АВТОМОБИЛЬ + ЛЕГКИЕ СПЛАВЫ = АВТОМОБИЛЬ
БУДУЩЕГО

АВТОМОБИЛЬ + ЛЕГКИЕ СПЛАВЫ =
АВТОМОБИЛЬ БУДУЩЕГО

Константин МИХАЛЕНКОВ, докторант
Национального технического университета
Украины

Не секрет, что главной задачей в
автомобилестроении является создание
автомобиля с улучшенной топливной
экономичностью, уменьшенными атмосферными
выбросами и с оптимально уменьшенной массой. По
мнению ведущего специалиста одной из крупнейших
мировых компаний по производству и обработке
цветных металлов Norsk Hydro А. Хафсетта, снижение
массы – ключ технологических разработок для
автомобильного сектора. К результативному
снижению массы автомобиля приводит
использование последних достижений
материаловедения, а именно: применение в
конструкциях алюминиевых и магниевых сплавов, а
также композитов на их основе или с полимерной
матрицей. И это уже успешно подтверждается на
практике. Если среднестатистическая модель
автомобиля образца 1992 года содержала не более 80
кг алюминиевых деталей, то к 2000 году эта доля
возросла до отметки 120 кг (рис. 1). Например, при
общем весе 1236,1 кг серийная модель Audi A6 содержит 143
кг алюминиевых (11,6%) и 14,6 кг магниевых (1,2%) деталей
(рис. 2).

Использование новых сплавов в конструкции
автомобилей основывается, с одной стороны, на
социальном заказе на энергосбережение, экономию
природных ресурсов и охрану окружающей среды, а с
другой стороны, присутствием на
металлургическом рынке большого количества
прогрессивных материалов и процессов их
обработки или соединения, удовлетворяющих
требования автопроизводителей.

Фактически к такому положению привели три
последовательно свершившиеся
материаловедческие революции. Первая из них
затронула алюминиевые сплавы (60-70 годы) и
позволила увеличить их свойства до уровня
средней прочности сталей. Началом бума
композиционных материалов были ознаменованы 80-е
годы, а последнее десятилетие вывело магниевые
сплавы из зоны небольшого стабильного
потребления в материалы повышенного спроса как
для научных поисков, так и для практического
применения.

В области алюминия новый качественный скачок
привел к появлению высокопрочных и
экономнолегированных сплавов, а также новых
процессов их обработки и соединения, легких
алюминиево-литиевых сплавов (плотность –
2,5кг/см3). По заказу автостроителей были
специально разработаны сплавы, обладающие
прекрасной деформируемостью и не
разупрочняющиеся в процессе сушки после
покраски машины.

Широкомасштабные исследования композиционных
материалов с металлической матрицей, к
сожалению, не полностью оправдали ожидания
инженеров, потому что за уникальностью тех или
иных достигаемых эксплуатационных показателей
кроется пока неприемлемая для серийного
производства стоимость этих материалов.
Наибольшее разочарование преподнесли литые
композиты. Все выигрыши, которые дарит литейная
технология при литье композитов (максимальное
приближение к форме готовой детали, отсутствие
дополнительных обработок и т.д.) очень часто
сводятся на нет взаимодействием между
упрочняющим наполнителем и матричным металлом.
Собственные данные автора показали, что при
литье композита типа Al-Zn-Mg/SiC частицы большая
часть твердой фазы изменила свою первоначальную
форму, и вблизи поверхностей раздела
матрица/частица присутствуют продукты реакции в
виде шпинелей или оксидов. В результате
происходит изменение состава и, как следствие,
свойств упрочняющей фазы, что не позволяет
достигнуть теоретически прогнозируемых
характеристик материала. Предотвращение
взаимодействия требует многостадийной
предварительной обработки порошков второй фазы
и автоматически повышает стоимость изделия.

Магний является самым легким из всех
конструкционных материалов, а сплавы на его
основе обладают почти наивысшими показателями
отношения прочность (жесткость)/плотность.
Материалы этой группы также имеют хорошую
электропроводность и высокие характеристики
поглощения вибрации. Такой набор положительных
свойств магниевых сплавов не мог не привлечь
внимания конструкторов автомобилей, в
особенности после появления технологий их литья
под давлением. В настоящее время 80% всех отливок
из магниевых сплавов, полученных с применением
давления, потребляется автомобилестроительными
предприятиями.

