Vývoj a budoucnost automobilové oceli: od starověkého řemesla k modernímu inženýrství

Úvod: Význam automobilové oceli

Použití oceli na výrobu autosystém je pro moderní lidi základním zdravým rozumem. Nicméně, mnoho lidí má o automobilové oceli stále povrchní znalosti založené na nízkouhlíkové oceli. Ačkoliv se jedná o ocel stejného druhu, současná automobilová ocel je mnohem mnohem lepší než ta před desetiletími. Během posledních let byl ve výzkumu automobilové oceli dosažen velký pokrok. Nyní jsou plechy z automobilové oceli tenčí a tenčí , a také pevnost a odolnost oceli proti korozi se výrazně zlepšily vylepšeno hodně. K pult dopadu nových materiálů aktivně spolupracují mnohé ocelářské společnosti s jezdové vozidlo společnostmi na vývoji lehkých, vysoce pevných ocelí že cAN aby konkurovaly hliníkovým slitinám, plastům a kompozitům vyztuženým uhlíkovými vlákny.

Hutní závod na výrobu železa a oceli

1. Nejednoznačný pojem: „vysoce pevná ocel“

Na moderním automobilovém trhu používají mnohé značky pro svou produkci termín „vysoce pevná ocel“, tento pojem však nemá sjednocený průmyslový standard. S postupem technologií výroby oceli se posouvají i hranice pevnosti spojené s tímto označením. Situace je obdobná jako u automobilů, které marketingové oddělení prezentují jako „nové“, „úplně nové“ nebo „generačně nové“ verze. Marketingové oddělení často zařazuje oceli s mezí kluzu nad 300 MPa do kategorie „vysoce pevných“, přestože různé druhy ocelí pod tímto označením mohou mít rozdílnou pevnost až o 100 %.

Abychom téma automobilové oceli objasnili, musíme nejprve porozumět jejímu historickému vývoji.

Vývoj oceli v Číně

Od bronzu k železu: Čínská inovace

Ocel má dlouhou historii sahající do období Jarní a podzimních válek a období bojujících států v Číně (přibližně 770–210 př. n. l.). V té době byl dominantním kovem bronz, který však byl pro výrobu trvanlivých nástrojů nebo zbraní příliš křehký. Starověcí čínští inženýři začali používat technologii výroby železa ve valchovnách k výrobě měkkého, blokového železa. Ačkoliv nástroje ze železa tehdy měly oproti bronzu jen omezené výhody, položily základy pro pozdější metalurgické průlomy.

Pokroky v období dynastie Han

Během dynastie Chan (202 př. n. l.–220 n. l.) zvýšily vysokotlaké pece teploty tavení a byla vyvinuta technologie karbonizace, která umožňovala řídit tvrdost. "Proces míchavého lití" umožnil metalurgům míchat roztavené železo v konvertorech a přidávat slitinové prvky. Spolu s technikami skládání a kování, které odstraňovaly nečistoty, tyto metody vytvářely vysoce kvalitní železo, které se hlavně používalo ve zbraních. V vykopávkách hrobek z doby Chan často najdeme takové zbraně, což ukazuje na jejich široké použití.

Dokonalost v době dynastie Tang

V době dynastie Tang (618–907 n. l.) uměli kováři ovládat obsah uhlíku v železných produktech a vyrábět oceli s 0,5–0,6 % uhlíku – což je moderní definice oceli. Byly vyvinuty techniky, jako je sendvičování čepelí, aby se optimalizovala jak tvrdost, tak houževnatost.

železo s jadovou rukovětí

Železné zbraně na obrázku jsou železné meče s jadeitovými rukověťmi z období starověké Číny. To dokazuje, že tavicí technologie byla v té době velmi pokročilá. Železné zbraně byly široce používány. Existovaly také různé typy, jako například železné nože, ji, oštěpy a šípy. Železo zcela nahradilo bronz a lidstvo vstoupilo do železného věku.

ocelové nože používané v dynastii Tchang y

Během období čínské dynastie Tchang se techniky tavení a kování příliš nezměnily zřejmé . Nicméně díky nasbíraným zkušenostem byli kováři schopni kontrolovat obsah uhlíku v železných výrobcích. Obsah uhlíku reprezentativních nožů z období dynastie Tchang byl přibližně mezi 0,5 % a 0,6 %, což spadá do rozmezí oceli.

