1. Типы и конструктивные особенности кузовов легковых автомобилей
1.4. Материалы, используемые для изготовления кузовов
Требования, предъявляемые к материалам кузовов. Для обеспечения производственной и эксплуатационной надежности кузовов все материалы (металлы и их сплавы), из которых они изготавливаются, должны отвечать определенным требованиям, в частности иметь высокую усталостную прочность, высокие противокоррозионные свойства, хорошие прочностные качества в сочетании с необходимыми пластическими свойствами.
Стали. Основной материал для изготовления большинства деталей — листовые стали марок 08Ю и 08КП, обладающие наибольшим относительным удлинением, что обусловливает их применение для штамповки и исключает образование трещин и складок. Специальным требованиям к пластичности отвечают стали с содержанием углерода менее 0,1 % и суммарным содержанием фосфора и серы менее 0,07 %.
Необходимая толщина листов, обусловленная действующими нагрузками, — 0,55...0,88 мм для внешних деталей облицовки и 1,25...1,50 мм для несущих деталей корпуса (лонжеронов, стоек и др.). Преобладающая толщина — 0,75...1,0 мм, отдельные части кузова могут иметь толщину до 3,0 мм.
Соединение отдельных деталей кузова производится с помощью лазерной сварки, обеспечивающей абсолютно гладкие швы. Фланцы, подверженные активному коррозионному воздействию, обрабатываются специальными пастами (поливинилхлорид или эпоксидная смола) в зоне расположения точечных швов.
Некоторые кузовные детали автомобилей, наиболее подверженные коррозии (крылья, брызговики, пороги и др.), для наружной защиты от ржавчины изготавливают из специальной стали — цинкометалла с одно- или двусторонним двухслойным покрытием, состоящим из неорганического слоя на хромовой основе и цинконасыщенного слоя на эпоксидной основе.
В настоящее время применяют панели кузовов с цинковыми покрытиями двух видов:
гальванические покрытия с цинковым слоем толщиной 7,5 мкм с каждой стороны;
покрытия толщиной 10 мкм с каждой стороны листа, полученные способом горячего цинкования в ваннах при температуре 450 °С.
Второй вид покрытия — более дешевый, обеспечивает толщину слоя 60...120 мкм и применяется в основном для изготовления несущих элементов (рам, лонжеронов и др.). Для деталей с таким цинковым покрытием не предусматривается последующее окрашивание.
Детали, требующие высокой степени отделки окрашиванием, имеют покрытие, полученное погружением в легированный горячий цинково-железный расплав.
Листовая сталь, гальванизированная цинково-никелевым сплавом, имеет противокоррозионную стойкость в 3 раза выше, чем цинковое покрытие.
Для изготовления деталей системы выхлопных газов применяется алюминированная сталь, полученная погружением в горячий алюминиево-кремниевый расплав. Теплостойкость и коррозионная стойкость такой стали, оцениваемая по коэффициенту образования коррозии, близка к теплостойкости нержавеющей стали (например, для простой листовой стали он равен 1,0, оцинкованной — 0,928, алюминированной — 0,301, нержавеющей стали — 0,275).
Высокие противокоррозионные свойства имеет листовая сталь из свинцово-оловянного сплава, обладающая хорошей способностью к пайке.
Для снижения уровня шума в салоне применяется демпфирующая листовая сталь, имеющая структуру типа «сэндвич», в которой между двумя стальными листами находится слой упруговязкой смолы толщиной 40...80 мкм.
Стальной листовой материал для современных автомобилей подвергается электролитическому или термическому цинкованию.
Электролитическое цинкование (рис. 1.25) позволяет наносить тонкий, однородный по толщине слой цинка. Стальную ленту пропускают через ванну с электропроводной жидкостью, содержащей ионы цинка. В ванну помещают две положительно заряженные цинковые пластины — аноды. Протягиваемая над ними отрицательно заряженная стальная лента выполняет роль катода. Проходящая в ванне электрохимическая реакция приводит к осаждению цинка на поверхность стального листа. Материал, образующийся в результате электролитического цинкования, обычно используют для изготовления наружных деталей кузова.
