0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Алюминий против стали

Содержание

Металл в автопроизводстве: алюминий против стали

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.

Использование алюминия в автомобилях и прогноз Alcoa:

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.

Использование разных сортов сталей для разных компонентов кузова Future Steel Vehicle:

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

Читать еще:  ПЗРК-Переносные зенитно-ракетные комплексы разных стран Мира.

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.

Содержание разных сортов стали в кузове Future Steel Vehicle:

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.

Плюсы и минусы алюминиевой рамы для велосипеда и сравнение со стальной рамой

Велосипедная рама призвана удерживать руль перед владельцем, а колеса — под ним. Существует множество форм, металлов, цветов и конструкций рам. Именно рама должна быть первым существенным фактором при выборе всего велосипеда, как при его сборке, так и при выборе готового экземпляра в магазине. Ведь рама определяет предназначение, которое будет выполнять велосипед, посадку наездника, суть и тяжесть обвесов и креплений. Также это оказывает большое значение на конечный вес велосипеда. А какая разница, какого веса будет велосипед?

Какая разница, сколько весит велосипед

Существует три базовых параметра, которые влияют на вес велосипеда — его устойчивость на дорожном покрытии, управляемость во время маневров и инерция. Последний параметр учитывает не только саму инерцию, но и энергию, которую нужно затратить для ее компенсации. Как бы странно это не звучало, но когда падает вес велосипеда, то все эти показатели улучшаются. Здесь не работает правило — чем тяжелее, тем устойчивее, так как приходится часто менять центр тяжести, а инерцию сложнее компенсировать.

Так что вес всего велосипеда крайне важный параметр, а его рама несет большую часть веса.

Она может быть стальной рамой, алюминиевой или хромо-молибденовой. Иногда встречаются титановые экземпляры. Вес зависит не только от рамы, но и от всех частей комплекта в совокупности, а также от назначения велосипеда. Шоссейные варианты весят обычно 8-9 килограмм, горные варьируются — есть облегченные варианты с весом в 9 кг, средние взрослые аппараты весят до 11 кг, а экземпляры для даунхилла могут достигать среднего веса в 20 кг.

Отдельные спортивные велосипеды стоят дорого и весят строго выверенное количество кг, но слишком разнятся в зависимости от производителя и назначения, поэтому бессмысленно указывать средний их вес. Наиболее дешевые велосипеды-солянки из «Ашана» и других крупных гипермаркетов стоят мало, но комплектация у них как правило тяжелая, ненадежная и негармоничная. Кататься на таком будет неудобно, тяжело и он быстро придет в негодность, а ремонту они, как правило, не подлежат.

Стальная рама

Как стальная рама, так и рама из различных сплавов с участием стали имеют примерно одинаковый вес. Для того, чтобы рама была максимально прочной, в сплав добавляют хром или молибден. Такая добавка позволяет также делать необычные конструкции рамы — утонченные посередине и утолщенные к краям. Это делает раму более легкой и удобной, а интересный внешний вид привлекает внимание особенно в сочетании с оригинальным цветовым решением. По сравнению с алюминиевыми трубами для рамы эти получаются тоньше и эластичнее.

При использовании стальной рамы пропадает необходимость в установке на велосипед карбоновой вилки или рамы. Ведь чем будет гибче выполненная рама, тем дольше она будет служить своему хозяину. Для туристического велосипеда это будет лучшим вариантом, так как они недорогие, но при этом отлично поддаются мелкому ремонту. Проблема велосипеда из стали заключается в легком обретении коррозии и более тяжелым весом по сравнению с рамой из алюминия. К преимуществам этой рамы из такого материала можно отнести:

  • Отличную инерцию — после того, как владелец прекратил крутить педали, велосипед долгое время сохраняет отличную скорость;
  • Мягкая стальная рама — сталь смягчает силу удара и вибрацию, в сочетании с карбоновой вилкой превращает езду на велосипеде в сплошное удовольствие;
  • Изгиб — часто рама из стали изгибается под непривычными углами, что отлично помогает на поворотах;
  • Долговечность и отличная способность к ремонту материала — помочь сможет каждый второй сварщик.
Читать еще:  Электрошокер кобра (police 1106): цена, отзывы, разновидности

Но такая рама имеет и небольшое количество недостатков, среди которых увеличенный вес — в самых облегченных вариантах такая рама будет весить на 1 — 1,5 кг больше, чем другие варианты.

