L'evolució i el futur de l'acer automotriu: de l'ofici antic a l'enginyeria moderna

Introducció: la importància de l'acer automotriu

Utilitzar acer per fabricar cotxes és seny comú per a la gent moderna. Tanmateix, moltes persones encara tenen una concepció limitada a l'acer dolç . Tot i que ambdós són acers, l'acer automotriu actual és molt molts millor que el dels anys anteriors. Durant els últims anys, la recerca sobre l'acer automotriu ha assolit grans avenços. Actualment, les xapes d'acer per a automoció són més primes i més primes , i la resistència i la capacitat contra la corrosió de l'acer han millorat mol. A contador l'impacte dels nous materials, moltes empreses siderúrgiques treballen activament amb vehicle empreses per desenvolupar acer lleuger i d'alta resistència aquell cAN competir amb aliatge d'alumini, plàstic i compostos reforçats amb fibra de carboni.

Ferreria

1. El terme no definit: "acer d'alta resistència"

En el mercat automotriu modern, moltes marques afirmen utilitzar "acer d'alta resistència", però aquest terme no disposa d'un estàndard industrial unificat. A mesura que avança la tecnologia de l'acer, també ho fan els límits de resistència associats a aquesta etiqueta. La situació és similar als models de cotxe comercialitzats com a versió "Nova", "Totalment nova" o "De nova generació". Els departaments de màrqueting sovint classifiquen l'acer superior als 300 MPa com a "d'alta resistència", encara que diferents tipus d'acer inclosos sota aquest paraigua poden variar en resistència fins a un 100%.

Per aclarir el tema de l'acer automotriu, primer hem d'entendre el seu desenvolupament històric.

Desenvolupament de l'acer a la Xina

Del bronze al ferro: La innovació xinesa

L'acer té una llarga història que es remunta als períodes de Primavera i Tardor i dels Regnes Combatents a la Xina (aproximadament 770–210 aC). En aquell moment, el bronze era el metall dominant, però era massa fràgil per fabricar eines o armes duradores. Els antics enginyers xinesos van començar a utilitzar el procés de forja directa per produir ferro tou amb forma de bloc. Tot i que les eines de ferro tenien llavors avantatges limitats en comparació amb el bronze, van establir les bases per a avanços metal·lúrgics posteriors.

Avenços durant la dinastia Han

Durant la Dinastia Han (202 aC - 220 dC), els fornells millorats van augmentar les temperatures de fusió, i es va desenvolupar la tecnologia de cementació per controlar la duresa. El "procés de colada amb agitació" va permetre als metalls ferrosos agitar el ferro fos en convertidors i afegir elements d'aliatge. Acompanyat de tècniques de plegat i forja per eliminar impureses, aquests mètodes van crear ferro d'alta qualitat que s'utilitzava principalment en armes. Les tombes excavades de la dinastia Han solen contenir aquestes armes, cosa que indica un ús generalitzat.

Mestria a la Dinastia Tang

A la Dinastia Tang (618-907 dC), els fargaires podien controlar el contingut de carboni en productes de ferro, produint acers amb un 0,5-0,6% de carboni: la definició moderna d'acer. Es van desenvolupar tècniques com el solapament de fulles per optimitzar tant la duresa com la tenacitat.

ferro amb mànec de jade

Les armes de fer de la imatge són espases de fer amb mànec de jade de l'antiga Xina. Això demostra que la tecnologia de fusió era avançada en aquella època. Les armes de fer s'utilitzaven àmpliament. N'hi havia també de diferents tipus, com ara ganivetes de ferro, ji, llances i fletxes. El ferro va substituir completament el bronze, i la humanitat va entrar en l'edat del ferro.

ganivetes de metall utilitzades per a la Dinastia Tang y

Durant la Dinastia Tang a la Xina, les tècniques de fusió i forja no van canviar evident ment. No obstant això, mitjançant l'experiència acumulada, els fargaires van ser capaços de controlar el contingut de carboni en els productes de ferro. El contingut de carboni de les ganivetes típiques de la dinastia Tang era aproximadament entre un 0,5% i un 0,6%, cosa que entra dins la gamma de l'acer.

