Появление новых сплавов на рынке практически не повлияло на баланс, установившийся в 80–х годах XX века. Сегодня на сталь и чугун приходится до 95% мирового потребления, при этом объемы потребления «незаменимой пары» уже превысили ежегодную отметку в 1 миллиард тонн. Для сравнения: суммарное количество алюминия, произведенное за всё время, пока не дотягивает даже до годового объёма производства чугуна.
Несмотря на совершенствование композитов и облегчённых сплавов, не содержащих железа, в серийном автомобилестроении сталь продолжает оставаться главным материалом, применяемым в производстве кузовов, трансмиссии, подвески, шасси. Такое упорство производителей объясняется просто — чёрный металл тоже не стоит на месте, прогрессируя из года в год.
Доверие к гению Илона Маска не знает границ. Предзаказы на новый пикап к весне 2020 года превысили полмиллиона, причём каждый потенциальный владелец в подтверждение готовности купить Cybertruck перевёл 100$ на счёт Tesla Motors.
Главная идея — обеспечить максимально возможный уровень защиты — нашла отражение в материалах. Корпус авто выполнен из новой нержавеющей холоднокатаной стали 30X, заявленной как «сверхтвёрдая». Сплав прошёл обкатку, но не на дорогах, а в космосе, став частью сверхтяжёлой ракеты–носителя Starship. Для уникальной «нержавейки» глава концерна SpaceX проложил путь аж на Марс, будучи абсолютно уверенным, что его сталь выдержит испытание.
В середине лета 2020 появились сообщения об использовании сплава 304L в кузовах Cybertruck. Прочностные свойства нового материала позволяют ему хорошо сопротивляться не только ударам, но и прямым попаданиям из девятимиллиметрового оружия.
Футуристический дизайн прототипа не отсылает к его невероятным возможностям — угловатая машина мало похожа на автомобили современного кино и не всем пришлась по душе. Плоская форма родилась в производственных условиях. Сталь 30X не поддаётся сложной штамповке — сверхтвёрдый сплав просто нечем обрабатывать, он ломает штамповочный пресс. С цветом также возникла заминка — новаторская «нержавейка» не окрашивается. Обсуждение проблем из лаборатории переместилось в интернет, где один из почитателей Tesla вспомнил, что стали меняют оттенок при нагревании и на ней появляются цвета побежалости. Твитнув лаконичное «Yes», руководитель проекта подал надежду, что пикап поступит в продажу всё–таки цветным.
Илон Маск умудряется производить не просто нишевые продукты, он бросает вызов автопроизводителям, которым точно не нужен вечный автомобиль. Сегодня каждая машина «съедает» до 900 кг стали. Металл распределяется приблизительно следующим образом:
Углеродистая сталь, конечно, выполняет функции, но со временем ржавеет, не давая конвейерам простаивать. Пикап Илона Маска, по всей видимости, не будет участвовать в этом круговороте.
Конструкторские бюро ведущих автопроизводителей сомневаются, что подвеску ждут принципиальные изменения. Сегодня мы используем те же принципы, что и 30 лет назад. По–настоящему меняются только материалы, и именно по этому пути пойдёт прогресс (если, конечно, не будет найдено какое-то революционное новшество, способное повлиять на порядок вещей в поточном производстве).
От подвески требуется выдерживать удары при движении по дорожному полотну, сопротивляться агрессивной среде, сохранять усталостные параметры. Сегодня тренд на авто с тяжёлыми батареями добавил очередное условие — снижение общей массы. Прочность, лёгкость и экономичность специалисты ассоциируют с новыми сталями, большинство из которых характеризуются не только необходимой прочностью, но и пластичностью, что ценно для производства. Дополнительный плюс — оптимизированная кристаллическая структура снижает усталостные деформации.
Новые стали по прочности на разрыв обогнали высокопрочные алюминиевые материалы более чем в 4 раза, сохранив меньшую стоимость. Сегодня доступные марки обеспечивают временное сопротивление до 2000 МПа, и гонка за показателями продолжается. Концерн Nissan уже заявил, что будет использовать новаторский сплав, разработанный совместно с Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation. Его доля достигнет 25% в каждом автомобиле. Прочность на разрыв составляет 980 МПа, при этом материал имеет недостижимую прежде пластичность. Это позволит компании изготавливать детали и узлы более сложной формы.
Металлургический гигант Tata Group представил собственный образец горячекатаной стали XPF800, благодаря которой вес авто удастся уменьшить на 15% без потери в прочности элементов. Марку отличает способность сопротивляться технологическим деформациям. Это открывает новые перспективы для конструкторов, которые могут поработать с подвеской, добавив жёсткости и снизив вес.
