Motoryzacyjny trend lekko?ci w towarzystwie stopu aluminium

Ryc. 1. Zmiany ?redniej ilo?ci aluminium u?ywanego w samochodach europejskich

Dzi? termin ?lekki” ewoluowa? od terminologii przemys?u motoryzacyjnego do s?ownictwa o wysokiej cz?stotliwo?ci w wiadomo?ciach medialnych. W ?Made in China 2025” lekko?? zosta?a równie? uznana za wa?ny kierunek rozwoju przemys?u motoryzacyjnego. Mówi?c najpro?ciej, ?lekko??” polega na jak najwi?kszym zmniejszeniu masy pojazdu przy jednoczesnym zapewnieniu wytrzyma?o?ci i bezpieczeństwa pojazdu, a tym samym poprawie mocy pojazdu, zmniejszeniu zu?ycia paliwa i zmniejszeniu zanieczyszczenia spalin. W ostatnich latach, gdy wymagania dotycz?ce ochrony ?rodowiska i oszcz?dzania energii sta?y si? bardziej rygorystyczne, zmniejszanie ci??aru samochodów sta?o si? nie do powstrzymania trendem w rozwoju ?wiatowych samochodów. Wed?ug Europejskiego Stowarzyszenia Aluminium ka?de 100 kg jako?ci samochodu mo?e zaoszcz?dzi? 0,6 l paliwa na 100 kilometrów i zmniejszy? emisj? CO2800-900 g. Aluminium ma g?sto?? zaledwie 1/3 stali i ma dobr? plastyczno?? i odzysk. Jest to idealny lekki materia? do samochodów. Podczas pierwszego kryzysu naftowego lat 70., w obliczu rosn?cych cen ropy, producenci samochodów na ca?ym ?wiecie próbowali wykorzystywa? stopy aluminium do produkcji stalowych ch?odnic, g?owic cylindrów i zderzaków. Oszcz?dno?? paliwa. Od tego czasu udzia? stopów aluminium w samochodach ro?nie. Wed?ug danych badawczych opublikowanych przez s?ynn? firm? konsultingow? Ducker Worldwide, ?rednie zu?ycie aluminium w europejskich samochodach potroi?o si? od 1990 roku z 50 kg do obecnych 151 kg i wzro?nie do 196 kg w 2025 roku.

Rysunek 2. Europejski wspó?czynnik dystrybucji aluminium samochodowego (140 kg) (dane z 2012 r.)

Obecnie trend lekkich pojazdów staje si? coraz bardziej gwa?towny, a stopy aluminium s? szeroko stosowane w piastach, silnikach, ch?odnicach i przewodach olejowych. Jako?? nadwozia stanowi oko?o 40% ca?kowitej masy samochodu. Masa karoserii odgrywa wa?n? rol? w redukcji masy ca?ego samochodu. Wed?ug Europejskiej Konferencji Nadwozi z 2016 r. (EuroCarBody 2016) wska?nik zastosowania stopu aluminium osi?gn?? ponad po?ow? jako?ci niektórych wysokiej klasy modeli nadwozia w kolorze bia?ym (tj. nadwozia, które jest spawane, ale nie lakierowane) ). Na przyk?ad wska?nik zastosowania stopu aluminium DB11 firmy Aston Martin wynosi a? 86,11 TP3T, druga generacja Hondy NSX (Acura NSX) to 79,01 TP3T, a Land Rover Discovery pi?tej generacji to 62,91 TP3T. Jednak zastosowanie stopów aluminium na korpusie zwyk?ych modeli jest wci?? stosunkowo niewielkie. Wed?ug danych znanej firmy konsultingowej Ducker Worldwide, penetracja paneli ze stopu aluminium w karoseriach samochodów wynios?a w 2015 r. w niektórych modelach z wy?szej pó?ki. Lekkie nadwozie jest wa?nym tematem badawczym w rozwoju lekkich producentów.

Rysunek 3. Rozk?ad aplikacji stopu aluminium Aston Martin DB11

Obecnie stopy aluminium do samochodów mo?na zasadniczo podzieli? na stopy aluminium odlewane ci?nieniowo i stopy aluminium odkszta?cone, spo?ród których g?ównie stosuje si? stopy aluminium odlewane ci?nieniowo, co stanowi oko?o 66%. Zdeformowany stop aluminium mo?na dalej podzieli? na walcowany arkusz (18%), arkusz wyt?aczany (11%) i niewielk? ilo?? cz??ci kutych (5%). Warto zauwa?y?, ?e chocia? odlew stopu aluminium w 2016 r. Jest nadal g?ówn? postaci? stopu aluminium samochodowego, jego udzia? spad? o 8 punktów procentowych w porównaniu z 2012 r. Przeciwnie, z powodu opracowania lekkiego nadwozia udzia? walcowanego arkusz znacznie wzrós? z 13% w 2012 r. do 18% w 2016 r. Jednocze?nie udzia? wyt?aczanych profili i odkuwek niewiele si? zmienia.