V dnešní výrobě oceli zůstává kontrola obsahu uhlíku stále základní součástí. Úprava obsahu uhlíku podle zamýšleného použití umožňuje doladit houževnatost a tvrdost oceli. Aby dosáhli kombinace obou vlastností, vynalezli staří řemeslníci techniky jako je plášťování a vložkování oceli. Tyto metody však již přesahují rámec tohoto článku.

(První průmyslová revoluce )

První průmyslová revoluce

První průmyslová revoluce dát železárská výroba se přesunula do průmyslu. První skokový nárůst lidské poptávky po oceli nastal během průmyslové revoluce. Vynález parního stroje poprvé osvobodil lidstvo od těžké manuální práce a od výroby založené na síle zvířat a palivem poháněné stroje pozvedly lidskou produktivitu na mnohem vyšší úroveň.

Britské textilní továrny byly závislé na parních strojích a stavebních ložiscích z oceli

(parní lokomotiva )

Parní lokomotivy také velkou měrou spotřebovávaly ocel, stejně jako doprovodná kolejová síť. V britských textilních továrnách pracovaly skupiny žen u bylo to místo hlučných ocelových strojů. Po celém evropském kontinentu se začaly pokládat železné koleje. Parní lokomotivy začaly nahrazovat the koňské povozy jako hlavní doprava nástroje. Od té doby lidé nemohou žít bez oceli a poptávka neustále roste.

(První montážní linka Ford Motor během Druhé průmyslové revoluce)

 Druhá průmyslová revoluce spojila automobily s ocelí  materiál .

(Xiaomi 'nově uvedený SUV model: YU7

Nyní jsou některá vysokovýkonná auta stále vyráběna podle ocel. Během Druhé průmyslové revoluce, kdy se objevila automobily, se ocelářský průmysl posunul na novou úroveň. Od té doby jsou tyto dva odvětví úzce propojena. I když moderní automobily už nevypadají jako „Mercedes-Benz číslo 1“, ocel je stále široce používána při jejich výrobě, včetně některých supersportovních vozidel.

Třídy pevnosti automobilové oceli  

Jak je vysokopevnostní ocel opravdu používána v moderních karosériích

V moderních vozidlech je karosérie konstruována prostřednictvím svařování ocelových plechů různé pevnosti . Inženýři vybírají vhodnou ocelovou třídu na základě úrovní napětí, kterým má být každá část konstrukce vystavena. V oblastech s vysokým napětím – kde použití silnější oceli není proveditelné – se používá ocel s extrémně vysokou pevností . Jak říká staré přísloví, "Nejlepší ocel použijte tam, kde je nejvíce potřeba."

Grafy pevnosti karosérie: Co ukazují a co ne

Zatímco mnoho automobilových výrobců tvrdí, že používají vysokopevnostní ocel , jen málo jich je průhledných ohledně přesných materiálů použitých v konstrukci. Některé značky zveřejňují diagramy konstrukce karosérie vozidla , ale většina těchto grafů pouze zdůrazňuje obecné oblasti, kde je použita pevnější ocel, bez bližší specifikace přesné hodnoty meze kluzu . Známé značky s výkonnými vývojovými týmy jsou často ještě více opatrné při zveřejňování takových technických údajů.

Porozumění terminologii

Ve světě japonské a korejské vysokopevnosti ocel se běžně označuje jako "ocel vysokého napětí." Pevnost oceli se obvykle měří v jednotkách MPa (megapascaly) . Pro představu: 1 MPa odpovídá síle 10 kilogramů (přibližně hmotnost dvou dýní) působící na plochu pouhých 1 cm², aniž by došlo k deformaci materiálu.

Strategické použití, nikoli plná ochrana

Z analýzy diagramů konstrukce karoserie je zřejmé, že ocel s extrémně vysokou pevností (např. 1000 MPa nebo více) se používá pouze pro specifické komponenty – jako jsou protinárazové nosníky a kritické zpevňující zóny . Většina karoserie je stále vyrobena z oceli nižší nebo střední pevnosti , která je snadněji tvarovatelná a ekonomičtější. Tento výběrový způsob použití vychází jak z funkčních požadavků, tak z výrobních omezení .

