В начало Написать нам Карта сайта | RSS
Уральский рынок металлов


Предлагаем Вам разместить информацию в бегущую строку - 1000 рублей в месяц - за каждые 10 слов | Ежедневно посетители сайта смогут видеть информацию о Вашем предприятии. | Минимальные затраты - максимальный результат!!!
Новости Журнал О компании Статьи Аналитика Тендеры Рекламодателям Подписчикам Форумы Бизнес-навигатор Карта сайта Мероприятия Вопросы-ответы
В начало // Журнал / Все номера / УРМ №2 (февраль 2003) / Цветные металлы в автомобилестроении
← оглавление номера

Цветные металлы:

Цветные металлы в автомобилестроении

Даниил Вышегородский 

 

Мировое производство автомобилей составляетоколо 55 млн. шт. в год. Автомобильный рынок характеризуется высоким уровнем конкуренции. Поэтому производители, стараясь удовлетворить растущие потребности покупателей и соблюсти экологические требования, постоянно совершенствуют существующие и разрабатывают новые модели машин. Такое динамическое развитие отрасли влияет на положение поставщиков материалов для производства автомобилей, в том числе и на продуцентов таких цветных металлов, как алюминий, медь, магний и титан.

В настоящее время одной из главных задач, стоящих перед автомобилестроителями, является снижение массы автомобиля, что позволяет уменьшить расход топлива и сократить объем выхлопных газов. За последние двадцать лет среднестатистический легковой автомобиль стал на 150 кг тяжелее, что объясняется как увеличением габаритов автомашин, так и повышением их безопасности и комфорта. В большинстве стран ужесточают налоги на пользование автомобилями, стремясь сократить содержание вредных веществ в отработанных газах. Перспективные европейские требования 2005 г. ограничивают выбросы CO2 уровнем 150 г/км, что может быть достигнуто при массе автомобиля с бензиновым двигателем не более 1000 кг. Однако при снижении массы автомобиля необходимо учитывать не только нормы по эмиссии углекислого газа или расходу топлива, но и требования безопасности, защиты окружающей среды (токсичные выбросы, уровень внешнего шума), долговечности (защита от коррозии, интервалы техобслуживания), комфорта и прочие. Таким образом, законодательные и потребительские требования по снижению расхода топлива и токсичных выбросов являются главными причинами того, что уменьшение снаряженной массы автомобиля становится одним из важных и решающих критериев оценки совершенства его конструкции. Существенные резервы снижения веса автомобиля заключаются в использовании новых материалов, в частности алюминия.

Алюминий

Алюминиевые детали имеют практически такие же характеристики, как и стальные, но весят на 60% меньше. При ударе алюминий поглощает на 50% больше энергии, чем сталь. Алюминиевые панели не требуют антикоррозионной обработки и могут штамповаться на том же оборудовании, что и стальные, хотя большая упругая отдача алюминия при штамповке требует более внимательного отношения к проектированию штампов.

Около 20% потребляемого в мире алюминия используется в автомобилестроении. В табл. 1 приведена региональная структура его потребления в этой отрасли. Как показано в табл. 2, алюминий применяется для изготовления многих деталей конструкции автомобиля. В среднем, североамериканская машина содержит 116 кг этого металла, японская и южнокорейская - 93 кг, западноевропейская - 90 кг.

Таблица 1 Потребление алюминия в мировом автомобилестроении

Регион

2000 г., млн. т

2010 г., млн. т (прогноз)

Северная Америка

2,3

3,1

Западная Европа

1,8

2,5

Япония и Южная Корея

1,1

1,4

Восточная Европа, Индия, Китай, Россия, ЮАР

0,6

1,0

Всего

5,8

8,0

Таблица 2 Содержание алюминия в автомобильных комплектующих промышленно развитых регионов, кг/автомобиль

Комплектующие

Северная Америка

Япония и Южная Корея

Западная Европа

Двигатель

40,0

36,5

35,2

Трансмиссия и карданная передача

26,5

20,6

15,5

Диски

18,0

15,5

11,4

Теплообменники

14,5

12,0

10,5

Шасси и подвеска

3,0

0,4

4,4

Рулевое управление

2,8

2,5

2,7

Кузов

2,2

0,5

2,9

Прочее

9,0

5,0

7,4

Всего

116,0

93,0

90,0

 Наиболее перспективными сферами использования алюминия являются изготовление двигателей, дисков, кузова, а также шасси и подвески. В табл. 3 приведены фактические и прогнозируемые данные по применению металла в этих комплектующих.

