В декабре этого года исполнится 40 лет с начала перехода Волжского автозавода на коррозионностойкие стали с цинковым защитным покрытием (как у нас в то время говорили - "с облагороженной поверхностью"). В этой статье рассказано о том, как протекал этот процесс на "дважды автомобильном", и в чём заключались его основные сложности.
Сразу отмечу, что ниже рассматривается исключительно использование оцинкованной стали в буквальном значении этого термина; использование стали с содержащим цинк полимерным покрытием, а также цинконаполненных грунтовок и подобных способов повышения стойкости кузова к коррозии в этом материале не отражено.
Как уже неоднократно говорилось на канале, не существует волшебной технологии, позволяющей сделать сваренный из обычного металла кузов оцинкованным - основным способом внедрения защитных покрытий в массовом производстве является использование оцинкованного в условиях металлургического комбината проката. И это в своё время потребовало полностью изменить принятый подход к штамповке и сварке кузовов. Сама по себе сталь, естественно, тоже должна быть специально разработанной для использования в автомобилестроении - обычная "оцинковка", идущая на вёдра, крыши, водосточные трубы и т.п. изделия, не подойдёт.
Для начала - штамповать оцинкованную сталь намного сложнее, чем обычную, поскольку цинковое покрытие изменяет коэффициент трения листа в зоне контакта со штампом, определяющий его поведение при формовке и вытяжке. Сам по себе оцинкованный лист намного более чувствителен к повреждениям, чем обычный - даже специальные его сорта; допустимые для него режимы штамповки также отличаются. Например, отечественная оцинкованная сталь, соответствовавшая требованиям ГОСТ 14918-80, допускала вытяжку в штампе по категории не выше СВ ("сложная вытяжка" - вторая из четырёх категорий, предусмотренных ГОСТ 9045-80), что исключало её применение для многих частей кузова, особенно лицевых панелей с повышенными требованиями к качеству поверхности.
Это не только заставляет проектировать под "оцинковку" специальные штампы, но и довольно существенно ограничивает конструкторов кузова в выборе конфигурации его элементов. В частности, многие детали, спроектированные изначально в расчёте на обычную сталь, оказывается попросту невозможно изготовить из оцинкованной. Приходится или полностью заменять оснастку на рассчитанную под новый материал, или даже менять конструкцию кузова, например - вместо бывших популярными у технологов до 1970-х - 1980-х годов крупногабаритных цельноштампованных деталей использовать сварные узлы, составленные из нескольких более простых по форме заготовок.
Кроме того, слой цинка сам по себе имеет склонность к шелушению и даже отслоению при деформации металла-основы и вырубке заготовки. Например, если в вырубных штампах, на которых осуществляется раскрой стального листа на заготовки, очень точно не выдерживается необходимый зазор между режущими кромками - цинк начинает отслаиваться по наружному краю заготовки, и его частички будут накапливаться на рабочей поверхности вытяжного штампа. Со временем они образуют на ней металлические наросты, которые оставляют на деталях неприемлемые для лицевых панелей дефекты в виде небольших вмятин. Причём устранить их при подготовке к окраске уже не получится - "оцинковка" не переносит шлифовки. И всё это лишь малая часть проблем, с которыми приходится сталкиваться.
С серьёзными затруднениями связано и сваривание: используемая в кузовном производстве контактная точечная сварка в принципе способна соединять детали из оцинкованного проката, но для этого требуется, говоря очень упрощённо, сначала "прожечь" слой цинка, чтобы добраться до голой стали - для чего величину сварочного тока приходится увеличивать на 10...15 % (по другим данным - 20...30 %). Это создаёт в зоне сварки такие температуру и давление, при которых электрод из электротехнической бронзы (на ВАЗе использовалась марка БрХЦр-04-007) начинает взаимодействовать с цинком, и на его поверхности образуются вкрапления сплава по типу латуни. Так как этот сплав имеет сравнительно низкую температуру плавления, электрод сам начинает привариваться к поверхности свариваемой детали, так что при размыкании контакта его поверхность подвергается сильной эрозии - из неё буквально вырывает эти самые латунные вкрапления.
