Тенденції металургії у автомобілебудуванні

  1. Головна
  2. Статті
  3. Тенденції металургії у автомобілебудуванні
Тенденції металургії у автомобілебудуванні
Роль сталі в автомобілебудуванні від ретро-автомобілів до сучасних авто - Метінвест-СМЦ
Тенденції металургії у автомобілебудуванні
Метінвест СМЦ
https://metinvest-smc.com/ua/articles/tendencii-v-avtomobilestroenii/
2022-08-18 18:50:54
Тенденції металургії у автомобілебудуванні
15 Червня 2022

Поява нових сплавів на ринку мала вплинуло на баланс, який встановився у 80–х роках ХХ століття. Сьогодні на сталь і чавун припадає до 95% світового споживання, при цьому обсяги споживання незамінної пари вже перевищили щорічну позначку в 1 мільярд тонн. Для порівняння: сумарна кількість алюмінію, вироблена за весь час, поки не дотягує навіть до річного обсягу виробництва чавуну.

ретро автомобиль_метинвест_смц

Незважаючи на вдосконалення композитів та полегшених сплавів, що не містять заліза, в серійному автомобілебудуванні сталь продовжує залишатися головним матеріалом, що застосовується у виробництві кузовів, трансмісії, підвіски, шасі. Така завзятість виробників пояснюється просто — чорний метал теж не стоїть на місці, прогресуючи з року у рік.

Новини з лабораторії Tesla Motors

Довіра до генія Ілона Маска не знає меж. Передзамовлення на новий пікап до весни 2020 року перевищили півмільйона, причому кожен потенційний власник на підтвердження готовності купити Cybertruck перевів 100 $ на рахунок Tesla Motors.

 З чого зроблений автомобіль?

Головна ідея – забезпечити максимально можливий рівень захисту – знайшла відображення у матеріалах. Корпус авто виконаний із новоїнержавіючої холоднокатаної сталі 30X, заявленої як «надтверда». Сплав пройшов обкатку, але не на дорогах, а в космосі, ставши частиною надважкої ракети-носія Starship. Для унікальної «нержавіючої сталі» глава концерну SpaceX проклав шлях аж на Марс, будучи абсолютно впевненим, що його сталь витримає випробування.

новая_тесла_смцУ середині літа 2020 року з'явилися повідомлення про використання сплаву 304L в кузовах Cybertruck. Міцні властивості нового матеріалу дозволяють йому добре чинити опір не тільки ударам, а й прямим попаданням з дев'ятиміліметрової зброї.

Футуристичний дизайн прототипу не відсилає до його неймовірних можливостей - незграбна машина мало схожа на автомобілі сучасного кіно і не всім припала до душі. Плоска форма народилася у виробничих умовах. Сталь 30X не піддається складному штампуванню - надтвердий сплав просто нічим обробляти, він ламає штампувальний прес. З кольором також виникла затримка — новаторська «нержавіюча сталь» не фарбується. Обговорення проблем з лабораторії перемістилося в інтернет, де один із шанувальників Tesla згадав, що сталі змінюють відтінок при нагріванні і на ньому з'являються кольори мінливості. Твітнувши лаконічне «Yes», ​​керівник проекту подав надію, що пікап надійде у продаж все ж кольоровим.

Ілон Маск примудряється виробляти не просто нішеві продукти, він кидає виклик автовиробникам, яким точно не потрібен вічний автомобіль. Сьогодні кожна машина з'їдає до 900 кг сталі. Метал розподіляється приблизно так:

          • кузов — 34%
          • трансмісія — 23%
          • підвіска — 12%
          • гальма, управління керма, колеса та інше — 31%

Вуглецева сталь, звичайно, виконує  функції, але згодом іржавіє, не даючи конвеєрам простоювати. Пікап Ілона Маска, мабуть, не братиме участі в цьому кругообігу.

