التطور والمستقبل في صناعة الفولاذ المستخدم في السيارات: من الحرف اليدوية القديمة إلى الهندسة الحديثة

مقدمة: أهمية الفولاذ في صناعة السيارات

استخدام الفولاذ في التصنيع السيارات هو أمر بديهي للبشر في العصر الحديث. ومع ذلك، فإن فهم الكثيرين للفولاذ المستخدم في صناعة السيارات لا يزال محدودًا على الفولاذ منخفض الكربون. وعلى الرغم من أن كليهما فولاذ، إلا أن الفولاذ المستخدم في السيارات اليوم أفضل بكثير من الفولاذ قبل عدة عقود. خلال السنوات الماضية، حققت الأبحاث المتعلقة بالفولاذ في صناعة السيارات تقدمًا كبيرًا. الآن أصبحت صفائح الفولاذ المستخدمة في السيارات أرق أكثر وأرق ، كما تحسنت مقاومة الفولاذ للقوة والصدأ بشكل ملحوظ وبشكل ملحوظ تحسين . لمواجهة تأثير المواد الجديدة، تعمل العديد من شركات الفولاذ بجد ونشاط مع عداد شركات صناعة السيارات لتطوير حلول فعالة عربة شركات لتطوير الفولاذ الخفيف عالي القوة ذلك cAN تنافس مع سبائك الألومنيوم والبلاستيك والمكونات المركبة ذات الألياف الكربونية.

مصنع صهر الحديد والفولاذ

1. المصطلح غير المحدد: "الفولاذ عالي القوة"

في السوق الحديثة للسيارات، تدّعي العديد من العلامات التجارية استخدام "الفولاذ عالي القوة"، لكن هذا المصطلح يفتقر إلى معيار صناعي موحد. ومع تقدم تقنية الفولاذ، تتطور أيضًا حدود القوة المرتبطة بهذا الوصف. الوضع مشابه لما يُستخدم في طرازات السيارات التي تسوق على أنها إصدارات "جديدة" أو "كليًا جديدة" أو "جيل جديد". غالبًا ما تصنف أقسام التسويق الفولاذ الذي يزيد قوته عن 300 ميجا باسكال على أنه "عالي القوة"، حتى لو اختلفت قوة أنواع الفولاذ المختلفة ضمن هذه الفئة بنسبة تصل إلى 100%.

للتوضيح حول موضوع الفولاذ المستخدم في صناعة السيارات، يجب أولًا فهم تطوره التاريخي.

تطور الفولاذ في الصين

من البرونز إلى الحديد: الابتكار الصيني

لدى الفولاذ تاريخ طويل يعود إلى فترتي الربيع والخريف والحروب الإقطاعية في الصين (حوالي 770–210 قبل الميلاد). في ذلك الوقت، كان البرونز هو المعدن السائد، لكنه كان هشًا جدًا لصنع أدوات أو أسلحة متينة. بدأ المهندسون الصينيون في استخدام عملية الفرن الهوائي لإنتاج حديد ناعم على شكل كتل. وعلى الرغم من أن الأدوات الحديدية لم تكن تتمتع بمزايا كبيرة مقارنة بالبرونز في ذلك الوقت، إلا أنها وضعت الأساس للاختراقات اللاحقة في علم المعادن.

التطورات خلال سلالة هان

خلال سلالة هان (202 قبل الميلاد–220 م)، زادت درجات الحرارة في الأفران بفضل استخدام الكير الهوائي، وتم تطوير تقنية التسمنت لتتحكم في درجة الصلابة. سمحت "عملية الخلط الصب" للخبراء في علم المعادن بخلط الحديد المنصهر في المحولات وإضافة عناصر سبيكة. ومع استخدام تقنيات الطي والتشكيل لإزالة الشوائب، ساعدت هذه الطرق في إنتاج حديد عالي الجودة استُخدم بشكل رئيسي في صنع الأسلحة. غالبًا ما تحتوي المقابر التي تم التنقيب عنها من حقبة هان على مثل هذه الأسلحة، مما يدل على انتشار استخدامها.

الاحتراف في سلالة تانغ

بحلول عصر سلالة تانغ (618–907 م)، كان يستطيع الحرفيون التحكم في محتوى الكربون في المنتجات الحديدية، مما أدى إلى إنتاج فولاذ يحتوي على 0.5–0.6% كربون – وهو التعريف الحديث للفولاذ. وتم تطوير تقنيات مثل طريقة التضمين في الشفرات لتحسين كل من الصلابة والمرونة.

