Die Entwicklung und Zukunft des Automobilstahls: Von der antiken Handwerkskunst zur modernen Ingenieurskunst

Einführung: Die Bedeutung von Automobilstahl

Stahl zu verwenden, um autos ist für moderne Menschen grundlegende Alltagserfahrung. Dennoch endet das Verständnis von Automobilstahl bei vielen Menschen immer noch bei niedrig legiertem Stahl. Obwohl beides Stahl ist, ist der heutige Automobilstahl deutlich - Sehr viel. besser als der von vor einigen Jahrzehnten. In den letzten Jahren hat die Forschung zum Automobilstahl große Fortschritte gemacht. Heute sind Stahlbleche für Automobile immer dünner und dünner , und die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Stahls haben sich stark verbessert verbessert viel. Um counter den Auswirkungen neuer Materialien zu begegnen, arbeiten viele Stahlunternehmen aktiv mit fahrzeug unternehmen bei der Entwicklung von leichten, hochfesten Stählen dass cAN konkurrieren konnte mit aluminiumlegierungen, Kunststoffe und kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe.

Eisen- und Stahlschmelzwerk

1. Der undefinierte Begriff: „Hochfester Stahl“

Auf dem modernen Automobilmarkt behaupten viele Marken, „hochfesten Stahl“ zu verwenden, doch diesem Begriff fehlt es an einem einheitlichen Industriestandard. Mit der Weiterentwicklung der Stahldesigns steigen auch die Festigkeitsgrenzen, die mit dieser Bezeichnung verbunden sind. Die Situation ist vergleichbar mit Fahrzeugmodellen, die als „Neu“, „Vollständig neu“ oder „Der nächste Generation“ beworben werden. Marketingabteilungen klassifizieren Stähle mit einer Festigkeit über 300 MPa oft als „hochfest“, obwohl die Festigkeit innerhalb dieser Kategorie bis zu 100 % variieren kann.

Um das Thema Automobilstahl klarer zu fassen, müssen wir zunächst seine historische Entwicklung verstehen.

Stahlentwicklung in China

Von Bronze zum Eisen: Die chinesische Innovation

Stahl hat eine lange Geschichte, die bis in die Zeit der Frühjahrs- und Herbstperiode sowie der Streitenden Reiche in China (ca. 770–210 v. Chr.) zurückreicht. Zu dieser Zeit war Bronze das dominierende Metall, jedoch zu spröde für langlebige Werkzeuge oder Waffen. Antike chinesische Ingenieure begannen, den Stuckofenprozess einzusetzen, um weiches, blockförmiges Eisen herzustellen. Obwohl eiserne Werkzeuge damals nur geringe Vorteile gegenüber Bronze boten, legten sie den Grundstein für spätere metallurgische Durchbrüche.

Fortschritte während der Han-Dynastie

Während der Han-Dynastie (202 v. Chr.–220 n. Chr.) erhöhten durch Blasebälge verbesserte Öfen die Schmelztemperaturen, und Technologien zur Beeinflussung der Härte durch Anreicherung mit Kohlenstoff wurden entwickelt. Beim sogenannten Rührverfahren konnten Metallurgen geschmolzenes Eisen in Umwandlern rühren und Legierungselemente hinzufügen. Zusammen mit Falt- und Schmiedetechniken, die es ermöglichten, Verunreinigungen zu entfernen, schufen diese Methoden hochwertiges Eisen, das vor allem bei Waffen zum Einsatz kam. Aus ausgegrabenen Han-Gräbern stammen häufig solche Waffen, was auf eine weit verbreitete Nutzung hindeutet.

