I kampen mot høyt forbruk og økende utslipp sier noen at biler kanskje bør bygges lettere, gjerne av aluminium. Men er dette lurt? Kanskje ikke.
Bildet øverst: Austin slengte seg på lettbil-lasset alt i 1951 med denne A40. Ikke voldsomt vellykket – tynne, myke plater var lettbulket … bilene ble kontraktbygget av Jensen Motors i West Bromwich. (Foto: BMC)
Av Stein Bekkevold
Regnestykker sier at for hver 100 kilo du fjerner av bilens vekt, synker forbruket med 1 desiliter på mila. Dette er en grov forenkling, innsparingen avhenger minst like mye av motortype og kjørestil. Men det ville sikkert være smart med lettere biler. Så hvorfor veier en vanlig familiebil to tonn med folk, bagasje, og drivstoff? Fordi vi vil ha den sikker! Og derfor bygges den av stål.
1/3 av stål?
Det dumme med stål er at det er foredlet jern. Og jern veier rundt 7,9 kg/dm3, nesten uansett legering. Derfor kom lettmetallene inn i bildet alt i bilens barndom, på sent 1800-tall. Aluminiums egenvekt er rundt 2,7 kg/dm3 – magnesium veier 1,8. Så en bil av aluminium (Al) ville kanskje veie 1/3 av stålbilen?
Nei, det går ikke. Selv som silisium-legering er aluminium for svak og for bevegelig, lite egenstiv. Styrken (bruddfastheten) kommer sjelden over 500 MPa, unntatt i enormt dyre flylegeringer – og stivheten (E-modulen) holder seg konstant på 1/3 av jernets.
Altså må du bruke MER av dette (dyre) metallet for å få samme stivhet og styrke, og mye av vektfordelen forsvinner. Mens prisen øker. I 2021 steg den fra 2500 USD per tonn til 2900 og blir kanskje liggende på minst 3000 USD/tonn – ca 30 000 kr/tonn som råvare, med dollarkurs ti kr/USD.
Og dette er ren aluminium rett fra forurensende smelteverk, før utvinning av bauxitt, transport, innlegering av dyre stoffer, utvalsing og så videre. Derfor bygger de bare fly, og biler som Aston Martin og sånt av Al.
Alle godt voksne husker en av bilene vi siklet mest over på 1950-tallet, Jaguar XK 120 – med stiv flyaluminium i skallet – langt senere kom jo Type F, av aluminium den også … (Foto: Jaguar)
Legeringstrylling
Om vi likevel ser bort fra økonomien og utslippene – som sannsynligvis ikke er så ulike de fra malmbasert jernproduksjon – er det mye å få til av trylling, med Al. Og det er ved å skape en legering, av minst ett metallisk grunnstoff og ett eller flere legeringselementer – metaller eller mineraler.
Et oldtids-eksempel er bronse, av kobber og tinn. En annen miks er aluminium med silisium, kobber, jern (!), titan, zirkonium og andre dyre saker. Andre tilsettinger er magnesium, mangan, tinn og sink.
Det fins to hovedtyper legering, en serie for støpt gods og en for smidd – begge inndelt i grupper med eller uten varmebehandling. Omtrent 85 prosent går til plater, folie og profiler.
Støpte detaljer blir kostnads-effektive på grunn av lavt smeltepunkt så de er lettstøpte, selv om de har litt lavere fasthet enn de smidde. De viktigste legeringene er type Al-Si, der de høye silisiumnivåene (4 til 13 prosent) gir gode støpeegenskaper – flott til moderne felger.
Lav vekt frister
Al-legeringer brukes der vekt eller motstand mot korrosjon er viktig. Al-magnesiumlegeringer er lettere enn andre. Og: Aluminium drar over seg en hinne av oksid – om den ikke er anodisert eller lakkert. Ser du blank Al, er biten lakkert med klarlakk eller glanspolert.
Men: Om slike legeringer varmebehandles feil får vi intern separasjon, metallet korroderer fra innsiden og ut; legeringen er ødelagt. Å velge riktig legering er derfor å tenke strekkfasthet, tetthet, formbarhet, bearbeidingsegenskaper, sveisbarhet og korrosjonsbestandighet.
En vanlig plate-legering har nå i tillegg til silisium Si: Cu 2.6; Mn 0.25; Mg 0.45. Altså kobber, mangan og magnesium. Alt i prosent. Enda dyrere legeringer kan også inneholde zirkonium, mens igjen andre tar opp omkring 5 prosent jern for å få økt fasthet.
Audi jobbet mye med biler av aluminium, og laget også en lettvektsstudie av sin trauste A100, det ser du av skiltet – kanskje VER betyr versuch…. (Foto: Audi)
Bruk i bil?
Aluminium har altså lav egenstivhet (E-modul 70 GPa), en tredel av stål. Derfor vil ting av Al – ved samme belastning – få større deformasjon enn en lik ståldel.
Med nye legeringer styres designvalgene ofte av mulig produksjonsteknikk. Profiltrekking er spesielt viktig, fordi Al-legeringer – særlig Al-Mg-Si – lett kan trekkes gjennom munnstykker og gis profiltverrsnitt.
En dyktig ingeniør kan få stivere og lettere konstruksjoner med Al-legeringer enn med stål, som i kostbare kampfly. Nå bygges Al-bilene med tredimensjonalt rammeverk (spaceframe) av robuste profiler, for å sikre stivhet. Så monteres karosseriplatene. Dette er en radikal endring fra utformingen av stålbiler, som bruker hele karosseriet til stivhet.
Al-legeringer er mye brukt i motorer, da i sylinderblokker og veivhus, på grunn av lavere produktvekt, halvparten av støpejern eller -stål. Men Al kan være utsatt for vridning i høye temperaturer, så god motorkjøling er kritisk.
Flere seriøse fabrikker har prøvd serieproduksjon, som Audi, Jaguar og BMW. Og så kom Jaguar med XJ – bygget som flyskrog med nagler og liming. Den var 40 prosent lettere enn en lik stålbil. Men dyr. Fabrikken hadde erfaring med Al: Tidlig kom Type C og lekre XK 120 med paneler av Al, Jag D i aluminium dominerte Le Mans, og i 1960-årene glante vi på enhver Jag E som passerte. På bilsalongen i Tokyo på 1990-tallet ble en annen futuristisk sportsbil avduket, Audi Avus Quattro, med karosseri i Al polert til høyglans. Vi var der og glante …
Resirkulert Al
Etter hvert har noen fabrikker dannet partnerskap med ALCOA for å bygge en produksjonsklar Al-bil. Lenge var også Norsk Hydro med på dette, det samme var bildel-avdelingen på Raufoss. I dag er det meste på utenlandske hender.
Og aluminiumbilen lar vente på seg, for dyrere og dyrere blir metallet – fordi kraftprisen bare øker. Et tonn ferdig aluminium består til 95 prosent av elektrisk energi … så det lure er å bygge biler av resirkulert Al, stoffet er så lettsmeltet at du bare trenger 5 prosent av opprinnelig smeltestrøm per tonn. Hydro i Holmestrand var lenge på hugget her.
Les også: Levetiden er bestemt: Slitasje, hva er egentlig det?