Яким майбутнє підвіски бачать автозаводи

Конструкторські бюро провідних автовиробників сумніваються, що на підвіску чекають принципові зміни. Сьогодні ми використовуємо ті самі принципи, що й 30 років тому. По-справжньому змінюються лише матеріали, і саме цим шляхом піде прогрес (якщо, звичайно, не буде знайдено якесь революційне нововведення, здатне вплинути на порядок речей у потоковому виробництві).

Від підвіски вимагається витримувати удари під час руху по дорожньому полотну, чинити опір агресивному середовищу, зберігати встановлені параметри. Сьогодні тренд на авто з важкими батареями додав чергову умову зниження загальної маси. Міцність, легкість та економічність фахівці асоціюють з новими сталями, більшість з яких характеризуються не лише необхідною міцністю, а й пластичністю, що є цінним для виробництва. Додатковий плюс – оптимізована кристалічна структура знижує втомні деформації.

автомобили

Нові сталеві сплави за міцністю на розрив випередили високоміцні алюмінієві матеріали більш ніж у 4 рази, зберігши меншу вартість. Сьогодні доступні марки забезпечують тимчасовий опір до 2000 МПа і гонка за показниками триває. Концерн Nissan вже заявив, що використовуватиме новаторський сплав, розроблений спільно з Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation. Його частка досягне 25% у кожному автомобілі. Міцність на розрив становить 980 МПа, при цьому матеріал має недосяжну раніше пластичність. Це дозволить компанії виготовляти деталі та вузли складнішої форми.

Металургійний гігант Tata Group представив власний зразок гарячекатаної сталі XPF800, завдяки якій вага авто вдасться зменшити на 15% без втрати міцності елементів. Марку відрізняє здатність чинити спротив технологічним  деформаціям. Це відкриває нові перспективи для конструкторів, які можуть попрацювати з підвіскою, додавши твердості та знизивши вагу.

Нові сплави на службі двигунів

Головне завдання, що стоїть перед конструкторами силових агрегатів протягом усієї історії автомобілебудування, як і раніше актуальна: збільшити потужність і знизити вагу. Одночасно потрібно не випустити з уваги умову конвеєрного виробництва - позбутися надмірної міцності, тобто випадково не видати споживачеві «вічний мотор».

Двигуни відносятся до самої консервативної сфери виробництва автомобілів, що з обережністю відноситься до нових технологій і матеріалів. Проте й сюди проникли інновації. Перший удар прогресу прийняли гільзи циліндрів. Від деталей вимагають підвищеної міцності шляхом створення нових матеріалів. Технологія Compacted Graphite Iron (CGI) розроблялася у відповідь на запит про підвищений рівень форсування для дизельних двигунів. Оновлений чавун із т.н. «вермикулярним» кулястим графітом перевершив показники звичайного сірого чавуну:

          • міцність на розрив виросла на 75%;
          • модуль пружності зріс на 40%;
          • стійкість до мінливих навантажень зросла на 100%.

Застосування технології CGI дозволило створювати монолітні блоки полегшеної ваги (деякі вироби з інноваційного чавуну виявилися легшими за аналоги з алюмінієвих сплавів). Матеріал використовується у виробництві не лише гільз, а й колінвалів. Чавунно-графітові деталі не поступаються кованим сталевим, при цьому їх собівартість відчутно нижча.

Сталі в автомобілебудуванні: вчора и сьогодні

Традиційними сплавами для виробництва деталей автомобіля вважаються низьковуглецеві марки, основною структурною складовою яких є пластичний ферит. До таких сталей, наприклад, відносяться гарячекатані DD13-DD14 за європейським стандартом EN 10111, холоднокатані DC05-DC07 за EN 10130, а найвідоміша вітчизняна марка – 08Ю. Межа міцності таких матеріалів не перевищує скромні 365 Мпа, тому їх в автомобілебудуванні відносять до групи так званих м'яких сталей (від англійського mild steel).

Новий напрямок, що взяв курс на використання високоміцних марок, дозволяє не лише посилити деталі, а й знизити вагу авто. Тільки за останні 10 років кузови популярних сімейних седанів «схудли» на 14% за рахунок впровадження нових матеріалів, при цьому частка використання високоміцних сталевих сплавів збільшилася втричі.

