Udviklingen og fremtiden for automobilstål: Fra oldtidens håndværk til moderne ingeniørkunst

Introduktion: Vigtigheden af autostål

At bruge stål til at fremstille bil er almindelig fornuft for moderne mennesker. Dog er mange folks forståelse af autostål stadig begrænset til lavkulstål. Selvom begge er stål, er nutidens autostål langt meget bedre end det fra årtier siden. Gennem de sidste år har forskningen i autostål gjort store fremskridt. Autostålsheetene er nu tyndere og tyndere , og stålets styrke og korrosionsbestandighed er blevet meget forbedret forbedret. For at imødegå tæller indflydelsen fra nye materialer arbejder mange stålvirksomheder aktivt sammen med køretøj virksomheder til at udvikle letvægtsstål med høj styrke det er kAN konkurrere med aluminiumslegering, plast og kulstof fiberarmerede kompositter.

Jern- og stålforsmæltning

1. Den udefinerede term: "Højstyrke stål"

På den moderne bilmarked mange mærker hævder at bruge "højstyrke stål", men denne betegnelse mangler en fælles industrianstandard. Når stål-teknologien skrider frem, ændres styrketærsklerne for dette navn. Situationen minder om biler, der bliver markedsført som "Nye", "Hele nye" eller "Næste generation" modeller. Marketingafdelinger klassificerer ofte stål over 300 MPa som "højstyrke", selvom forskellige ståltyper under denne kategori kan variere i styrke med op til 100%.

For at afklare emnet bilstål, skal vi først forstå dets historiske udvikling.

Stålunderviklingen i Kina

Fra bronze til jern: Den kinesiske innovation

Stål har en lang historie, der går tilbage til forårs- og efterårsperioden samt krigsfyrstetidernes Kina (ca. 770–210 f.Kr.). På den tid var bronze den dominerende metallet, men det var for skrøbeligt til fremstilling af holdbare værktøjer eller våben. Oldkinesiske ingeniører begyndte at anvende ståbælgemetoden til produktion af blød, blokformet jern. Selvom jernværktøjer dengang havde begrænsede fordele i forhold til bronze, lagde de grundlaget for senere metallurgiske gennembrud.

Fremstegn i Han-dynastiet

Under Han-dynastiet (202 f.Kr.–220 e.Kr.) hævede blæsebælgsforbedrede ovne smeltetemperaturerne, og cementeringsteknologi blev udviklet for at kontrollere hårdheden. Den såkaldte "rørestøbeproces" tillod metallurger at røre i smeltet jern i konvertere og tilsætte legeringselementer. Kombineret med teknikker som opfoldning og smedning til fjernelse af urenheder skabte disse metoder højtkvalitets jern, der primært anvendtes til fremstilling af våben. Udgravninger fra Han-tids gravmæler indeholder ofte sådanne våben, hvilket indikerer udbredt anvendelse.

Mesterskab i Tang-dynastiet

I Tang-dynastiet (618–907 e.Kr.) kunne smede kontrollere kulstofindholdet i jernvarer og dermed fremstille stål med 0,5–0,6 % kulstof – det moderne definition af stål. Teknikker som blad-sandwich blev udviklet for at optimere både hårdhed og sejhed.

jadehæftet jern

De jernvåben, der er vist på billedet, er jadehæftede jernsværd fra gammelkina. Dette viser, at smelteteknologien var avanceret på den tid. Jernvåben blev bredt anvendt, og der fandtes også forskellige typer såsom jernknive, ji, spyd og pile. Jern erstattede fuldstændigt bronze, og menneskeheden trådte ind i jernalderen.

stålknyvebrugt under Tang-dynastiet y

Under Tang-dynastiet i Kina ændrede smeltning- og smedningsteknikker sig ikke væsentligt. tydeligt derimod kunne smeder gennem ophobet erfaring kontrollere kulstofindholdet i jernvarer. Kulstofindholdet i repræsentative tang-knive lå tilnærmelsesvis mellem 0,5 % og 0,6 %, hvilket falder inden for ståls specifikationer.