Meisterschaft in der Tang-Dynastie

Bis zur Tang-Dynastie (618–907 n. Chr.) konnten Schmiede den Kohlenstoffgehalt in Eisenprodukten regulieren und Stähle mit 0,5–0,6 % Kohlenstoff herstellen – die moderne Definition von Stahl. Techniken wie das Klingen-Sandwich-Verfahren wurden entwickelt, um sowohl Härte als auch Zähigkeit zu optimieren.

eisen mit Jadegriff

Die eisernen Waffen auf dem Bild sind eiserne Schwerter mit Jadegriffen aus dem antiken China. Dies zeigt, dass die Schmelztechnologie zu dieser Zeit bereits fortgeschritten war. Eiserne Waffen wurden weit verbreitet eingesetzt. Es gab auch verschiedene Arten wie Eisenmesser, Ji, Speere und Pfeile. Eisen ersetzte Bronze vollständig, und die Menschheit trat ins Eisenzeitalter ein.

stahlmesser aus der Tang-Dynastie y

Während der Tang-Dynastie in China änderten sich die Schmelz- und Schmiedetechniken nicht deutlich . Allerdings konnten Schmiede durch gesammelte Erfahrung den Kohlenstoffgehalt in Eisenprodukten kontrollieren. Der Kohlenstoffgehalt der repräsentativen Tang-Messer lag ungefähr zwischen 0,5 % und 0,6 %, was in den Bereich von Stahl fällt.

Bei der Stahlerzeugung heute ist die Kontrolle des Kohlenstoffgehalts nach wie vor grundlegend. Durch Anpassung entsprechend dem vorgesehenen Verwendungszweck lässt sich die Zähigkeit und Härte des Stahls regulieren. Um Klingen mit beiden Eigenschaften herzustellen, erfanden alte Kulturen Techniken wie das Schmiedeverbund oder das Sandwich-Stahl-Verfahren. Diese liegen jedoch außerhalb des Rahmens dieses Artikels.

(Die erste industrielle Revolution )

Die erste industrielle Revolution

Die erste industrielle Revolution gehalten eisenproduktion und Industrialisierung. Der erste große Anstieg des menschlichen Bedarfs an Stahl erfolgte während der industriellen Revolution. Die Erfindung der Dampfmaschine befreite die Menschheit erstmals von schwerer körperlicher Arbeit und tierisch bespannter Produktion, und durch Brennstoff betriebene Maschinen hoben die Produktivität der Menschen auf ein viel höheres Niveau.

Britische Textilfabriken waren auf Dampfmaschinen und Webstühle aus Stahl angewiesen

(dampflokomotive )

Auch Dampflokomotiven verbrauchten großen Mengen Stahl, ebenso die zugehörigen Eisenbahnschienen. In britischen textilfabriken arbeiteten Gruppen von Frauen an geschah stattdessen durch lauten Stahlmaschinen. Auf dem europäischen Kontinent wurden Eisenbahnschienen verlegt. Dampflokomotiven begannen, die die pferdekutschen als Hauptverkehrsmittel zu ersetzen werkzeuge. Seitdem können Menschen nicht mehr ohne Stahl leben, und die Nachfrage steigt von Tag zu Tag.

(Die erste Montagelinie von Ford Motor während der zweiten industriellen Revolution)

 Die zweite industrielle Revolution verknüpfte Automobile mit Stahl  material .

(Xiaomi 's Neu erschienenes SUV: YU7)

Heute noch aus Stahl hergestellt von stahl. Während der zweiten industriellen Revolution, als Automobile entstanden, erreichte die Stahlindustrie ein neues Entwicklungsstadium. Seitdem sind diese beiden Branchen eng miteinander verbunden. Auch wenn moderne Autos heute nicht mehr dem "Mercedes-Benz Nr. 1" gleichen, wird Stahl in ihrer Produktion weiterhin weit verbreitet eingesetzt, darunter auch bei einigen Supersportwagen.

Festigkeitsklassen von Automobilstahl  

Wie hochfester Stahl tatsächlich in modernen Karosserien verwendet wird

Bei modernen Fahrzeugen wird der Fahrzeugkörper durch das Verschweißen von Stahlplatten unterschiedlicher Festigkeit hergestellt . Ingenieure wählen die geeignete Stahlsorte basierend auf den Belastungsniveaus aus, denen jeder Teil der Struktur standhalten muss. In Bereichen mit hoher Belastung – wo der Einsatz von dickem Stahl nicht machbar ist – kommt ultrahochfester Stahl zum Einsatz. Wie das Sprichwort sagt: "Verwende den besten Stahl dort, wo er am meisten benötigt wird."