Рис. 1.25. Схема технологического процесса электролитического цинкования
Термическое цинкование (рис. 1.26) стального листа является менее дорогим способом. Стальную ленту пропускают через ванну с расплавленным цинком (температура плавления цинка — около 450 °С). В результате термического цинкования на поверхности стального листа образуется очень тонкий слой сплава железа с цинком, а поверх него — слой цинка. Толщина нанесенного с обеих сторон покрытия составляет около 10 мкм. В результате горячего цинкования на поверхности металла появляются разводы, образованные оксидами цинка. Эти дефекты полностью устраняются благодаря последующему пропусканию оцинкованной стальной полосы через валки. Тем не менее, оцинкованный горячим способом материал не может использоваться для изготовления наружных панелей кузова.
Рис. 1.26. Схема технологического процесса горячего цинкования
Из него обычно выполняют внутренние, невидимые снаружи детали, например элементы основания кузова.
Преимущества оцинкованного листа проявляются при изготовлении штампованных деталей. При штамповании происходит натягивание цинковой пленки на кромки заготовок, благодаря чему создается хорошая защита особо подверженных коррозии поверхностей деталей кузова.
Для снижения массы кузова при сохранении его прочности в современных автомобилях применяют высокопрочную кузовную сталь, доля которой в верхней и нижней частях кузова составляет 50...60 %. Использование такой стали позволяет снижать массу применяемых деталей кузова на 25 %.
Прочностные характеристики стального листа (предел прочности при растяжении, сопротивление разрушению, предел упругости) обычно зависят от марки стали. Главным отличительным признаком высокопрочного стального листа является повышенный предел текучести при растяжении по сравнению с обычными марками. Прочность стали достигается различными добавками, технологиями выплавки, упрочнением.
Легированная сталь. Это сталь, содержащая очень малые количества (сотые доли процента) легирующих добавок — ниобия и титана.
Рефосфатированная сталь. При ее производстве сначала полностью извлекают фосфор, который обычно ухудшает свариваемость, а затем повышают прочностные свойства за счет введения минимального (до 0,1 %) количества фосфора.
Двухфазная сталь (DP). Повышение прочности такой стали осуществляется за счет образования мартенсита.
Алюминиевые сплавы. Стремление облегчить автомобильный кузов привело к идее его изготовления из различных алюминиевых сплавов. Алюминий имеет малую плотность (2,7 г/см3), а также высокую устойчивость к коррозии благодаря образованию естественного оксидного слоя.
Прогресс в технике материалов сделал возможным использование специальных термообработанных сплавов алюминия в несущих элементах кузова автомобиля благодаря их высокой прочности и способности к энергопоглощению.
Листовой алюминий давно используется в авиационной промышленности. Из него изготавливают также кузова-фургоны грузовых автомобилей. Одно из преимуществ применения алюминиевого листа — отсутствие необходимости окрашивания готовой продукции. Однако поскольку к внешнему виду легковых автомобилей предъявляются повышенные требования, их кузова (независимо от того, из какого материала они изготовлены) обязательно должны быть окрашены. Область использования листового алюминия в автомобильной технике в перспективе, вероятно, будет ограничиваться главным образом теми деталями кузова, к которым предъявляются требования легкости и одновременно жесткости (капот, двери, крышка багажного отсека и т.п.). Впервые цельноалюминиевый кузов применила фирма Honda в 1991 г. В конструкции концептуальных автомобилей компаний Audi и Daimler-Benz используются каркасы из прессованных алюминиевых профилей. Масса кузова модели Audi А8 за счет этого снижена до 810 кг.
Концерн Volkswagen при создании автомобиля Lupo 3L благодаря применению легких сплавов снизил массу передней двери на 26 кг, задней — на 4,65, капота — на 4,2, крыльев — на 3,4, спинки сиденья — на 7,0 кг.
Листовой материал из чистого алюминия без специальных легирующих добавок, основными из которых являются магний и кремний, слишком мягок и поэтому не может применяться в производстве автомобильных кузовов. Несмотря на введение легирующих добавок алюминий сохраняет преимущество перед стальным листовым материалом, поскольку удельный вес алюминиевых сплавов не превышает 1/3 от аналогичного показателя стали.
Сплавы на основе алюминия почти не подвержены коррозии. На их поверхности под воздействием кислорода воздуха образуется оксидная пленка (рис. 1.27), защищающая основной металл от разрушения. Если эту защитную пленку разрушить, то она обычно образуется вновь. Но иногда разрушенный защитный слой бывает не способен к восстановлению. Это происходит в том случае, если в непосредственный контакт с алюминием вступает другой металл. Вследствие разных электрических потенциалов металлов между ними возникает гальваническая пара, что приводит к коррозии алюминия.
