Motoryzacyjny trend lekkości w towarzystwie stopu aluminium

Ryc. 1. Zmiany średniej ilości aluminium używanego w samochodach europejskich
Dzisiaj termin „lekki” ewoluował od terminologii przemysłu motoryzacyjnego do słownictwa o wysokiej częstotliwości w mediach. W „Made in China 2025” lekkość została również uznana za ważny kierunek rozwoju przemysłu motoryzacyjnego. Mówiąc najprościej, lekkość polega na jak największym zmniejszeniu masy pojazdu, przy jednoczesnym zapewnieniu wytrzymałości i bezpieczeństwa pojazdu, a tym samym poprawie mocy pojazdu, zmniejszeniu zużycia paliwa i zmniejszeniu zanieczyszczenia spalin. W ostatnich latach, gdy wymagania w zakresie ochrony środowiska i oszczędzania energii stały się bardziej rygorystyczne, lekka waga samochodowa stała się nie do powstrzymania w rozwoju światowych samochodów. Według European Aluminium Association każde 100 kg jakości samochodu może zaoszczędzić 0,6 l paliwa na 100 kilometrów i zmniejszyć emisję CO 2800-900 g. Aluminium ma gęstość zaledwie 1/3 stali i ma dobrą plastyczność i odzysk. Jest to idealny lekki materiał do samochodów. Podczas pierwszego kryzysu naftowego w latach 70. XX wieku, w obliczu rosnących cen ropy, producenci samochodów na całym świecie próbowali używać stopów aluminium do produkcji grzejników stalowych, głowic cylindrów i zderzaków. Efektywność paliwowa Od tego czasu udział stopów aluminium w samochodach rośnie. Według danych badawczych opublikowanych przez słynną firmę konsultingową Ducker Worldwide średnie zużycie aluminium w samochodach europejskich potroiło się od 1990 r., Z 50 kg do obecnych 151 kg i wzrośnie do 196 kg w 2025 r.

Rysunek 2. Europejski współczynnik dystrybucji aluminium samochodowego (140 kg) (dane z 2012 r.)
Obecnie trend lekkich pojazdów staje się coraz bardziej zaciekły, a stopy aluminium są szeroko stosowane w piastach, silnikach, chłodnicach i rurach olejowych. Jakość nadwozia stanowi około 40% całkowitej masy samochodu. Ważną rolę w redukcji masy całego samochodu odgrywa waga karoserii. Według European Body Conference 2016 (EuroCarBody 2016) stopień zastosowania stopu aluminium osiągnął ponad połowę jakości niektórych wysokiej klasy modeli nadwozia w kolorze białym (to znaczy nadwozia spawanego, ale nie malowanego ). Na przykład wskaźnik zastosowania stopu aluminium Aston Martin DB11 wynosi aż 86,1%, Honda NSX drugiej generacji (Acura NSX) to 79,0%, a Land Rover Discovery piątej generacji to 62,9%. Jednak zastosowanie stopów aluminium na korpusie zwykłych modeli jest wciąż stosunkowo niewielkie. Według danych znanej firmy konsultingowej Ducker Worldwide penetracja paneli ze stopów aluminium w nadwoziach samochodowych w 2015 r. Wyniosła zaledwie 4%. Obecnie nadwozie wykonane w całości z aluminium jest nadal technologią na szczycie piramidy i jest używane tylko w niektórych wysokiej klasy modelach. Lekki korpus jest ważnym tematem badawczym w rozwoju lekkich producentów.

Rysunek 3. Rozkład aplikacji stopu aluminium Aston Martin DB11

2. Główne rodzaje stopów aluminium do pojazdów

Obecnie stopy aluminium do samochodów można zasadniczo podzielić na stopy aluminium odlewane ciśnieniowo i stopy aluminium odkształcone, spośród których głównie stosuje się stopy aluminium odlewane ciśnieniowo, co stanowi około 66%. Zdeformowany stop aluminium można dalej podzielić na walcowany arkusz (18%), arkusz wytłaczany (11%) i niewielką ilość części kutych (5%). Warto zauważyć, że chociaż odlew stopu aluminium w 2016 r. Jest nadal główną postacią stopu aluminium samochodowego, jego udział spadł o 8 punktów procentowych w porównaniu z 2012 r. Przeciwnie, z powodu opracowania lekkiego nadwozia udział walcowanego arkusz znacznie wzrósł z 13% w 2012 r. do 18% w 2016 r. Jednocześnie udział wytłaczanych profili i odkuwek niewiele się zmienia.