حديد بمقبض من اليشم

الأسلحة الحديدية الموجودة في الصورة هي سيوف حديدية بمقبض من اليشم من الصين القديمة. وهذا يدل على أن تقنية صهر المعادن كانت متقدمة في ذلك الوقت. وقد دخلت الأسلحة الحديدية الاستخدام الواسع، كما ظهرت أنواع مختلفة منها مثل الخناجر الحديدية وسلاح الجي والرماح والسهام. وقد استُبدل الحديد البرونز بالكامل، ودخل البشر العصر الحديدي.

خناجر فولاذية تستخدم في سلالة تانغ نعم

لم تتغير تقنيات الصهر والتشكيل خلال عصر سلالة تانغ في الصين واضح ومع ذلك، من خلال الخبرة المتراكمة، تمكن الحرفيون من التحكم في محتوى الكربون في المنتجات الحديدية. وكان محتوى الكربون في الخناجر النموذجية من عصر تانغ حوالي بين 0.5% و0.6%، وهو نطاق يقع ضمن نطاق الفولاذ.

في صناعة الصلب اليوم، لا يزال التحكم في محتوى الكربون أمرًا أساسيًا. فضبطه حسب الاستخدام المُراد يُحسّن من متانة الفولاذ وصلابته. ولصنع شفرات تتمتع بكلتا الخاصيتين، ابتكر القدماء تقنيات مثل التكسية ووضع الفولاذ بين الشطائر. إلا أن هذه التقنيات تتجاوز نطاق هذه المقالة.

(الثورة الصناعية الأولى )

الثورة الصناعية الأولى

الثورة الصناعية الأولى وضع تحول إنتاج الحديد إلى التصنيع. جاء أول طفرة في الطلب البشري على الصلب خلال الثورة الصناعية. فقد حرر اختراع المحرك البخاري البشرية من العمل الشاق اليدوي وإنتاج الطاقة المعتمد على الحيوانات لأول مرة، ورفعت الآلات التي تعمل بالوقود مستوى الإنتاجية البشرية إلى مستوى أعلى بكثير.

كانت مصانع الغزل والنسيج البريطانية تعتمد على المحركات البخارية والمناول المصنوعة من الصلب

(القطار البخاري )

كما كانت القطارات البخارية من المستهلكين الكبار للصلب، وكذلك القضبان الحديدية المرافقة لها. في بريطانية مصانع النسيج، مجموعات من النساء تعمل كان ذلك بدلًا من ماكينات فولاذية مُصَدِرَة للضوضاء. عبر القارة الأوروبية، تم وضع سكك حديدية من الفولاذ. ال بدأ استخدام القطارات البخارية في استبدال عربات السفر المُقَودَة بالخيول وسيلة النقل الرئيسية . ومنذ ذلك الحين، لم يعد الإنسان قادراً على العيش بدون الفولاذ، وقد كانت الحاجة إليه تزداد يوماً بعد يوم.

(الخط الأول للتجميع في شركة فورد موتور خلال الثورة الصناعية الثانية)

 ربطت الثورة الصناعية الثانية السيارات بالفولاذ  المادة .

(شياومي 'sUV الجديدة كلياً: YU7

يتم تصنيع بعض السيارات عالية الأداء حتى الآن من قبل من الفولاذ. خلال الثورة الصناعية الثانية، عندما ظهرت السيارات، تطورت صناعة الفولاذ إلى مستوى جديد. ومنذ ذلك الحين، أصبح هذان القطاعان مترابطين بشكل وثيق. حتى وإن لم تعد السيارات الحديثة تشبه "مرسيدس-بنز رقم 1"، يُستخدم الفولاذ على نطاق واسع في إنتاجها، بما في ذلك بعض السيارات الفائقة.

درجات مقاومة الفولاذ المستخدم في السيارات  

كيف يتم استخدام الفولاذ عالي المقاومة حقاً في هيكل السيارات الحديثة

في السيارات الحديثة، يتم بناء هيكل السيارة من خلال لحام صفائح فولاذية ذات درجات قوة مختلفة . يختار المهندسون الدرجة المناسبة من الفولاذ بناءً على مستويات الإجهاد التي من المتوقع أن تتعرض لها كل جزء من هيكل السيارة. وفي المناطق ذات الإجهاد العالي - حيث لا يكون استخدام الفولاذ السميك عمليًا - الفولاذ عالي القوة للغاية يتم تطبيقه. كما يقول المثل، "استخدم أفضل الفولاذ حيث تكون الحاجة إليه أكبر."

