Автометаллы будущего: алюминий против стали

На этом фоне ужесточается конкуренция новых материалов и технологий – сталь пытаются потеснить алюминий, пластмасса и даже углепластик.

Все легче и легче

Основными причинами снижения массы автомобилей является законодательство, стимулирующее производителей выпускать авто, потребляющие меньше топлива, и потребительский спрос на них. Впервые потребление топлива было ограничено стандартом Corporate Average Fuel Economy (CAFE), принятым после нефтяного кризиса 1970-х. С тех пор стандарты постоянно ужесточались, а другие регионы, в первую очередь ЕС, принимали аналогичные законодательные акты.

После принятия Киотского протокола уменьшение расхода топлива приобрело и экологическое значение. На транспорт сегодня приходится около пятой части выбросов парниковых газов, а если учитывать и выбросы, связанные с производством топлива и электричества, потребляемого автомобилестроительной отраслью, то эта доля еще выше.

Обычно когда говорят о снижении выбросов парниковых газов вызванных сжиганием топлива подразумевается перевод транспорта на биотопливо (т.н. углерод-нейтральное топливо) и электричество, но на производство этих энергоносителей тоже тратятся ресурсы.

В то же время, уменьшение массы автомобиля сокращает потребление любого топлива и, следовательно, любых затрат ресурсов, связанных с его производством и использованием.

В этом автопроизводители уже добились ощутимых успехов – с момента принятия первых законодательных актов по снижению веса машин их масса уменьшилась в среднем на 300-400 кг. И это далеко не предел. По прогнозам исследовательской компании Ducker Worldwide, до 2025 г. автомобили станут на десять процентов легче и будут потреблять вдвое меньше топлива.

До определенного момента облегчение авто достигалось путем замены тяжелой стали на более легкие материалы. Если в неструктурных компонентах, таких как панели кузова, бамперы и элементы отделки, сейчас широко используются пластмассы, то для структурных компонентов у стали есть лишь две технически и экономически оправданные альтернативы – алюминий или более прочная сталь.

Алюминий наступает

«Крылатый металл» в автомобилях использовался еще в XIX веке, но был вытеснен более дешевой и прочной сталью. В 90-е годы прошлого века алюминий вновь начал отвоевывать позиции, в первую очередь в сегменте дорогих автомобилей. К 2000 г. общая масса алюминиевых компонентов в каждом автомобиле достигала 100-120 кг, а в 2006-м – уже 110-145 кг. К 2006 г. автомобильная отрасль потребляла уже около трети производимого в мире алюминия.

Согласно данным Ducker Worldwide, около 30% автомобильных капотов и 20% бамперов сейчас сделано из алюминия. Эксперты ожидают, что к 2025 г. доля алюминия в легковых автомобилях вырастет почти вдвое – с 8 до 16%, а доля стали упадет с 58 до 46%. Стоит заметить, что доля алюминия в ряде автомобилей, от массовых моделей вроде Chevrolet Malibu и Honda Accord до таких дорогих моделей как Lincoln MKZ и ML Mercedes-Benz уже составляет до 11%.

Тем не менее, даже если прогноз Ducker Worldwide оправдается, сталь останется основным автомобильным металлом, по крайней мере, в течение ближайших двадцати лет.

Безусловной победой алюминия можно было бы считать широкое применение цельноалюминиевого кузова. Таким кузовом уже могут похвастаться некоторые автомобили представительского класса, но для массового использования цельноалюминиевый кузов слишком дорог. Некоторые производители алюминия все же ставят такую цель, о чем, в частности, заявлено в отчете Alcoa за второй квартал 2012 г.

Сталь не сдается

Поставщики автомобильной стали приводят несколько иные данные. По словам Лоуренса Каванага из Института развития рынка стали, доля стали в автомобилях в последние годы выросла на 2%, достигнув 65%. Главный козырь стали – дешевизна. Ее выпуск в среднем в пять раз дешевле по сравнению с алюминием. Кроме того, оно экологичнее – при этом образуется на 5- 20% меньше выбросов парниковых газов, чем в алюминиевом производстве.

Современные металлургические технологии позволяют в значительной мере компенсировать главный недостаток стали – больший по сравнению с алюминием вес. Последние годы ведутся активные разработки облегченной стальной конструкции автомобиля - Future Steel Vehicle. Исследователям удалось снизить вес корпуса на 35%, и на 70% - выбросы парниковых газов, образующихся за жизненный цикл одного автомобиля.

Новая стальная конструкция была бы невозможна без новых сортов высокопрочных сталей (AHSS).

Эти сорта стали уже используются в автомобилях, благодаря чему удалось значительно улучшить их физико-технические характеристики и безопасность. Ведущие производители уже сейчас выпускают автомобили, которые существенно надежнее выпущенных в 90-х годах, потому что сделаны из другого материала.

Из-за своей прочности и пластичности сталь вне конкуренции там, где расчетные нагрузки особенно высоки. Высокопрочные стальные компоненты играют важную роль в т.н. «управлении аварией», определяя, как автомобиль ведет себя при аварии. Алюминий и пластмассы целесообразно применять для компонентов, к которым не предъявляются такие высокие требования по нагрузкам - панелей кузова, капоту и пр.

Для прочности важна и технология соединения отдельных частей кузова. Замена точечной сварки современными технологиями соединения, в том числе лазерной сваркой и адгезионным связыванием (а также комбинацией адгезионного связывания и точечной сварки) позволяют создавать одновременно и более жесткие, и более легкие конструкции. По словам одного из авторов проекта FutureSteelVehicle Рона Крупитцера, все больше автомобильных компаний изучают возможность использования этих технологий для соединения высокопрочных сталей.

Вероятно, одного победителя в «гонке» материалов не будет. Каждый из металлов имеет свое преимущество в определенной сфере, в том числе в том или ином ценовом сегменте. Алюминий, скорее всего, будет более широко применяться в дорогих авто, некоторые компоненты которых могут изготавливаться и из более дорогих материалов, таких как углепластик. Сталь останется основным автомобильным металлом, и будет становиться все легче и прочнее. Все материалы будут использоваться комплексно, поэтому правильнее будет говорить не столько о конкуренции сколько, о взиамодополнении новых материалов и технологий в борьбе за легкость, экономность и экологичность.