En la fabricació d'acer avui dia, el control del contingut de carboni encara és fonamental. Ajustar-lo segons l'ús previst permet regular la tenacitat i la duresa de l'acer. Per fabricar fulles amb ambdues propietats, els antics van inventar tècniques com el revestiment i l'acer laminat. Tanmateix, aquestes qüestions queden fora de l'abast d'aquest article.

(La primera revolució industrial )

La primera revolució industrial

La primera revolució industrial posa el canvi en la producció del ferro cap a la industrialització. El primer impuls en la demanda humana d'acer es va produir durant la Revolució Industrial. La invenció de la màquina de vapor alliberà per primera vegada la humanitat del treball manual intensiu i de la producció basada en animals, i les màquines amb combustible elevaren la productivitat humana a un nivell molt superior.

Les fàbriques britàniques de teixits depenien de motors de vapor i tècniques fetes d'acer

(locomotora de vapor )

Les locomotores de vapor també eren grans consumidores d'acer, igual que els rails associats. A més britàniques fàbriques de teixits, grups de dones operant va ser substituït per màquines sorolloses d'acer. Arreu del continent europeu, es van col·locar rails de ferro. Les locomotores de vapor van començar a substituir les carrosses tirats per cavalls com a principal mitjà de transport eines. Des d'aleshores, els humans no han pogut viure sense l'acer, i la demanda no ha parat de créixer dia a dia.

(La primera línia de muntatge de Ford Motor durant la Segona Revolució Industrial)

 La Segona Revolució Industrial va vincular els automòbils amb l'acer  material .

(Xiaomi 'sUV recentment llançat: YU7)

Ara, alguns cotxes d'alta gamma encara es fabriquen per part de acer. Durant la Segona Revolució Industrial, quan van aparèixer els automòbils, la indústria siderúrgica va assolir un nou nivell. Des d'aleshores, aquests dos sectors han estat estretament vinculats. Encara que els cotxes moderns ja no s'assemblen al "Mercedes-Benz núm. 1", l'acer segueix utilitzant-se àmpliament en la seva producció, incloent-hi alguns supercotxes.

Graus d'automoció de resistència de l'acer  

Com s'utilitza realment l'acer d'alta resistència en els carrossats moderns

En els vehicles moderns, la carrosseria es construeix mitjançant la soldadura de planxes d'acer de diferents resistències els enginyers seleccionen el tipus d'acer adequat segons els nivells d'esforç que cada part de l'estructura haurà de suportar. En les zones amb elevat esforç, on no és factible utilitzar acer més gruixut, s'utilitza acer d'ultraalta resistència tal com diu el refrany, "Utilitza l'acer millor on més en necessites."

Gràfics de resistència de la carrosseria: Què hi ha i què no hi és

Mentre molts fabricants d'automòbils afirmen que utilitzen acer d'alta resistència acer d'alta resistència diagrama de l'estructura de la carrosseria del vehicle , però la majoria d'aquests gràfics només mostren les àrees generals on s'aplica l'acer reforçat, sense especificar els valors exactes de resistència a la tracció . Les marques conegudes amb fortes capacitats d'I+D solen ser encara més reservades a l'hora de compartir aquest tipus de dades tècniques.

Comprenent la Terminologia

Al Japó i Corea del Sud, l'acer d'alta resistència és conegut habitualment com a "acer d'alta tensió." La resistència de l'acer normalment es mesura en MPa (megapascals) . Per fer-se una idea de l'escala: 1 MPa equival a la força de 10 quilograms (aproximadament el pes de dues sandies) aplicada sobre una superfície d'1 centímetre quadrat, sense causar deformació del material.

Aplicació Estratègica, No Cobertura Total

En analitzar els diagrames d'estructura del cos, és clar que acer d'ultraalta resistència (p. ex., 1000 MPa o més) només s'utilitza en components específics, com ara traversers anticol·lisió i zones clau de reforç . La major part del cos encara està fabricada amb acer d'alta o mitjana resistència , que és més fàcil de modelar i més econòmic. Aquest ús selectiu es basa tant en les necessitats funcionals com en les limitacions de fabricació .