Жизнь показала, что, несмотря на все исторические
перипетии продвижения легких сплавов на
автомобильный рынок, процесс вытеснения
традиционных сталей и чугунов новыми
материалами все же идет. И с каждым днем все
увереннее и результативнее. Попытаемся
проследить основные исторические вехи и
тенденции этого процесса.

Алюминиевые сплавы

На протяжении веков наши предки считали алюминий
чудесным металлом, возводя в ранг белого золота и
приписывая ему различные магические свойства.
Анализ материала гробницы китайского полководца
Шу Чу (III-й век до н.э.) показал, что на 85% она
выполнена из алюминия. Более поздняя легенда о
"дьявольском серебре" , описанная Плинием
Старшим, относится ко второму тысячелетию до
рождества Христова. Однажды к римскому
императору Тиберию явился странник с необычным
подарком в виде кубка, который блестел как
серебро и был очень легким. Мастер объяснил, что
необычный металл был получен им из глины.
Опасаясь того, что новый металл может обесценить
золото и серебро, император приказал обезглавить
изобретателя и разрушить до основания его
мастерскую. Сейчас тяжело утверждать,
действительно ли существовал этот странный
мастер и его кубок. Однако, подобное отношение к
научному прогрессу (не напоминает ли это наши
дни?) привело к тому, что следующее упоминание об
алюминии датируется только XVI веком нашей эры в
работах немецкого врача и химика Парацельса. О
более или менее значительном выпуске алюминия
можно говорить, начиная с середины XIX века (в
период 1854-1890 гг. во всем мире было произведено
около 200 тонн алюминия), когда некоторые
царственные особы европейских дворов
красовались перед придворными в алюминиевых
коронах (особенно гордился таким венцом король
Дании Христиан X) или устраивали банкеты, на
которых места самых почетных гостей
сервировались алюминиевой посудой (учитывая, что
цена этого металла в то время составляла порядка
1000 USD за килограмм). Уходят в прошлое придания
старины глубокой, а чудо-металл все больше
вторгается в нашу повседневную жизнь.

По установившейся традиции авиастроители
считают неоспоримым свой приоритет в
использовании алюминиевых сплавов, щеголяя
блестящими обшивками современных лайнеров.
Однако, по мнению автора, пальму первенства в
использовании алюминия следует отдать
автомобилистам. Зрители Берлинского автосалона
уже в 1899 году (т.е. за 4 года до легендарных полетов
братьев Райт и за 20 лет до появления алюминиевой
обшивки самолета) могли увидеть неказистый DURKOPP,
кузов которого был полностью выполнен из
алюминиевого сплава. К началу XX века алюминий
производился в шести странах мира, а до 1914 года в
этот список добавились еще десять.

Уже до начала Первой мировой войны алюминиевые
сплавы как конструкционные материалы смогли
завоевать устойчивый интерес у
автомобилестроителей. Один из патриархов
автомобилестроения Готтлиб Даймлер в 1912 году
получил медаль парижского автосалона за
автомобиль с алюминиевой рамой, а в 1914 году
снабдил свою гоночную машину алюминиевыми
поршнями. В 1909 году Pierce-Arrow провела первое в своем
роде экстремальное испытание своей модели с
алюминиевым кузовом. Боевое крещение
заключалось в том, что автомобиль, привязанный к
железнодорожному локомотиву, был сброшен с
насыпи. Результаты приятно удивили: при
серьезной деформации передней части машины
пассажирский салон остался практически не
поврежденным.

Суровое время Первой мировой войны оттянуло
усилия инженеров от автомобильных проблем и
переориентировало алюминиевую промышленность
на все, что стреляет, летает и взрывается, поэтому
новые достижения крылатого металла в
автомобилестроении приходятся на начало 30-х
годов, когда по гоночному кольцу берлинского
автодрома AVUS Берндт Розмайер на серебряной
стреле концерна Auto Union SHW (предок современных Audi)
промчался со скоростью 276 км/ч. Кузова этих стрел
выполнялись из дюралюмина – сплава алюминия с
медью, магнием и марганцем, изобретенного в 1911
году немцем Вильмом. К этому времени серийно
выпускаемые автомобили уже содержали в себе как
минимум 84 детали, изготовленные из алюминиевых
сплавов. В 1937 году концерн BMW выпустил
двухместную модель 328 (похожую практически как
братья-близнецы на современную Z3) с алюминиевым
кузовом.