Таблица 3 Использование алюминия в производстве автомобильных комплектующих

Комплектующие

2000 г., кг/автомобиль

2010 г., кг/автомобиль

Прирост 2010 к 2000, %

Двигатель

37,2

47,3

27

Диски

15,0

20,0

33

Шасси и подвеска

2,6

6,3

142

Кузов

1,9

6,7

250

Увеличение объемов использования алюминия, вместо стали, в конструкции автомашин ведет как к снижению расхода топлива, так и уменьшению выбросов диоксида углерода в цепочке «производство-эксплуатация автомобиля», что показано в табл. 4.

Таблица 4 - Влияние применения алюминия на выбросы диоксида углерода при производстве и эксплуатации автомобилей

Параметры

Типичный американский автомобиль

Автомобиль с максимальным использованием алюминия

Количество алюминия, кг

113

340

Выбросы CO2 при производстве алюминиевых деталей, начиная от получения первичного алюминия, кг

811

3946

Уменьшение выбросов CO2 из-за снижения потребления железа/стали, кг

407

1162

Экономия топлива (пробег 193,1 тыс. км), л

1004

2713

Уменьшение выбросов CO2 из-за экономии топлива, кг

2861

7733

Общее уменьшение выбросов CO2, кг

2457

4949

Главная причина ограниченного применения алюминия - его высокая стоимость по сравнению со сталью. На рис. 1 показана структура себестоимости кузова автомобиля при использовании различных материалов.

Рисунок 1 - Структура себестоимости изготовления кузова автомобиля

Для изготовления алюминиевых деталей используются следующие технологии: литье, ковка, листовая штамповка, экструзия, порошковая металлургия и сверхпластичное формование.

Более 80% алюминия, применяемого в автостроении, получают методом литья. Эта доля будет снижаться вследствие роста применения алюминиевых листов и полос. Методом алюминиевого литья изготавливают коллекторы, насосы, детали трансмиссии и подвески, диски колес и подрамники. Перспективные диски колес сочетают центральную часть, полученную литьем, с периферийной частью обода, изготовленной с помощью листовой штамповки.

Ковка придает алюминиевым сплавам лучшие механические свойства, чем литье. Она позволяет варьировать характеристики сплава в определенном диапазоне. Кованые детали редко встречаются в конструкции автомобилей массового производства. В среднем лишь 1,3% алюминиевых деталей, применяемых в автомобилях, являются коваными. При выпуске моделей Porsche 928, Chevrolet Corvette, Honda NSX и Mercedes S-class применяют кованый алюминиевый сплав в подрамнике и деталях подвески. Кованые диски колес обладают значительно меньшей массой по сравнению с литыми дисками, при этом имеют ту же прочность.

Прокатанные полосы и листы составляют приблизительно 25% от веса всех алюминиевых деталей, применяемых в автомобиле. Из прокатанного алюминиевого листа штампуются панели кузова, небольшие решетки, профили и т.п. Одно из самых важных новшеств последних лет - использование алюминиевого листа при изготовлении каркаса кузова. Модель Audi А8, выпускаемая с 1994 г., является хорошим примером серийного автомобиля с полностью алюминиевым каркасным кузовом. Полностью алюминиевые кузова также применяются в таких моделях, как Honda NSX, Jaguar XJ220, Ferrari 512GT, Plymouth Prowler. Модель Audi A2, впервые представленная в 1999 г., является вторым после Audi A8 автомобилем фирмы с полностью алюминиевым кузовом. Использование технологии ASF (Audi Space Frame - пространственный каркас) дало ощутимый выигрыш в массе, поскольку алюминиевый кузов стал на 43% легче аналогичного стального. В результате снаряженная масса A2 не превышает 900 кг. Компании Ferrari и Aston Martin применяют алюминиевый сплав для всех наружных панелей кузова. Фирмы Toyota, Ford US и Porschе используют алюминий для изготовления дверей, капота, крыши и крышки багажника. Компания Ford US изготовляет больше алюминиевых панелей, чем любой другой из автостроителей. Годовой объем продаж автомобилей с алюминиевыми панелями кузова в США составляет ,5 млн. Алюминиевые несущие кузова хорошо зарекомендовали себя в программе AIV (aluminum intensive vehicle) компании Ford. Они также применяются в электромобилях EV1 корпорации GM.