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

Odlew stopu aluminium jest najcz??ciej stosowanym rodzajem stopu aluminium w wi?kszo?ci samochodów i jest szeroko stosowany w elementach konstrukcyjnych, takich jak ko?a, cz??ci silnika, ramy, wsporniki amortyzatorów i ramy przestrzenne. W przemy?le motoryzacyjnym odlewane ko?a ze stopów aluminium s? najszybciej rozwijaj?cymi si? cz??ciami o wy?szych wska?nikach aluminiowania. Obecnie wi?kszo?? kó? ze stopu aluminium jest wytwarzana przez odlewanie niskoci?nieniowe przy u?yciu stopu A356, a niektóre ko?a wysokiej jako?ci s? wytwarzane przez odlewanie przez wyt?aczanie, kucie matrycowe lub prz?dzenie. Zarówno blok cylindrów, jak i g?owica silnika wymagaj? dobrego przewodnictwa cieplnego i odporno?ci na korozj?, co jest zalet? stopu aluminium. Obecnie du?a liczba samochodów krajowych i zagranicznych korzysta z aluminiowych bloków cylindrów i g?owic cylindrów, ale w niektórych miejscach, w których wymagana jest wysoka wytrzyma?o?? i wysoka wytrzyma?o??, wci?? stosuje si? ?eliwo. W ostatnich latach rozwój nowych stopów Al-Si-Cu-Mg-Fe i rozwój odpowiednich technologii odlewania umo?liwi?y odlewy stopów aluminium osi?gni?ciu wy?szych osi?gów, dodatkowo promuj?c zastosowanie stopów aluminium w cz??ciach silników, w tym w silnikach Diesla. Metody odlewania g?owic cylindrów s? równie? ró?norodne, takie jak odlewanie grawitacyjne i odlewanie pod niskim ci?nieniem. Ponadto odlewane stopy aluminium by?y szeroko stosowane w cz??ciach konstrukcyjnych, takich jak wsporniki amortyzatorów, zestawy akumulatorów pojazdów elektrycznych i szafy konstrukcyjne. Poniewa? komponenty te s? g?ównie cz?onami cienko?ciennymi o skomplikowanych kszta?tach, cz?sto s? one wytwarzane metod? odlewania pod wysokim ci?nieniem przy u?yciu stopu Al-Si.

W porównaniu z odlewanymi stopami aluminium, ?redni udzia? odkszta?conych stopów aluminium w samochodach jest nadal niewielki. Wed?ug badania przeprowadzonego przez Ducker Worldwide zdeformowane stopy aluminium stanowi?y tylko 34% stopów aluminium samochodowego w 2016 r. (18% dla walcowanych blach, 11% dla profili wyt?aczanych i 5% dla odkuwek). Jednak w niektórych wysokiej klasy modelach, które wykorzystuj? ca?kowicie aluminiowy korpus, udzia? odkszta?conego aluminium jest znacznie wy?szy ni? w przypadku odlewanego aluminium. Obecnie przemys? zainwestowa? znaczne ?rodki w badania i rozwój oraz technologi? odkszta?cania stopów aluminium, w tym w ca?kowicie aluminiow? obudow?, a ich udzia? gwa?townie wzrós?. Ducker Worldwide przewiduje, ?e ze wzgl?du na szybki rozwój technologii karoserii ze stopów aluminium zastosowanie zdeformowanych stopów aluminium (zw?aszcza blach walcowanych) w samochodach spowoduje szybki wzrost (jak pokazano na rycinie 1).

Zdeformowany stop aluminium w motoryzacji obejmuje g?ównie seri? 5xxx (typ Al-Mg), typ 6xxx (typ Al-Mg-Si) oraz niewielk? ilo?? serii 2xxx (typ Al-Cg) i typ 7xxx (Al-Zn- typu Mg). W?ród nich stop serii 5xxx nie mo?e by? poddany obróbce cieplnej i wzmocnieniu, a w?a?ciwo?ci formowania s? doskona?e. Jednak po uformowaniu granica plastyczno?ci jest wyd?u?ona, a powierzchnia pomarszczona, co wp?ywa na jako?? wygl?du produktu, dlatego jest stosowana g?ównie w przypadku skomplikowanych kszta?tów, takich jak panel wewn?trzny. Stop serii 6xxx mo?na podda? obróbce cieplnej i wzmocni? za pomoc? sta?ego roztworu Mg i Si oraz starzeniowego wytr?cania fazy Mg2Si. Wytrzyma?o?? po powlekaniu i suszeniu jest lepsza, a odporno?? na wgniecenia jest wysoka, co jest odpowiednie dla wymagań zewn?trznego panelu i ramy nadwozia. Si?a, sztywno??. Oprócz blach walcowanych, profile wyt?aczane s? równie? wa?nymi zdeformowanymi stopami aluminium w motoryzacji, ogólnie odpowiednimi do elementów konstrukcyjnych o równym przekroju, takich jak zderzak, skrzynia poch?aniaj?ca energi?, przednia cz??? przedniej belki pod?u?nej, próg, tylna cz??? tylnej belki pod?u?nej. ?rednia wytrzyma?o?? 6xxx jest g?ównym materia?em na profile wyciskane ze wzgl?du na wysok? szybko?? wyt?aczania i jako?? powierzchni, a tak?e w?a?ciwo?ci utwardzania starzeniowego podczas wyt?aczania. Wysokowytrzyma?e stopy aluminium 7xxx s? równie? wykorzystywane do produkcji profili wyciskanych, gdzie wymagana jest wysoka wytrzyma?o??. Jednocze?nie, w celu poprawy udarno?ci, profile profili to g?ównie ?usta”, ?dzień” i ?siatka”.