Зазеленевшие в 30-е годы побеги на поле
алюминиевого автомобиля были полностью
уничтожены засухой Второй мировой войны. Весна и
лето 1945 года, естественно, не принесли никаких
серьезных новшеств в автопромышленность, за
исключением запрета держав-победителей на
производство вооружения в Германии и появления
на дорогах туманного Альбиона нового
внедорожника Land-Rover DEFENDER. Его стальная рама была
обшита панелями из алюминиевого сплава, который
попал к автостроителям в виде несобранных боевых
самолетов.

Накопленный ранее опыт немецких автостроителей,
подкрепленный союзническими деньгами в виде
"плана Маршалла", позволил им в сравнительно
короткий срок поднять из руин автомобильную
промышленность и серьезно подумать о
разнообразных новациях. Так, из 1400 выпущенных
после войны Mercedes Benz 300 SL – 29 машин имели кузов из
алюминиевых сплавов.

Технический прогресс шел своим путем, но все же
металл, отлично прижившийся в авиа- и
судостроении, оставался еще слишком дорогим для
серийно выпускаемых автомобилей. Примеры
использования алюминиевых деталей в серийно
выпускаемых автомобилях по состоянию на 1979 год
показаны в табл. 2.

Расчет экономичности применения алюминиевых
сплавов в конструкции автомобиля в основном
базируется на разнице в их удельном весе по
сравнению с традиционно используемыми сталями и
чугунами. Так, если все детали из алюминиевых
сплавов на различных марках автомобилей,
выпускаемых, например, в США, свести к одной
модели, то их общая масса составит 227 кг. Так как 1
кг алюминиевого сплава способен заменить 2,5 кг
стали, то 227 кг алюминия могут заменить 667 кг
стали, т.е. выигрыш в массе составит, ни много ни
мало 340 кг. По сравнению с "безалюминиевым"
автомобилем такая замена уменьшила бы расход
топлива на 30-40%. Кажущийся примитивным расчет,
подкрепленный высокой коррозионной стойкостью
алюминия, делает его применение в конструкции
автомобиля вполне оправданным.

Не прошло и 35 лет, как на Франкфуртском
автосалоне (1981 год) сын Фердинанда Порше (кстати,
признанного лучшим инженером века) Ферри
представил Porsche 928 с алюминиевым кузовом, который
был на 142 килограмма легче, чем серийный стальной,
и при этом сопровождался гарантией от коррозии
на 300 тыс. километров пробега. Увеличившаяся на 30%
цена такого автомобиля не смущала создателей.
Просчитав все преимущества, дарованные
применением алюминиевых сплавов, они заключили,
что его средний срок службы составит порядка 20
лет, количество неутилизируемых материалов
будет сокращено с 70 до 40%, и, как следствие, машина
обойдется владельцу на 15% дешевле, благодаря
выносливости и экономичности. Для сравнения,
примерно в этот же период серийный автомобиль
производства США содержал только 60 кг
алюминиевых деталей, а японский – 36 кг.

Походив вокруг Porsche, покачав головой,
представители ведущих мировых автогигантов
разъехались по штаб-квартирам с одной мыслью: а
чем мы хуже? И к середине 80-х годов на полную
мощность уже работал возглавляемый из
Ингольштадта (штаб-квартира Audi) центр,
создававший новую концепцию алюминиевого
автомобиля с несущей конструкцией кузова,
выполненной в виде пространственной рамы (space-frame
конструкция).