Алюминий, полученный экструзией, используется для усилителей бамперов, защитных брусьев в боковых дверях, каркасов сидений, рамок окон, аэродинамического спойлера, маслопровода, гидравлического трубопровода и впускного коллектора. Новозеландская компания Power Beat International разработала технологию изготовления деталей двигателя внутреннего сгорания методом экструзии, а не литья алюминия, как это обычно делается, что обеспечило конструкционное превосходство двигателя, а также существенное сокращение издержек его производства и установки. Методом экструзии алюминия можно добиться точности размеров до 0,05 мм. В качестве материала используется алюминиевый сплав с повышенной пластичностью. Двигатель, полученный новым способом, обладает меньшей массой, большей прочностью и работает с меньшим шумом, чем двигатели, изготовленные по традиционной технологии. Еще одним преимуществом нового метода является возможность получения из одних выдавленных профилей двигателей с различным ходом поршня и числом цилиндров. Кроме того, новая конструкция позволяет создавать в выдавленных профилях отверстия для болтов, воды и масла и тем самым сократить объем механической обработки. Облегчается и техобслуживание двигателя, так как можно заменить один цилиндр или часть картера вместо замены целого блока. Новый двигатель получил название Alux и первоначально предназначался для промышленных насосов, генераторов и морских судов, однако в будущем такие двигатели могут найти применение в автомобилях и малогабаритном оборудовании.

Массовое производство алюминиевых деталей, изготовленной методами порошковой металлургии, ведется пока только в Японии, но интерес к этим методам проявляют и в Европе. По этой технологии изготавливаются винты для компрессора воздушного кондиционера, поршни, блоки цилиндров, крыльчатка компрессора турбопреобразователя.

Сверхпластичные алюминиевые сплавы способны значительно удлиняться без разрыва материала при воздействии высокой температуры. Детали сложной формы можно получить из плоского листа с использованием технологии воздушного прессования, растягивающего лист в материнскую пресс-форму штампа (матрицу) или посредством подвижного штампа (пуансона). Детали с рельефной поверхностью, различными ребрами, буртиками, выпуклостями, выемками и отверстиями могут изготавливаться цельными. На спортивных моделях Morgan (Великобритания) применяются сверхпластичные прессованные алюминиевые крылья, выпускаемые фирмой Superform Aluminium. Эта технология также используется для кузовных панелей некоторых автомобилей в США и Европе при изготовлении небольших деталей, например, усилителей заднего крыла.

Мелкие детали могут изготавливаться отдельно, а потом присоединяться к основным узлам. Фирмы Ford и Showa Aluminium производят алюминиевый впускной коллектор для 1,9-литрового 4-цилиндрового двигателя, который обеспечивает снижение массы на 50% и повышение мощности двигателя на 5%. Алюминиевое литье позволяет выполнить коллектор с приливами на входном отверстии и корпусе дроссельной заслонки. Тонкостенный алюминиевый сплав 6063, полученный ковкой и гидравлическим формованием, применяется для корпуса накопительной камеры повышенного давления (перед дроссельной заслонкой). Впускные трубопроводы изготавливают из экструдированных профилей (6063 сплав), придают им нужную форму гибкой и твердость с помощью камеры высокого давления и выполнения приливов.

Несмотря на возрастание доли алюминия в автомобилях, высокая цена ограничивает его широкое использование, особенно в кузовостроении. Если получат дальнейшее развитие электромобили, то снижение массы с применением алюминиевых сплавов будет компенсировать высокую стоимость их производства.