Всё это значительно снижает прочность получающейся в результате точки сварки, а в сочетании с постепенным накапливанием имеющей относительно высокое электрическое сопротивление латуни на самом электроде - ещё и очень быстро выводит его из строя, уменьшая срок службы примерно в 10 раз по сравнению со свариванием обычной стали без покрытия (примерно до 800...1100 точек - что вполне сравнимо с максимальным числом точек, которые сварочный робот того времени был способен выполнить в рамках одного рабочего задания; для сравнения, общее число точек на кузове - порядка 5000).
На практике быстро выяснилось, что стабильно обеспечивать должное качество сварных соединений в ходе производства возможно лишь за счёт использования специального автоматического сварочного оборудования с электронным управлением, оснащённого системами регистрации динамического сопротивления области сварки и корректировки значения сварочного тока в зависимости от него. Это позволяет во время выполнения рабочего задания "на лету" изменять сварочный ток по определённому алгоритму, компенсируя износ поверхности электрода и изменение электрического сопротивления при выполнении каждой следующей точки в серии.
Короче говоря - не может быть и речи о том, чтобы для уже существующей модели вместо обычной стали просто начать использовать оцинкованную без серьёзной модернизации, полной переналадки или даже частичной замены производственного оборудования для штамповки и сварки кузова. Делать это для уже выпускаемого автомобиля в большинстве случаев не имеет смысла, поэтому обычно такой переход приурочивали к масштабной модернизации текущего поколения или даже внедрению полностью нового.
И это мы ещё даже не начали обсуждение вопросов окраски кузова - а там также имеется своя специфика, связанная, к примеру, с несовместимостью цинка с определёнными химикатами, использовавшимися в процессе подготовки, а также худшей окрашиваемостью оцинкованных сталей в целом.
Впервые в отечественном автомобилестроении сталь с цинковым покрытием была использована в кузове модели ВАЗ-2108 (производство начато в декабре 1984 года), 16 деталей которого, вместе составлявшие примерно 11% от его массы, было изготовлено из электрооцинкованного проката. Главным образом это были внутренние элементы нижней части кузова - практически незаметные для конечного пользователя, но при этом в наибольшей степени подверженные коррозии в процессе эксплуатации, а также сложные и трудоёмкие в замене. В таком объёме цинковое покрытие не оказывало какого-то решающего влияния на долговечность кузова в целом, но во всяком случае повышало срок службы его критически важных с точки зрения обеспечения эксплуатационной прочности и безопасности элементов (чтобы при ремонте, грубо говоря, "было к чему варить"). Стоит отметить, что эта тенденция - защищать от коррозии в первую очередь наиболее структурно важные части кузова, а не находящиеся на виду - сохранилась и на последующих моделях.
Для решения проблемы плохой свариваемости оцинкованных сталей АвтоВАЗу пришлось перейти на роботизированные автоматические линии и посты сварки, разработанные в сотрудничестве с фирмами Sciaky (США, ныне подразделение Phillips) и KUKA (Германия), у которых имелись функции автоматического регулирования величины сварочного тока и зачистки рабочей поверхности электродов пневматическими фрезами без остановки линии - частично лицензионные собственного изготовления, частично импортные. В целом в кузове этой модели 96% сварочных операций осуществлялось автоматически, а общая трудоёмкость его изготовления составила всего 6,7 нормо-часов (у ВАЗ-2101 - 9,89, у ВАЗ-2105 - 9,47).
В отличие от "Москвича", который судя по всему полностью отказался от использования предусмотренных технической документацией сталей с покрытием примерно с 1992 года, АвтоВАЗ официально этого никогда не делал - хотя возможность появления отдельных партий машин без "оцинковки" в неразберихе перехода к рыночной экономике не должна удивлять. Как вы понимаете, никакой статистики на этой счёт не существует. Так или иначе, несмотря на все тяготы "переходного периода" работы в этом направлении продолжились.