Rysunek 4. Porównanie europejskich samochodowych stopów aluminium w 2016 i 2012 r

a. stop aluminium

Odlew stopu aluminium jest najczęściej stosowanym rodzajem stopu aluminium w większości samochodów i jest szeroko stosowany w elementach konstrukcyjnych, takich jak koła, części silnika, ramy, wsporniki amortyzatorów i ramy przestrzenne. W przemyśle motoryzacyjnym odlewane koła ze stopów aluminium są najszybciej rozwijającymi się częściami o wyższych wskaźnikach aluminiowania. Obecnie większość kół ze stopu aluminium jest wytwarzana przez odlewanie niskociśnieniowe przy użyciu stopu A356, a niektóre koła wysokiej jakości są wytwarzane przez odlewanie przez wytłaczanie, kucie matrycowe lub przędzenie. Zarówno blok cylindrów, jak i głowica silnika wymagają dobrego przewodnictwa cieplnego i odporności na korozję, co jest zaletą stopu aluminium. Obecnie duża liczba samochodów krajowych i zagranicznych korzysta z aluminiowych bloków cylindrów i głowic cylindrów, ale w niektórych miejscach, w których wymagana jest wysoka wytrzymałość i wysoka wytrzymałość, wciąż stosuje się żeliwo. W ostatnich latach rozwój nowych stopów Al-Si-Cu-Mg-Fe i rozwój odpowiednich technologii odlewania umożliwiły odlewy stopów aluminium osiągnięciu wyższych osiągów, dodatkowo promując zastosowanie stopów aluminium w częściach silników, w tym w silnikach Diesla. Metody odlewania głowic cylindrów są również różnorodne, takie jak odlewanie grawitacyjne i odlewanie pod niskim ciśnieniem. Ponadto odlewane stopy aluminium były szeroko stosowane w częściach konstrukcyjnych, takich jak wsporniki amortyzatorów, zestawy akumulatorów pojazdów elektrycznych i szafy konstrukcyjne. Ponieważ komponenty te są głównie członami cienkościennymi o skomplikowanych kształtach, często są one wytwarzane metodą odlewania pod wysokim ciśnieniem przy użyciu stopu Al-Si.

b. formowany stop aluminium

W porównaniu z odlewanymi stopami aluminium, średni udział odkształconych stopów aluminium w samochodach jest nadal niewielki. Według badania przeprowadzonego przez Ducker Worldwide zdeformowane stopy aluminium stanowiły tylko 34% stopów aluminium samochodowego w 2016 r. (18% dla walcowanych blach, 11% dla profili wytłaczanych i 5% dla odkuwek). Jednak w niektórych wysokiej klasy modelach, które wykorzystują całkowicie aluminiowy korpus, udział odkształconego aluminium jest znacznie wyższy niż w przypadku odlewanego aluminium. Obecnie przemysł zainwestował znaczne środki w badania i rozwój oraz technologię odkształcania stopów aluminium, w tym w całkowicie aluminiową obudowę, a ich udział gwałtownie wzrósł. Ducker Worldwide przewiduje, że ze względu na szybki rozwój technologii karoserii ze stopów aluminium zastosowanie zdeformowanych stopów aluminium (zwłaszcza blach walcowanych) w samochodach spowoduje szybki wzrost (jak pokazano na rycinie 1).
Odkształcany motoryzacyjnie stop aluminium zawiera głównie serię 5xxx (typ Al-Mg), typ 6xxx (typ Al-Mg-Si) oraz niewielką ilość serii 2xxx (typ Al-Cg) i 7xxx (Al-Zn- Typ Mg). Wśród nich stop serii 5xxx nie może być poddany obróbce cieplnej i wzmocniony, a właściwość formowania jest doskonała. Jednak po uformowaniu granica plastyczności jest przedłużona, a powierzchnia jest pomarszczona, co wpływa na jakość wyglądu produktu, a zatem jest stosowana głównie w skomplikowanym kształcie, takim jak panel wewnętrzny. Stop serii 6xxx można poddać obróbce cieplnej i wzmocnić stałym roztworem Mg i Si oraz starzeniem się fazy Mg2Si. Poprawiona zostaje wytrzymałość po powlekaniu i suszeniu, a odporność na wgniecenia jest wysoka, co jest odpowiednie dla wymagań panela zewnętrznego i ramy nadwozia. Siła, sztywność. Oprócz blachy walcowanej profile wytłaczane są również ważnymi odkształcanymi stopami aluminium samochodowymi, ogólnie odpowiednimi do elementów konstrukcyjnych o jednakowym przekroju, takich jak zderzak, skrzynka pochłaniająca energię, przednia część przedniej belki wzdłużnej, próg, tylna sekcja tylnej belki wzdłużnej. Średnia wytrzymałość 6xxx jest głównym materiałem do wytłaczanych profili ze względu na wysoką szybkość wytłaczania i jakość powierzchni, a także właściwości utwardzania starzenia podczas wytłaczania. Stopy aluminium o wysokiej wytrzymałości 7xxx stosuje się również do produkcji profili wytłaczanych, w których wymagana jest wysoka wytrzymałość. Jednocześnie, aby poprawić udarność, profile profili to najczęściej „usta”, „dzień” i „siatka”.

