Алюминий в автомобилестроении
ЕВГЕНИЙ ШВАЛИН

В последние десятилетия наблюдается устойчивая тенденция к снижению веса автомобиля. В этой связи разработчики давно обратили внимание на алюминиевые сплавы, которые значительно потеснили конструкционные стали во многих механических узлах автомобиля. Однако на пути создания полностью алюминиевого автомобиля стояли такие препятствия, как высокая стоимость "крылатого металла" и технологические проблемы его обработки.

Всего несколько лет назад концерн VAG представил модель Audi А2 - первый автомобиль массового производства, кузов которого полностью изготовлен из алюминиевых сплавов. Многие ведущие аналитики назвали это событие "революцией в автомобилестроении", но другие считают, что "алюминий пробил лишь небольшую брешь в стене под названием сталь". Тем не менее, Audi на практике доказала, что алюминиевые сплавы являются реальной альтернативой продукции черной металлургии. Применение алюминия позволяет существенно снизить вес автомобиля и, как следствие, ощутимо сократить расход топлива и количество вредных выбросов в атмосферу.

Применение алюминия в автомобилестроении стремительно возрастает благодаря возможности снижения веса автомобилей, высоким технологическим и механическим характеристикам алюминиевых сплавов и разработанным технологиям, позволяющим их повторно перерабатывать (рисайклинг).

Прогнозы других специалистов по применению алюминия различаются, но самые оптимистичные говорят о том, что к 2010 году на один автомобиль будет приходиться в среднем 150 кг алюминия. Из этого металла будет производиться половина всех блоков цилиндров, четверть панелей кузова и одна пятая деталей подвески.

Преимущества и недостатки алюминия

Алюминиевые детали могут иметь такие же прочностные и механические характеристики, как и стальные, но при этом они, по меньшей мере, в 2 раза легче. Панели кузова из специально созданных алюминиевых сплавов не требуют дополнительной антикоррозионной обработки и могут штамповаться почти на том же оборудовании, что и стальные. Для их соединения применяются сварка в инертном газе или клеевые технологии.

Относительно низкий модуль упругости алюминия не является препятствием. Толщина стенок алюминиевых деталей незначительно увеличивается в тех участках, где необходима повышенная жесткость. Даже с учетом этого, применение алюминия ведет к значительному снижению массы деталей. Один наглядный пример - алюминиевый подрамник двигателя автомобиля Volvo S80 весит всего 16 кг, тогда как аналогичный подрамник из стали - более 25 кг.

При использовании алюминиевых отливок вся цепочка технологических операций укорачивается и становится более эффективной. Обычный подрамник двигателя состоит из 20 различных стальных деталей, и, чтобы произвести все эти детали, приходится координировать работу многих служб, отвечающих за логистику, оборудование, сварку деталей и контроль качества сборки. Всю эту цепочку и громоздкий процесс можно сократить до одной операции - изготовление цельной детали способом литья.

Применение алюминия в кузовостроении способствует повышению безопасности автомобиля. Алюминий имеет более высокую удельную прочность и способен поглотить в 1,5-2 раза больше энергии удара, чем сталь, что повышает пассивную безопасность автомобиля. Кроме того, снижение веса обеспечивает автомобилю более короткий тормозной путь и улучшает его активную безопасность.

Что касается распространенного мнения, будто технологии применения алюминия являются новыми и неотработанными - это заблуждение. Алюминий начал использоваться в автомобильной промышленности еще в 19(!) веке. Однако по многим причинам, например, из-за недостаточной изученности свойств алюминиевых сплавов, отсутствия финансирования, боязни изменений и экономических кризисов, развитие рынка алюминия в 20 столетии тормозилось.

В настоящее время для изготовления алюминиевых деталей чаще всего используются следующие технологии: литье, ковка, экструзия и листовая штамповка.

Сегодня более 80% алюминиевых деталей, применяемых в автомобилестроении, изготавливают методом литья, но эта цифра будет снижаться в связи с ростом применения проката алюминиевых сплавов. Различные способы литья широко применяются для изготовления алюминиевых блоков, головок цилиндров, коллекторов, подрамников, дисков колес, деталей трансмиссии и подвески.

