі або алюмінію.
Тим часом конструкція кузовів машин залишалася традиційно сталевою. Завдання підвищення міцності кузова і зниження маси виконали переходом на ширше використання сталей високої міцності, їхня маса в складі кузова безперервно збільшувалася, з кількох відсотків наприкінці сімдесятих років і до впевнених 20-40% до середини дев’яностих у передових конструкцій європейських марок і 10-15% у американських авто.
1 / 4
2 / 4
3 / 4
4 / 4
Проблеми з корозією вирішили переходом на оцинкований прокат і нові технології фарбування, які дали змогу збільшити термін гарантії на кузов до 6-10 років. Алюміній же залишився не при справах, його вміст у масі машини навіть зменшився порівняно з 60-ми роками — зіграла роль нафтова криза, коли дорожчими стали енергоносії, а значить і сам метал. Де можливо, його замінив пластик, а де пластик не годився — знову сталь.
Алюміній завдає удару у відповідь
Програвши битву за екстер’єр, через десятиліття алюміній відіграв своє під капотом. У 90-ті та 2000-ті роки виробники масово переходили на алюмінієві корпуси КПП і блоки циліндрів, а потім і деталі підвіски. Але це був тільки початок.
Падіння цін на алюміній у дев’яності роки вдало збіглося з посиленням вимог до економічності та екологічності машин. Крім уже згаданих великих вузлів, алюміній прописався в безлічі деталей і агрегатів машини, особливо тих, що стосуються пасивної безпеки, — кронштейнах рульового управління, балках-підсилювачах, опорах моторів. Стала в нагоді і його природна крихкість, і широкий діапазон зміни в’язкості, і низька маса.
Далі — більше, алюміній став з’являтися і в конструкції кузова. Про суцільноалюмінієві Audi A8 я розповідав докладно, але і на простіших машинах стали з’являтися зовнішні панелі з легкого металу. Передусім це навісні панелі, капот, передні крила і двері на авто преміальних марок. Легкосплавними стали підрамники, бризковики і навіть підсилювачі. На сучасних BMW і Audi в передній частині кузовів залишився практично один алюміній і пластик. Єдине, де позиції сталі поки що непорушні — це силові конструкції.
1 / 6
2 / 6
3 / 6
4 / 6
5 / 6
6 / 6
Про мінуси і корозію
Алюміній — це завжди складнощі зі зварюванням і кріпленням. Для з’єднання зі сталевими елементами підходять тільки клепка, болти і склейка, для з’єднання з іншими алюмінієвими деталями — ще зварювання і шурупи. Нечисленні приклади конструкцій з використанням легкосплавних несучих елементів проявили себе вельми примхливими в експлуатації і чудово незручними у відновленні.
Так, алюмінієві чашки передньої підвіски на машинах BMW і лонжерони досі мають складнощі з електрохімічною корозією в місцях стиків і проблеми з відновленням з’єднань після пошкоджень кузова.
Що стосується корозії алюмінію, то боротися з нею навіть складніше, ніж з корозією сталі. За вищої хімічної активності його стійкість до окислення пояснюється переважно утворенням захисної плівки оксидів на поверхні. А цей спосіб самозахисту в умовах з’єднання деталей з купи різних сплавів виявився марним.
Складнощі зі сталлю, які можуть змінити все
Поки алюміній захоплював нові території, технології виробництва сталевого прокату не стояли на місці. Вартість високоміцних сталей знижувалася, з’явилися масові сталі гарячого штампування, антикорозійний захист нехай і з пробуксовками, теж поліпшувався.
Але алюміній все ж наступає, і причини цього зрозумілі всім, хто знайомий з процесом штампування і зварювання сталевих деталей. Так, міцніші сталі дають змогу полегшити кузов машини і зробити його міцнішим і жорсткішим. Зворотний бік медалі — підвищення вартості самої сталі, збільшення ціни штампування, зростання ціни зварювання і складності з ремонтом пошкоджених деталей. Нічого не нагадує? Точно, це ті самі проблеми, які властиві алюмінієвим конструкціям від народження. Тільки у високоміцної сталі і традиційні «залізні» складнощі з корозією нікуди не зникають.
1 / 5
2 / 5
3 / 5
4 / 5
5 / 5
Ще один мінус — складності рециклінгу. У століття, коли речі стають одноразовими, про переробку замислюються все частіше і частіше. І високолеговані сталі в цьому відношенні — поганий приклад. Ціна алюмінію мало залежить від його марки, вміст у сплаві цінних присадок порівняно невеликий, а основні характеристики задаються вмістом кремнію. При переплавці добавки добре витягуються для подальшого використання. До того ж порівняно м’який метал добре переробляється.
А ось про високоміцну сталь подібного сказати не можна. Пакет дорогих легуючих добавок при переробці неминуче втрачається. Ба більше, він забруднює вторинну сировину і вимагає додаткових витрат на її очищення. Ціна на прості марки сталі та високоміцні розрізняється в рази, і під час повторного використання заліза вся ця різниця буде загублена.
Що далі?
Судячи з усього, на нас чекає алюмінієве майбутнє. Як ви вже зрозуміли, вихідна вартість сировини не відіграє зараз такої ролі, як технологічність і екологічність. «Зелене» лобі, що набирає силу, здатне впливати на популярність алюмінієвих машин ще безліччю способів, від вдалого піару до зменшеного збору на утилізацію. У підсумку імідж преміальних брендів вимагає ширшого використання алюмінію і популяризації технологій у масах, з максимальною вигодою для себе, зрозуміло.
Сталеві конструкції залишаються долею дешевих виробників, але в міру здешевлення алюмінієвих технологій вони, безсумнівно, теж не встоять перед спокусою, тим паче що теоретичну перевагу алюмінію можна і навіть потрібно реалізувати. Поки автовиробники не намагаються форсувати цей перехід — конструкції кузовів більшості машин містять не більше 10-20% алюмінію.
Тобто «алюмінієве майбутнє» не настане ні завтра, ні післязавтра.
У традиційного сталевого кузовобудування попереду видніється кузовобудівна безвихідь, уникнути якої можна, тільки переломивши тренди на всебічне зміцнення і полегшення конструкцій.
Поки що прогрес гальмує технологічність процесів зварювання і наявність добре налагоджених виробничих процесів, які поки що можна недорого адаптувати до нових марок сталей. Збільшити струм зварювання, запровадити точний контроль параметрів, збільшити зусилля стиснення, запровадити зварювання в інертних середовищах… Поки такі методи допомагають, сталь залишиться основним елементом конструкції. Перебудовувати виробництво занадто дорого, глобальні зміни дуже важкі для неповороткого локомотива промисловості.
А що ж вартість володіння автомобілем? Так, вона зростає, і зростатиме далі. Як ми вже неодноразово говорили, сучасний автопром розвинених країн заточений під швидке оновлення автопарку і заможного покупця з доступом до дешевих кредитів під 2-3% річних. Про країни з реальною інфляцією 10-15% і зарплатами «середнього класу» в районі 1 000 доларів управлінці корпорацій думають далеко не в першу чергу. Доведеться підлаштовуватися.