Rysunek 5. Skrzynka pochłaniająca energię typu „Dzień” dla profili wytłaczanych (przed zderzeniem po lewej i po zderzeniu po prawej)

3. Wyzwanie i kierunek rozwoju samochodowego stopu aluminium

Stopy aluminium odgrywają ważną rolę w lekkiej fali samochodu, ale stoją także przed ważnymi wyzwaniami. W rzeczywistości lekkość nie polega tylko na zmniejszeniu masy, ale na zrównoważeniu osiągów, bezpieczeństwa, kosztów i masy pojazdu. Obecnie rezystancja rdzenia samochodowych stopów aluminium jest wciąż wysoka, co powoduje, że zastosowanie całkowicie aluminiowego korpusu ogranicza się tylko do modeli z wyższej półki i tymczasowo nie jest możliwe rozszerzenie go na dużą liczbę modeli ekonomicznych. Ograniczenie wydajności stopów aluminium jest również ważnym czynnikiem ograniczającym jego rozwój. W niektórych częściach nadal nie może zastąpić stali. Jednocześnie technologia łączenia stopów aluminium, zwłaszcza technologia łączenia wielu materiałów z żeliwa-aluminium, stali-aluminium, magnezu-aluminium itp., Jest również ważnym czynnikiem w stosowaniu stopów aluminium w samochodach. Nowe Audi A8 D5 „odrzuciło” całkowicie aluminiowy korpus, który był używany od ponad 20 lat i zastosował stal o wysokiej wytrzymałości i znacznej masie. Wpłynęło to na to, że model D5 zyskał 51 kg więcej niż poprzedni model, ale sztywność skrętna nadwozia wzrosła o 24%, znacznie poprawiono bezpieczeństwo, a koszt znacznie.
W ramach szóstego programu ramowego UE zorganizowała 38 jednostek w dziewięciu krajach i regionach w latach 2004-2009 w celu wdrożenia wspólnego projektu badawczo-rozwojowego superlekkiego nadwozia (SuperLight-Car). Doświadczenie tego projektu pokazuje, że dalszy rozwój samochodowych stopów aluminium powinien koncentrować się na rozwoju nowych wysokowydajnych stopów i nowych technologii produkcji. Prace badawczo-rozwojowe muszą również integrować zasoby. Producenci samochodów przejmą inicjatywę we współpracy z surowcami, dostawcami części i powiązanymi instytucjami naukowo-badawczymi, aby wspólnie badać zaawansowane lekkie technologie i promować tworzenie lekkiego łańcucha przemysłowego.
Główne materiały referencyjne:
1.Hirsch, J. (2014). Najnowsze osiągnięcia w aluminium do zastosowań motoryzacyjnych. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 24 (7), 1995-2002.
2. Hirsch, J. (2011). Aluminium w innowacyjnej lekkiej konstrukcji samochodu. Transakcje materiałowe, 52 (5), 818-824.
3. Lahaye, C., Hirsch, J., Bassan, D., Criqui, B., Sahr, C., Goede, M., i Volkswagen, AG (2008). Wkład aluminium w wieloskładnikową lekką konstrukcję BIW superlekkiego samochodu [C]. W HIRSCH J, SKROTZKI B, GOTTSTEIN G. Postępowania z 11. Międzynarodowej Konferencji na temat Stopów Aluminium. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA (str. 2363-2373).
4. Zawartość glinu w samochodach. Ducker Worldwide, https://www.ducker.com/
5.Aluminium w samochodach, odblokowując lekki potencjał. Europejskie Stowarzyszenie Aluminium, https://www.european-aluminium.eu/
6. Goede, M., Stehlin, M., Rafflenbeul, L., Kopp, G., i Beeh, E. (2009). Super Light Car - lekka konstrukcja dzięki wielomateriałowej konstrukcji i integracji funkcji, European Transport Research Review, 1: 5-10.
7.2016 Informacje o Europejskiej Konferencji Organów (EuroCarBody).

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

pl_PLPolski