Nenechte se mýtit reklamními hesly

Když narazíte na fráze jako "Karoserie našeho vozidla využívá ocel s pevností třídy 1000 MPa", je důležité správnně je interpretovat. To neznamená, že celá karoserie je vyrobena z takto pokročilého materiálu. Ve většině případů jde pouze o lokální části – jako například dveřní nosníky nárazu —může dosáhnout této úrovně pevnosti. Zbytek konstrukce vozidla obvykle využívá směs materiálů navrženou tak, aby byla dosažena rovnováha mezi bezpečností, náklady a výrobními možnostmi.

 3, nové ocelové materiály vhodné pro tváření

Tvaření je hlavní metodou výroby karoserie.
Díly karoserie zůstávající na formě po tvářecím procesu

Zvýšení pevnosti materiálu si přináší problém obtížného zpracování. Většina osobních automobilů se vyrábí pomocí lisování, tedy využití nástrojů k vyformování materiálu do požadovaného tvaru – podobně jako při modelování z plastelíny. Nyní, s vyšší pevností ocelových plechů pro automobilový průmysl, jsou na procesy lisování kladeny vyšší nároky. Kromě toho je mnoho součástí hluboce tažených, což činí materiál náchylným ke vzniku trhlin a záhybů. Například rohové části jsou během lisování nejvíce náchylné k tzv. „mrtvým úhlům“, kde obvykle dochází k roztržení a vytvoření záhybů. To také ukazuje, že při lisování ocelových plechů dochází stále k problémům, jako je protažení a tření o nástroj. Tyto jevy mohou způsobit vadu lisovaných dílů kvůli vnitřnímu napětí nebo poškození povrchu.

(konstrukční ocel pro karoserie automobilů)

Rozložení zeslabení plechů  

Aby se předešlo výše uvedeným situacím, musí výrobci studovat deformaci ocelových plechů během lisování, aby se zabránilo jejich protržení. Vždy však existuje rozpor, že čím vyšší je pevnost ocelového plechu .Boční panel je největší lisoovanou součástí celého vozidla a zároveň iS nejnáročnější komponent pro vytvoření. Proto výrobci studují vnitřní napětí ocelového plechu během lisování, aby co nejvíce eliminovali nahromaděné vnitřní napětí. Zároveň studium tloušťky velkoplošných lisoovaných dílů může odhalit, které části ocelového plechu jsou silně natahovány a jaká hloubka lisování zajistí, že se ocelový plech neroztrhne.

Nový typ oceli může vyřešit problém tvárnosti a obtížného zpracování způsobeného vysokou pevností materiálu. Aby byl zásadně vyřešen problém tvárnosti vysokopevnostní oceli, používá se nový typ oceli při výrobě automobilových karosérií. Matrice této oceli je ferit s dobrými vlastnostmi měkkosti a houževnatosti, ve kterém je rozptýlen martenzit s vysokou tvrdostí. Je snazší tvarovat během lisování a vytvořený materiál má významnou pevnost.

(Automobilové plechové díly sloupku A )

Některé tepelně zpracované konstrukční komponenty s vysokou pevností

U pozic jako sloupek B, které vyžadují zvláštní zesílení, používají někteří výrobci proces tepelného zpracování. Vytvořený sloupek B prochází ohřevem a kalením, aby vnitřní krystalická struktura oceli byla dokonalejší. Tento proces je podobný modelování z hlíny a následnému vypálení při výrobě porcelánu. Obecně tyto tepelně zpracované části často mají černou barvu.

3.Odolnost automobilových ocelí proti korozi

(Ocelové cívky pro výrobu automobilů )

Automobily jsou vyráběny z nízkolegovaných ocelí.

V současné době spadá automobilová ocel do kategorie nízkolegovaných ocelí, což je odnož ocelí. Většinu této oceli tvoří železné prvky, pouze malé množství legujících prvků, jako je uhlík, křemík, fosfor, měď, mangan, chrom, nikl atd. Obsah těchto legujících prvků nepřesahuje 2,5 %.

Nízkolegované oceli vykazují vynikající zpracovatelské vlastnosti a pevnost, přičemž mají také dobrou odolnost proti korozi. Běžná nízkouhlíková ocel vytváří ve volné přírodě rezavě hnědou oxidovou vrstvu, která je velmi uvolněná a běžně se označuje jako rez. Nízkolegované oceli naopak vytvářejí hnědou, hustou oxidovou vrstvu, která pevně přilne ke kovovému povrchu a působí jako bariéra bránící dalšímu poškozování vnitřní oceli z vnějšího prostředí. Tento antikorozní mechanismus je poněkud podobný tomu u hliníkových a zinkových slitin, s tím rozdílem, že nízkolegované oceli potřebují několik let na vytvoření stabilní ochranné rezavé vrstvy, přičemž barva této vrstvy přechází od světle žluté po hnědou, zatímco hliníkové slitiny vytvoří ochrannou vrstvu téměř okamžitě.

