Aluminium to materiał, który jest szeroko wykorzystywany w różnych gałęziach przemysłu. Choć jest jednym z najmłodszych metali, ponieważ jego powszechniejsze stosowanie nastąpiło dopiero pod koniec XIX wieku, gdy odkryto stosunkowo tanią i prostą metodę jego pozyskiwania z rudy boksytowej, to ilość jego zastosowań jest ogromna. Z aluminium korzysta się zarówno przy produkcji opakowań od popularnych puszek na napoje po kartony na mleko, soki czy pudełka termiczne, jak i w przemyśle kosmicznym do wytwarzania elementów rakiet czy satelitów. Wiele wyrobów hutniczych z aluminium – prętów czy blach aluminiowych – wykorzystuje się również coraz częściej w przemyśle motoryzacyjnym. Przyjrzyjmy się bliżej roli aluminium w motoryzacji, zobaczmy, jakie są zalety aluminium oraz sprawdźmy, w jaki sposób jest wykorzystywane.
Aluminium to materiał, który jest szeroko wykorzystywany w różnych gałęziach przemysłu. Choć jest jednym z najmłodszych metali, ponieważ jego powszechniejsze stosowanie nastąpiło dopiero pod koniec XIX wieku, gdy odkryto stosunkowo tanią i prostą metodę jego pozyskiwania z rudy boksytowej, to ilość jego zastosowań jest ogromna. Z aluminium korzysta się zarówno przy produkcji opakowań od popularnych puszek na napoje po kartony na mleko, soki czy pudełka termiczne, jak i w przemyśle kosmicznym do wytwarzania elementów rakiet czy satelitów. Wiele wyrobów hutniczych z aluminium – prętów czy blach aluminiowych – wykorzystuje się również coraz częściej w przemyśle motoryzacyjnym. Przyjrzyjmy się bliżej roli aluminium w motoryzacji, zobaczmy, jakie są zalety aluminium oraz sprawdźmy, w jaki sposób jest wykorzystywane.
Początki stosowania aluminium w produkcji maszyn i pojazdów
Produkcja wszystkich powstających w czasach nowożytnych maszyn i urządzeń jest od swych początków nieodłącznie związana z wykorzystaniem różnych gatunków metalu. Stanowiły one podstawę niemal wszystkich konstrukcji – zarówno obudów i korpusów, jak i części ruchomych od pierwszych napędzanych siłą mięśni przekładni zębatych czy ciernych, aż po elementy cylindrów i tłoków maszyn parowych czy podzespoły silników spalinowych. Najbardziej rozpowszechnione stało się wykorzystanie rozmaitych stopów stali, które oferowały znakomitą wytrzymałość na obciążenia statyczne i dynamiczne, w zależności od potrzeb dobrą sprężystość lub sztywność, a przy tym były odporne na działanie wysokich temperatur czy ścieranie wskutek tarcia. Równie istotna była możliwość precyzyjnej i stosunkowo łatwej obróbki mechanicznej – ubytkowej lub plastycznej, a także ulepszania cieplnego.
Wraz z rozwojem technologii i wprowadzaniem coraz to nowych rozwiązań technicznych prowadzących do konstruowania urządzeń mobilnych, w których ważna stała się masa – zwłaszcza w lotnictwie – poważną barierą okazał się ciężar stali. Poszukując możliwości wykorzystania innych metali, konstruktorzy zwrócili uwagę na aluminium i jego stopy. Połączone z domieszką krzemu, manganu czy magnezu zachowywało niewielką gęstość, a przez to małą masę oferując porównywalną do stali wytrzymałość.
Najwcześniejsze zastosowania stopów aluminium w lotnictwie wiążą się już z pierwszym samolotem, który wzbił się w powietrze – Flyer braci Orville’a i Wilbura Wright miał elementy silnika wykonane z tego metalu. Pierwszą konstrukcją, w której aluminium wykorzystano na szerszą skalę był zbudowany w 1917 roku Junkers J4 z pokryciem z duraluminiowej blachy falistej. Stosowanie aluminium bardzo szybko się rozpowszechniło – wykonywano z niego zarówno kratownicowe konstrukcje nośne, jak i pokrycia. W latach 20. i 30. XX wieku coraz częściej pojawiały się samoloty o budowie skorupowej w całości wykonane z aluminium. Dalsze postępy to wykorzystanie aluminium w samolotach wojskowych – poszycie legendarnego polskiego bombowca PZL P37 Łoś było w całości wykonane z blachy ze stopu aluminium.