مخططات قوة هيكل السيارة: ما يتم إظهاره وما لا يتم

بينما تدعي العديد من شركات تصنيع السيارات أنها تستخدم فولاذ عالي القوة ، إلا أن عددًا قليلاً منها فقط يوضح بالضبط المواد المستخدمة. بعض العلامات التجارية تنشر بالفعل مخططات هيكل هيكل السيارة ، ولكن معظم هذه الرسوم البيانية تسلط الضوء فقط على المناطق العامة التي يتم فيها استخدام الفولاذ الأقوى، دون تحديد قيم مقاومة الشد الدقيقة . عادةً ما تكون العلامات التجارية المعروفة ذات القدرات البحثية القوية أكثر حرصًا على عدم مشاركة مثل هذه البيانات الفنية.

فهم المصطلحات

في اليابان وكوريا الجنوبية، يُشار إلى الفولاذ عالي القوة غالبًا باسم "الفولاذ عالي التوتر." تُقاس قوة الفولاذ عادةً بوحدة الميغاباسكال (MPa) . لإعطائك فكرة عن المقياس: 1 ميغاباسكال يعادل قوة 10 كجم (أو ما يقارب وزن بطيختين) تؤثر على مساحة سطحية تبلغ 1 سنتيمتر مربع فقط، دون أن تتسبب في تشويه المادة.

تطبيق استراتيجي، وليس تغطية كاملة

من خلال تحليل مخططات هيكل السيارة، يصبح من الواضح أن الفولاذ عالي القوة للغاية (مثلاً، 1000 ميغاباسكال أو أكثر) تُستخدم فقط في مكونات محددة مثل العتبات المقاومة للتصادم ومناطق التدعيم الحرجة . يتكون معظم هيكل السيارة من فولاذ بمقاومة منخفضة أو متوسطة الفولاذ منخفض أو متوسط الشدة وهو أسهل في التشكيل وأكثر فعالية من حيث التكلفة. تعتمد هذه الاستخدامات الانتقائية على كل من متطلبات الأداء وقيود التصنيع .

لا تسمح لنفسك بأن تضلّك شعارات الدعاية

عندما تواجه عبارات مثل "هيكل سيارتنا يستخدم فولاذًا عالي المتانة من فئة 1000 ميغاباسكال" من المهم تفسيرها بدقة. هذا لا يعني أن الجسم كله مصنوع من مواد متقدمة كهذه. في معظم الحالات، قد تصل أجزاء معينة فقط — مثل عتبات الباب المقاومة للتأثير —قد يصل إلى مستوى القوة هذا. أما هيكل باقي الهيكل فعادة ما يستخدم مزيجاً من المواد التي تم تصميمها لتحقيق توازن بين السلامة والتكلفة وقابلية التصنيع.

 3، مواد الفولاذ الجديدة المناسبة للسحب

السحب هي الطريقة الرئيسية لتصنيع الهيكل.
أجزاء الهيكل التي تظل على القالب بعد عملية التشكيل بالسحب

إن زيادة قوة المواد تؤدي إلى مشكلة صعوبة المعالجة. يتم تصنيع معظم السيارات الركابية عن طريق التشكيل بالضغط، أي استخدام القوالب لدفع المواد وتشكيلها - وهو ما يشبه عملية تشكيل عجينة الألعاب (Play-Doh). الآن ومع ارتفاع قوة صفائح الفولاذ المستخدمة في صناعة السيارات، أصبحت متطلبات عملية التشكيل بالضغط أكثر تعقيدًا. بالإضافة إلى ذلك، هناك العديد من المكونات التي تتطلب عمليات سحب عميق، مما يجعل المادة أكثر عرضة للتشقق والتجعد. على سبيل المثال، تعتبر الزوايا هي الأماكن الأكثر عرضة لحدوث "زوايا ميتة" أثناء عملية التشكيل، حيث يحدث عادةً تمزق وتجعد. كما يشير هذا أيضًا إلى أن المشكلات مثل الاستطالة والاحتكاك مع القالب موجودة دائمًا أثناء تشكيل الصفائح الفولاذية. ويمكن أن تؤدي هذه العوامل إلى عيوب في القطع المشكلة نتيجة الإجهاد الداخلي أو التلف السطحي.