No us deixeu enganyar per eslògans de màrqueting

Quan trobeu frases com "El cos del nostre vehicle utilitza acer d'alta resistència de classe 1000 MPa" és important interpretar-los amb precisió. Això no vol dir que tot el cos sigui fabricat amb aquest material avançat. En la majoria dels casos, només parts localitzades—com les bigues d’impacte de les portes —poden assolir aquest nivell de resistència. La resta de l’estructura del cos normalment utilitza una barreja de materials dissenyats per aconseguir un equilibri entre seguretat, cost i fabricabilitat.

 3, nous materials d’acer adequats per al punxonament

El punxonament és el mètode principal per a la fabricació del cos.
Parts del cos que encara queden al motlle després del formant per punxonament

L'augment de la resistència del material comporta el problema de la dificultat de processament. La majoria dels turismes es fabriquen mitjançant estampació, és a dir, utilitzant motlles per extrudir els materials i donar-los forma, similar a modelar plastilina. Ara bé, amb l'augment de la resistència de les xapes d'acer automotriu, els requisits per als processos d'estampació són més exigents. A més, hi ha moltes peces amb embutidura profunda, fet que fa que el material sigui propens a esquerdes i arrugues. Per exemple, les posicions de les cantonades són les més propenses a formar "punts morts" durant l'estampació, on habitualment es produeixen trencaments i arrugues. Això també indica que, quan es duu a terme l'estampació de les xapes d'acer, sempre existeixen problemes com l'estirament i la fricció amb el motlle. Aquests fenòmens causaran defectes en les peces estampades a causa de tensions internes o dany superficial.

(acer estructural per a la carrosseria d'automòbils)

Distribució de Reducció d'Espessor de Xapes  

Per evitar les situacions anteriors, els fabricants han d'estudiar la deformació de les xapes metàl·liques durant el premsat per evitar esquinçaments. Tanmateix, sempre hi ha una contradicció: com més gran sigui la resistència de la xapa metàl·lica .El lateral del vehicle és la peça premsada més gran de tota la carrosseria i també està la component més difícil de conformar. Per tant, els fabricants analitzen l'esforç intern de les xapes durant el premsat per eliminar en la mesura del possible l'acumulació d'esforços interns. Al mateix temps, estudiar l'espessor de peces premsades de gran superfície pot revelar quines parts de la xapa estan molt estirades i quina profunditat de premsat assegura que la xapa no es trenqui.

L'acer de nou tipus pot solucionar el problema del conformant per estampació i la dificultat de processament causada per l'elevada resistència del material. Per resoldre fonamentalment el problema d'estampació de l'acer d'alta resistència, s'està aplicant un acer de nou tipus a la producció dels carrossats automotrius. La matriu d'aquest acer és ferrítica amb una bona tenacitat i ductilitat, incloent-hi martensita amb una bona duresa. És més fàcil de conformar durant l'estampació, i el material format té una resistència considerable.

(Components metàl·liques per al pilar A del vehicle )

Alguns components estructurals d'alta resistència tractats tèrmicament

Per a posicions com el pilar B que requereixen especial reforç, alguns fabricants utilitzen un procés de tractament tèrmic. El pilar B format rep un tractament de calefacció i templat per fer que l'estructura cristal·lina interna de l'acer sigui més perfecta. Això és similar al procés de modelatge amb argila i després calefacció per solidificar en la fabricació de porcellana. Generalment, aquests components tractats tèrmicament solen presentar un color negre.

3.Resistència a la corrosió dels acers automotrius

(Bobines d'acer per a la fabricació automotriu )

Els automòbils es fabriquen amb acers d'aliatge baix.

En l'actualitat, l'acer automotriu forma part de la categoria d'acers d'aliatge baix, que és una branca de l'acer. La majoria d'aquest acer està compost per elements de ferro, amb només una petita quantitat d'elements d'aliatge, com ara carboni, silici, fòsfor, coure, manganès, crom, níquel, etc. El contingut d'aquests elements d'aliatge no supera el 2,5%.

Els acers d'aliatge baix mostren un excel·lent comportament en el processament i resistència, a la vegada que tenen una bona resistència a la corrosió. L'acer dolç normal forma una capa d'òxid rogenca-clara en ambients naturals, molt suau i coneguda popularment com a ronya. En canvi, els acers d'aliatge baix generen una capa d'òxid marró i densa que s'adhereix fortament a la superfície de l'acer, actuant com una barrera que evita l'erosió interna de l'acer per part de l'ambient extern. Aquest mecanisme anticorrosiu és força similar al de les aliatges d'alumini i de zinc, excepte que als acers d'aliatge baix els hi calen diversos anys per desenvolupar una capa protectora estable de ronya, amb un color que passa del groc clar al marró, mentre que les aliatges d'alumini formen una capa protectora pràcticament de manera instantània.