I stålfremstilling er det i dag stadig grundlæggende at kontrollere kulindholdet. Ved at justere det ud fra den beabsigtede anvendelse kan stålets sejhed og hårdhed afstemmes. For at fremstille bladene med begge egenskaber opfandt oldtidens mennesker teknikker som beklædning og lagdeling af stål. Disse emner ligger dog uden for denne artikels omfang.

(Den første industrielle revolution )

Den første industrielle revolution

Den første industrielle revolution put jernproduktionens overgang til industrialisering. Det første kraftige skud i menneskets efterspørgsel efter stål kom under den industrielle revolution. Opfindelsen af dampmaskinen frigjorde menneskeheden fra tung manuel arbejde og produktionsmetoder baseret på dyrekraft for første gang, og brændstoffyrede maskiner hævede menneskelig produktivitet til et langt højere niveau.

Britiske tekstilfabrikker var afhængige af dampmotorer og vævelooms fremstillet af stål

(damplokomotiv )

Damplokomotiver var også store forbrugere af stål, sammen med de tilhørende jernbanespor. I britiske tekstilfabrikker arbejdede grupper af kvinder med var derimod ved støjende stålmaskiner. Jernbaner af jern blev nedlagt over hele det europæiske kontinent. Damplokomotiver begyndte at erstatte den hestetrækkede vogne som det vigtigste transportmiddel værktøjer. Siden da har mennesker ikke kunnet leve uden stål, og efterspørgslen er steget mere og mere.

(Første produktionslinje hos Ford Motor under den anden industrielle revolution)

 Den anden industrielle revolution knyttede automobiler sammen med stål  materiale .

(Xiaomi 's nyt udgivne SUV: YU7)

Nu er nogle højtydende biler stadig lavet ved stål. Under den anden industrielle revolution, da automobiler opstod, skred stålindustrien til et nyt niveau. Siden da har disse to sektorer været tæt forbundne. Selvom moderne biler ikke længere ligner "Mercedes-Benz nr. 1", bruges stål stadig bredt i deres produktion, herunder i nogle supersportsbiler.

Styrkeklasser for automobilstål  

Hvordan højstyrkestål faktisk anvendes i moderne bilkarosseri

I moderne biler er karosseriet konstrueret ved at svejse stålplader med forskellig styrke sammen . Ingeniører vælger det passende stålsort ud fra de spændingsniveauer, som hver del af konstruktionen forventes at kunne modstå. I områder med høj belastning - hvor anvendelse af tykkere stål ikke er muligt - anvendes ultrahøjtstyrkestå . Som man siger: "Brug det bedste stål der, hvor det mest er nødvendigt."

Diagrammer over karosseriets styrke: Hvad der vises og hvad der ikke gøres

Mens mange bilproducenter hævder at bruge højstærke stål højtstyrke stål strukturdiagrammer over køretøjets karosseri , men de fleste af disse diagrammer fremhæver kun de generelle områder, hvor stærkere stål er anvendt, uden at specificere præcise trækstyrkeværdier . Velkendte mærker med stærke forsknings- og udviklingsressourcer er ofte endnu mere tilbageholdende med at dele sådanne tekniske data.

Forståelse af terminologien

I Japan og Sydkorea omtales højstyrkestål almindeligt som "højspændingsstål. " Styrken af stål måles typisk i MPa (megapascal) . For at give dig en fornemmelse for størrelsesforholdene: 1 MPa svarer til en kraft på 10 kilogram (cirka vægten af to vandmeloner), der virker på en overflade på blot 1 kvadratcentimeter, uden at materialet deformeres.

Strategisk anvendelse, ikke fuld dækning

Ved at analysere kroppens strukturdiagrammer er det tydeligt, at ultrahøjtstyrkestå (f.eks. 1000 MPa eller mere) anvendes kun i specifikke komponenter – såsom anti-kollisionsbjælker og kritiske forstærkningszoner . Størstedelen af karossen er stadig lavet af lav- eller mellemstærk stål , som er lettere at forme og mere økonomisk. Denne selektive anvendelse er baseret både på funktionelle behov og produktionsbegrænsninger .