Ковка позволяет получать изделия с лучшими механическими свойствами, чем литье. Она позволяет варьировать характеристики сплава в более широком диапазоне. Но кованые детали редко встречаются в конструкции автомобилей массового производства. В среднем лишь 1,3% алюминиевых деталей, применяемых в автомобиле, являются коваными. Изготовители таких автомобилей, как Porsche 928, Chevrolet Corvette, Honda NSX и Mercedes S-class, применяют кованый алюминиевый сплав в подрамнике и деталях подвески. Алюминиевые компоненты шасси поглощают больше энергии ударов, улучшая комфорт и безопасность.

Заготовки из алюминия, полученные экструзией, используются для усилителей бамперов, защитных брусьев в боковых дверях, каркасов сидений и оконных рамок, радиаторов, деталей отопителей, аэродинамических спойлеров, маслопроводов и коллекторов.

Из алюминиевого листа штампуются панели кузова, небольшие решетки, профили и т.п.

Одно из самых важных новшеств в последние годы - применение алюминиевых профилей в каркасе кузова. Пространственный каркас обеспечивает кузову прочность, жесткость и эффективное поглощение энергии при столкновении. В некоторых случаях штампованные стальные детали кузова, соединенные точечной сваркой, могут быть заменены в три раза меньшим количеством экструдированных алюминиевых профилей, соединенных клеем.

Выпуск серийного автомобиля Audi А2 с полностью алюминиевым кузовом стал возможным благодаря освоению технологии Audi Space Frame (создание пространственного каркаса). Алюминиевый кузов А2 почти на 40% легче аналогичного по размерам стального кузова, при этом снаряженная масса автомобиля всего 895 кг, что на 150 кг меньше, чем у аналогов.

Автомобиль Audi А8 выпускается мелкими сериями с 1994 года и также имеет алюминиевый каркасный кузов.

Разработки Audi внесли большой вклад в развитие цветной металлургии. Автомобили А8 и А2 заставили другие компании больше думать о применении легких материалов и снижении веса. В секторе автомобилей малого класса - это, в первую очередь, решает проблему экономии топлива; а для автомобилей большого класса - это возможность повысить потребительские свойства автомобилей за счет дополнительного оснащения оборудованием, без увеличения снаряженной массы автомобиля.

Концерн VAG обострил и без того жесткую конкуренцию между сталью и алюминием. Если бы не началось производство моделей А2 и А8, металлурги еще долго не задумались бы о снижении веса автомобилей и не занимались усовершенствованиями таких технологий, как гидроформование, сварка разнотолщинных заготовок и разработка новых марок высокопрочных сталей. Прогресс в этих областях шел бы намного медленнее.

Чтобы быть объективным, необходимо сказать, что поставленная цель - выпускать ежегодно 60000 автомобилей А2 - пока не достигнута. Четыре последних года производилось лишь по 40000 автомобилей в год. По мнению аналитиков, существуют две основные причины недостаточно высокого спроса на А2. Во-первых, многие люди не привыкли к такому дизайну - кузов А2 слишком необычен. Во-вторых, А2, как и большинство автомобилей Audi, весьма дорогая модель, а цена, как известно, всегда влияет на объем продаж.

Сегодня число производимых автомобилей с алюминиевыми кузовами значительно ниже, чем со стальными, хотя перечень подобных авто значительно расширился. Пять лет назад были только модели Audi A8, Honda NSX и Chrysler Prowler. Сегодня к ним добавились также BMW Z8, Ferrari 360, Honda Insight, Renault Spider, Opel Speedster. Все эти модели - малосерийные, занимающие очень ограниченную нишу. Пока единственный автомобиль массового производства, имеющий полностью алюминиевый кузов, - это Audi A2.

Причин, ограничивающих крупносерийное производство автомобилей с алюминиевыми кузовами, множество, и в первую очередь, технологических. Сама система проектирования и производства алюминиевых кузовов существенно отличается от производства стальных. Например, магнитные транспортировочные системы, которые широко используются при изготовлении стальных кузовов, не могут применяться в производстве алюминиевых.

Еще одна причина, замедляющая процесс внедрения алюминия, - психологическая. Это "боязнь изменений". Действительно, большинство людей не любит перемен. Тем не менее автомобилестроение развивается лишь благодаря изменениям - в модельном ряду, технологиях, материалах и т.д. Промышленность должна изменяться, но это дается не легко. Чтобы алюминий вытеснил сталь, нужен глобальный пересмотр автомобильного дизайна, процессов проектирования и производства, необходимы радикальные действия, которые будут не только крайне дорогостоящими и потребуют много времени, но также приведут к обязательной переподготовке конструкторов и технологов.

