Обозрение. Занимательное материаловедение: из чего же, из чего же…

МОЕ СЛОВО – ЖЕЛЕЗНОЕ

Стальная «клетка», стальные же навесные панели… Вы так представляете основу своего автомобиля? Кстати, сталь в современных авто изрядно отличается от той, что использовали всего 10–15 лет назад. Стимулом к поиску новых компонентов для сплавов стала тотальная борьба с лишним весом. Как следствие, все большее распространение получают высокопрочные низкоуглеродистые стали с пределом прочности выше 210 МПа. Улучшенные физические свойства металла позволяют делать детали тоньше и, следовательно, легче, при этом прочность конструкции не снижается.

Пластиковый впускной коллектор не только облегчит двигатель на пару килограммов, но и удешевит его производство.

В числе ведущих разработчиков облегченных стальных конструкций – консорциум ULSAB, включающий 35 компаний из 18 стран. Новые сплавы, созданные предприятием, впервые использовали в автомобилях «Порше», а сегодня их можно найти, например, в «Опеле-Астра» или «трешке» БМВ. Участники проекта утверждают: благодаря металлургическим ноу-хау им удалось снизить массу кузова на 25% (!), при этом жесткость на кручение возросла на 70–80%, и это далеко не предел. Однако не все разделяют «стальную» веру в светлое будущее.

Клапаны и пружины из легкого титана служат намного дольше стальных.

Одно из решений проблемы лишнего веса позаимствовали в авиации – детали кузова и некоторые элементы подвески делают из сплавов на основе алюминия. Детали из «крылатого» металла при той же прочности на 60% легче стальных. Рады и специалисты по безопасности: алюминий при столкновении поглощает на 50% больше энергии. Кроме того, изготовленные из этого металла панели не требуют дополнительной антикоррозийной обработки. Да и штамповать их можно на тех же прессах, что и стальные, не меняя дорогостоящее оборудование. Неужели алюминий настолько хорош? Да, если не учитывать цену сырья: детали в среднем вдвое дороже стальных. По этой причине легкие кузовные панели применяют хотя и давно, но лишь на недешевых машинах, в их числе «Феррари», «Ягуар», «Мерседес-Бенц»… Встречаются и полностью алюминиевые кузова, как на «Ауди-А8» и малышке «Ауди-А2».

Крышка клапанного механизма – прекрасный подопытный объект. В зависимости от пристрастий создателей ее отливают из стали, алюминия или магниевых сплавов.

Из алюминия делают немало других, скрытых от взгляда деталей: усилители бамперов, защитные брусья в дверях, каркасы сидений, трубопроводы… Двигатели, наконец!

Используют автомобилестроители и другие металлы. Каркасы сидений и передней панели, головки цилиндров и картеры коробок передач, выполненные из магниевых сплавов, легки и прочны. Ведь в сравнении с алюминием этот металл обладает более высокой жесткостью, при этом его плотность гораздо меньше – 1,81 против 2,7 г/см ³. Например, масса блока двигателя из магниевого сплава АМС-SC1, разработанного в Австралии, всего 14 кг, то есть он на 70% легче чугунного и на 25% – алюминиевого! Но детали из магниевых сплавов требуют особой коррозионной защиты, поскольку окисная пленка не защищает их от воздействия влаги.

Эксперименты с материалами порой приводят к неожиданным результатам: крышу концепта «Мерседес-Бенц F500» сделали из стекла. Пробный шар оказался удачным: сейчас такое решение встречается и на некоторых серийных автомобилях.

Все большее распространение получают изделия из титана. Из него делают пружины подвески, многие детали двигателя – клапаны и их пружины, шатуны, крепежные элементы. Некоторые производители уверяют, что титановые клапаны серьезно уменьшают потери на трение в газораспределительном механизме, а значит, повышают КПД мотора и снижают расход топлива. Например, титановые шатуны спортивной «Хонды-NSX» на 30% легче стальных, что позволило поднять частоту вращения коленвала на 700 об/мин.

Несмотря на многочисленные достоинства, ни магний, ни титан пока массово не применяют – дорого.

Но так было поначалу со многими инновациями.

ОТ ИГРУШКИ К РЕАЛЬНОСТИ

Современные автомобили все более похожи на игрушечные машинки: доля пластиковых деталей растет постоянно. Идея использовать пластмассу в автомобилестроении не нова. Немцы экспериментировали с ней еще в конце 1930-х, когда мирное производство в Германии испытывало острый дефицит металла. В 1955 году свет увидел первый серийный автомобиль с кузовом из фенольнопресольформальдегидной смолы (дуропласт) – «Цвиккау-Р70». Это был предшественник «Трабанта».

Внутреннее пространство каталитического нейтрализатора заполнено керамикой. Соты наполнителя покрывают тончайшим слоем платины (реже – палладия или родия).

Долгое время немалой популярностью у автопроизводителей пользовался один из первых композитных (состоящих из основы и связующего компонента) материалов – фиберглас, он же стеклопластик. Из армированного стекловолокном полимера еще совсем недавно делали не только самолеты, но и автомобильные капоты и крылья.

С тех пор многое изменилось, в частности фенолформальдегидные смолы уступили место термопластичным связующим, но выполнить актуальные экологические требования это уже не поможет.