Здесь необходимо заметить, что сама идея такого
подхода не нова. Еще в 1934 корпорация Chrysler при
создании модели AIRFLOW использовала
пространственную раму, напоминающую каркас
металлического моста. Но 70 лет назад мысли о
создании такой конструкции из алюминиевых
сплавов были уделом только теоретиков
автостроения. Наши дни кардинально изменили
ситуацию. Немецкие инженерные решения,
подкрепленные сплавами от ведущего мирового
производителя алюминия Alcoa и скандинавским
опытом в обработке (компания Hydro Aluminium –
отделение Norsk Hydro), позволили Audi в 1985 году на
Ганноверской ярмарке серьезно удивить и
озадачить автоконкурентов. Шоу было совершенно
простым, но в комментариях не нуждалось: две
привлекательные девушки без труда поднимали на
руки несущий кузов Audi 100, выполненный полностью
из алюминиевых сплавов (включая двери, капот и
крышку багажника). К сожалению, в то время это
зрелище у простого автомобилиста кроме слез
умиления не вызывало больше ничего, потому что
цена такого автомобиля доходила до уровня
среднего РОЛЛС-РОЙСА. Здесь хочется отметить, что
если Ферри Порше, представляя алюминиевый
вариант 928-й модели, исходил из концепции
ориентированной на выпуск дорогих, оснащенных
последними инженерными достижениями спортивных
моделей, то концепция AUDI была в большей степени
ориентирована на массовое производство и
потребителя со средним достатком. И не беда, что
первые образцы стоили умопомрачительно дорого. В
1985 году была сделана серьезная заявка на
вытеснение стали из несущей конструкции машины.

В 1991 году на токийском автосалоне Audi-строителям
снова удалось удивить зрителей. Читатели,
наверное, хорошо помнят дебют автомобиля с
корпусом, полностью выполненным из
полированного алюминия. Речь идет о модели Audi AVUS
(рис. 3). Являясь, несомненно, шоу-каром, эта модель
поражала не только зеркальным блеском капота.
Под обшивкой скрывался V-образный (с тремя рядами
цилиндров) шестилитровый двигатель мощностью 509
л.с. При массе автомобиля 1250 кг она развивала 340
км/ч, а до 100 км/ч разгонялась за 3 секунды.

Через 2 года на Франкфуртском автосалоне был
представлен прообраз серийной модели – Audi ASF,
содержащий принципиально новое решение несущих
конструкций, выполненных по технологии Audi Space-Frame
(рис. 4), а весной 1994 начат серийный выпуск модели
А8 с кузовом из алюминиевых сплавов. Каждый
автомобиль содержит фирменную эмблему ASF в
проеме двери, свидетельствующую о
принадлежности к алюминиевой элите.

Сочетание пространственной рамы, выполненной из
алюминиевых профилей с отлитыми из алюминиевых
сплавов узлами, по словам одного из участников
этого проекта со стороны Hydro, позволяет
существенно увеличить жесткость корпуса при
потенциально возможном снижении массы
автомобиля на 40-50% (в случае А8 снижение массы
составило до 60% в зависимости от комплектации).
Проведенный этой фирмой тест показал, что при
лобовом ударе на скорости 50 км/ч
пространственная рама из алюминиевых сплавов
получила деформацию на 20% меньше, чем у серийно
производимой модели, а пассажирский салон не
деформировался вообще. При тяжелом столкновении
с боковым смещением с бетонным блоком на
скорости 55 км/ч А8 показала превосходную
стабильность, а в случае столкновения задней
частью кузова деформировалось только багажное
отделение. Такие возможности были достигнуты,
конечно же, не только благодаря применению
алюминиевых сплавов, а и специально
разработанной конструкции корпуса, которая
одновременно с несущими элементами включает
специальные ударопоглотители (шок-абсорберы),
сминающиеся при ударе, выполненные также из
алюминиевых профилей. Они расположены в носовой
части корпуса и вдоль всего пассажирского салона
и, по мнению создателей, являются очень
эффективными. Именно в этом месте напрашивается
параллель с крэш-тестом Pierce-Arrow 1909 года и
вспоминается старая мудрость, что все новое –
хорошо забытое старое.

Столь чудесные свойства алюминиевые конструкции
имеют благодаря высокой пластичности металла,
т.е. способности деформироваться, не разрушаясь.
Эта характеристика для большинства алюминиевых
сплавов выше, чем у рядовых конструкционных
сталей. По информации Audi компенсация
энергетических затрат на производство алюминия
начинается после пробега 60 тыс. км, а в случае
использования вторичных сплавов экономия
энергии начинается сразу за порогом магазина.