Общий пересмотр процессов разработки автомобиля в связи с внедрением алюминия сопряжен с огромными трудностями. Эрик Шедин, менеджер по исследованиям и разработкам американской фирмы Avesta Polarit - поставщика нержавеющих сталей, сказал: "Главное преимущество стали в том, что большинство заводов в мире спроектированы для выпуска именно стальной продукции. Если вы придете с новым материалом, нужно будет многое менять во всей системе производства. И это - главная проблема внедрения алюминия. Наивно полагать, что черная металлургия так просто уступит цветной металлургии свое место на автомобильном рынке. Наоборот, производители стали готовы к борьбе, развиваются более интенсивно, чем раньше, в частности разрабатывают новые высокопрочные стали, которые легче обычных, а детали изготовленные из них легче и даже дешевле алюминиевых".

Ресайклинг автомобилей из алюминия также являются трудно решаемой проблемой. Производители алюминия заявляют, что на переработку алюминия требуется меньше затрат энергии, чем на переработку стали. Упомянутый выше г-н Шедин отвечает на это так: "Производители алюминия очень любят вести дискуссии на тему ресайклинга. Но они обычно умалчивают о том, что единственный, эффективный способ ресайклинга алюминия - переработка однородных алюминиевых систем и агрегатов. В комбинированном агрегате алюминиевые детали приходится разделять и тщательно сортировать, так как различные алюминиевые сплавы, например кремниевые и не содержащие кремния, не могут перерабатываться вместе. Все это связано с высокой трудоемкостью и большими затратами времени. Если же вы перерабатываете автомобиль, который содержит стали повышенной прочности, обычные нержавеющие и другие марки сталей, то все это может быть расплавлено вместе, что значительно упрощает и облегчает процесс ресайклинга".

Г-н Шедин также добавляет, что "свойства сталей улучшаются, может быть, не так быстро, как свойства алюминия и композиционных материалов, но это закономерно. Успеху алюминия в последние годы в значительной степени способствовала хорошая работа маркетинговых служб цветной металлургии. Нужно признать, что они очень эффективно внушили людям мысль, что проблема снижения веса автомобиля может быть решена лишь благодаря применению алюминия. Если вы выйдите на улицу и спросите любого прохожего о том, как создать легкий автомобиль, то большинство людей ответят: "Используя алюминий".

В 2002 году был представлен новый автомобиль Mercedes-Benz E-класса, как было объявлено, со сниженным весом и низким расходом топлива за счет интенсивного применением алюминия. Многие увидели в этом автомобиле значительный шаг на пути к снижению веса благодаря применению легких материалов.

Однако при более тщательном анализе было обнаружено, что доля алюминия в кузове E-класса составляет всего 10% от его веса. Лишь в этих панелях разработчики сумели реализовать преимущества алюминия. Доля сталей повышенной прочности составляет 37% от веса кузова, что на 20% больше, чем в предшествующей модели, а около половины панелей кузова изготовлены из обычной стали.

На этом борьба стали и алюминия, конечно, не заканчивается. Чем выше становятся цены на бензин в США, тем больше вероятность того, что алюминий скоро будет широко использоваться в этом регионе. Американские автопроизводители уже сейчас начинают внедрять алюминий в свое производство. Так, лидер по применению алюминия в панелях кузова, автомобиль Lincoln LS Luxury Saloon, имеет алюминиевый капот, крышку багажника и передние крылья, которые в общей сложности покрывают 40% всей площади поверхности кузова. В автомобиле применяется 200 кг алюминия, что составляет 10% от его общей массы.

Заключение

Алюминий имеет много преимуществ и является наиболее вероятным претендентом на замену стали в автомобилях будущего. Снижение веса, улучшение топливной экономичности, снижение вредных выбросов в атмосферу, улучшение динамических характеристик автомобиля и возможность полной переработки алюминия - все это убедительные доводы в пользу применения этого металла в автомашинах.

В ближайшие годы применение стали будет уменьшаться, а алюминия - увеличиваться. Даже в маленьких и дешевых автомобильчиках доля применения алюминия будет повышаться для снижения веса автомобиля и уменьшения расхода топлива.

Однако рост применения алюминия пока сдерживает его высокая стоимость. Алюминий в 1,5-2 раза дороже стали. Увеличение применения алюминия в автомобилестроении во многом зависит от того, насколько снизится его цена в связи с расширением ресайклинга алюминия и разработкой новых эффективных технологий производства автомобильных деталей.