Резкий разгон на такой раме тоже не получится.

Рама из алюминия

Сейчас чаще всего изготавливаются велосипеды с алюминиевой рамой. Такие экземпляры легче, более отзывчивы к неровностям дороги, недороги как в ремонте, так и в покупке, а еще они не подвержены коррозии. Жесткость и вес у такой рамы будет лучше, чем у стальной, но сам металл будет иметь меньшую плотность. Алюминиевая рама получается легкой и жесткой, хотя сам диаметр больше у трубы. Если сравнивать со сталью, то увеличение диаметра труб такой рамы приведет к более жесткому варианту, но вместе с тем и на порядок легче.

Ощущаться изменение жесткости практически не будет, но если это ощущается, то можно поставить на велосипед карбоновые вилки, которые будут смягчать дорогу.

К преимуществам алюминиевой рамы можно отнести:

  • Лучшее среди возможных соотношение между весом и стоимостью конечного результата. Самая низкосортная рама не весит больше 2 кг, а хорошего качества — не более 1,5 кг;
  • Резкий и хороший разгон на любой местности;
  • Алюминий не подвергается коррозии металла;
  • Является лучшим вариантом для велосипедистов с большим весом.

Недостатки этой рамы прямо противоположны достоинствам рамы из стали.

Какую раму выбрать на велосипед: алюминиевую или стальную?

Рама для велосипеда является опорной частью, так как к ней прикреплены все главные составляющие. 70 % нагрузки приходится на раму, именно поэтому конструкция должны выполняться из качественных материалов.

Для многих владельцев главным критерием является вес изделия, чем он меньше, тем удобнее управлять средством. Масса напрямую зависит от материала, поэтому выбирать байк следует исходя из этого критерия, учитывая плюсы и минусы каждого.

Что прочнее — алюминий или сталь?

Сталь намного прочнее алюминия, из-за этого стальные детали больше по весу.

Алюминиевые рамы изготавливают не из чистого металла, а с добавлением различных элементов. Зачастую сплав включает примеси хрома, цинка, титана, марганца, железа, что улучшает характеристики деталей. Чаще всего при изготовлении велосипедных рам, применяют сплавы из алюминия таких марок: 7005 и 6061.

Какую раму выбрать на велосипед?

Стальная рама, плюсы и минусы

Для выполнения стальных рам используют такие виды:

  1. Сталь обыкновенная.
  2. Углеродистая сталь.
  3. Сталь, легированная хромом и молибденом.

Сталь обыкновенного качества. Имеет самые низкие свойства, поэтому велосипеды невысокой стоимости. Такой материал быстро портится, рама ржавеет,и велосипед теряет пригодность.

Рамы из углеродистых сталей имеют хорошие прочностные свойства, а также стойки к коррозии. Они достаточно гибкие, поэтому на дороге сглаживают все неровности. Такие конструкции идеально подходят для обычной езды, а также для выполнения трюков. Углеродистая сталь выдерживает большие нагрузки, вплоть до 150 кг.

Легированные стали позволяют сделать конструкцию более надежной, прочной и легкой. Чаще всего стали для выполнения рам легированы молибденом и хромом. Молибден влияет на структуру стали, делая её мелкозернистой, за счет этого повышается прочность. Хром придает коррозионную стойкость.

Цена на такую раму начинается от 400$. Высокая стоимость самый существенный недостаток, именно поэтому такие велосипеды не пользуются спросом.

Преимущества рам из стали:

  • высокие показатели прочности, жесткости;
  • долговечны;
  • выдерживают удары;
  • просты в обслуживании;
  • в отличие от алюминиевых рам, стальные не накапливают усталость. Это свойство позволяет не ломаться элементу в один момент, поэтому велосипедист может вовремя заметить трещину и заменить поврежденную деталь;
  • ремонтировать стальные конструкции достаточно легко, для этого необходима лишь сварка;
  • велосипеды имеют небольшую стоимость;
  • физические свойства позволяют гасить вибрации при движении.

