CC BY
18
ПРИМЕНЕНИЕ
УДК 621.777
ПРИМЕНЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РЕМОНТЕ НАЗЕМНОГО И ВОДНОГО ТРАНСПОРТА В РФ
Ю.А. Горбунов, докт. техн. наук (ООО «СИАЛМет», e-mail: gia@sial-group.ru)
Приведены результаты освоения производства изделий из алюминиевых сплавов и применения их на отечественных машиностроительных и ремонтных предприятиях в базовых элементах конструкций автомобилей, подвижного железнодорожного состава, городского транспорта, судов речного и морского транспорта, а также в интерьере и экстерьере этих транспортных средств.
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, литые и штампованные диски колес, оконные и дверные блоки, перегородки, спальные и багажные полки, панели облицовки, интерьер.
The Use of Aluminium Alloy Products for Production and Repair of Surface and Water Transport Vehicles in Russian Federation. Yu.A. Gorbunov.
The results of development of manufacture of aluminium alloy products and their use in domestic machine builders and repairers as basic structural elements of motor vehicles, railway rolling stock, public transport vehicles, river and sea transport, and also for interior and exterior of these vehicles are presented.
Key words: aluminium alloys, cast and forged wheels, window and door frames, privacy walls, sleeping and luggage racks, lining panels, interior.
В мировой практике одной из наиболее емких областей потребления полуфабрикатов из алюминиевых сплавов (АС) является транспорт, в котором, по данным различных источников, их используется в среднем около 18 млн т. При этом по прогнозам специалистов прирост потребления алюминия в мировом транспорте уже в 2016 г. превысит 1,5 млн т. Кроме авиации и ракетной техники, на которые традиционно делался основной упор в отечественных научно-технологических разработках, в мире значительная часть полуфабрикатов из АС потребляется такими отраслями транспортного машиностроения, как автомобиле-, локомотивостроение,пассажирское и грузовое вагоностроение, производство городских видов транспорта и судостроение.
В отличие от авиационной техники, где подавляющее количество применяемых изде-
лий производится из высокопрочных алюминиевых сплавов, в этих отраслях транспортного машиностроения более востребованы среднепрочные силумины и деформируемые сплавы групп 5ххх и 6ххх, которые более технологичны и экономичны в производстве. Как по объемам потребления полуфабрикатов из АС в отраслях наземного и водного транспорта, так и по номенклатуре сплавов, применяемых для их производства, РФ значительно отстает от многих стран мира. Так, в европейском стандарте DIN EN 573-3:2009-08, регламентирующем химический состав деформируемых сплавов, насчитывается более 40 сплавов только системы легирования Al-Mg-Si, что не сопоставимо больше, чем в отечественной нормативной документации. Страна, находящаяся в группе мировых лидеров по производству алюминия, по его по-
-Ф-
ПРИМЕНЕНИЕ
треблению на душу населения уступает примерно в 3 раза Германии, в 5 раз Японии, в 6 раз США. В настоящем обзоре дана общая оценка современного применения АС в различных видах транспорта и приведены результаты некоторых работ по промышленному освоению производства транспортных компонентов, проведенных на предприятиях РФ в последние годы.
Автомобилестроение. Алюминиевый прокат в мировом автомобилестроении получил достаточно широкое применение для изготовления кузовов, гасителей ударов, элементов ходовой части и значительной номенклатуры навесных деталей - панелей дверей, крышек капота и багажника и т. п. Как правило, на один автомобиль приходится более 150 кг изделий из алюминиевых сплавов. Известны примеры серийно производимых автомобилей, содержание алюминиевых сплавов в которых превышает 500-600 кг с сохранением тенденций к дальнейшему росту.
В ряде развитых стран законодательно поставлены задачи по существенному снижению расхода топлива легковыми автомобилями (например, в США до 1 л на 20 км к 2025 г.), что предопределяет дальнейшее активное проведение работ частными фирмами по развитию составов АС и применению их в конструкциях изделий этого вида транспорта.
Предполагается, что в итоге более 18 % автомобилей будут иметь полностью алюминиевые кузова по сравнению с 1 % в настоящее время. Из алюминия будут изготавливаться 75 % деталей кузовов у пикапов, 24 % у крупных седанов, 22 % у внедорожников и 18 % у микроавтобусов. Зарубежные производители стального автолиста уже высказывают серьезные опасения, что в ближайшее время могут существенно уступить позиции производителям алюминиевого проката. Так же активно ведутся работы по оптимизации состава сплавов, упрощению технологии экструдирования и применению профилей в конструкциях легковых автомобилей.
В отечественном автомобилестроении длительное время массовое применение АС ограничивалось, в основном,производством литых деталей двигателей, а также экструди-рованных профилей для бамперов. При этом
в среднем на автомобиль приходилось около 35-40 кг алюминиевых сплавов. Заметным вкладом в увеличение доли АС в отечественных автомобилях стало освоение производства литых колес. Основные материалы для их изготовления — это сплавы АЛ2 и АЛ9-1 (ГОСТ 1583-93), являющиеся достаточно близкими отечественными аналогами сплавов AlSi12 и AlSi7Mg0,3 (DIN EN 1706:2010-06), применяющихся для тех же целей за рубежом. Существенную роль в наполнении первичного рынка этой продукцией сыграл ряд красноярских компаний. Так, в компании ООО «КиК» и на Литейно-механическом заводе «СКАД» реализованы передовые технологии литья заготовок колес под низким давлением, их термической обработки в проходных печах, механической обработки на высокоавтоматизированных центрах, нанесения порошковых покрытий с применением современных поточных линий. В результате не только «АвтоВАЗ», но и российские заводы по выпуску автомобилей марок «Форд», «Рено», «Хундай», «Киа», «Ссанг Йонг» и других перешли к применению в своих изделиях продукции этих предприятий, которые и сегодня являются безусловными лидерами отечественного рынка колес.
Ковано-штампованные колеса из сплава АВ (ГОСТ 4784-97) и ряда магниевых сплавов также сыграли свою роль в увеличении доли легких металлов в конструкциях отечественных автомобилей, но в большей степени на вторичном рынке этих изделий. В период конверсии оборонных производств они стали наиболее массовым продуктом для многих кузнечно-прессовых цехов металлургических заводов бывшей авиационной отрасли РФ. При этом достаточно совершенная технология производства изделий была создана Красноярским металлургическим заводом (пат. 12055, 16649, 20266, 22760, 26982, 2217523 и др.). В этом случае высокотемпературная деформация заготовки в разъемном штампе специальной конструкции обеспечила получение готовой заготовки колеса за одну операцию и последующую закалку штамповок в специализированной установке без дополнительного нагрева за счет использования тепла деформации.
-Ф-
-Ф-
-Ф-
ПРИМЕНЕНИЕ
-Ф-
Обеспечивая ряд ценных эксплуатационных преимуществ перед аналогами из литейных АС, ковано-штампованные изделия, тем не менее, зачастую проигрывают им по совокупности таких потребительских характеристик, как дизайн и цена. Поэтому применение этих изделий локализовано в специфических областях, в которых востребованы их высокие характеристики (например, гоночные мотоциклы и автомобили) или вкусами потребителей, число которых весьма ограничено. У отечественных автозаводов продукция массовым спросом не пользуется. В связи с недостаточными выходами годного и высокими затратами на производство мало вероятно, что технология производства ковано-штампованных колес в нашей стране имеет перспективы в ближайшем будущем даже в размерном секторе более 20-22 дюймов.
Производство других элементов конструкций автомобилей для первичного рынка (например, деталей кузова, элементов подвески и т. д.) не получило у нас широкого развития как из-за менталитета отечественных автопроизводителей, так и вследствие неготовности рынка к потреблению продукции с повышенной ценой из-за достаточно низкой покупательной способности населения. Сопутствующей причиной послужило отсутствие в парке оборудования основных отечественных заводов по углубленной переработке АС прессов для получения мелких штамповок массой до нескольких килограммов, которые наиболее широко применяются в конструкционных узлах автомобилей.
Профильная продукция и прокат в отечественном автомобилестроении используется в крайне малых объемах. Например, в 2012 г. «ГАЗ» закупал в среднем порядка 60-80 т алюминиевых профилей в месяц, в том числе для бортов нового грузового автомобиля «Газель Next». Компания «Сеспель» (Чебоксары), используя современную технологию сварки трением, производила цистерны из алюминиевого проката, выпуская около 150 автомобилей в год.
Дальнейший прогресс в развитии применения алюминиевых сплавов в производстве автомобилей в РФ может быть связан с локализацией производства основных автоагре-
гатов и, соответственно, литых автокомпонентов для них, а также дальнейшим наращиванием выпуска дисков колес. Эти вопросы рассматриваются ОК «Русал» и другими предприятиями в числе комплекса задач, подлежащих решению в процессе расширения направлений углубленной переработки алюминия. О широком применении плоского проката, профильной продукции и штамповок в конструкциях автомобилей отечественного производства речь пока не идет.
Железнодорожный транспорт. В связи с все возрастающими требованиями к эксплуатации подвижного состава - повышением скорости движения поездов и нагрузки на ось, созданием большегрузных составов и увеличением объемов перевозок, применение АС в качестве основного конструкционного материала для пассажирских и грузовых вагонов за рубежом давно стало повседневной реальностью. Для производства широкой номенклатуры комплектующих изделий подвижного состава используются сплавы 5052, 5083, 5086, 6063, 6005, 6005А, 6013, 6061, 6082 и др. В результате применения полых крупногабаритных панелей из АС и сварки их между собой по длине общие затраты на изготовление алюминиевой кузовной конструкции вагона стали примерно на 30 % ниже, чем стоимость стальной конструкции.
В отечественной практике также было предпринято несколько попыток создания цельноалюминиевых кузовов электропоездов. Но в конечном счете эти поезда в серийную эксплуатацию по разным причинам не пошли. В последние годы в кооперации с мировыми лидерами производства железнодорожной техники вновь начали разворачиваться работы по организации выпуска современных локомотивов, пассажирских вагонов международного класса, скоростных электропоездов, новых моделей трамваев и других видов техники. Первый завод по производству скоростных электропоездов построен в Екатеринбурге (ООО «Уральские локомотивы»). В декабре 2014 г. компания «Уральские локомотивы» завершила сертификационные испытания первого в нашей стране скоростного электропоезда «Дезиро-Ласточка», в конструкции которого широко применены алю-
-Ф-
-Ф-
ПРИМЕНЕНИЕ
миниевые сплавы. Ранее в Астане (Казахстан) начато производство пассажирских вагонов скоростных поездов «Тальго», также с кузовом из алюминиевых сплавов, изготовленным по документации испанской компании.
При этом на машиностроительных предприятиях применены не только продукты в виде деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов (например, крупногабаритные панели, профили и плоский прокат из сплавов А1-Мд и А1-Мд-Б0, но и готовые изделия из них, которые предназначены для комплектации подвижного состава в сборочных производствах (рамы лобовых и боковых окон локомотивов, дверные блоки локомотивов и вагонов, оконные системы вагонов, потолочные конструкции, элементы электросистем и т. д.). В не меньшей степени эти продукты оказались востребованы и вагоноремонтными заводами (ВРЗ) страны для модернизации существующих транспортных единиц, интерьер которых морально и физически устарел, а несущие конструкции вполне могут эксплуатироваться еще достаточно долгое время.
В рамках этого подхода в последние годы компаниями ООО «КМТ» (группа «Трансмаш-холдинг», Санкт-Петербург), ООО «ДАК» (группа «СИАЛ», Красноярск) и рядом других компаний реализована серия проектов, позволяющих создать с применением изделий из деформируемых алюминиевых сплавов современный дизайн локомотивов, интерьер вагонов и вполне приемлемый уровень комфорта пассажиров.
Наиболее массовым продуктом на данной стадии продвижения алюминиевых сплавов в отечественный рынок подвижного состава стали оконные блоки, выполненные в виде двух рам из гнутого алюминиевого профиля, соединенных между собой пластиковой термоизоляцией . Они оснащаются одно - или двухкамерными стеклопакетами, в которых разделение стекол осуществляется с помощью ТРБ-рамок и резиновых или силиконовых элементов, обеспечивающих уплотнение стеклопакета относительно рамы и рамы относительно кузова вагона.
Преимуществом конструкции является то, что интегрированный коэффициент теплопе-
редачи таких окон, изготовленных с применением профилей из алюминиевых сплавов системы А1-Мд-Б1, составляет порядка 1,81,6 Вт/м2 • К, что позволяет значительно снизить теплопотери вагона.Конструкция окон -исключает обмерзание их внутренних поверхностей и собирание конденсата при относительной влажности воздуха внутри вагона до 30 % и наружной температуре до -50 °С. Гарантийный срок эксплуатации окон составляет не менее 6 лет при назначенном сроке службы или хранения 28 лет. Поэтому применение оконных блоков такой конструкции в короткий срок стало обыденным как при строительстве новых, так и при ремонте эксплуатируемых РЖД вагонов. Наряду с отечественными предприятиями в число потребителей продукции вошли заводы многих стран СНГ и ближнего зарубежья.
В интерьере вагонов пригородных электропоездов впервые в нашей стране компанией ООО «ДАК» применена конструкция притворно-сдвижного окна - ПСО (пат. 91039), также изготовленного из алюминиевых сплавов. В этой конструкции за счет оригинального решения ряда механизмов, опускание форточки из закрытого положения происходит внутрь салона параллельно основному стекло-пакету. В открытом положении форточка не выходит за габариты окна, поэтому риск травмирования пассажиров минимален. Эта конструкция обеспечивает хорошую термоизоляцию салона и исключает промерзание окна.
Другим алюминиевоемким продуктом, получившим достаточно широкое распространение в локомотивах и пассажирских вагонах, являются разнообразные дверные конструкции, которые могут использоваться как в тамбурной группе, так и во внутривагонном интерьере. Для оснащения купе пассажирских вагонов предлагаются сдвижные двери, которые имеют каркасы из профилей алюминиевых сплавов. Например, при выполнении работ по оснащению вагона-ресторана модели 61-536.1, разработанного ЗАО «Вагон-маш», освоено производство 9 типоразмеров дверей (в том числе и огнестойкого исполнения), выполненных из алюминиевых профилей различного вида. Аналогичный подход использован и при выполнении заказов ком-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
ПРИМЕНЕНИЕ
пании «Твема» по оснащению вагонов-лабораторий, предназначенных для контроля состояния дорожного полотна. На Торжокском ВСЗ в составе новых моделей дизель- и электропоездов, производство которых началось в 2009 г., применено 17 типоразмеров таких конструкций.
Кроме оконных блоков и дверных конструкций, алюминиевые сплавы начинают находить применение при строительстве и ремонте вагонов в виде багажных полок (как это реализовано, например, в скоростном электропоезде «Дезиро-Ласточка»), для изготовления потолочных панелей, сидений, встроенных туалетных модулей, каркасов спальных и багажных полок пассажирских вагонов, межкупейных перегородок и многих других, более мелких элементов интерьера.
Кроме эстетичного внешнего вида и высокой стойкости элементов интерьера (в том числе и покрытых порошковыми красками), применение АС в значительной степени позволило снизить массу вагона и увеличить полезную нагрузку на конструкцию. Например, только замена стальных каркасов спальных полок на алюминиевые обеспечила снижение массы плацкартного вагона более чем на 600 кг. По данным эксплуатационных служб в целом применение АС в конструкции вагона позволяет повысить грузоподъемность и скорость движения, снизить износ рельсов и расход электроэнергии или топлива на тягу в среднем на 10 %, сократить затраты на текущий и капитальный ремонт вагонов до 18 %.
При грузовых перевозках применение алюминиевых сплавов позволяет снизить массу вагона на 3-6 т и значительно повысить коррозионную стойкость его конструкций, особенно при транспортировке материалов, создающих нейтральные и кислые среды. В нашей стране эти работы длительное время активно вели КУМЗ, «Уралвагонзавод» и ВАСО, но изготовленные образцы вагонов так и не были сертифицированы. В 2011 г. ОК «Русал», «Алкоа Россия», «ВКМ - Инжиниринг» и компания En + Group также начали переговоры по организации их производства. В начале 2013 г. компании «Алкоа - СМЗ» и «Тракторные заводы» передали на сертификацию вагон-хоппер для перевозки зерна, кузов кото-
рого был изготовлен из специально разработанного алюминиево-магниевого сплава, получившего обозначение 1565 ч.
Городской транспорт. Опыт зарубежных разработчиков и эксплуатационников показывает, что вагоны метрополитена, изготавливаемые из алюминиевых сплавов практически на 2-3 т легче стальных, а повышенные затраты на их изготовление окупаются через 3-4 года за счет экономии расхода электроэнергии на тягу и сокращение текущих затрат на ремонт вагонов и содержание путей. Поэтому во многих странах мира перешли к активному применению АС в подвижном составе метро. Однако отечественный опыт пробной эксплуатации вагонов метро из АС (так же, как и электропоездов) оказался негативным, что обычно обосновывают коррозионным поражением поверхности опытных конструкций и их пожароопасностью. Поэтому применение АС было ограничено несколькими элементами интерьера. К их числу относятся, в первую очередь, оконные блоки. В течение определенного времени для проведения ремонтных работ поставляются сварные створки дверей вагонов метро. Так, ООО «ДАК» выполнены проектные разработки алюмоплас-тиковых окон для вагонов метро, съемных форточек к ним, разработаны и переданы для испытаний клеесварные створки дверей с каркасом из профилей сплава АД31 и обшивочными листами из сплава АМг2, а так же концевые двери для вагонов новой конструкции.
Другим видом городского транспорта являются монорельсовые системы, эксплуатация которых началась несколько лет тому назад в Москве. В рамках совместных проектов ООО «ДАК» и ОАО «Московская монорельсовая дорога» проведены работы по расширению применения АС в этом виде транспорта. В качестве первых изделий нашли применение литые колеса из АС, стабилизирующие фиксацию вагона, и створки дверей, выполненные по клеесварной технологии. Проработаны конструкции профилей силового каркаса вагона. В рамках развития работ проработаны предложения по организации производства элементов вагонов цельноалюминиевой конструкции.
-Ф-
ПРИМЕНЕНИЕ
Аналоги всех изделий, разработанных при проведении вышеперечисленных работ, могут быть с успехом применены при производстве и ремонте других видов городского транспорта - трамваев, троллейбусов и автобусов. Первые шаги в этом направлении сделаны ООО «ДАК» совместно с одной из зарубежных компаний и рядом предприятий РФ и СНГ, для которых подготовлено к производству значительное количество элементов интерьера и экстерьера, изготавливаемых из профилей алюминиевых сплавов.
При выполнении вышеперечисленных работ группа компаний «СИАЛ», основными производственными подразделениями которой являются ООО «Литейно-прессовый завод «Сегал» и ООО «ДАК», в числе немногих в нашей стране разработала и внедрила систему менеджмента качества, сертифицированную на соответствие международному стандарту IRIS для поставщиков компонентов железнодорожной техники.
Речной транспорт. Многие десятилетия пассажирские суда для речного флота (за исключением судов на подводных крыльях) закупались за рубежом. В результате имеющийся пассажирский флот страны к настоящему времени изношен более чем на 90 %, а собственное производство речных судов до сих пор крайне ограничено. Можно предполагать, что после решений, принятых Правительством РФ о восстановлении инфраструктуры судоходных путей и начала разработки месторождений Сибири, появится устойчивый спрос на речные суда.
В рамках программ по продвижению деформируемых АС в ремонтные проекты судп-рома и проекты судостроительных заводов ООО «ИТЦ «СИАЛ» совместно с компанией «ДАК» разработал и освоил производство бо-
лее 250 типоразмеров изделий, предназначенных для установки на маломерные речные суда, теплоходы пригородного сообщения, круизные теплоходы, речные толкачи, нефтеналивные танкеры и другие суда. Конструкторская документация согласована Речным регистром и допущена к применению на судах, эксплуатируемых во всех регионах страны. В течение последних лет продукция, производимая компанией ООО «ДАК», использована многими судостроительными заводами, расположенными от Москвы до Хабаровска, а также судоремонтными предприятиями различных речных бассейнов. Морским Регистром РФ одобрено производство компании ООО «ДАК» и проведена сертификация продукции, что открывает возможность начала поставок на морские суда.
Заключение
В результате разработок, выполненных в последние годы отечественными компаниями, связанными с глубокой переработкой алюминия, безусловно, расширены области применения профильной продукции из деформируемых сплавов А1-Мд и А1-Мд-Б1 и номенклатура изделий, производимая из них. Однако в целом объем потребления литых и деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов в транспортном машиностроении нашей страны, как и прежде, существенно отстает от среднемировых показателей. Для того, чтобы переломить ситуацию и стимулировать развитие глубокой переработки алюминия, вероятно, необходима разработка и утверждение законодательных экологических актов, как это сделано во многих зарубежных странах.
Адрес редакции: Россия, 121596, Москва, ул. Горбунова, 2, ОАО ВИЛС, e-mail: info@oaovils.ru
Телефон: 8 (495) 287-74-00 доб. 1254 Сверстано и отпечатано в ООО «Адвансед Солюшнз» Подписано в печать 09.02.2015. Формат 60 х 90/8. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 11,5. Тираж 230 экз. Заказ TI115.
92 ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ № 1 2015
о -ф— ~~•