Lad dig ikke narre af markedsførings slogans

Når du støder på sætninger som "Vores karosseri bruger 1000 MPa-klasse højstyrke stål," det er vigtigt at fortolke dem korrekt. Dette betyder ikke, at hele karossen er fremstillet af sådanne avancerede materialer. I de fleste tilfælde opnår kun lokaldele – som dørpåvirkningsbjælker – dette styrkeniveau. Resten af karossens struktur bruger typisk en blanding af materialer, som er designet til at opnå balance mellem sikkerhed, omkostninger og producibilitet.

 3, nye stålmaterialer der er velegnede til stansning

Stansning er den primære metode til fremstilling af karosseri.
Karosseridelen, der stadig befinder sig i formen efter stansningsformningen

Stigningen i materialets styrke medfører problemet med vanskelig bearbejdning. De fleste personbiler fremstilles ved stansning, det vil sige at anvende værktøjer til at presse materialerne til den ønskede form – på samme måde som man former modelleringsmasse. Med den nuværende højere styrke af bilstålpladerne er kravene til stansningsprocessen blevet mere krævende. Derudover er der mange dybfødrede komponenter, hvilket gør materialet mere udsat for revner og folder. For eksempel er hjørner mest udsatte for "døde vinkler" under stansning, hvor der typisk opstår revner og folder. Dette viser også, at når stålplader stansnes, eksisterer problemer som strækning og gnidning mod værktøjet altid. Dette kan føre til fejl i de stanskede dele pga. indre spændinger eller overfladeskader.

(automobilkarrosseriets strukturstål)

Tyndførdeling af plader  

For at undgå de ovennævnte situationer, skal producenter undersøge stålpladens deformation under stansning for at forhindre revner. Der er dog altid en modstrid: jo højere styrke stålpladen har .Sidepanelet er det største stansede komponent i hele køretøjet og også iS det sværeste komponent at forme. Producenter vil derfor analysere stålpladens indre spændinger under stansning for så vidt muligt at eliminere akkumulerede indre spændinger. Samtidig kan en analyse af tykkelsen af store stansede dele vise, hvilke dele af stålpladen, der er alvorligt udstrakte, og hvilken stansdybde, der kan sikre, at stålpladen ikke revner.

Nyt type stål kan løse problemet med stansning og vanskelig bearbejdning, der skyldes høj materialestyrke. For at grundlæggende løse stansningsproblemet ved højstyrkstål anvendes en ny type stål i produktionen af automobilkarrosserier. Matricen i dette stål er ferrit, som har god blødhed og sejhed, hvori er indarbejdet martensit med god hårdhed. Det er lettere at forme under stansning, og det formede materiale har betydelig styrke.

(Automobil A-søjle pladepartier )

Nogle varmebehandlede højstyrkskonstruktionselementer

Ved positioner som B-søjlen, hvor forstærkning særligt er nødvendig, bruger nogle producenter en varmebehandlingsproces. Den formede B-søjle gennemgår opvarmning og nedkøling, så den indre krystalstruktur i stålet bliver mere perfekt. Dette minder om processen ved formning med ler og herefter opvarmning for at fastgøre det i porcelænsproduktion. Generelt er disse varmebehandlede dele ofte sorte.

3.Automobilstålernes korrosionsbestandighed

(Stålruller til automobilproduktion )

Automobiler fremstilles ved anvendelse af lav-legeret stål.

I øjeblikket hører autostål under kategorien lav-legeret stål, som er en gren af stål. Størstedelen af dette stål består af jernelementer, med kun en lille mængde legeringselementer, såsom carbon, silicium, fosfor, kobber, mangan, chrom, nikkel osv. Indholdet af disse legeringselementer overstiger ikke 2,5%.

Lav-legerede stål udviser fremragende bearbejdningsegenskaber og styrke samt god korrosionsbestandighed. Almindeligt lavkulstofstål danner et rødbrun oxidlag i naturlige miljøer, som er meget løst og almindeligt kendt som rust. Derimod danner lav-legerede stål et brun, tæt oxidlag, der hæfter fast til ståloverfladen og virker som en barriere, der forhindrer yderligere erosion af det indre stål fra det ydre miljø. Denne antirustmekanisme minder nogenlunde om den hos aluminiumslegeringer og zinklegeringer, med undtagelsen af at det tager flere år for lav-legerede stål at udvikle et stabilt beskyttende rustlag, hvor farven af rustlaget ændres fra lysegul til brun, mens aluminiumslegeringer danner et beskyttende rustlag næsten øjeblikkeligt.