Медь

Медь в автомобилестроении используется для изготовления проводов и теплообменного оборудования. Мировой рынок проводов для автомобилей превышает один миллион тонн по содержанию меди. Три четверти его приходится на изолированные провода для автомобильной проводки, оставшаяся часть применяется для обмоточных проводов. С 1990 г. по 1999 г. мировой рынок автомобильных проводов вырос примерно на 64%. В табл. 5 показан объем выпуска автомобильных проводов в мире. Среднее удельное содержание проводов в автомобиле увеличилось с 11,9 кг в 1990 г. до 17,0 кг в 1999 г. Рост сегмента изолированных проводов отражает увеличение потребности в сложных системах проводки автомобилей с целью повышения уровня комфорта, безопасности, расширения сервисных возможностей автомобиля (например, внедрение телекоммуникационных и мультимедийных систем). Для обеспечения указанных возможностей в настоящее время применяются микродвигатели, что приводит к увеличению использования обмоточных проводов. Среднее число микродвигателей в легковых автомобилях увеличилось с 40 шт. в 1995 г. до 60 шт. в 2000 г.

Таблица 5 - Потребление проводов в мировом автомобилестроении, 1999 г.

Регион

Объем потребляемых проводов, тыс. т меди

Удельный расход проводов, кг меди/автомобиль

США

274

21,6

Остальные страны Америки

84

14,0

Япония

176

17,8

Остальные страны Азии

90

13,6

Западная Европа

284

16,3

Восточная Европа и СНГ

31

11,2

Всего

939

17,0

Производство автопроводки и микродвигателей формирует крупный промышленный сегмент в автомобильной промышленности. На рис. 2 указаны основные производители систем автомобильной проводки в мире. Крупнейшими производителями автопроводки являются компании Delphi и Yazaki, первоначально входившие в систему автомобильной промышленности, а затем ставшие преимущественно кабельными фирмами. Объем мировых продаж автопроводки в 1999 г. составил немногим более млрд., из которых на собственно автопровода приходится 25%, на соединители и другие компоненты - 35%, на сборку автопроводки - 40%. Таким образом, трудозатраты в этой области бизнеса, в которой работает до 400 тыс. человек, составляют самую значительную часть.

Рисунок 2 - Производители автомобильных систем проводки

Рост объемов электрических и электронных компонентов в автомобилях приводит к возникновению проблем, связанных с увеличением потребления электричества и использованием генераторов с ременным приводом. Электрическая мощность автомобиля возрастает ежегодно примерно на 4%, и в настоящее время составляет около 2-3 кВт. Стандартный генератор с ременным приводом имеет целый ряд недостатков, например, чрезмерный нагрев, потеря энергии и шум. Эти генераторы непрерывно совершенствуются, но в будущем, скорее всего, будут применяться генераторы с системой электромагнитных клапанов. Система электромагнитных клапанов и другие современные электронные системы автомобиля требуют для своего питания более высокое напряжение, чем стандартные 12 В. Сейчас распространяется использование новых стандартов напряжения в 14/42 В и 42 В. При таких величинах возникают перспективы применения интегрированных электрических и электронных систем. Влияние этих технических новшеств на объемы производства кабельной продукции должно быть позитивным. Переход на более высокое напряжение и расширение применения электрических и электронных сложных систем приводит к увеличению числа микроэлектродвигателей, а следовательно, объемов применения обмоточных проводов и, в меньшей степени, автопроводов.

Однако поскольку автомобилестроители активно работают над усовершенствованием конструкции автомобиля с целью снижения его стоимости, веса и степени сложности, то новые интегрированные системы могут содержать на 30-40% меньше кабельной продукции. Следовательно, будут повышаться требования к качеству медной проволоки и увеличиваться потребление, в первую очередь микропроводов.

