Тенденция легкости автомобилей в сочетании с алюминиевым сплавом

Рисунок 1. Изменение среднего количества алюминия, используемого в европейских автомобилях

Сегодня термин ?легкий? превратился из терминологии автомобильной промышленности в высокочастотную лексику в новостях СМИ. В ?Сделано в Китае 2025? малый вес также рассматривается как важное направление развития автомобильной промышленности. Проще говоря, облегчение означает максимально возможное снижение веса транспортного средства при обеспечении прочности и безопасности транспортного средства, тем самым повышая мощность транспортного средства, снижая расход топлива и уменьшая загрязнение выхлопных газов. В последние годы, когда требования по охране окружающей среды и энергосбережению ужесточились, облегчение автомобилей стало непреодолимой тенденцией в развитии автомобилей в мире. По данным Европейской алюминиевой ассоциации, каждые 100 кг качественного автомобиля могут сэкономить 0,6 л топлива на 100 км и снизить выбросы CO2800-900 г. Алюминий имеет плотность всего 1/3 стали и обладает хорошей пластичностью и восстановлением. Это идеальный легкий материал для автомобилей. Во время первого нефтяного кризиса 1970-х годов, в условиях роста цен на нефть, автопроизводители всего мира пытались использовать алюминиевые сплавы для изготовления стальных радиаторов, головок цилиндров и бамперов. Эффективность топлива. С тех пор доля алюминиевых сплавов в автомобилях увеличивается. Согласно данным исследования, опубликованным известной консалтинговой фирмой Ducker Worldwide, среднее потребление алюминия в европейских автомобилях утроилось с 1990 года, с 50 кг до нынешних 151 кг, и увеличится до 196 кг в 2025 году.

Рисунок 2. Коэффициент распределения европейского автомобильного алюминия (140 кг) (данные 2012 г.)

В настоящее время тенденция легких транспортных средств становится все более и более ожесточенной, а алюминиевые сплавы широко используются в ступицах, двигателях, радиаторах и масляных трубах. На долю кузова приходится около 40% от общей массы автомобиля. Для снижения веса автомобиля в целом важную роль играет вес кузова автомобиля. По данным Европейской конференции кузовов 2016 года (EuroCarBody 2016), уровень применения алюминиевого сплава достиг более половины качества некоторых высококлассных моделей кузова в белом цвете (то есть кузова, которые сварены, но не окрашены). ). Например, показатель расхода алюминиевого сплава DB11 у Aston Martin достигает 86,1%, у Honda NSX второго поколения (Acura NSX) — 79,0%, а у Land Rover Discovery 5-го поколения — 62,9%. Однако применение алюминиевых сплавов на кузовах обычных моделей пока относительно невелико. По данным известной консалтинговой фирмы Ducker Worldwide, проникновение панелей из алюминиевого сплава в кузов автомобиля в 2015 году составило всего 4%. на некоторых дорогих моделях. Облегченный корпус является важной темой исследований при разработке производителей облегченных моделей.

Рис. 3. Распределение применений Aston Martin DB11 из алюминиевого сплава

В настоящее время алюминиевые сплавы для автомобилей в основном можно разделить на литые алюминиевые сплавы и деформированные алюминиевые сплавы, среди которых в основном используются литые алюминиевые сплавы, на долю которых приходится около 661ТР2Т. Деформированный алюминиевый сплав можно дополнительно разделить на листовой прокат (181ТР2Т), экструдированный лист (111ТР2Т) и небольшое количество кованых деталей (51ТР2Т). Стоит отметить, что хотя литейный алюминиевый сплав в 2016 году по-прежнему остается основным видом автомобильного алюминиевого сплава, его доля по сравнению с 2012 годом снизилась на 8 процентных пунктов. листа значительно увеличилась с 131ТП2Т в 2012 г. до 181ТП2Т в 2016 г. При этом доля экструдированных профилей и поковок практически не меняется.