Tabelle zur Festigkeit des Fahrzeugkörpers: Angezeigtes und nicht Angezeigtes

Viele Automobilhersteller behaupten zwar, hochfester Stahl hochfeste Stähle einzusetzen fahrzeugkarosserie-Strukturdiagramme , aber die meisten dieser Diagramme zeigen nur die allgemeinen Bereiche, in denen stärkerer Stahl verwendet wird, ohne dies zu spezifizieren genaue Zugfestigkeitswerte . Bekannte Marken mit starken Forschungs- und Entwicklungsressourcen sind oft noch zurückhaltender, solche technischen Daten preiszugeben.

Begriffe verstehen

In Japan und Südkorea wird hochfester Stahl häufig als "Hochleistungsstahl" Bezeichnet. Die Festigkeit von Stahl wird üblicherweise in MPa (Megapascal) gemessen. Zum besseren Verständnis: 1 MPa entspricht einer Kraft von 10 Kilogramm (etwa dem Gewicht zweier Wassermelonen), die auf eine Oberfläche von lediglich 1 Quadratzentimeter wirkt, ohne das Material dauerhaft zu verformen.

Gezielte Anwendung, keine Vollverkleidung

Durch die Analyse von Körperstrukturdiagrammen ist klar, dass ultrahochfester Stahl (z.B. 1000 MPa oder mehr) nur für bestimmte Bauteile verwendet wird, wie kollisionsschutzstrahlen und kritische Verstärkungszonen - Ich weiß. Der Großteil des Körpers ist noch aus stahl mit niedriger oder mittlerer Festigkeit , die einfacher zu formen und kostengünstiger ist. Diese selektive Verwendung beruht sowohl auf funktionsbedürfnisse und Herstellungsbeschränkungen .

Lassen Sie sich nicht von Werbeslogans täuschen

Wenn Sie auf Sätze wie "Unser Fahrzeug verwendet hochfester Stahl der Klasse 1000 MPa". es ist wichtig, sie korrekt zu interpretieren. Dies bedeutet nicht, dass der gesamte Körper aus solch fortschrittlichen Materialien besteht. In den meisten Fällen erreichen nur lokal begrenzte Bereiche – wie die tür-Deformationsstreben – diese Festigkeitsklasse. Der Rest der Karosseriestruktur verwendet in der Regel eine Kombination aus Materialien, die auf ein Gleichgewicht zwischen Sicherheit, Kosten und Fertigungsmöglichkeiten ausgelegt sind.

 3, neue Stahlsorten, die für das Stanzverfahren geeignet sind

Das Stanzverfahren ist die Hauptmethode zur Karosseriefertigung.
Karosserieteile, die sich nach dem Stanzen noch in der Form befinden

Die Erhöhung der Materialstärke führt zu dem Problem der schwierigen Bearbeitung. Die meisten Personenkraftwagen werden durch Stanzvorgänge hergestellt, also mithilfe von Werkzeugen, bei denen das Material in Form gepresst wird – ähnlich wie beim Modellieren mit Play-Doh. Aufgrund der höheren Festigkeit der Automobilbleche sind die Anforderungen an die Stanzverfahren jedoch gestiegen. Zudem gibt es viele tiefgezogene Bauteile, wodurch das Material anfällig für Risse und Falten ist. Beispielsweise entstehen Ecken beim Stanzen am ehesten sogenannte "Totecken", an denen typischerweise Risse und Falten auftreten. Dies zeigt auch, dass beim Stanzen von Stahlblechen stets Probleme wie Dehnung und Reibung mit dem Werkzeug bestehen. Diese führen aufgrund von inneren Spannungen oder Oberflächenbeschädigungen zu Fehlern an den gestanzten Teilen.

(Strukturblech für Karosserien)

Dickenverteilung der Bleche  

Um die oben genannten Situationen zu vermeiden, müssen Hersteller die Verformung von Stahlblechen beim Pressen untersuchen, um Risse zu verhindern. Es besteht jedoch immer ein Widerspruch: Je höher die Festigkeit des Stahlblechs ist, .Die Seitentafel ist das größte Pressbauteil des gesamten Fahrzeugs und auch iS das schwierigste Bauteil in der Formgebung. Daher untersuchen Hersteller die inneren Spannungen des Stahlblechs während des Pressvorgangs, um angesammelte innere Spannungen möglichst zu beseitigen. Gleichzeitig ermöglicht die Untersuchung der Dicke großer gestanzter Bauteile herauszufinden, welche Bereiche des Stahlblechs stark gedehnt werden und welche Press Tiefe sicherstellt, dass das Blech nicht reißt.