Главная задача, стоящая перед конструкторами силовых агрегатов на протяжении всей истории автомобилестроения, по–прежнему актуальна: увеличить мощность и снизить вес. Одновременно требуется не упустить из виду условие конвейерного производства — избавиться от избыточной прочности, то есть случайно не выдать потребителю «вечный мотор».
Двигатели относятся к самой консервативной сфере производства автомобилей, с осторожностью относящегося к новым технологиям и материалам. Тем не менее и сюда просочились инновации. Первый удар прогресса приняли гильзы цилиндров. От деталей добиваются повышенной прочности путём создания новых материалов. Технология Compacted Graphite Iron (CGI) разрабатывалась в ответ на запрос о повышенном уровне форсирования для дизельных моторов. Обновлённый чугун с т.н. «вермикулярным» шаровидным графитом превзошёл показатели обычного серого чугуна:
Применение технологии CGI позволило создавать монолитные блоки облегченного веса (некоторые изделия из инновационного чугуна оказались легче аналогов из алюминиевых сплавов). Материал используется в производстве не только гильз, но и коленвалов. Чугунно–графитовые детали не уступают кованым стальным, при этом их себестоимость ощутимо ниже.
Традиционными сплавами для производства деталей автомобиля считаются низкоуглеродистые марки, основной структурной составляющих которых является пластичный феррит. К таким сталям, например, относятся горячекатаные DD13-DD14 по европейскому стандарту EN 10111, холоднокатаные DC05-DC07 по EN 10130, а наиболее известная отечественная марка - 08Ю. Предел прочности таких материалов не превышает скромные 365 Мпа, поэтому их в автомобилестроении относят к группе так называемых «мягких сталей» (от английского mild steel).
Новое направление, взявшее курс на внедрение высокопрочных марок, позволяет не только усилить детали, но и снизить вес авто. Только за последние 10 лет кузова популярных семейных седанов «похудели» на 14% за счёт внедрения новых материалов, при этом доля использования высокопрочных стальных сплавов увеличилась в 3 раза.
Возросшие требования к штампуемости металлических материалов не дают производителем авто свернуть с выбранного пути. Доля высокопрочных, двух– и многофазных, TRIP– и IT–сталей с инновационными покрытиями неуклонно увеличивается. Выпуск сверхнизкоуглеродистых сталей (IF) с легированием титаном и ниобием в разы улучшает показатели штампуемости, а это значит, что в ближайшем будущем нас ждут прототипы с уникальными формами кузовов и обновлённой компоновкой. В рамках проекта «Сверхлёгкий стальной автомобильный кузов — передовые транспортные концепции» было представлено 267 образцов высокопрочных сплавов группы Advanced High Strength Steel (AHSS). В международном проекте задействованы все мировые металлургические компании.
Одну из инициатив развил немецкий концерн Thyssen Кгuрр Stahl, предложивший новые технологии производства кузовов. Ставилась цель доказать, что обновлённые материалы способны уменьшить вес без потери в эксплуатационных характеристиках. Для сравнения взяли популярный Opel Zafira. Конфигурация нового кузова, оказавшегося на 24% легче образца, позволила успешно разместить двигатель и все рабочие узлы модели. Снижения веса практически на четверть удалось добиться за счёт следующих новаций:
В новом кузове 46% деталей созданы из трубчатых конструкций (стойки и боковины выполнены методом гидроформования). Кузовные панели (45%) изготовлены методом штамповки, 69% соединительных швов произведены лазерной сваркой, на долю точечной пришлось 14%. Применение высокопрочных стальных сплавов достигло 84%, из них 72% составили многофазные и 14% микролегированные. Использование новейшего цинк–магниевого покрытия улучшило показатели коррозионной стойкости, одновременно облегчив свариваемость образцов.
Известно, что у высокопрочных сталей снижается показатель штампуемости, что делает их непригодными для производства сложных форм. Новые сплавы избавлены от этого недостатка. Двух– и многофазные системы повышают порог прочности, но не теряют пластичности. Системы работают на синергии используемых компонентов: мягкая основа отвечает за формуемость, твёрдая фаза обеспечивает прочность и сопротивляемость нагрузкам.
Применение сталей с TRIP–эффектом позволило задействовать механизм наращивания прочности конструкции без ухудшения показателей штампуемости. В Японии были представлены образцы с показателем предела прочности до 822 МПа. Значения удалось достичь за счёт внедрения в состав добавок молибдена и ниобия. В стране Восходящего Солнца активно развивается исследование и производство IT–сталей, способных к глубокой вытяжке. Свойства сплавов идеальны для производства кузовов и сложных деталей, что позволило увеличить объёмы производства до 7 млн тонн в год.