(الفولاذ الهيكلي لهيكل السيارة)

توزيع رقة السمك للصفائح  

لتجنب المواقف المذكورة أعلاه، يحتاج المصنعون إلى دراسة تشوه صفائح الصلب أثناء عملية الختم لمنع التمزق. ولكن هناك دائماً تناقضاً يتمثل في أن زيادة قوة صفيحة الصلب .اللوحة الجانبية هي أكبر قطعة تشكيل بالضغط في السيارة بأكملها، كما أنها iS أشد القطع صعوبة في التشكيل. لذلك، سيقوم المصنعون بدراسة الإجهاد الداخلي لصفائح الصلب أثناء التشكيل بالضغط للتخلص قدر الإمكان من الإجهادات الداخلية المتراكمة. وفي الوقت نفسه، يمكن دراسة سمك القطع الكبيرة التي تُشكَّل بالضغط معرفة الأجزاء التي تمتد فيها الصفائح الفولاذية بشكل شديد، وأي عمق للتشكيل يمكن أن يضمن عدم تمزق الصفائح.

يمكن للصلب من النوع الجديد حل مشكلة التشكيل بالضغط والمعالجة الصعبة الناتجة عن قوة المواد العالية. ولحل مشكلة تشكيل الصلب عالي القوة بشكل جذري، يتم تطبيق نوع جديد من الصلب في إنتاج هيكل السيارة. مصفوفة هذا الصلب هي فريتيت ذات ليونة ومتانة جيدة، ويتم دمج مارتينسايت ذي صلابة جيدة داخلها. وهو يُشكَّل بسهولة أكبر أثناء عملية الختم، ويتمتع المادة المُشكَّلة بقوة كبيرة.

(قطع غطاء هيكل عمود A في السيارات )

بعض المكونات الهيكلية عالية القوة المعالجة حراريًا

لمواقع مثل عمود B التي تحتاج إلى تعزيز خاص، يستخدم بعض المصنعين عملية المعالجة الحرارية. يخضع العمود B المشكل لتسخين وإطفاء لتكون البنية البلورية الداخلية للصلب أكثر اكتمالاً. وهذا يشبه عملية تشكيل الفخار باستخدام الطين ثم تسخينه ليتصلب في صناعة الخزف. وعادةً ما تكون هذه الأجزاء المعالجة حرارياً ذات لون أسود.

3.مقاومة الصلب المستخدم في السيارات للتآكل

(لفائف الصلب لتصنيع السيارات )

تُصنَّع السيارات باستخدام الفولاذ منخفض السبيكة.

في الوقت الحالي، يندرج فولاذ السيارات تحت فئة الفولاذ منخفض السبيكة، وهو فرع من أنواع الفولاذ. يتكون معظم هذا الفولاذ من عناصر حديدية، مع كمية صغيرة فقط من العناصر المسبِّكة، مثل الكربون والسليكون والفوسفور والنحاس والمنغنيز والكروم والنيكل وغيرها. لا يتجاوز محتوى هذه العناصر المسبِّكة 2.5%.

تتميز الصلب منخفض السبيكة بأداء ممتاز في المعالجة والمتانة، كما تمتلك مقاومة جيدة للتآكل. يشكل الصلب الكربوني العادي طبقة أكسيد حمراء بنية اللون في البيئات الطبيعية، وهذه الطبقة تكون فضفاضة جداً ويُعرف هذا الأكسيد باسم الصدأ. على الجانب الآخر، يولّد الصلب منخفض السبيكة طبقة أكسيد بنية اللون كثيفة تلتصق بإحكام على سطح الصلب، وتعمل كحاجز يمنع التآكل الإضافي للجزء الداخلي من الصلب بواسطة البيئة الخارجية. آلية مقاومة الصدأ هذه تشبه إلى حد ما تلك الموجودة في سبائك الألومنيوم والزنك، باستثناء أن الصلب منخفض السبيكة يحتاج إلى عدة سنوات لتطوير طبقة واقية مستقرة من الصدأ، حيث تتغير درجة لون الطبقة من الأصفر الفاتح إلى البني، بينما تشكّل سبائك الألومنيوم طبقة واقية من الصدأ تقريباً بشكل فوري.

يتم استخدام الصلب المقاوم للطقس بشكل متكرر في واجهات المباني دون طلاء أو حماية إضافية

يُطور الفولاذ المقاوم للطقس تأثيرًا فنيًا خاصًا بعد تشكيل طبقة الصدأ، مما يجعله مادة بناء يفضلها المصممون المتقدمون بشدة.