Ein neuartiger Stahl kann das Problem der Umformung und schwierigen Bearbeitung lösen, die durch die hohe Werkstofffestigkeit verursacht werden. Um das Stanzproblem bei hochfestem Stahl grundlegend zu beheben, wird ein neuartiger Stahl bei der Produktion von Automobilkarosserien eingesetzt. Die Matrix dieses Stahls ist Ferrit mit guter Weichheit und Zähigkeit, in den Martensit mit guter Härte eingebettet ist. Er lässt sich beim Stanzen leichter formen, und das geformte Material weist eine erhebliche Festigkeit auf.

(Automotive A-Säulenblechteile )

Einige wärmebehandelte hochfeste Strukturbauteile

Für Positionen wie die B-Säule, die besonders verstärkt werden müssen, verwenden einige Hersteller ein Wärmebehandlungsverfahren. Die geformte B-Säule wird erwärmt und abgeschreckt, um die innere Kristallstruktur des Stahls perfekter zu gestalten. Dies ähnelt dem Prozess beim Töpfern, bei dem zunächst geformt und anschließend durch Erhitzen verfestigt wird. In der Regel sind diese wärmebehandelten Bauteile oft schwarz gefärbt.

3.Korrosionswiderstand von Automobilstählen

(Stahlcoils für die Automobilherstellung )

Automobile werden aus niedriglegierten Stählen hergestellt.

Derzeit gehört Automobilstahl zur Kategorie der niedriglegierten Stähle, welche eine Untergruppe des Stahls darstellen. Der Großteil dieses Stahls besteht aus Eisenbestandteilen, mit nur geringen Mengen an Legierungselementen, wie Kohlenstoff, Silizium, Phosphor, Kupfer, Mangan, Chrom, Nickel usw. Der Gehalt dieser Legierungselemente überschreitet nicht 2,5 %.

Niedriglegierte Stähle weisen eine hervorragende Verarbeitungsleistung und Festigkeit auf und besitzen zudem eine gute Korrosionsbeständigkeit. Gewöhnlicher unlegierter Baustahl bildet in natürlichen Umgebungen eine rötlich-braune Oxidschicht, welche sehr locker ist und allgemein als Rost bekannt ist. Im Gegensatz dazu bilden niedriglegierte Stähle eine braune, dichte Oxidschicht, die fest an der Stahloberfläche haftet und als Barriere wirkt, um weiteres Eindringen von Umwelteinflüssen ins Innere des Stahls zu verhindern. Dieser Korrosionsschutzmechanismus ist den Schutzmechanismen von Aluminiumlegierungen und Zinklegierungen ähnlich, mit dem Unterschied, dass es mehrere Jahre dauert, bis bei niedriglegierten Stählen eine stabile schützende Rostschicht entsteht, wobei sich die Farbe dieser Rostschicht von hellem Gelb bis hin zu Braun verfärbt, während Aluminiumlegierungen nahezu augenblicklich eine schützende Oxidschicht ausbilden.

Wetterfester Stahl wird häufig ungeschützt an Gebäudefassaden eingesetzt

Wetterstahl entwickelt nach der Bildung einer Rostschicht eine besondere künstlerische Wirkung und ist daher ein von avantgardistischen Designern stark geschätztes Baumaterial.

Aufgrund dieser Eigenschaft wird auch niedriglegierter Stahl als Wetterstahl (wetterbeständiger Korrosions- und Säurewiderstands-Stahl) bezeichnet. Wetterstahl findet typischerweise Anwendung bei der Fertigung von Fahrzeugen, Schiffen, Brücken, Containern usw., wobei die Oberflächen üblicherweise lackiert sind. Im Bereich der Architektur hingegen zieht man es vor, Wetterstahl unverkleidet einzusetzen, da er keine Durchrostung aufweist, wenn er ungeschützt bleibt. Zudem erzeugt die braune Rostschicht, die sich bildet, eine einzigartige künstlerische Wirkung, weshalb Schweißplatten aus Wetterstahl häufig für die Fassaden von Spezialgebäuden verwendet werden.