С целью уменьшения массы автомобиля в последнее время вместо традиционных медно-латунных радиаторов стали использовать алюминиевые. Например, если в 1990 г. 73% радиаторов в мире было изготовлено из меди и латуни, то в 1995 г. лишь 66%. Алюминий захватил весь прирост потребления радиаторных материалов, связанный с увеличением выпуска автомобилей. Недостатками медно-латунных радиаторов являются их большая масса и стоимость, по сравнению с алюминиевыми. Однако медь обладает лучшими механическими и эксплуатационными характеристиками. К числу преимуществ меди относятся более высокие теплопроводность, коррозионная стойкость и механические свойства, меньшие коэффициент термического расширения, а также стоимость производства трубок. Эти преимущества были использованы при разработке технологии производства радиаторов CuproBraze. В табл. 6 приведена сравнительная характеристика этих и алюминиевых радиаторов. Стоимость радиаторов CuproBraze на 5-10% ниже стоимости алюминиевых радиаторов, а срок их службы больше.

Таблица 6 - Сопоставление радиаторов «CuproBraze» и алюминиевых радиаторов

Параметры

Алюминиевый радиатор

Радиатор «CuproBraze»

Толщина стенок трубок, мм

0,381

0,102

Толщина ребер, мм

0,114

0,038

Длина трубок, мм

550

505

Ширина сердцевины радиатора, мм

432

395

Сухой вес сердцевины, кг

1,67

1,56

Мокрый вес сердцевины, кг

2,04

1,89

Давление охладителя, кПа

4,75

4,75

Напор воздуха, кПа

0,307

0,307

Охлаждающая мощность, БТУ/час

168000

168000

 Магний

Магний является привлекательным материалом для автостроителей благодаря своей легкости: удельный вес составляет 1,7 г/см3 (у алюминия - 2,7 г/см3), при этом детали из магниевого сплава имеют большую, чем алюминий, пространственную стабильность. Также магний лучше поглощает вибрацию, чем алюминий или сталь. Магний легко утилизируется. Даже если магниевые и стальные детали не отделены друг от друга, то присутствие магния не затрудняет утилизации стали. Это не относится к алюминию, который может быть причиной повышения хрупкости материала. Удельное потребление магния в американских легковых машинах составляет 1,5 кг, в европейских - 0,6 кг, в японских - 0,3 кг.

Магний уже много лет используется в автомобилях. Важным достижением в последние годы можно считать разработку коррозионостойких (AZ91D и AZ91E) и высокопластичных сплавов (AM20 и AM50). Эти сплавы, полученные новым способом литья под давлением, значительно улучшают качество деталей и упрощают технологию изготовления.

Автостроители применяют магний в различных количествах. В 1996 г. компания Ford использовала 14000 т магниевых деталей, Chrysler - 6100 т, GM - 5600 т, Toyota - 3000 т, Mercedes - 2000 т, VW/Audi - 900 т.

Основными деталями, изготовляемыми из магния, являются каркас панели приборов, каркас сидений, детали рулевой колонки, крышка головки блока цилиндров, картер коробки передач и впускной коллектор.

Фирма Audi впервые применила магний для каркасов панелей приборов в конце 80-х годов. Компания разработала легкую конструкцию каркаса, на которой крепятся спидометр, радио и перчаточный ящик. Было получено значительное снижение массы по сравнению со стальной конструкцией, а также уменьшение количества деталей.

Mercedes впервые использовал магний для каркаса сиденья, механизма крепления ремней безопасности на родстере SEL, применяя литье под давлением пластичных сплавов АМ. Обычная конструкция сиденья весит 8-9 кг. В настоящее время разрабатывается конструкция, состоящая из цельного каркаса подушки и спинки сиденья, которые вместе весят 2-2,5 кг. Другой техпроцесс, применяемый для изготовления сидений, - штамповка. Многие фирмы изучают возможность применения штамповки магниевых сплавов для изготовления салазок сидений, рамок и деталей спинки. Последние разработки обеспечили снижение массы на 40% по сравнению со стальной конструкцией сидений.

В рулевых колонках дополнительная масса, обусловленная применением подушек безопасности, изменила характеристики управляемости и поворачиваемости автомобиля, поэтому потребовалось использовать более легкие материалы, чем цинк, сталь или сочетание алюминия и стали. Фирмы Toyota и Tokai Rika первые начали использовать магниевое литье под давлением для рулевых колонок, механизмов регулировки и других деталей рулевого управления.