بسبب هذه الخصائص، يُعرف الفولاذ منخفض السبيكة أيضًا باسم الفولاذ المقاوم للطقس (الفولاذ المقاوم للتآكل الناتج عن الطقس). ويُستخدم الفولاذ المقاوم للطقس عادةً في تصنيع المركبات والships والجسور والحاويات وما إلى ذلك، حيث تكون أسطحها مطليّة عادة. ومع ذلك، في زخرفة المباني، هناك تفضيل لاستخدام الفولاذ المقاوم للطقس بشكل مكشوف، لأنه لا يعاني من مشاكل التآكل الكامل بالصدأ عندما يُترك غير مغطى. علاوة على ذلك، فإن الطبقة البنية من الصدأ التي يشكّلها تخلق تأثيرًا فنيًا فريدًا، مما يجعل ألواح الفولاذ المقاوم للطقس الملحومة خيارًا شائعًا لواجهات المباني الخاصة.

بسبب تحسين خصائص الفولاذ، أصبحت شركات تصنيع السيارات أكثر تسرّعًا في معالجات مقاومة الصدأ.

أما بالنسبة للسيارات، فإن العديد من الشركات المصنعة تستخدم الآن طبقة رقيقة من الطلاء المطاطي على هيكل السيارة، ويُعرف هذا بالعامية باسم "درع الهيكل". هيكل العديد من السيارات الجديدة يكشف بشكل مباشر عن صفائح الفولاذ، والتي لا تحظى سوى بطبقة أولية معدنية من المصنع ودهن لوني يطابق التصميم الخارجي. وهذا يشير إلى أن هذه المركبات تخضع فقط لعمليتي التمهيد الكهربائي والطلاء اللوني أثناء الإنتاج. كما أن المنطقة الرشامية خلف العجلات الأمامية فقط هي التي تمتلك طبقة رقيقة من الطلاء المطاطي الناعم، والذي يمنع الحصى الذي تركله العجلات من الاصطدام بصفائح هيكل السيارة الفولاذية. وإن هذه التغييرات تبدو أنها تعكس ثقة الشركات المصنعة في مقاومة تآكل منتجاتها.

(درع الهيكل )

لوح حماية هيكل سيارة شياومي SU7

تقوم الشركات المتخصصة بتثبيت ألواح بلاستيكية لحماية هيكل السيارة.

تحت ألواح الحماية، لا تزال هناك صفائح فولاذية خضعت فقط لمعالجة بسيطة. بعض الشركات المُصنّعة المُهتمة تثبت ألواح حماية بلاستيكية على الشاسيه. يمكن لهذه الألواح ليس فقط عزل الفولاذ الخاص بالشاسيه عن تأثيرات الحصى، بل أيضًا تنظيم تدفق الهواء أسفل الشاسيه. تحت هذه الألواح البلاستيكية، يمتلك الشاسيه طبقة أولية واحدة فقط من الفولاذ.

لا يتم استخدام الفولاذ في صناعة السيارات بشكل عشوائي. قرارات رجال الأعمال بتقليل التكاليف تنتهي غالبًا بالتضحية بالمكاسب الكبيرة من أجل توفير ضئيل، ولا يستطيع المهندسون الفنيون تجاوز قرارات الرؤساء.

لكل شيء استثناء، والExceptions تحدث غالبًا في الصين. قبل بضع السنين، استخدمت علامة محلية جديدة ناشئة الفولاذ منخفض الكربون في تصنيع السيارات، مما أدى إلى تآكل الشاسيه بالصدأ خلال سنتين - وقد ظهرت حالات مشابهة مرة أخرى مؤخرًا. في بعض الأحيان، تكون القرارات المتسرعة التي يتخذها القادة مُخيفة حقًا. عندما يتدخل رجال الأعمال في المناقشات التقنية، تكون النتائج غير متوقعة دائمًا.

مستقبل فولاذ السيارات

في الوقت الحالي، تم تقليل سمك صفائح الفولاذ المستخدمة في صناعة السيارات إلى 0.6 مم، وهو ما أعتقد أنه وصل إلى الحد الأدنى لسمك الفولاذ. إذا كانت الصفائح الفولاذية أكثر نحافة، حتى مع القوة العالية، فإنها تفقد الاستقرار الهيكلي الم inherent في المادة. تواجه صفائح الفولاذ المستخدمة في صناعة السيارات الآن تحديات متزايدة من المواد الجديدة. إن الوزن الذري للحديد يحدد أنه لا يمكن تغيير كثافته، ومسلك التخفيض في الوزن عن طريق الترقق يبدو أنه وصل إلى طريق مسدود. يتم استخدام سبائك الألومنيوم الآن تدريجياً على نطاق واسع في السيارات الفاخرة. السيارات الرياضية متعددة الاستخدامات ذات الإطار الكامل من الألومنيوم، وكذلك السلسلة 5 والسيارة A6 التي تستخدم الألومنيوم في هيكل المقدمة، كلها تدل على هذه الاتجاهات.