Vejrmodstandsdygtigt stål anvendes ofte udsat på bygningers facader

Vejrstandsæt stål udvikler en særlig kunstnerisk effekt efter dannelse af en rustlag, og bliver dermed et byggemateriale, der er højt værdsat af moderne designere.

På grund af denne egenskab kaldes lavlegeret stål også vejrstandsæt stål (vejr- og korrosionsbestandigt stål). Vejrstandsæt stål anvendes typisk til fremstilling af køretøjer, skibe, broer, containere osv., hvor overfladerne almindeligvis males. I arkitektonisk dekoration foretrækkes dog anvendelsen af vejrstandsæt stål i eksponeret tilstand, da det ikke lider af gennemrustning, når det er uafhængigt. Desuden skaber den brune rustlag en unik kunstnerisk effekt, hvilket gør svejste vejrstandsæt stålplader til et almindeligt valg for facader på særlige bygninger.

På grund af forbedringen af stålets egenskaber bliver bilproducenterne stadig mere overfladiske i forhold til antirustbehandlinger.

Når det gælder automobiler, bruger mange producenter i dag mindre chassirubberbehandling, almindeligt kendt som »chassipanser« i daglig tale. Chassiet i mange nye biler eksponerer direkte karrosseripladerne, som kun er dækket af den oprindelige fabrikprimer og en maling der matcher den ydre farve. Dette indikerer, at disse køretøjer under produktionen kun gennemgår elektroforeseprimering og farvemalingsprocesser. Kun området bag forhjulene har et tyndt lag af blød rubberbehandling, som forhindrer grus, der kastes op af hjulene, i at skade chassisstål. Disse ændringer synes at afspejle producenternes tillid til deres produkters korrosionsbestandighed.

(Chassipanser )

Xiaomi SU7 chassisbeskyttelsesplade

Sofistikerede virksomheder installerer plastikkens chassisbeskyttelsesplader.

Under beskyttelsespladerne er der stadig stålplader, som kun har gennemgået en simpel behandling. Nogle grundige producenter installerer plastikbeskyttelsesplader på chassiset. Disse plader kan ikke blot isolere chassisstålet fra grusets indvirkning, men også organisere luftstrømmen under chassiset. Under disse plastikbeskyttelsesplader har chassisstålet kun et lag primer.

Automobilstål anvendes ikke tilfældigt. Forretningsmænds beslutninger om at skære omkostninger fører ofte til, at store fordele ofres for små besparelser, og teknikere kan ikke gå imod chefernes beslutninger.

Der er en undtagelse til alt, og undtagelser forekommer ofte i Kina. For et par år siden brugte en nystartet national mærke lavkulstål til fremstilling af biler, hvilket førte til, at chassiset rustede igennem på to år – og sådanne tilfælde er dukket op igen for nylig. Nogle gange er det virkelig foruroligende med beslutninger, der tages impulsmæssigt af ledere. Når forretningsfolk blander sig i tekniske diskussioner, er resultaterne altid uforudsigelige.

Fremtiden for autosteel

I øjeblikket er tykkelsen af autostealplader blevet reduceret til 0,6 mm, hvilket jeg mener har nået grænsen for ståltykkelsen. Hvis stålpladen er tyndere, vil den selv med høj styrke miste den strukturelle stabilitet, der er indbygget i materialet. Autostealplader står nu over for stigende udfordringer fra nye materialer. Jerns atomvægt bestemmer, at densitet ikke kan ændres, og vejen til vægtreduktion gennem fortynding synes at have nået en blindvej. Aluminiumslegeringer anvendes nu gradvist bredt i high-end-køretøjer. Alle-aluminium SUV'er samt 5-serien og A6, der bruger aluminium til frontstrukturer, viser alle denne tendens.