При изготовлении крышек головок блока цилиндров такие фирмы, как GM, Ford, BMW, Mercedes, Honda, Isuzu и Daihatsu, применяли магний с целью снижения массы, уменьшения утечки масла, снижения NVH (шум, вибрации, удары), улучшения качества отделки и стабильности размеров.

Компания GM начала широко применять магний в начале 90-х годов для впускного коллектора. В настоящее время фирма Mercedes использует магний для изготовления сборочных впускных коллекторов. Магниевые детали применяют в топливных системах, так как магний легче алюминия и требует меньше механической обработки, потому что имеет лучшие литьевые характеристики.

Титан

Титан является для автостроителей привлекательным материалом благодаря сочетанию прочности и относительной легкости. Он обеспечивает такую же прочность, как сталь, при меньшей на 50% массе. Он также обладает хорошей коррозионостойкостью. Однако титан является дорогим материалом.

Титан успешно применяется при изготовлении следующих деталей автомобиля: клапаны и шатуны двигателя, нажимные диски, картер сцепления, пружины подвески, выхлопные трубы, рулевые тяги, рычаги подвески, колеса, различные крепежные элементы, коррозийно-стойкие и энергопоглощающие элементы каркаса кузова, боковые зеркала.

Титановые пружины подвески применяются уже несколько лет. Главная проблема внедрения титана в массовое производство - его высокая стоимость. В связи с этим недавно были разработаны более дешевые в производстве ферромолибденовые сплавы, которые по своим характеристикам почти ничем не уступают традиционно применяемым бета-сплавам. Ферромолибденовые сплавы дают возможность снизить массу деталей примерно на 70% по сравнению со сталью.

Клапанный механизм двигателя представляет собой перспективную область применения титана в массовом производстве. Титановые пружины меньше по массе и размерам, чем стальные пружины с такими же характеристиками. Использование титановых клапанов и пружин позволяет снизить инерционные нагрузки, действующие на пружины, уменьшая потери на трение в клапанном механизме (которые составляют приблизительно 20-25% от общего трения в двигателе), что существенно повышает КПД двигателя, снижает шум и расход топлива.

Использование титана в гоночных автомобилях дает много преимуществ, среди которых снижение массы деталей, совершающих возвратно-поступательное движение; повышение оборотов двигателя; уменьшение нагрузки на коленвал и снижение бокового давления на поршень. Титановые шатуны, применяемые в двигателях спортивных автомобилей Honda NSX V6, обеспечивают повышение оборотов на 700 об./мин по сравнению со стальными шатунами и снижают на 30% массу деталей.

Детали из формозапоминающих титаново-никелевых (Ni/Ti) сплавов могут менять форму при механическом воздействии и принимать свою первоначальную форму при нагревании. В японской автомобильной промышленности половина титановых деталей изготавливается из формозапоминающих сплавов. Фирма Kanto Special Steel (Япония) разработала карбюратор с использованием никель-титановых сплавов. Воздушная заслонка меняет форму в зависимости от изменений температуры.

Таким образом, алюминий и медь широко используются автомобильной промышленностью, и существуют благоприятные перспективы их дальнейшего потребления этой отраслью. Магний и титан, обладающие уникальными техническими свойствами, тоже в дальнейшем будут использоваться в производстве автомобилей, хотя и не в таких масштабах, как медь и, особенно, алюминий.

Журнал

   
Ваше имя:  
Пароль:     
  запомнить меня
  Регистрация  Забыли пароль?

Бизнес-навигатор

   Меткомплекс
   Наука и образование
   Органы власти
   Отраслевые союзы
   Смежные отрасли


Атомстрой комплекс
ЛитМаш
ЗаводЭкоТехнологий
 
Отраслевая наука 


 
        ООО «УралИнфо»
   Телефон/факс: (343) 350 71 71
   г.Екатеринбург, ул.Мамина-Сибиряка, 58, офис 601        
            urm@urm.ru
пїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅ пїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅ
«РЎСѓРјРјР° технологий» «Сумма технологий»
продвижение сайта