Рис. 4. Сравнение европейских автомобильных алюминиевых сплавов в 2016 и 2012 гг.

Литой алюминиевый сплав является наиболее широко используемым типом алюминиевого сплава в большинстве автомобилей и широко используется в конструкционных деталях, таких как колеса, детали двигателя, подрамники, кронштейны амортизаторов и пространственные рамы. В автомобильной промышленности литые диски из алюминиевого сплава являются наиболее быстрорастущими деталями с более высокими показателями алюминирования. В настоящее время большая часть колес из алюминиевого сплава изготавливается методом литья под низким давлением из сплава А356, а некоторые высококачественные колеса изготавливаются методом экструзионного литья, штамповки или прядения. Как блок цилиндров, так и головка цилиндров двигателя требуют хорошей теплопроводности и коррозионной стойкости, что является преимуществом алюминиевого сплава. В настоящее время в большом количестве отечественных и зарубежных автомобилей используются алюминиевые блоки цилиндров и головки блока цилиндров, однако в некоторых местах, где требуется высокая прочность и высокая стойкость, до сих пор применяется чугун. В последние годы разработка новых сплавов Al-Si-Cu-Mg-Fe и разработка соответствующих технологий литья позволили отливкам из алюминиевых сплавов достичь более высоких характеристик, что еще больше способствовало применению алюминиевых сплавов в компонентах двигателей, включая дизельные двигатели. Методы литья головок цилиндров также разнообразны, например гравитационное литье и литье под низким давлением. Кроме того, литые алюминиевые сплавы широко используются в конструкционных деталях, таких как кронштейны амортизаторов, аккумуляторные батареи электромобилей и конструкционные шкафы. Поскольку эти компоненты в основном представляют собой тонкостенные элементы сложной формы, их часто изготавливают методом литья под высоким давлением с использованием сплава Al-Si.

По сравнению с литыми алюминиевыми сплавами средняя доля применения деформированных алюминиевых сплавов в автомобилях все еще невелика. Согласно исследованию Ducker Worldwide, деформированные алюминиевые сплавы составляли всего 34% автомобильных алюминиевых сплавов в 2016 году (18% для листового проката, 11% для экструдированных профилей и 5% для поковок). Однако в некоторых моделях высокого класса, в которых используется цельноалюминиевый корпус, доля деформированного алюминия намного выше, чем доля литого алюминия. В настоящее время промышленность вложила значительные средства в исследования, разработки и технологии применения деформированных алюминиевых сплавов, включая технологию изготовления полностью алюминиевых корпусов, и их доля быстро увеличивается. Ducker Worldwide прогнозирует, что из-за быстрого развития технологии кузовов из алюминиевых сплавов применение деформированных алюминиевых сплавов (особенно катаных листов) в автомобилях приведет к быстрому росту (как показано на рисунке 1).

Автомобильный деформированный алюминиевый сплав в основном включает серию 5xxx (тип Al-Mg), тип 6xxx (тип Al-Mg-Si) и небольшое количество серий 2xxx (тип Al-Cg) и тип 7xxx (тип Al-Zn-Si). типа мг). Среди них сплав серии 5ххх не подвергается термической обработке и упрочнению, а его способность к формованию превосходна. Однако после формования предел текучести увеличивается, а поверхность сморщивается, что влияет на качество внешнего вида продукта, и поэтому в основном используется для сложной формы, такой как внутренняя панель. Сплав серии 6ххх может подвергаться термообработке и упрочнению твердым раствором Mg и Si и выделением старением фазы Mg2Si. Прочность после нанесения покрытия и сушки повышается, а устойчивость к вмятинам становится высокой, что соответствует требованиям внешней панели и каркаса кузова. Прочность, жесткость. Помимо катаного листа, экструдированные профили также являются важными автомобильными деформированными алюминиевыми сплавами, обычно подходящими для конструктивных частей одинакового сечения, таких как бампер, энергопоглощающая коробка, передняя часть передней продольной балки, порог, задняя часть задней продольной балки. Среднепрочный 6ххх является основным материалом для экструдированных профилей благодаря высокой скорости экструзии и качеству поверхности, а также свойствам старения при экструзии. Высокопрочные алюминиевые сплавы 7ххх также используются для производства экструдированных профилей, где требуется высокая прочность. При этом для повышения ударной вязкости профили профилей в основном бывают ?устьевыми?, ?дневными? и ?сетчатыми?.