Oceli odolné proti atmosférickým vlivům jsou často používány bez ochrany na fasádách budov

Ocel odolná proti povětrnostním vlivům vykazuje po vytvoření vrstvy rezavého povlaku speciální umělecký efekt, a stává se tak stavebním materiálem, který má velkou oblibu mezi předními designery.

Díky tomuto znaku je nízkolegovaná ocel známá také jako ocel odolná proti povětrnostním vlivům (ocel odolná proti korozi způsobené počasím). Ocel odolná proti povětrnostním vlivům se běžně používá pro výrobu vozidel, lodí, mostů, kontejnerů apod., jejichž povrchy jsou obvykle natřené. Však při architektonickém vyzdobení se upřednostňuje použití oceli odolné proti povětrnostním vlivům bez ochrany, protože nevzniká problém prorážení rezavou kůrou, když je ponechána nepokrytá. Navíc hnědá vrstva rezavé kůry, která se na ní vytvoří, vytváří jedinečný umělecký efekt, což činí svařované desky z povětrnostně odolné oceli běžnou volbou pro fasády speciálních budov.

Vzhledem ke zlepšení vlastností oceli, automobiloví výrobci se stávají čím dál tím méně pečlivějšími v otázce antikorozních opatření.

U automobilů používá nyní mnoho výrobců méně pryžového povlaku podvozku, který je mezi laiky běžně znám jako tzv. „chassis armor“. Podvozek mnoha nových vozidel přímo odhaluje plechy, na kterých je pouze tovární základní nátěr a barva odpovídající exteriéru. To signalizuje, že tyto vozy prošly během výroby pouze procesem elektroforetického základního nátěru a lakování. Pouze v oblasti za předními koly je nanesena tenká vrstva měkké pryže, která brání poškození ocelového podvozku kamínky odráženými koly. Tato změna pravděpodobně odráží důvěru výrobců ve své korozní odolnosti.

(Chassis Armor )

Ochranná deska podvozku Xiaomi SU7

Vyspělé společnosti instalují plastové ochranné desky podvozku.

Pod ochrannými plechy jsou stále ocelové plechy, které prošly pouze jednoduchou úpravou. Někteří pedantičtí výrobci instalují plastové ochranné plechy na podvozek. Tyto plechy nejen izolují ocelový podvozek od nárazů štěrku, ale také uspořádávají proudění vzduchu pod vozidlem. Pod těmito plastovými ochrannými plechy má ocelový podvozek pouze jednu vrstvu základního nátěru.

Automobilová ocel se nepoužívá nahodile. Obchodní rozhodnutí šetřit náklady často končí obětováním velkých výhod kvůli malým úsporám a technici nemohou přebít rozhodnutí šéfů.

Pro každodennost existuje výjimka a výjimky se často objevují v Číně. Před několika lety použil nově založený domácí automobilový značka pro výrobu vozidel nízkouhlíkovou ocel, což vedlo k průjezdu podvozku korozí během dvou let – a takové případy se objevily znovu. Někdy skutečně děsí rozhodnutí lídrů učiněná bez rozmyšlení. Když se obchodníci zapojují do technických diskusí, výsledky jsou vždy nepředvídatelné.

Budoucnost automobilových ocelí

V současné době byla tloušťka plechů pro automobilový průmysl snížena na 0,6 mm, což je podle mého názoru hranice dosažitelná tloušťky plechu. Pokud bude plech tenčí, i přes vysokou pevnost ztratí strukturální stabilitu vlastní materiálu. Automobilové plechy nyní čelí rostoucím výzvám ze strany nových materiálů. Atomová hmotnost železa určuje, že jeho hustota nemůže být změněna a cesta k redukci hmotnosti tenkostěnnými konstrukcemi se zdá být slepou uličkou. Hliníkové slitiny jsou nyní postupně široce využívány ve vysoce kvalitních vozidlech. Celohliníkové SUV vozy, stejně jako modely 5 řady a A6 používající hliník pro konstrukci přední části, všechny tyto skutečnosti ukazují na tento trend.