Автосталь – новая, старая и не только... (Часть 1)

На фоне поголовного увлечения инновациями металлургия мира выглядит отраслью весьма инерционной. Революционные изменения здесь отсутствуют десятилетиями. Основная продукция – сталь – продолжает уверенно лидировать в качестве конструкционного материала всех машин и механизмов. К тому же широко применяется в современном строительстве, включая самые высокие и объемные здания и сооружения.

Тем не менее попытки массовой замены стальной продукции на различные пластмассы, композиционные материалы и т.п. «инновационные материалы» предпринимаются регулярно, в том числе – и в последние годы. Попробуем оценить устойчивость классической стали в этой конкурентной борьбе, а также ее резервы для удовлетворения запросов потребителей.

Рост требований конструкторов к используемым материалам принято сводить к трем принципиально важным группам:

– повышение механических свойств при уменьшении массы (рост удельной прочности, жесткости и т.п.);

– рост стойкости к внешним воздействиям (коррозионной стойкости, жаростойкости и т.п.);

– повышение долговечности и надежности материала при эксплуатации.

Причем задача повышения характеристик по последним двум параметрам ставится весьма ограниченно. Современный бизнес не хочет создания «вечных» машин и механизмов. Производители прекрасно осознают, что в этом случае вскоре останутся без работы, поэтому речь идет о напряженном, но ограниченном времени работы изделий, например – порядка 10 лет.

Второе требование бизнеса – минимальная и разумная цена этих улучшенных конструкционных материалов. И естественно, в конкуренции с альтернативными материалами и решениями.

Немаловажен также вопрос технологичности. Изготовление конечного изделия из перспективного материала должно быть достаточно экономичным.

Это сразу отсекает от широкого промышленного применения (и сбыта) целые группы как явно инновационных материалов, так и дорогих, но вполне традиционных. К первым относятся углепластики (карбоновые композиты), прописавшиеся в корпусах болидов «Формулы-1». Ко вторым – алюминиевые сплавы, периодически появляющиеся в качестве материала кузовов люксовых марок автомобилей.

Реалии и перспективы стали как конструкционного материала удобно рассмотреть именно на примере ее использования в современном автомобильном производстве. То есть в отрасли очень конкурентной, динамичной и массовой, при этом потребляющей порядка 10–15% мирового выпуска стали (рис. 1).

Отметим, что мировой автопром при этом находится под дополнительным и очень заметным прессом растущих экологических требований. Они в последние десятилетия требуют снижения расхода топлива и еще более существенного сокращения выхлопов автомобилей.

В США, например, заметная часть исследовательских и опытно-конструкторских работ в этом направлении выполнялась в рамках программы Partnership for a New Generation of Vehicles (PNGV). В соответствии с соглашением, заключенным в 1993 году администрацией президента Клинтона, прототипы массовых семейных автомобилей с пробегом 80 миль/галлон топлива (2,94 литра на 100 км) должны были быть созданы к 2000 году, а промышленная серия – к 2004 году.

Бюджетное финансирование по программе PNGV «осваивали» около 800 человек в 21 лаборатории из 7 федеральных агентств США. Среди них – центры, ранее занимавшиеся созданием ядерного оружия и космической техники. И, естественно, исследовательские центры основных автомобильных компаний и производителей комплектующих. Отметим при этом особое увлечение ученых и конструкторов из США технологиями прямого преобразования топлива (газа, метанола, водорода) в электроэнергию с помощью топливных элементов.

Однако реальные концептуальные модели четырехдверных пятиместных седанов (Dodge ESX3, Ford Prodigy, GM Precept), которые были переданы на испытания в конце 2001 года, обошлись без особых инноваций. Все эти прототипы оказались гибридами, оснащенными одновременно дизельными и электрическими двигателями. А также максимально применяли (для снижения веса) вместо стальных деталей легкие сплавы алюминия, магния и лучшие композиционные пластики.

По основным характеристикам эти концепты приближались к требованиям программы PNGV, но весьма незначительно превосходили японский серийный гибрид Toyota Prius. Зато намного превосходили его по цене.

В итоге при затратах на PNGV около $2 млрд стало очевидно, что заметная экономия топлива (при сохранении прочих эксплуатационных свойств) увеличивает стоимость автомобиля в разы, т.е. потребительского спроса при массовом производстве такая продукция автопрома не получит. Тем более – особо дорогие инновационные автомобили с топливными элементами (прототипы – NECAR, Ford Focus FCV-4, BMW 750hl и т.д.). Они, как и все новые модификации «водородных автомобилей», продолжают путешествовать по выставкам и очень далеки от серийного производства. Поскольку не только дороги, но также сложны и ненадежны в эксплуатации. А главное – дополнительно требуют создания общенациональной (например – в США) структуры специальных автозаправок общей стоимостью до триллиона долларов.

Много больший эффект, по всем признакам, дала многолетняя программа внедрения и ужесточения экологического стандарта «Евро» (и его аналогов). Напомним, что в рамках соответствующих соглашений выпущено около ста постановлений Европейской комиссии при ООН по экономике, которые повысили защиту окружающей среды. Правила ЕЭК, требования к топливу (начиная с «Евро-0» в 1988 году) и сертифицированные испытания автомобилей сейчас активно применяются во многих десятках стран, которые присоединились к этому соглашению и согласны с плавным ужесточением его норм. Сейчас во многих странах мира внедряется наиболее строгий по экологии стандарт «Евро-6» (близкий к экологическому стандарту EPA10 в США и Post NLT в Японии). За 30 лет плавным ужесточением автомобильно-топливного стандарта «Евро» обеспечено снижение вредных выбросов (СО и т.д.) в 3–5 раз и более. А главное – он реализуется в массовом производстве подавляющего большинства серийных, т.е. преимущественно стальных, автомобилей.