Збільшені вимоги до штампування металевих матеріалів не дають виробникам авто звернути з обраного шляху. Частка високоміцних, дво- та багатофазних, TRIP- та IT-сталей з інноваційними покриттями неухильно збільшується. Випуск наднизьковуглецевих сталей (IF) з легуванням титаном і ніобієм у рази покращує показники штампування, а це означає, що в найближчому майбутньому на нас чекають прототипи з унікальними формами кузовів та оновленим компонуванням. У рамках проекту «Надлегкий сталевий автомобільний кузов – передові транспортні концепції» було представлено 267 зразків високоміцних сплавів групи Advanced High Strength Steel (AHSS). У міжнародному проекті задіяні усі світові металургійні компанії.

Одну з ініціатив розвинув німецький концерн Thyssen Кгuрр Stahl, який запропонував нові технології виробництва кузовів. Ставили за мету довести, що оновлені матеріали здатні зменшити вагу без втрати в експлуатаційних характеристиках. Для порівняння взяли популярний Opel Zafira. Конфігурація нового кузова, який виявився на 24% легшим за зразок, дозволила успішно розмістити двигун і всі робочі вузли моделі. Зниження ваги практично на чверть вдалося досягти за рахунок наступних новацій:

          • застосування високостійких сталей;
          • використання перспективних технологій штамування і гідроформування;
          •  лазерної і точкової сварки.

У новому кузові 46% деталей створені з трубчастих конструкцій (стійки та боковини виконані методом гідроформування). Кузовні панелі (45%) виготовлені методом штампування, 69% з'єднувальних швів вироблено лазерним зварюванням, частку точкової довелося 14%. Застосування високоміцних сталевих сплавів досягло 84%, з них 72% склали багатофазні та 14% мікролеговані. Використання новітнього цинк-магнієвого покриття покращило показники корозійної стійкості, одночасно полегшивши зварюваність зразків.

современное авто

Відомо, що у високоміцних сталей знижується показник штампування, що робить їх непридатними для виробництва складних форм. Нові сплави позбавлені цього недоліку. Дво- та багатофазні системи підвищують поріг міцності, але не втрачають пластичності. Системи працюють на синергії компонентів, що використовуються: м'яка основа відповідає за форму, тверда фаза забезпечує міцність і опірність навантаженням.

Застосування сталей з TRIP-ефектом дозволили задіяти механізм нарощування міцності конструкції без погіршення показників штампування. У Японії було представлено зразки з показником межі міцності до 822 МПа. Значення вдалося досягти рахунок застосування до складу добавок молібдену і ніобію. У Японії активно розвивається дослідження та виробництво IT-сталей, здатних до глибокої витяжки. Властивості сплавів ідеальні для виробництва кузовів та складних деталей, що дозволило збільшити обсяги виробництва до 7 млн. тонн на рік.

У Європі тему сталевих інновацій також не залишили поза увагою. Прикладом може бути новий Рогсhе Сауеnnе, у якому частка прогресивних сталей досягла 60% від загальної ваги авто. Корозійна стійкість кузова та його здатність поглинати удари підвищені за рахунок використання TRIP- та багатофазних сталей. Інноваційні сплави активно витісняють традиційні матеріали, але їхній потенціал  все ще не розкритий на 100%.

Перспективи найближчого майбутнього

У справі створення сплавів третього покоління намітилася міцна зв'язка автомобілебудівників та металургів. Одним із прикладів інтеграції найбільших світових виробників сталі для автомобілебудування (JFE, Thyssen Krupp, SSAB, US Steel та ін.) є програми Комітету із застосування сталей в автомобільній промисловості AUTOCO Міжнародного інституту чавуну та сталі IISI. Наразі Комітет включає чотири основні програми:

  • Програма створення надлегких, міцних сталевих корпусів (Ultralight steel Auto Body, ULSAB)
  • Програма створення ультралегких сталевих дверей та капотів (Ultralight Steel Auto Closure, ULSAC)
  • Програма створення ультралегких сталевих систем підвіски (Ultralight Steel Auto Suspensions, ULSAS)
  • Програма розробки загальної концепції (Advanced Vehicle Concepts, ULSAB-AVC) – продовження ULSAB

Метою таких програм є створення надлегких, економічних, безпечних для людини та навколишнього середовища автомобілів. Комітет координує зусилля виробників металопрокату щодо систематизації перспективних сталей, розробки нових та впровадження вже існуючих марок сталей в автомобільну промисловість.