Durch die Verbesserung der Stahleigenschaften gehen Automobilhersteller bei der Korrosionsvorsorge zunehmend oberflächlich vor.

Bei Automobilen verwenden viele Hersteller heute weniger Chassislackierung aus Gummi, umgangssprachlich häufig als "Chassispanzerung" bezeichnet. Das Chassis vieler Neuwagen weist direkt die Stahlbleche auf, welche lediglich mit dem ursprünglichen Werksgrundierlack und der farblich zur Karosserie passenden Deckschicht lackiert sind. Dies zeigt an, dass diese Fahrzeuge während des Produktionsprozesses ausschließlich einer elektrophoretischen Grundierung und Farbbeschichtung unterzogen werden. Lediglich im Spritzwasserbereich hinter den Vorderrädern ist eine dünne Schicht aus weichem Gummilack vorhanden, die verhindert, dass Steine, die von den Reifen aufgewirbelt werden, das Stahlchassis beschädigen. Diese Veränderungen scheinen das Vertrauen der Hersteller in den Korrosionsschutz ihrer Produkte widerzuspiegeln.

(Chassispanzerung )

Xiaomi SU7 Chassisschutzplatte

Anspruchsvolle Unternehmen verbauen Kunststoff-Chassisschutzplatten.

Unter den Schutzplatten befinden sich noch Stahlbleche, die lediglich einer einfachen Behandlung unterzogen wurden. Einige pedantische Hersteller verbauen Kunststoff-Schutzplatten am Fahrzeugboden. Diese Platten können nicht nur den Kontakt zwischen dem Chassis-Stahl und Steinschlägen verhindern, sondern auch die Luftströmung unter dem Fahrzeug optimieren. Unter diesen Kunststoffschutzplatten weist der Chassis-Stahl lediglich eine Primer-Beschichtung auf.

Im Automobilbau wird Stahl nicht willkürlich eingesetzt. Geschäftsentscheidungen, Kosten zu senken, führen häufig dazu, dass wesentliche Vorteile für geringe Einsparungen geopfert werden, und Techniker können hiergegen keine Entscheidung der Geschäftsleitung überstimmen.

Es gibt immer Ausnahmen von der Regel, und solche Ausnahmen kommen oft in China vor. Vor einigen Jahren verwendete eine neu gegründete heimische Automobilmarke für die Fahrzeugproduktion niedriglegierten Stahl, was dazu führte, dass die Fahrzeugbodenteile innerhalb von zwei Jahren durchrosteten – und ähnliche Fälle tauchen aktuell erneut auf. Manchmal sind Entscheidungen, die Führungskräfte spontan treffen, wirklich beunruhigend. Wenn kaufmännische Aspekte technische Diskussionen beeinflussen, sind die Ergebnisse stets unvorhersehbar.

Die Zukunft der Automobilstähle

Derzeit wurde die Dicke von Karosseriestahlblechen auf 0,6 mm reduziert, was meiner Meinung nach das Limit der Stahldicke erreicht hat. Falls das Stahlblech dünner wird, würde es selbst bei hoher Festigkeit die strukturelle Stabilität verlieren, die dem Material eigen ist. Karosseriestahlbleche stehen gegenwärtig immer stärkeren Herausforderungen durch neue Materialien gegenüber. Das Atomgewicht des Eisens bestimmt, dass seine Dichte nicht verändert werden kann, und der Weg zur Gewichtsreduktion durch Dünnerwerden scheint somit ein Ende erreicht zu haben. Aluminiumlegierungen finden mittlerweile zunehmend Verbreitung in Hochleistungs-Fahrzeugen. Vollständig aus Aluminium gefertigte SUVs sowie die 5er-Reihe und A6-Modelle, bei denen Aluminium für die Vorderstruktur verwendet wird, zeigen alle diese Entwicklung an.