Недостатки стальной рамы:

  • ощутимый вес конструкции;
  • конструкции из обычной стали быстро подвергаются коррозии;
  • из-за появления ржавчин, необходимо тщательно ухаживать за велосипедом: окрашивать поверхность, не оставлять под дождем и снегом, и регулярно смазывать.

Алюминиевая рама, плюсы и минусы

Чаще всего для изготовления рам используют алюминиевые сплавы. Такой материал делает конструкцию более легкой и отзывчивой к недостаткам дороги, а также стоек к коррозии. Алюминиевые сплавы превосходят сталь по жесткости, но они имеют меньшую плотность.

Преимущества рамы из алюминия:

  • маленький вес рамы. Низкосортные конструкции весят около 2 кг, а качественные до 1,5 кг;
  • хорошие характеристики стоят наряду с небольшой стоимостью;
  • велосипед разгоняется быстро на любой местности;
  • не подвергаются коррозии;
  • выдерживают большой вес.

Недостатки этой рамы прямо противоположны достоинствам рамы из стали:

  • Несмотря на быстрый разгон, они также стремительно теряют инерцию.
  • Некоторые модели не поглощают вибрации от дороги, поэтому езда может стать мучительной.
  • Накапливают усталость, поэтому поломка может произойти в любой момент.
  • Большинство поломок практически невозможно починить.

Отзывы велосипедистов

Не каждый велосипедист может с первого раза правильно подобрать раму. Необходимо иметь достаточно опыта, для того чтобы ориентироваться в материалах.

Сварка алюминия со сталью: особенности сварочного процесса, способы и применяемые технологии

Сварку алюминия со сталью часто применяют в радиоэлектронике, авиации и производстве бытовой техники.

Особенности сварки алюминия со сталью

Соединение этих металлов позволяет изделиям из них совмещать их преимущества. Если нужно получить качественный сварной шов, обязательна подготовка металлов перед сварочным процессом и соблюдение технологии сварки.

Сварка алюминия и его сплавов со сталью имеет свои нюансы:

Читать еще:  Изготовление меча: тайны древних кузнецов-оружейников, дамасская и булатная сталь

Качественное сварное соединение должно обладать пластичностью не ниже, чем у стали, и прочностью не ниже, чем у алюминия.

Для соединения алюминия и стали чаще всего используются аргонодуговая сварка с неплавящимся электродом или сварка через биметаллические вставки. В промышленности также используют сварку взрывом, диффузионную, лазерную, электронно-лучевую и точечную сварки.

Сварка алюминия со сталью аргонодуговым способом

Перед началом сварочного процесса кромки металлов рекомендуется очистить и нанести на них защитное покрытие. Самое доступное по цене из них — цинковое.

Присадочный материал в этом случае — проволока марки АД1 из алюминия с присадкой кремния (он хорошо влияет на формирование диффузионной прослойки стабильного качества) или проволока из сплава АК-5.

Важно! АМг-6 не рекомендуют применять, поскольку эта присадка дает низкую прочность сварного шва.

Чтобы подготовить стальную деталь к сварке, для стыкового соединения нужно скосить кромки под углом 70° для максимальной прочности соединения.

Кромки нужно тщательно очистить пескоструем или механически обработать, затем нанести поверхностный слой.

Аргонодуговую сварку алюминия и стали отличает расположение дуги: в начале сварки первого прохода оно удерживается на присадочном прутке, а в процессе сварки последующих проходов — на присадочном прутке и образующемся валике. Это обезопасит покрытие от преждевременного выгорания.

Во время сварочного процесса важно последовательно накладывать валики шва (зависит от вида соединения).

  • сварка МИГ — происходит на постоянном сварочном токе обратной полярности;
  • сварка ВИГ — бывает и на переменном сварочном токе, и на постоянном токе прямой полярности.