Рис. 1.27. Зависимость толщины s оксидной пленки от времени T пребывания на воздухе
Таким образом, если при изготовлении и восстановлении алюминиевого кузова для соединения его деталей использовались болты и гайки, не покрытые специальным защитным составом, то может произойти корродирование алюминия.
Коррозия деталей из алюминиевого сплава может быть вызвана также растворами кислот и щелочей.
Алюминиевые сплавы являются очень хорошими проводниками электрического тока и характеризуются высокой теплопроводностью. Электрический ток проходит через них в 5 раз быстрее, чем через проводник из железа, а теплота поглощается втрое быстрее. Этими свойствами алюминия определяется и специфика соответствующих сварочных работ. Аппараты для контактно-точечной сварки не могут использоваться для соединения алюминиевых деталей, поскольку в этом случае потребуется ток в 3 раза большей силы. Даже если значительно увеличить продолжительность сварки, создать сварную точку все равно не удастся, поскольку теплота на границе контакти-руемых поверхностей будет слишком быстро рассеиваться в окружающую среду и подлежащий свариванию алюминий не будет плавиться.
Алюминиевые сплавы не обладают магнитными свойствами. Температура их плавления составляет около 640 °С, т.е. значительно ниже температуры плавления стали (примерно 1500 °С). К тому же нагрев алюминия не сопровождается появлением цвета побежалости. В связи с этим при тепловой обработке алюминия следует соблюдать особую осторожность, иначе он расплавится без какого-либо предварительного размягчения. Сплавы на основе алюминия удобно утилизировать и подвергать вторичной переработке. Кроме того, этот металл не ядовит.
Среди новых материалов, активно завоевывающих автомобилестроение, следует назвать пеноалюминий — чрезвычайно легкий, жесткий, с высоким энергопоглощением при столкновении. Металлические пенистые структуры обладают и высокими характеристиками, обеспечивающими шумоизоляцию и термостойкость, однако стоимость деталей из такого материала выше, чем у стальных, примерно на 20 %.
Разработан новый материал AAS трехслойной структуры, способный кардинально изменить конструкцию кузова и снизить его массу до 50 %.
Полимерные материалы. Некоторые детали кузова, например бамперы, молдинги, люки, спойлеры, решетки радиаторов, облицовки надколесных ниш, колпаки, могут изготавливаться из полимерных материалов (пластмасс).
Большой интерес представляет новый пластиковый материал под маркой Fibropur. В его состав входят полиуретан и натуральные волокна (лен и сизаль в равных пропорциях). Детали из такого пластика отличаются легкостью, жесткостью, ударной вязкостью и меньшей стоимостью по сравнению с деталями из полиуретана.
В Японии разработан самовосстанавливающийся полимер, который предполагается использовать для изготовления бамперов автомобилей. В новый полимер добавлены группы молекул тритиокарбоната. Это связки из одного атома углерода и трех атомов серы. Под воздействием ультрафиолетового облучения две молекулярные структуры нового материала распадаются и вновь образуют соединения (рис. 1.28). Проще говоря, разрезанный на части полимер под воздействием света вновь срастается в единое целое.
Рис. 1.28. Схема самовосстановления полимера:
а — до разрушения; б — после разрушения ультрафиолетом
Замена металлических узлов и деталей на пластиковые позволила уменьшить стоимость их производства. В результате уже на нынешнем этапе создаются условия для снижения себестоимости автомобиля на 20...30 %.
В настоящее время 48 % всех пластмассовых деталей в легковом автомобиле приходится на внутреннюю отделку кузова.
Однако пластмассы применяются и в других агрегатах автомобилей (например, самоклеящиеся листовые материалы для повышения жесткости и прочности кузова из тонких стальных листов, оконные стекла из поликарбоната, которые на 40 % легче, всасывающие патрубки из полиамида на двигателях).
В последнее время производители транспортных средств все большее внимание обращают на химические способы соединения узлов и деталей автомобиля. Так, компания Chrysler разрабатывает концептуальный автомобиль с кузовом из термопластов, соединенных с рамой специальным клеем.
Более подробно структура полимерных материалов рассмотрена в § 7.1.