L'acer resistent a la intempèrie s'utilitza sovint exposat a les façanes dels edificis

L'acer patinat desenvolupa un efecte artístic especial després de formar una capa de ròs, convertint-se així en un material de construcció molt valorat pels dissenyadors més avançats.

A causa d'aquesta característica, l'acer d'aliatge baix també és conegut com a acer patinat (acer resistent a la corrosió atmosfèrica). L'acer patinat s'utilitza típicament per fabricar vehicles, vaixells, ponts, contenidors, etc., amb les superfícies habitualment pintades. Tanmateix, en decoració arquitectònica hi ha preferència per utilitzar l'acer patinat exposat, ja que no pateix problemes de rovell quan es deixa descobert. A més, la capa de ròs marró que forma crea un efecte artístic únic, fet que converteix les plaques d'acer patinat soldades en una opció habitual per a les façanes d'edificis especials.

Degut a la millora de les propietats de l'acer, els fabricants d'automòbils estan devenint cada vegada més negligents en els tractaments contra la rovella.

Pel que fa als automòbils, molts fabricants ara utilitzen menys recobriment de goma al xassís, conegut col·loquialment com a "coraza de xassís". El xassís de molts cotxes nous exposa directament les fulles d'acer, que només tenen la imprimació original de fàbrica i pintura del color exterior. Això indica que aquests vehicles només passen pels processos d'imprimatge electrophorètic i pintura durant la seva producció. Només a la zona de salpiconada darrere de les rodes davanteres hi ha una fina capa de recobriment de goma tou, que evita que la grava projectada per les rodes afecti l'acer del xassís. Aquests canvis semblen reflectir la confiança dels fabricants en la resistència a la corrosió dels seus productes.

(Coraza de xassís )

Placa de protecció del xassís Xiaomi SU7

Empreses sofisticades instal·len plaques de protecció de plàstic al xassís.

Sota les plaques de protecció, encara hi ha fulles d'acer que només han rebut un tractament senzill. Alguns fabricants minuciosos instal·len plaques de protecció de plàstic al xassís. Aquestes plaques poden no només aïllar l'acer del xassís dels impactes del grava sinó també organitzar el flux d'aire sota el xassís. Sota aquestes plaques de protecció de plàstic, l'acer del xassís només té una capa de imprimació.

L'acer per a automoció no s'utilitza a l'atzar. Les decisions dels empresaris d'estalviar costos acaben sovint sacrificant grans avantatges per estalvis mínims, i els tècnics no poden ignorar les ordres dels caps.

Hi ha excepcions a tot, i les excepcions solen produir-se a la Xina. Fa uns anys, una marca nacional recentment establerta va utilitzar acer amb baix contingut de carboni per fabricar vehicles, provocant una corrosió completa del xassís en dos anys, i casos similars han ressorgit recentment. De vegades, les decisions preses a la lleugera pels líders són realment alarmants. Quan els empresaris interfereixen en discussions tècniques, els resultats sempre són imprevisibles.

El futur de les olors automotrius

Actualment, el gruix de les fulles d'acer per a l'automoció s'ha reduït a 0,6 mm, una mesura que crec que ha assolit el límit del gruix de l'acer. Si la fulla d'acer fos més fina, fins i tot amb gran resistència, perdria l'estabilitat estructural inherent al material. Les fulles d'acer automotrius ara enfronten reptes cada vegada majors procedents de nous materials. El pes atòmic del ferro determina que no es pugui canviar la seva densitat, i el camí de reducció de pes mitjançant el refinament sembla haver arribat a un punt mort. Actualment, els aliatges d'alumini s'utilitzen progressivament de manera extensa en vehicles d'alta gamma. Tots els SUV fabricats íntegrament amb alumini, així com les sèries 5 i A6 que utilitzen alumini en les estructures frontals, indiquen clarament aquesta tendència.