Нельзя однозначно сказать, премьера ли ASF или
присутствие на рынке большого спектра
алюминиевых сплавов, ориентированных на
применение в автопромышленности (табл. 3), привели
к появлению в последние 10 лет алюминиевых
автомобилей практически от каждого крупного
производителя.

По праву этот список возглавляет уже серийно
выпускаемая Audi A8 c пространственной алюминиевой
рамой. Полный вес корпуса А8 с дверями, капотом,
крышей и багажником – 210 кг, что на 140 кг меньше
стального. Конструкция кузова содержит 245
компонентов, из них 62,5% деталей из жести, 18,4% –
прессованных профилей и 19,2% отливок, выполненных
литьем в кокиль и под давлением.

В 1989 году на токийском автошоу была представлена
новая Honda NSX – первый в мире автомобиль с
полностью алюминиевым корпусом (основные
характеристики показаны в табл. 4а и б).
Триумфальное шествие алюминия продолжили Jaguar XJ
220, Mazda AZ 550 Sports, кузов которой на 100% выполнен из
алюминиевых сотовых конструкций, Ford PROBE V, Mercury
CYCLONE, BMW Z3 (комбинированный кузов – алюминиевая
рама обшитая пластиковыми панелями) и Е1
(прототип электромобиля), Citroen SM. Рама и обшивка
эксклюзивного Aston Martin LAGONDA выполнены из
деформированных на сверхпластичность
алюминиевых сплавов.

Известнейший производитель спортивных
автомобилей Ferrari в 1988 году представил модель 408.
Элементы ее кузова и обшивка были выполнены из
алюминиевых сплавов. Однако можно считать, что
эта модель явилась, по сути, данью новым
тенденциям автомобилестроения без каких-либо
серьезных новаций во всех остальных узлах
машины. Ferrari 408 прошла по страницам автожурналов,
промелькнула в некоторых металлургических
обозрениях, но большой славы, в отличие от таких
моделей, как TESTAROSSA, не снискала. Озадаченные
тосканские инженеры углубились в раздумье,
которое длилось 11 лет. Новый плод
спортивно-дорожного искусства был назван F360 MODENA.
Рама, обшивка, подвеска и другие жизненноважные
элементы, включая оформление салона F360,
выполнены из алюминиевых сплавов. Вес каркаса
уменьшился на 70 кг по сравнению со стальным
прототипом. Обратной стороной такого новшества
явилась невозможность использования прекрасно
зарекомендовавшего себя 10-цилиндрового
двигателя от гоночного болида F1. Однако и при
новом 8-цилиндровом двигателе с рабочим объемом
3568 см3 MODENA показывает прекрасные динамические
характеристики (макс. скорость – 295 км/ч, разгон
до 100 км/ч – 4,5 с).

Выступая оплотом стабильности (по иным взглядам
– консерватизма) в автопромышленности, Daimler-Benz
подошли с осторожностью к алюминию и представили
модель 500SL, оснащенную только крышей салона из
алюминиевых сплавов.

Безупречным лидером в создании легковых
автомобилей с алюминиевыми рамами и кузовами
является компания Audi, которая вслед за А8 на
Франкфуртском автосалоне в 1997 году представила
алюминиевый концепт-кар Audi A2 (масса – 810 кг со
всем оборудованием), который спустя два года на
том же салоне был заявлен в номинации серийных
автомобилей малого класса. Создатели пророчат
ему судьбу первого самого массового автомобиля,
имеющего полностью алюминиевый кузов.
Необходимо добавить, что эту модель считают
одним из первенцев широко пропагандируемого
PIV-класса (Personal Independent Vehicle – персональное
независимое средство передвижения).
Разрабатываемая фирмой Hydro Aluminium Automotive GmbH
концепция PIV предполагает, что идеальной моделью
будет автомобиль длиной 2,8 м, массой 400 кг,
рассчитанный на 2 пассажира и багажное отделение.
Предусматривается также электромоторный
вариант этой машины.

На фоне концепции Space-frame, выступающей сейчас как
одно из наиболее революционных достижений в
создании супер экономичного автомобиля
(потребление топлива на уровне 3 литра на 100 км),
другие достижения на пути снижения массы
автомобиля кажутся на первый взгляд менее
значительными. Алюминиевыми дисками,
экономящими "всего" 14 кг веса, уже никого не
удивишь, но такие новинки, как шатуны из
алюминиевых сплавов или поршни без маслосъемных
колец, блок цилиндров или клапанные тарелки из
композиционных материалов на основе алюминия –
все больше обращают на себя внимание
конструкторов.