В Европе тема стальных инноваций также не оставлена без внимания. Примером может служить новый Рогсhе Сауеnnе, в котором доля прогрессивных сталей достигла 60% от общего веса авто. Коррозионная стойкость кузова и его способность поглощать удары повышены за счёт использования TRIP– и многофазных сталей.
Инновационные сплавы активно вытесняют традиционные материалы, но их потенциал всё ещё не раскрыт на 100%.
В деле создания сплавов третьего поколения наметилась прочная связка автомобилестроителей и металлургов. Одним из примеров интеграции крупнейших мировых производителей стали для автомобилестроения (JFE, Thyssen Krupp, SSAB, US Steel и др.) являются программы Комитета по применению сталей в автомобильной промышленности AUTOCO Международного института чугуна и стали IISI. В настоящее время Комитет включает четыре основные программы:
Целью таких программ является создание сверхлегких, экономичных, безопасных для человека и окружающей среды автомобилей. Комитет координирует усилия производителей металлопроката по систематизации перспективных сталей, разработке новых и внедрению уже существующих марок сталей в автомобильную промышленность.
Аналогичную деятельность ведут также экспертные группы других ведущих мировых организаций и объединений. Например, в рамках крупнейшей Всемирной ассоциация стали (World Steel Association) выделено отдельное специализированное направление WorldAutoSteel, объединившее 20 крупнейших производителей стали для автомобильной промышленности. Еще в 2013 году в WorldAutoSteel завершился проект FutureSteelVehicle (FSV) - трехлетняя программа, в рамках которой были разработаны комплексные стальные элементы для электрических транспортных средств, которые снижают выбросы парниковых газов в течение всего их жизненного цикла. Предложенный прототип использует 95% высокопрочных сталей, 48% которых имеют прочность более 1000 МПа.
Деятельность всех этих объединений и научных коопераций сложно переоценить. Достаточно упомянуть тот факт, что в 80х годах XX века доля мягких сталей в кузове серийного автомобиля была почти стопроцентной, сейчас она составляет около 30%, а в ближайшем будущем вообще может сократиться до 3%, с соответствующим изменением массы компонентов и машины в целом.
Помимо стальной индустрии, разработки ведутся и в других сферах металлургии. Одними из перспективных материалов для изготовления некоторых автокомпонентов являются аморфные сплавы. Экспериментальные «металлические стёкла» начали получать еще в прошлом веке на основе циркония и палладия, охлаждая их расплавы со скоростью 1 кельвин в секунду. В таком режиме образуется и поддерживается аморфная структура. Позже стали экспериментировать с железом, медью, титаном, магнием и другими чистыми металлами. Ряд сплавов на основе титана показал прочность на разрыв более 2100 МПа — это значение не достижимо при использовании большинства коммерческих высокопрочных сталей .
Отсутствие слабых мест в аморфном металле, связанных с узлами кристаллической решётки, обеспечивает беспрецедентную стойкость к коррозии. Об успехах исследований уже заявили Национальная лаборатория в Окридже ORLN, команда SLAC (National Accelerator Laboratory), Университет в Вирджинии и другие научные центры. Аморфные сплавы немагнитны и значительно прочнее традиционных сталей. Структура не дает усадки при охлаждении и показывает высокий порог сопротивляемости пластическим деформациям и износу. Главный недостаток, с которым еще предстоит разобраться ученым – повышенная хрупкость таких материалов.
Марки сталей третьего поколения будут содержать меньше термически нестабильных включений. За счёт этого ожидается разработка технологии холодного формования. Направление открывает новые возможности для предприятий среднего звена — необходимость в дорогостоящем штамповочном оборудовании отпадёт.
Перечисленные материалы все еще находятся на ранней стадии разработок. К исследованиям свойств аморфного металла в 2018 году подключили искусственный интеллект, чтобы приблизить его широкое внедрение на производстве. Коалиция между учёными, инженерами, металлургами и автомобилестроителями позволит перешагнуть ограничения, сопровождающие стандартизированные продукты, и продвинуться в направлении разработок, свойства которых точно рассчитаны на коммерческие требования. Чувствуется, что сплавы ближайшего будущего поразят техническими свойствами, которые ещё вчера никто не мог представить.
Мы рады, что вы заинтересовались информацией из нашего блога. И даем согласие на использование материалов для учебных целей или для личного пользования. Однако предупреждаем, что копирование информации для публичного распространения – это нарушения авторского права и других прав интеллектуальной собственности, согласно Бернской конвенции и Закона Украины об авторском праве №3792-XII.