Полностью алюминиевая рама кузова позволяет сэкономить до 300 кг массы, что компенсирует растущее количество дополнительного оборудования и помогает сделать автомобиль более экономичным.

На смену фибергласу приходят другие, еще более прочные и легкие пластики, например усиленный углеволокном полиамид, в просторечии «карбон». Активные работы по внедрению углепластика в массовое производство ведет американский Совет в области автомобилестроения (USCAR) в тесном сотрудничестве с компаниями «Крайслер», «Форд» и «Дженерал моторс». «Мазда» устанавливает капот, крылья и двери из полиамида и параллельно работает над новым поколением так называемого биопластика. Для производства этого перспективного материала нужны совершенно неожиданные компоненты – пластиковое вторсырье и деревянная стружка!

Один из первых материалов в жизни автомобиля – пластилин. Благодаря ему можно увидеть облик еще не существующей модели и проверить ее аэродинамические характеристики.

Благодаря впечатляющим свойствам современному пластику находят все новые области применения. Термостабильность некоторых полимеров позволяет изготавливать из них даже огнестрельное оружие. Значит, их можно использовать и в автомобиле! Например, отливать впускной коллектор, который в несколько раз легче металлического. Новое применение нашли и особо прочному пластику. Например, опорой для торпедо 500-сильного «Доджа-Вайпер» служит конструкция из углепластика. Благодаря этому кузов спорткара обладает отличной прочностью и жесткостью на кручение. А французские инженеры отважились изготовить из карбона днище популярного «Рено-Меган». Но самое оригинальное применение высокопрочным пластикам придумали в Швейцарии: кузовом концептуального одноместного «Ринспида-Экзасис» стала капсула из прозрачного поликарбоната.

ВСЕГО ПОНЕМНОГУ

Попробуйте отгадать, что общего между техническим углеродом, силиконом, рапсовым маслом, стеарином и кукурузой. Они необходимы для изготовления автомобильных шин! Итак, сажа придает покрышке прочность и долговечность, кремниевая кислота нейтрализует пагубное воздействие углерода на окружающую среду, рапсовое масло увеличивает ресурс, стеариновая кислота необходима для вулканизации резины, а крахмал из кукурузы уменьшает сопротивление качению. Еще более неожиданные материалы разбросаны по всему автомобилю. Например, для шумоизоляции салона широко используют не только вспененный полиуретан (который, кстати, прочно прописался в подушках сидений), но и битум. На раму спортивного «Моргана-Аэро 8», выполненную из алюминия, даже сейчас, в ХХI веке, навешивают деревянные панели – из ясеня. Кое-где можно обнаружить сходство… с кухонной посудой: обивки сидений и салонные коврики части моделей «Крайслер» сделаны из материала Yes!Essentials, пропитанного тефлоном, благодаря чему дольше остаются чистыми. И конечно, современные авто немыслимы без драгоценных и редких металлов: в сотах каталитического нейтрализатора и на электродах свечей зажигания можно встретить платину, палладий, иридий и родий. Золото не только обеспечивает надежную проводимость электрических соединений, но и помогает вырабатывать ток в топливных элементах экологически чистых автомобилей. А еще – кожа, замша и даже… бриллианты, которые используют для украшения машин. Впрочем, это уже иная тема.

Наверняка сталь в ближайшие годы не сдаст позиций, но легкие металлы и пластик будут ее теснить. А может, произойдет некий прорыв – появится абсолютно новый недорогой, легкий и прочный материал. Фантастика? Наверное, Карл Бенц, расскажи ему о композитах, сказал бы то же самое…

Продолжение темы (пример «Мазды») – в следующем материале.

МЫ ЗА ЦЕНОЙ НЕ ПОСТОИМ!

За использование самых дорогих материалов, увы, придется заплатить. Потенциальному покупателю суперкара «Наталиа-SLS2» от компании «ДиМора» нужно будет выложить примерно 2 млн. долларов за автомобиль с мотором V16 мощностью около 1200 л.с. и кузовом из… вулканического камня! Точнее, из пластика на основе базальтового волокна, обладающего отличными прочностными свойствами. Правда, есть одно «но»: пока машина существует лишь на бумаге. Тем не менее очередь желающих расстаться с кругленькой суммой уже выстраивается.

СКОЛЬКО-СКОЛЬКО?

Специалисты Национального исследовательского совета США выяснили, что для производства среднестатистического автомобиля в 2006 году потребовалось:

963 кг стали (кузов и двигатель),

109 кг алюминия (кузов и двигатель),

23 кг угля (производство стали, резины и пр.),

19 кг меди (проводка и электроника),

19 кг кремния (стекла),

11 кг свинца (аккумулятор),

10 кг цинка (выплавка стали),

8 кг марганца (выплавка стали),

4,5 кг молибдена (выплавка стали),

4 кг никеля (декоративные элементы + антикоррозийная обработка),

2 кг магния (электроника, выплавка стали),

0,9 кг серы (шины),

0,45 кг ванадия (выплавка стали),

около 3 г платины (каталитический нейтрализатор, электроды свечей),

6 баррелей (около 954 л) нефти (пластиковые детали и отделка салона).

Кроме того, в автомобиле присутствуют мизерные порции тантала, индия, галлия, кадмия, теллура и лития.