От мягкой до сверхвысокопрочной — эволюция сталей в кузове автомобиля

От мягкой до сверхвысокопрочной — эволюция сталей в кузове автомобиля
Ликбез | АР №8 2016

Если бы не глобальное оледенение, по Земле до сих пор бы бродили динозавры. А если бы не проигрыш армий Сирии, Египта, Ирака и Иордании в так называемой войне Судного дня с Израилем в октябре 1973 года, то не было бы последующего нефтяного кризиса, то есть топливного бойкота арабскими странами Америки и Европы. И кто знает, как бы пошла тогда эволюция основного кузовного материала — стали?

Вплоть до семидесятых годов прош­лого века кузова по-прежнему производили преимущественно из дешевой низкоуглеродистой стали с высоким содержанием кремния и кислорода — ее еще называют кипящей. Разве что к пятидесятым годам миллиметровые внешние панели для снижения себестои­мости и массы сделали тоньше — толщиной 0,8 мм. А из более качественной спокойной стали, пластичность которой выше благодаря пониженной концентрации кремния и кислорода, штамповали лишь некоторые сложные детали.

Но тут грянула война Судного дня, а за ней — и нефтяной кризис. Очереди на заправках, снижение популярности исконно американских больших, тяжелых и мощных машин... В 1978 году в США ввели средние корпоративные нормы по расходу топлива, известные как CAFE (Corporate Average Fuel Economy). А еще как раз в те времена в Америке всерьез озаботились пассивной безопасностью. И автопроизводители оказались в тисках. С одной стороны, машины должны были стать безопаснее, но с другой — экономичнее. Может, вообще отказаться от стали?

Прогресс металлургии, конечно, не стоял на месте. Сталелитейные компании в те времена уже выпускали автомобильный прокат повышенного качества IF (Interstitial Free, без фаз внедрения) с очень низким содержанием углерода (около 0,002%) и азота и с микролегированием титаном и ниобием. Но в 1975 году, согласно данным аналитического агентства Ducker, на сталь повышенной прочности, в том числе на IF, в конструкции кузова в среднем приходилось менее 5%.

В конце 70-х к интенсивным разработкам в области несущих алюминиевых кузовов приступили Porsche и Audi, а в 1984 году Pontiac Fiero и Renault Espace обзавелись пластиковыми наружными панелями. И вот тут крупнейшие поставщики стального проката задумались. Ведь переход автоконцернов на альтернативные материалы грозил потерей многомиллиардных прибылей!

Несущий кузов проекта ULSAB, спроектированный почти двадцать лет назад, был невероятно передовым. Доля мягких сталей в нем составляла менее 8%, все остальное — обычная «высокопрочка» плюс несколько усилителей из сверхвысокопрочной стали. Масса — около 200 кг. Многие технические решения с успехом применяются и в современных кузовах: так называемые Tailored Blanks, то есть детали из заготовок переменной толщины и прочности, гидроформинг, а также соединения лазерной сваркой и клеем

В начале 1990-х свыше тридцати крупнейших производителей стали и металлопроката, в том числе Nippon, Posco, Tata, Krupp и U.S. Steel, объединились в консорциум под названием ULSAB (Ultralight Steel Auto Body) для разработки облегченного стального кузова. Проект, к которому привлекли компанию Porsche Engineering, стартовал в 1994 году. В качестве точки отсчета инженеры усреднили характеристики нескольких серийных автомобилей того времени, включая BMW пятой серии, Mercedes Е-класса, Хонду Accord и Lexus LS. В итоге масса референсного кузова оказалась 271 кг, а жесткость на кручение — 11500 Нм/градус. Спустя четыре года был сделан опытный образец кузова, в котором суммарная доля высокопрочных (предел текучести 210—550 МПа) и сверхвысокопрочных сталей (свыше 550 МПа) составила 90% при толщине деталей от 0,65 до 2 мм. Массу удалось снизить на 70 кг, а жесткость на кручение выросла в два раза!

А экономический расчет специалистов Porsche Engineering показал, что всего через два года массового выпуска себестоимость таких кузовов будет не выше, чем у тогдашних серийных.

Как мы знаем, это не помешало расширять применение алюминия таким компаниям, как Audi, Jaguar, BMW или Mercedes-Benz. Но самым востребованным кузовным материалом до сих пор остается сталь: консорциум ULSAB собирался не зря.

Впрочем, концерн BMW и без того постоянно увеличивал долю высокопрочных сталей. Если в 1981 году в кузове пятой серии поколения E28 было всего четыре процента «высокопрочки», то через семь лет в Е34 — двенадцать, а в E39, дебютировавшей в 1995-м, — уже сорок.

Сталь получают из чугуна, снижая в нем концентрацию углерода. В первой половине ХХ века производство стали осуществлялось в мартеновских печах. Туда загружали чугун, стальной лом, железную руду и известняк — и плавили шихту, используя коксовый или природный газ. Плавка длилась до десяти часов и требовала большого количества топлива, а качество готового продукта оставляло желать лучшего. Сейчас сталь получают кислородно-конвертерным способом: в огромный сосуд (на фото) заливают жидкий чугун и продувают его технически чистым кислородом. Этот процесс гораздо эффективнее, длится меньше часа и не требует внешнего источника тепла
Сейчас в каталоге крупнейшего в мире производителя стали ArcelorMittal значится больше семидесяти разновидностей проката для автомобильной промышленности. А что в России? Увы, наши металлурги долгое время вообще не могли производить подобный качественный прокат — и лишь в 2011 году окончательно прекратили выплавлять сталь старым и неэффективным способом в мартеновских печах. Хотя в Германии, США и Японии их «потушили» еще в начале 90-х, перейдя на современный кислородно-конвертерный процесс. У нас же тогда только-только освоили выпуск ­IF-проката. А история помнит времена, когда вазовские машины на треть состояли из импортной стали.
Полная версия доступна только подписчикамПодпишитесь прямо сейчас
Подписка на месяц
229
Подписка на год
27481590
я уже подписан

Рекомендованные статьи