Rysunek 5. Skrzynka poch?aniaj?ca energi? typu ?Dzień” dla profili wyt?aczanych (przed zderzeniem po lewej i po zderzeniu po prawej)

Stopy aluminium odgrywaj? wa?n? rol? w fali lekkich samochodów, ale stoj? te? przed wa?nymi wyzwaniami. W rzeczywisto?ci odchudzenie nie polega tylko na zmniejszeniu masy, ale tak?e na zrównowa?eniu osi?gów, bezpieczeństwa, kosztów i masy pojazdu. Obecnie odporno?? rdzenia samochodowych stopów aluminium jest nadal wysoka, co sprawia, ?e zastosowanie ca?kowicie aluminiowego nadwozia ogranicza si? tylko do modeli z najwy?szej pó?ki i tymczasowo nie mo?na go rozszerzy? na du?? liczb? modeli ekonomicznych. Ograniczenie wydajno?ci stopów aluminium jest równie? wa?nym czynnikiem ograniczaj?cym jego rozwój. W niektórych cz??ciach nadal nie mo?e zast?pi? stali. Jednocze?nie technologia ??czenia stopów aluminium, zw?aszcza technologia ??czenia wielu materia?ów ?eliwo-aluminium, stal-aluminium, magnez-aluminium itp., jest równie? wa?nym czynnikiem w zastosowaniu stopów aluminium w samochodach. Nowe Audi A8 D5 ?odrzuci?o” ca?kowicie aluminiowe nadwozie, które by?o u?ywane przez ponad 20 lat, i zastosowa?o stal o wysokiej wytrzyma?o?ci i znacznej masie. Dotkni?ty tym model D5 zyska? o 51 kg wi?cej ni? poprzedni model, ale sztywno?? skr?tna nadwozia wzros?a o 24%, znacznie zwi?kszono bezpieczeństwo, a koszt znacznie obni?ono.

W ramach szóstego programu ramowego UE zorganizowa?a 38 jednostek w dziewi?ciu krajach i regionach w latach 2004-2009 w celu wdro?enia wspólnego projektu badawczo-rozwojowego superlekkiego nadwozia (SuperLight-Car). Do?wiadczenie tego projektu pokazuje, ?e dalszy rozwój samochodowych stopów aluminium powinien koncentrowa? si? na rozwoju nowych wysokowydajnych stopów i nowych technologii produkcji. Prace badawczo-rozwojowe musz? równie? integrowa? zasoby. Producenci samochodów przejm? inicjatyw? we wspó?pracy z surowcami, dostawcami cz??ci i powi?zanymi instytucjami naukowo-badawczymi, aby wspólnie bada? zaawansowane lekkie technologie i promowa? tworzenie lekkiego ?ańcucha przemys?owego.

G?ówne materia?y referencyjne:

1.Hirsch, J. (2014). Najnowsze osi?gni?cia 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 materia?owe, 52 (5), 818-824.

3. Lahaye, C., Hirsch, J., Bassan, D., Criqui, B., Sahr, C., Goede, M., i Volkswagen, AG (2008). Wk?ad aluminium w wielosk?adnikow? lekk? konstrukcj? BIW superlekkiego samochodu [C]. W HIRSCH J, SKROTZKI B, GOTTSTEIN G. Post?powania z 11. Mi?dzynarodowej Konferencji na temat Stopów Aluminium. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA (str. 2363-2373).

4. Zawarto?? glinu w samochodach. Ducker Worldwide, https://www.ducker.com/

5.Aluminium w samochodach, odblokowuj?c lekki potencja?. 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 dzi?ki wielomateria?owej konstrukcji i integracji funkcji, European Transport Research Review, 1: 5-10.

7.2016 Informacje o Europejskiej Konferencji Organów (EuroCarBody).