Следующей ступенью в освоении нового материала стала модель ВАЗ-2110 (июнь 1995 года), на которой использование стали горячей и электролитической оцинковки составило уже 52% по массе и 29% по площади поверхности. Её следовавшая тогдашней моде обтекаемая форма кузова серьёзно затруднила проработку технологии производства - сложная конфигурация деталей, требовавшая глубокой вытяжки при штамповке, входила в противотечение с задачей повышения коррозионной стойкости за счёт увеличения процента использования сталей с защитным покрытием, плохо переносящих глубокую вытяжку.
Это привело, с одной стороны, к очередному ужесточению требований к производственному оборудованию, в первую очередь - штамповочной оснастке, а с другой - к переходу на новые специальные сорта сталей, такие, как горячеоцинкованная 08Ю с двухсторонним покрытием толщиной 12...14 мкм и предназначенная для весьма глубокой вытяжки 01ЮТ. Разработка их велась совместно с московским ЦНИИ чёрной металлургии им. Бардина и будущими поставщиками в лице металлургических комбинатов - Новолипецкого и Магнитогорского (сталь горячего цинкования), Череповецкого (сталь с высоким качеством отделки поверхности для наружных кузовных деталей) и Лысьвенского (электролитически оцинкованная сталь). В результате практически 100% потребностей завода стало покрываться отечественной сталью - хотя ранее, даже в советское время, большая часть стали с отделкой поверхности по 1-й группе, использовавшейся для штампования наружных деталей с особо сложной (ОСВ) и весьма особо сложной (ВОСВ) вытяжкой, закупалась за рубежом (что выглядит довольно неожиданно учитывая распространённый нарратив про тотальную деградацию российской промышленности в девяностые).
Что касается оборудования и оснастки - заводом было закуплено и смонтировано пять автоматических вырубных и штамповочных линий, включая впервые применённый в практике нашего автомобилестроения шестипозиционный пресс-автомат немецкой фирмы Erfurt с усилием замыкания 3,2 тыс. тонн для штамповки крупногабаритных деталей. Общее число сварочных роботов на производстве дошло до 220 единиц. Также с целью повышения коррозионной стойкости были внедрены промазка кузова мастиками перед свариванием и нанесение высокопрочного клея-герметика при зафланцовке торцов деталей, например капота.
При этом, естественно, обострились все старые и "повылезало" немало новых проблем и вопросов. Например, ещё более остро встала проблема налипания цинка на рабочие поверхности штампов, из-за чего периодически требовалась их трудоёмкая ручная очистка, снижавшая производительность оборудования. Побороть её со временем удалось за счёт внедрения твёрдого хромирования зеркала штампа.
На модели ВАЗ-1118 ("Калина"), выпускавшейся с ноября 2004 года, общий объём применения оцинкованных сталей остался в целом тем же, но значительно повысился процент использования горячеоцинкованного проката, себестоимость производства которого на тот момент стала на 10-15% ниже по сравнению с электрооцинкованным (интересно, что в других источниках приводится иное соотношение их стоимости, в пользу электрооцинкованной стали; впрочем, себестоимость производства сильно зависит от цены электроэнергии и других факторов, меняющихся с течением времени). Использовавшийся при этом горячеоцинкованный прокат изготавливался на основе так называемых IF-сталей со сверхнизким содержанием углерода, что делало его более удобным при штамповании благодаря высокой пластичности.
За счёт всего этого удалось выполнить оцинкованными большее количество деталей, площадь которых составляла уже 52% от общей площади поверхности кузова, в том числе 36% - из горячеоцинкованной стали с двухсторонним покрытием, в основном на нижней поверхности кузова, то есть днище, порогах и усилителях (по другим данным: 35% стали горячей оцинковки, 13% электролитически оцинкованной, 12% сталей повышенной прочности, и остальные 40% - обычная непокрытая сталь). Из-за использования оцинкованной стали для некоторых наружных панелей (дверей, крышки багажника) пришлось отказаться от процесса шлифовки поверхности кузова перед окраской, что существенно повысило требования к качеству поверхности.