Величина сварочного тока должна зависеть от толщины свариваемого металла:

  • до 3 мм: 110-130 А;
  • 6-8 мм: 130-160 А;
  • 9-10 мм: 180-250 А.

Техника выполнения сварных швов

Для соединения алюминия и стали нужно выбирать способ техники сварки углом вперёд, с углом наклона электрода от вертикали вдоль оси сварного шва 40-45 градусов.

Важно правильно выбрать скорость сварки, поскольку от неё зависит, сколько между собой будут взаимодействовать жидкий алюминий и сталь. Это напрямую влияет на толщину и стабильность соединительного слоя.

Скорость сварки необходимо выбирать максимально возможной: не менее 7 м/ч для сварки первых проходов многопроходных сварных швов и не менее 12 м/ч для однопроходных и последующих проходов многопроходных сварных швов. На это есть причины:

  • интенсивное образование интерметаллидов во время длительного контакта стали и алюминия на высоких температурах;
  • интенсивное образование корунда и рост зоны слабины;
  • интенсивное выгорание цинка.

Сварочные и наплавочные швы нужно выполнять без поперечных и возвратно-поступательных колебательных движений. Присадку в сварочную ванну нужно подавать со стороны оцинкованной стали для уменьшения выгорания цинка.

Горелку нужно смещать относительно стыка сварного шва в сторону алюминия или алюминиевого сплава на 1-3 мм. Это связано не только с уменьшением выгорания цинка, но и с тем, что, обладая высокой теплопроводностью, алюминий нагревается и расплавляется значительно медленнее, чем сталь и цинк, который её покрывает.

Послесварочная термическая обработка сварного соединения нежелательна, температура его эксплуатации не должна превышать 270 градусов. В противном случае, толщина прослойки может увеличиться, что приведёт к снижению динамической прочности или разрушению сварного шва.

Сварка через биметаллические вставки

Биметаллические переходные материалы (вставки) — это алюминиевые элементы, к которым уже прикреплен другой материал.

Для сварки вставок чаще применяют стандартные технологии — GMAW и GTAW.

Стальную сторону вставки нужно приварить к стали, алюминиевую — к алюминию. В процессе важно не перегреть вставки, иначе образуется хрупкое интерметаллическое соединение на стыке стали и алюминия внутри вставки.

Разрушение сварного шва, содержащего интерметаллиды происходит, как правило, ещё во время горения сварочной дуги. Но даже если шов не разрушится в процессе или в конце сварки, он напомнит о себе, когда изделие будут эксплуатировать.

Сначала лучше варить алюминий с алюминием. Это позволит увеличить отвод тепла при сварке стали со сталью и не допустит перегрева на участке соединения стали с алюминием.

Этот способ часто применяют, когда хотят получить качественные сварные швы. Подобную технологию используют в судостроении.

Другие способы сварки алюминия со сталью

Лазерным способом пользуются не только для создания миниатюрных соединений, но и для того, чтобы получить длинные швы, например, в автомобильной промышленности. Этот способ позволяет тонко управлять тепломощностью импульсного лазерного излучения.

Чтобы получилось нахлёсточное соединение, нагрев лазером нужно вести со стороны стали. Она нагреется до температуры, когда алюминий уже расплавится, но останется твёрдой.

Прочность швов можно повысить с помощью присадки на основе алюминия.

Диффузионная

В этом сварочном процессе соединяемые детали не расплавляются. Но из-за их продолжительного контакта на высокой температуре образуются интерметаллидные фазы.

Электронно-лучевая

На сталь наносят буферные покрытия из титана, никеля и циркония: тогда сварочный процесс будет успешен.

Точечная контактная

Хорошее точечное соединение стали и алюминия получается не всегда, даже если варить на конденсаторных машинах с жестким режимом разряда.

Этого можно избежать, применив промежуточную биметаллическую ленту. Полученные точечные соединения по прочности можно сравнить с клепаными.

Сварка взрывом

Соединения алюминия и стали, которые получаются при взрывном сварочном процессе, применяют на верфях Японии, Польши, США, Великобритании, Франции и других стран в качестве промежуточного элемента, который потом приваривают к основным материалам изделия.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector