Алюминий представляет собой металл серебристого цвета, который защищен прочной окисной пленкой от дальнейшего окисления.
Стремление облегчить автомобильный кузов привело к идее его изготовления из различных алюминиевых сплавов и сейчас масса алюминиевых деталей на один автомобиль в Европе составляет 130 кг. Алюминий имеет малую плотность (2,7 г/см3), а также высокую устойчивость против коррозии, благодаря образованию естественного окисного 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 этого материала изготовляют 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 «Ауди» и «Даймлер-Бенц» используются каркасы из прессованных алюминиевых профилей. Масса кузова модели «Ауди А8» за счет этого снижена до 810 кг.
Концерн Фольксваген при создании автомобиля Lupo 3L за счет применения легких сплавов снизил вес: передней двери на 26 кг, задней двери на 4,65 кг, капота на 4,2 кг, крыльев на 3,4 кг, спинки сидений на 7,0 кг.
Обработка алюминиевых сплавов происходит в два этапа (рис. 2.82). На первом этапе металл раскатывают в лист. Это происходит в несколько стадий до тех пор, пока не будет получен лист нужной толщины. После этого лист путем резки и глубокой вытяжки превращается в требуемые детали. В зависимости от степени деформации и формы детали процесс глубокой вытяжки может осуществляться в несколько этапов.
После формообразования алюминиевые детали еще слишком мягки, поэтому они подвергаются термическому упрочнению (термообработке) для повышения их прочности. При термообработке внесенные ранее легирующие элементы образуют с алюминием определенные виды связи, которые создают предварительное напряжение в кристаллической решетке, и благодаря этому повышается прочность сплава.
Листовой материал из чистого алюминия без специальных легирующих добавок, главными 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 влиянием кислорода воздуха образуется оксидная пленка (рис. 2.83), защищающая основной металл от разрушения. В результате реакции с кислородом на поверхности алюминия образуется тонкий слой оксида, который постоянно возобновляется и защищает основной металл от разрушения.
Если разрушить эту защиту, пленка образуется вновь. Однако иногда разрушенный защитный слой бывает неспособен к восстановлению. Это происходит, если в непосредственный контакт с алюминием входит какой-либо другой металл. Вследствие разных электрических потенциалов этих металлов между ними возникает гальваническая пара, что приводит к коррозии алюминия. Таким образом, если при изготовлении и восстановлении алюминиевого кузова для соединения его деталей использовали болты и гайки, не покрытые специальным защитным составом, может произойти корродирование алюминия.
В качестве защитных покрытий применяются покрытия на базе цинковой и алюминиевой пудры, покрытия на базе цинковых сплавов (механическим способом Zn/Sn или в гальванической ванне ZnNi), покрытия гальваническим алюминием, покрытия оловом (для деталей из цветных металлов), двойные системы (цинк + лак). Помимо этого, соединения покрываются зеленой смазкой на базе алкидной смолы, поэтому их можно легко отличить от деталей обычных соединений.
Коррозия деталей из алюминиевого сплава может быть вызвана также растворами кислот или щелочей.
Алюминиевые сплавы являются очень хорошими проводниками электричества и характеризуются высокой теплопроводностью. Электрический ток протекает через них в пять раз быстрее, чем через проводник из железа, а тепло 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 три раза большей силы. Если значительно увеличить продолжительность сварки, создать сварную точку все равно не удастся, поскольку тепло на границе контактируемых поверхностей будет слишком быстро рассеиваться в окружающую среду и подлежащий свариванию алюминий не будет плавиться.
Алюминиевые сплавы не обладают магнитными свойствами. Температура плавления алюминиевых сплавов составляет около 640 °С, то есть она значительно ниже температуры плавления стали (около 1500 °С). К тому же нагревание алюминия не сопровождается появлением цветов побежалости. В связи с этим при тепловой обработке алюминии следует соблюдать особую осторожность, иначе материал 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, способной кардинально изменить конструкцию кузова и снизить его массу до 50%.