Aluminium bardzo szybko znalazło zastosowanie również w przemyśle motoryzacyjnym. Pierwsze auto wykonane z aluminium to Bugatti type 10 z poszyciem z nitowanych blach aluminiowych. Choć aluminium nie używano powszechnie, na przestrzeni lat postawało wiele modeli z nadwoziami z tego metalu od Auburna Cabin Speedstera z końca lat 30. XX wieku aż po legendarne Porsche 356 z 1948 roku. Jednak aluminium stosowano nie tylko jako poszycie nadwozia, bardzo szybko zaczęto z niego korzystać przy konstruowaniu innych elementów. Stanowiło ono znakomity materiał na bloki silników i ich podzespoły – używano go np. w klasycznym silniku General Motors V8 215. Aluminium wykorzystywano również do produkcji elementów nadwozia i różnych detali – prawdziwym przełomem stał się jednak model Audi A8 z 1994, którego nadwozie w całości wykonano z tego materiału.
Najważniejsze cechy użytkowe aluminium i jego stopów
Wykorzystanie elementów wykonanych z aluminium jest wciąż droższe niż tych wyprodukowanych ze stali. Aluminium ma jednak szereg właściwości, które sprawiają, że dla producentów aut staje się ono prawdziwym materiałem przyszłości. Podstawowym parametrem aluminium, czyli glinu jest jego gęstość, która wynosi zaledwie 2699 kg/m3, co oznacza, że metal ten jest niezwykle lekki. Parametr ten nie zmienia się również dla jego stopów, nie przekraczając na ogół 2800 kg/m3 – dla porównania stal, w zależności od składu stopu to około 7500–7900 kg/m3. Wadą czystego aluminium jest jednak niezbyt duża wytrzymałość mechaniczna, która może jednak zostać znacznie poprawiona przez wprowadzanie różnych dodatków stopowych. Odporność na obciążenia mechaniczne aluminium wzbogaconego w ten sposób zwiększa się nawet 4-krotnie. Do pierwiastków, które są używane do wytwarzania stopów aluminiowych, należą głównie magnez, krzem, miedź, mangan oraz cynk. Stosuje się także nikiel, chrom, żelazo czy tytan, a także beryl i lit.
Poza niską masą przy znacznej wytrzymałości na obciążenia mechaniczne zaletą stopów aluminium jest także wysoka odporność na korozję. Choć w niesprzyjających warunkach również aluminium może jej w pewnym stopniu ulec, to jego wytrzymałość jest tu nieporównywalnie większa niż powszechnie wykorzystywanych gatunków stali. Odporność na rdzę wynika z tego, że powierzchnia metalu dość szybko samoczynnie pokrywa się warstwą tlenku Al2O3. W wyniku tego procesu metal jest izolowany od dostępu tlenu i wiąże się z obniżeniem potencjału elektrycznego z –1,6 V do – 0,5 V. O ile jednak aluminium dość dobrze radzi sobie z korozją atmosferyczną, to problemem może być korozja elektrochemiczna następująca w niesprzyjających warunkach przy kontakcie ze stalą czy miedzią. W obecności agresywnego chloru, będącego wciąż jednym z podstawowych środków do zimowego utrzymania dróg w postaci chlorku sodu albo chlorku wapnia zniszczenia postępują znacznie szybciej. Połączenia tych metali muszą więc być odpowiednio dodatkowo zabezpieczane, np. przez anodowanie (tzw. eloksalację) wytwarzającą twardszą i grubszą warstwę tlenku, niż ta, która mogłaby powstać w sposób naturalny.
Ważną cechą w przypadku wykorzystywania aluminium w przemyśle samochodowym jest jego podatność na obróbkę mechaniczną i termiczną. Liczy się tu łatwość prowadzenia obróbki plastycznej, szczególnie istotna przy wytwarzaniu różnego rodzaju profili pozyskiwanych dzięki wytłaczaniu lub przeciąganiu czy blach powstających w wyniku wykrawania, gięcia i tłoczenia. Jeśli chodzi o obróbkę cieplną, to w grę wchodzą nie tylko kwestie związane z ulepszaniem powierzchni aluminium przez jego przesycanie czy poprawa struktury możliwa dzięki starzeniu, czy wyżarzaniu, a przede wszystkim bezproblemowe spawanie i zgrzewanie.
Aluminium w branży samochodowej
Podstawową korzyścią ze stosowania w przemyśle motoryzacyjnym aluminium jest znaczne, nawet kilkudziesięcioprocentowe zmniejszanie masy całego pojazdu. Jest to możliwe dzięki zastępowaniu części stalowych, a dodatkową zaletą tego procesu jest uzyskiwanie elementów o sztywności i wytrzymałości, jaka wciąż pozostaje poza zasięgiem popularnych tworzyw sztucznych. Coraz częściej aluminium jest wykorzystywane w elementach, których zadaniem jest pochłanianie energii powstającej podczas zderzeń. Zainteresowanie producentów samochodów wykorzystywaniem aluminium nie wynika jednak wyłącznie z jego korzystnych właściwości, a po części jest spowodowane koniecznością zmniejszania emisji spalin oraz normami narzucającymi limity emisji dwutlenku węgla.
Aluminium znajduje zastosowanie nie tylko w elementach konstrukcyjnych czy poszyciu nadwozia, ale ze względu na dobrą przewodność prądu elektrycznego również w niektórych instalacjach elektrycznych. Ponieważ aluminium charakteryzuje się znakomitym przewodnictwem cieplnym, jest szeroko używane w elementach układu chłodzenia. Wykonuje się z niego przede wszystkim montowane w autach chłodnice. Coraz częściej z aluminium wykonuje się bloki silników i głowice, wiele firm pracuje nad możliwością zmniejszenia kosztów produkcji całych jednostek napędowych – łącznie z korbowodami i tłokami. Aluminium używa się do wykonywania misek olejowych, obudów skrzyń biegów, pomp i niektórych przekładni. Jest używane w konstrukcji zawieszenia i układu kierowniczego. Poza elementami poszycia – błotników, zderzaków, klap i drzwi produkuje się z niego elementy foteli, a także wiele detali związanych z wykończeniem wnętrza i ozdobami karoserii. Od dawna aluminium jest używane do produkcji efektownych felg.
Od czasu rewolucji technologicznej, jaką było wyprodukowanie Audi A8 z w pełni aluminiową samonośną konstrukcją nadwozia, coraz więcej firm decyduje się na szerokie wprowadzanie aluminium do swoich pojazdów. Robią tak zarówno producenci aut osobowych – poszycie aluminiowe od dawna wykorzystuje Land Rover w legendarnym Defenderze i BMW w swojej Serii 5 czy Ford w podstawowym modelu na rynku amerykańskim pick-upie F150, jak i ciężarowych. Aluminium jest też chętnie wykorzystywane przez firmy zajmujące się dostarczaniem zabudów samochodów dostawczych i ciężarówek, a także przyczep samochodowych i naczep.
W przemyśle motoryzacyjnym wykorzystuje się wiele różnych stopów, w zależności od właściwości potrzebnych przy danym zastosowaniu. Używane są stopy serii 4XXX, tzw. siluminy, czyli połączenia glinu z krzemem, charakteryzujące się podwyższoną odpornością na wysoką temperaturę, które mają dobre właściwości odlewnicze. Popularne są stopy serii 5XXX będące połączeniem glinu z magnezem, o średniej wytrzymałości mechanicznej, jednak bardzo wysokiej odporności na korozję. Korzysta się także ze stopów serii 6XXX, w których łączy się glin z krzemem i magnezem, które wprawdzie charakteryzują się jedynie średnią wytrzymałość mechaniczną, ale mają wysoką odporność na korozję oraz dobrą plastyczność. Tam, gdzie ważna jest wysoka odporność na obciążenia mechaniczne stosuje się stopy serii 7XXX, zawierające dodatek magnezu i cynku. Wytrzymałość stopów glinu, magnezu i cynku jest bardzo zbliżona do parametrów stali.