Аналогічну діяльність ведуть також експертні групи інших провідних світових організацій та об'єднань. Наприклад, у рамках найбільшої Всесвітньої асоціації сталі (World Steel Association) виділено окремий спеціалізований напрямок WorldAutoSteel, який об'єднав 20 найбільших виробників сталі для автомобільної промисловості. Ще у 2013 році у WorldAutoSteel завершився проект FutureSteelVehicle (FSV) – трирічна програма, в рамках якої були розроблені комплексні сталеві елементи для електричних транспортних засобів, які знижують викиди парникових газів протягом усього їхнього життєвого циклу. Запропонований прототип використовує 95% високоміцних сталей, 48% яких мають міцність понад 1000 МПа.

Діяльність усіх цих об'єднань та наукових кооперацій важко переоцінити. Досить згадати той факт, що в 80-х роках XX століття частка м'яких сталей у кузові серійного автомобіля була майже стовідсотковою, зараз вона становить близько 30%, а в найближчому майбутньому взагалі може скоротитися до 3%, із відповідною зміною маси компонентів та машини загалом.

Окрім сталевої індустрії, розробки ведуться і в інших галузях металургії. Одними з перспективних матеріалів виготовлення деяких автокомпонентів є аморфні сплави. Експериментальне «металеве скло» почали отримувати ще в минулому столітті на основі цирконію та паладію, охолоджуючи їх розплави зі швидкістю 1 кельвін на секунду. У такому режимі утворюється та підтримується аморфна структура. Пізніше почали експериментувати із залізом, міддю, титаном, магнієм та іншими чистими металами. Ряд сплавів на основі титану показав міцність на розрив більше 2100 МПа — це значення не можна досягти при використанні більшості комерційних високоміцних сталей.

Відсутність слабких місць в аморфному металі, пов'язаних з вузлами кристалічних ґрат, забезпечує безпрецедентну стійкість до корозії. Про успіхи досліджень вже заявили Національна лабораторія в Окріджі ORLN, команда SLAC (National Accelerator Laboratory), Університет у Вірджинії та інші наукові центри. Аморфні сплави немагнітні і значно міцніші за традиційні сталі. Структура не дає усадки при охолодженні та показує високий поріг опірності пластичним деформаціям та зносу. Головний недолік, з яким ще належить розібратися вченим, – підвищена крихкість таких матеріалів.

Марки сталей третього покоління утримуватимуть менше термічно нестабільних включень. За рахунок цього очікується розробка технології холодного формування. Напрямок відкриває нові можливості для підприємств середньої ланки — необхідність дорогого штампувального обладнання відпаде.

Перелічені матеріали все ще перебувають у ранній стадії розробок. До досліджень властивостей аморфного металу 2018 року підключили штучний інтелект, щоб наблизити його широке впровадження на виробництві. Коаліція між вченими, інженерами, металургами та автомобілебудівниками дозволить переступити обмеження, що супроводжують стандартизовані продукти, та просунутися у напрямку розробок, властивості яких точно розраховані на комерційні вимоги. Відчувається, що сплави найближчого майбутнього вразять технічними властивостями, яких ще вчора ніхто не міг уявити.

Ми раді, що ви зацікавилися інформацією з нашого блогу. І даємо згоду на використання матеріалів для навчальних цілей або особистого користування. Проте попереджаємо, що копіювання інформації для публічного розповсюдження – це порушення авторського права та інших прав інтелектуальної власності згідно з Бернською конвенцією та Законом України про авторське право №3792-XII.