Одним из примеров, наглядно иллюстрирующих, как
композиты становятся одними из важнейших
материалов автостроения, может быть информация,
предоставленная фирмой Revmaster Avuation (Калифорния,
США). В 1987 году ее исследовательский центр взял
курс на создание перспективных материалов на
основе алюминия для элементов двигателей
внутреннего сгорания. Уже через год был
представлен шатун, который по внешнему виду
ничем не отличался от обычного стального, только
был в 2,5 раза легче и при нагревании практически
не изменял своих размеров. Секрет такого
волшебства оказался достаточно прост. Этот шатун
был выполнен из алюминиевого сплава, который для
повышения прочности "нафаршировали"
керамическими волокнами (карбид кремния) и его
испытания показали, что за счет снижения трения
на 10% может быть уменьшен диаметр шейки
коленчатого вала. Прогнозируемая экономия
топлива только за счет замены стальных шатунов
на композиционные составит порядка 5% (в среднем
0,97 км/л).

Следующий год принес новый сюрприз – фирма
представила поршневую группу, изготовленную из
алюминиевого композита для трекового байка Suzuki GS
1100. Каждый из поршней не содержал и намека на
канавки под поршневые кольца и был проточен на
минимальный зазор (0,005 мм в верхней части юбки). За
год байк участвовал в 100 гонках, а в перерывах
между ними тестировался в лаборатории при 11000
оборотов двигателя в минуту. После столь
серьезных испытаний сами создатели были приятно
удивлены тем, что их "подопытные кролики"
износились только на 0,0001 мм в зоне юбки при том,
что в течение всего времени испытаний поршневую
группу ни разу не заклинило. Неудовлетворенные
окончательно инженеры вернули поршни на место и
устроили состязание на скорость с аналогичной
моделью мотоцикла, оснащенной серийными
поршнями, изготовленными из высококачественного
заэвтектического сплава Al-Si. Дистанция
составляла всего 400 м, которые экспериментальный
Suzuki промчался за 8,55 секунд, а серийный байк – за
9,2 секунды.

Еще одним серьезным достижением в использовании
композиционных материалов стал блок цилиндров.
Высокая теплопроводность алюминиевой матрицы
обеспечивает более эффективное охлаждение
блока, и за счет этого толщина стенки между
цилиндрами может быть уменьшена. Для двигателя
мощностью 150 л.с. экономия веса блока цилиндров по
сравнению с отлитым из серого чугуна составит 50%,
а с отлитым из алюминиевого сплава с чугунными
гильзами – 20%.

Перечисленные на первый взгляд чудесные новинки,
к сожалению, чаще всего являются предметами
выставочных экспозиций и стендов достижений той
или иной лаборатории. Потому что цены таких
новаторств, как алюминиевые шатуны или
композиционные поршни, сейчас не устроят даже
относительно обеспеченного потребителя, и, надо
полагать, еще не скоро, к сожалению, эти детали
станут доступны массовому авторынку. Но хочется
верить, что зародившееся в начале века сочетание
"алюминий и автомобиль" ждет самое хорошее
будущее.

Магниевые сплавы

Одной из основных проблем, над которой сушили
головы древние алхимики, был поиск
"философского камня", т.е. вещества,
способного превратить любой металл в золото.
Направлений поиска было много. Одни считали, что
создать такое вещество можно путем кипячения
расплавленного свинца в виноградном спирте,
другие предлагали использовать мочу животных,
обладающую якобы способностями к
золотопроизводству, третьи утверждали, что
истина – в воде. Скорее всего, это именно так,
когда вода "правильная". Такую
"правильную" воду в конце XVIII века нашел один
английский алхимик вблизи города Эпсом. При ее
выпаривании он получил белую соль, обладающую
горьким вкусом и слабительным действием. Точно
такой же порошок, по свидетельствам тех лет,
получался при прокаливании минерала из
окрестностей греческого города Магнезия. Это
сходство и дало название эпсомской соли – белая
магнезия. В 1808 году молодой англичанин Дэви,
анализируя белую магнезию, получил новый
химический элемент, названый в последствии
магнием. Торжества по случаю открытия нового
элемента не сопровождались фейерверками, потому
что устроители еще не знали о чудесных
пиротехнических свойствах вновь открытого
металла.