Компенсировать ещё более низкую, чем у электрооцинкованной стали, свариваемость горячеоцинкованного проката удалось за счёт использования современных систем управления циклом сварки, позволяющих тонко настраивать его алгоритм. Кроме того, были внедрены электроды колпачкового типа, у которых по мере выхода из строя меняется только колпачок, а не весь электрод в сборе.
Также на ВАЗ-1118 впервые в практике нашего автопрома для ряда силовых элементов были использованы низколегированные и двухфазные (феррито-мартенситные) стали повышенной прочности производства НЛМК и ЧерМК. Это позволило снизить массу кузова, не потеряв в его прочностных характеристиках и безопасности. При этом, опять же, кузов автомобиля и оснастку для его производства пришлось проектировать с учётом использования этих новых материалов, поскольку "высокопрочные" стали имеют низкую пластичность и дают большую нагрузку на штамповую оснастку.
Общее число задействованных на производстве роботов увеличилось до 360 единиц (сегодня их где-то 380), причём было полностью изменено построение самих технологических линий: теперь они были организованы по схеме так называемого "сада роботов" - то есть, при помощи роботов-манипуляторов осуществлялись не только сами операции сварки, но и транспорт заготовок и готовых узлов, и даже перенос собираемого кузова с одного сварочного поста на другой. Для выполнения этих задач заводом были приобретены грузовые манипуляторы KUKA грузоподъёмностью 150, 200 и 300 кг. На аналогичных роботизированных линиях впоследствии стали сваривать кузова "Приоры", а с недавнего времени - и обоих вариантов "Нивы".
Далее пошёл уже современный этап в развитии завода, связанный с освоением автомобилей на французских платформах B0 и RF90, которые пока что ещё не стали достоянием истории - а значит находятся вне области интереса данного канала. Могу лишь отметить, что на сегодня "оцинковка" в чистом виде - это уже по большей части "вчерашний день" автомобилестроения. Наиболее актуальными из этой группы конструкционных материалов являются коррозионностойкие стали с покрытием Zn-Mg-Al, типа ArcelorMittal Zagnelis, которые по сравнению с оцинкованными имеют в несколько раз большую стойкость к воздействию окружающей среды благодаря пассивирующим свойствам алюминия (в неокрашенном виде - качественная окраска отчасти нивелирует эту разницу), хорошо защищены от электрохимической коррозии благодаря наличию в составе покрытия цинка, и при этом приемлемо свариваются принятыми в массовом производстве способами (в отличие от просто алюминированной стали, которая тоже очень стойка к атмосферным воздействиям, но при этом практически несвариваема). Вместе с тем, вряд ли следует ожидать их массового использования на автомобилях бюджетного ценового сегмента, к которому и относится продукция АвтоВАЗа, в ближайшее время - как и внедрения также сравнительно дорогой оцинкованной стали для панелей, коррозия которых является исключительно косметической проблемой, не определяющих общую долговечность кузова с учётом возможности замены навесных деталей.
В завершение же ещё раз напомню, что любое защитное покрытие лишь увеличивает срок службы металла по сравнению с непокрытым, но не является абсолютной гарантией от коррозии; борьба с ней начинается с грамотно спроектированного кузова - включая выбор основных сечений, организацию дренажа и вентиляции скрытых полостей, конструкцию препятствующих попаданию внутрь воды уплотнений. Также огромное значение имеет качество герметизации стыков панелей, мест их зафланцовки и швов сварки (вокруг сварных точек цинк выгорает и металл остаётся практически незащищённым), грунтования и окраски (ни горячая, ни тем более электролитическая оцинковка по сути не работают без качественного лакокрасочного покрытия - с неокрашенного электролитически оцинкованного листа цинк вообще можно стереть, если тереть достаточно энергично). Очень важна и общая культура производства на предприятии.