Рис. 5. Энергопоглощающая коробка типа ?День? для прессованных профилей (до столкновения слева и после столкновения справа)

Алюминиевые сплавы играют важную роль в легком весе автомобилей, но они также сталкиваются с серьезными проблемами. На самом деле облегчение — это не только снижение веса, но и балансирование производительности, безопасности, стоимости и веса автомобиля. В настоящее время сопротивление сердечника автомобильных алюминиевых сплавов по-прежнему остается высокой стоимостью, что делает применение полностью алюминиевого корпуса ограниченным только моделями высокого класса и временно не может быть расширено до большого количества экономичных моделей. Ограничение производительности алюминиевых сплавов также является важным фактором, ограничивающим его развитие. В некоторых деталях он все же не может заменить сталь. В то же время технология соединения алюминиевых сплавов, особенно технология соединения нескольких материалов чугун-алюминий, сталь-алюминий, магний-алюминий и т. д., также является основным фактором применения алюминиевых сплавов в автомобилях. Новый Audi A8 D5 ?отказался? от цельноалюминиевого кузова, который использовался более 20 лет, и применил высокопрочную сталь со значительным весом. За счет этого модель D5 набрала на 51 кг больше, чем предыдущая модель, но жесткость кузова на кручение увеличилась на 24%, значительно повысилась безопасность, а стоимость значительно снизилась.

В рамках Шестой рамочной программы ЕС организовал в 2004-2009 годах 38 подразделений в девяти странах и регионах для реализации совместного проекта исследований и разработок сверхлегких кузовов (SuperLight-Car). Опыт этого проекта показывает, что дальнейшее развитие автомобильных алюминиевых сплавов должно быть направлено на разработку новых высокоэффективных сплавов и новых технологий производства. Исследования и разработки также должны интегрировать ресурсы. Автопроизводители возьмут на себя ведущую роль в сотрудничестве с поставщиками сырья, запчастей и соответствующими научно-исследовательскими учреждениями для совместного изучения передовых технологий производства легких автомобилей и содействия созданию производственной цепочки легких автомобилей.

Основные справочные материалы:

1. Хирш, Дж. (2014). Последние разработки в области алюминия для автомобильной промышленности. Труды Общества цветных металлов Китая, 24 (7), 1995–2002 гг.

2. Хирш, Дж. (2011). Алюминий в инновационном облегченном дизайне автомобиля. Сделки с материалами, 52(5), 818-824.

3. Лахай К., Хирш Дж., Бассан Д., Крики Б., Сар С., Гёде М. и Фольксваген А.Г. (2008). Вклад алюминия в многокомпонентную облегченную конструкцию сверхлегкого автомобиля BIW [C]. В HIRSCH J, SKROTZKI B, GOTTSTEIN G. Материалы 11-й Международной конференции по алюминиевым сплавам. Вайнхайм: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA (стр. 2363-2373).

4. Содержание алюминия в автомобилях. Дакер по всему миру, https://www.ducker.com/

5. Алюминий в автомобилях, раскрывающий потенциал легкости. Европейская алюминиевая ассоциация, https://www.european-aluminium.eu/

6. Гёде, М., Стелин, М., Раффленбойль, Л., Копп, Г., и Би, Э. (2009). Super Light Car — легкая конструкция благодаря дизайну из нескольких материалов и функциональной интеграции, European Transport Research Review, 1: 5-10.

7.2016 Информация о Европейской конференции кузовов (EuroCarBody).