Однако не только за способность легко
воспламеняться магний снискал уважение
конструкторов. Будучи в 1,5 раза легче алюминия и
4,5 раза легче стали, он устойчив против
воздействия щелочей, бензина, керосина и
минеральных масел и, благодаря этому, в последние
годы выступает на арене автомобилестроения как
первейший потенциальный кандидат, способный
потеснить алюминиевые сплавы в конструкции
автомобиля. Использование магниевых сплавов в
конструкции автомобиля открывает очень широкие
возможности для уменьшения массы, не снижая при
этом прочности, что особенно важно, жесткости и
гибкости конструкции. Прямое следствие снижения
веса – уменьшение расхода топлива со всеми
вытекающими экономическими и экологическими
выгодами. Именно такое положение и определяет
повышенный интерес к использованию магниевых
сплавов для изготовления деталей и узлов
автомобилей и замены этими материалами
традиционных, изготавливавшихся из чугуна, стали
или алюминия. Детали из магния обладают высокими
пластическими характеристиками,
обеспечивающими им высокую сопротивляемость
смятию и ударную вязкость в сочетании с
повышенной усталостной прочностью. При этом
нужно отметить его хорошую способность
поглощать шум и вибрацию. Изготовление деталей
из магниевых сплавов путем механической
обработки не представляет никакой сложности,
однако проще всего их отливать под давлением.
Литейными методами можно получать детали самых
сложных конфигураций. Наглядным примером этому
является отлитый под давлением из магниевого
сплава корпус коробки передач VW PASSAT весом 12,7 кг.

В этом месте уместно вернуться в прошлое.
Применение отливок из магниевых сплавов в
автомобилестроении насчитывает 40-летнюю
историю. Легендарный BEETLE Фольксвагена уже имел
магниевые картер коробки передач и блок
двигателя. 20 лет назад литые из магниевых сплавов
колеса стали стандартным набором модели Alfa Romeo
SPIDER. При этом на каждом колесе экономия веса
составляет ни много ни мало 3,5 кг в сравнении с
алюминиевыми (8,54 кг против 12). Нижний кронштейн и
держатель подшипника рулевой колонки моделей Ford
того времени также были отлиты из магния. Такая
новация Ford’а заслуживает особого внимания,
потому что дает возможность наглядно
представить трудности, с которыми сталкиваются
инженеры при выборе материала. Рулевая колонка
во время лобового столкновения автомобиля
должна легко сминаться при соударении с грудной
клеткой водителя или, иными словами, в
конструкцию колонки заложены два, по сути,
противоположных требования – быть достаточно
прочной в обычных условиях движения и
становиться легкоподатливой при столкновении.
Именно применение сплава магния с добавками
алюминия, марганца и циркония позволило создать
такую противоречивую конструкцию.

Последующие достижения были более чем скромными
и могут быть сведены к тому, что серийный
американский автомобиль на сегодняшний день
содержит только 3 кг деталей из магниевых
сплавов. Европейские производители несколько
превзошли заокеанских конкурентов,
нафаршировав, например, Audi A6 15 килограммами
магния, что составляет 1,2% общей массы автомобиля.
Наиболее сложной и массивной является отливка
корпуса коробки передач (12,7 кг). Остальные
магниевые детали выглядят более скромно (части
руля – 0,9 кг, скелет руля – 0,6 кг, корпус замка
зажигания – 0,3 кг), но позволяют в наилучшей
степени проявиться всем положительным свойствам
этого металла.

Начало 90-х годов руководители исследовательских
центров крупнейших автопроизводителей назвали
ренессансом магния. Мировой магниевый рынок уже
насыщен как исходным сырьем, так и созданными
мощностями для производства сплавов.
Разработаны новые составы магниевых сплавов с
высокими механическими характеристиками (AZ91HP на
базе системы MgAl9Zn1, AS21HP – MgAl2Si1, AM50HP – MgAl5Mn). Все это
отразилось в активности крупнейших компаний по
вовлечению этой группы материалов в свои модели.
Если в случае алюминиевых сплавов пальма
первенства покинула американский континент, то в
случае магния Ford и Chrysler решили взять реванш при
непосредственной поддержке норвежской
корпорации Hydro как основного поставщика мания и
отливок из него. Интересно, что эта же компания
очень сильно помогла Audi в создании алюминиевого
авто. Каркас приборной панели Chrysler PROWLER целиком
отлит из магниевого сплава и весит 12 кг, что на 6
кг легче применявшейся ранее сварной трубчатой
конструкции. Ford MYSTIQUE и Ford CONTOUR имеют магниевые
блоки рулевых колонок, а Ford TAURUS – само рулевое
колесо. За такие новации Ford Motor Company был удостоен
первой премии Международной магниевой
ассоциации.

Не отстали от коллег и General Motors. Их концепция
использования магния имеет два магистральных
направления. Первое – компоненты сидений
(направляющие, рама спинки, рама сидения и т.п.).
Так, все компоненты сидений второго и третьего
рядов таких минивэнов, как Chevrolet VENTURE, Pontiac TRANS SPORT,
Oldsmobile SILLHOUETTE и Opel/Vauxhall SINTRA, отлиты полностью из
магниевых сплавов. Второе направление – панели
инструментов. Один цельнолитой корпус приборной
панели заменяет от 40 до 60 стальных и пластиковых
деталей и снижает ее вес с 28 до 10 кг. Зная о
лидирующем положении компании Ford в применении
магния, идеологи GM считают, что ситуация в
ближайшие годы существенно изменится, и им
удастся выровнять положение магниевых дел на
континенте.

Стараются не отстать от заокеанских конкурентов
европейские производители. Модели VW PASSAT, Audi A4, A6
по суммарному количеству содержат даже большее
количество магниевых деталей, чем американский
автомобиль, хотя их общий вес несколько ниже.
Новый двигатель V6 Mercedes Benz имеет впускной модуль и
крышку головки блока цилиндров, которые
выполнены из магниевого сплава.

Подводить какие-либо итоги применения магниевых
сплавов в автомобилестроении явно
преждевременно, так как ренессанс только начался
и с каждым месяцем набирает силу. Хочется
добавить, что таких фантастических успехов, как
магниевый кузов или обшивка, ожидать не
приходится в связи с технологическими
проблемами получения крупногабаритных деталей.
Тут алюминий пока незаменим. Но большой перечень
мелких деталей, начиная от держателей воздушных
подушек до крепления CD-проигрывателя или
усилителя, с успехом могут быть выполнены из
магния. А каждая такая замена ведет к экономии
топлива и ко всем вытекающим отсюда
положительным моментам.

Такова в общих чертах картина применения легких
сплавов в мировом автомобилестроении. Надо
полагать, что и украинские автостроители
постараются не остаться в стороне от мирового
прогресса. Тем более, что у страны есть все
возможности производить автодетали из
алюминиевых или магниевых сплавов. А хорошие
отечественные авто нам, ох, как нужны!

1. такое название имел алюминий в XVI веке

2. – пер.с англ. – Пронзающая стрела (прим.
автора).

Рисунок 1. Потребление алюминиевых
сплавов в автомобилестроении

Таблица 1. Взаимосвязь между
социальным запросом и требованиями к автомобилю
и к качеству материалов для его изготовления

Таблица 2. Элементы корпуса
автомобиля, изготавливаемые из алюминиевых
сплавов (по состоянию на 1979 год)

Таблица 3. Химический состав
алюминиевых сплавов для рамы и обшивки корпуса
автомобиля

* – сплав типа 30-30, разработанный
компанией "Sumitomo", имеет предел текучести
300МПа и относительное удлинение – 30%. Впервые был
использован в 1985 году для изготовления капота
автомобиля Mazda RX-7. В последующем сплав был снят с
производства из-за ухудшения способности
деформироваться после длительного хранения при
комнатной температуре. Основная причина –
эффект естественного старения. Его заменил сплав
системы AlMgCu с теми же механическими
характеристиками.

Таблица 4 а. Характеристики кузова HONDA
NSX (обшивка, включая все навешенные движущиеся
части)

Таблица 4 б. Полная характеристика HONDA
NSX