Autoteollisuuden teräksen kehitys ja tulevaisuus: antiikin käsityöstä moderniin insinööritaitoon

Johdanto: Autoteollisuuden teräksen merkitys

Autojen valmistamiseen käytettäväksi teräkseksi autot on nykyihmiselle perustavaa laatua oleva järkähdys. Kuitenkin monien ymmärrys autoteollisuuden teräksestä pysyy edelleen matalan hiilipitoisen teräksen tasolla. Vaikka molemmat ovat teräksiä, nykyään autoteollisuuden teräs on huomattavasti parempaa kuin paljon viime vuosina autoteollisuuden terästen tutkimuksessa on saavutettu suuria edistysaskelia. Nykyään autoteollisuuden teräslevyt ovat ohuemmat ja ohuemmat sekä teräksen lujuus ja korroosionkestävyys ovat parantuneet parannettu paljon. Jotta laskuri uusien materiaalien vaikutuksesta monet teräsyhtiöt tekevät yhteistyötä ajoneuvot yritysten kanssa kehittääkseen kevyttä, korkealujuusterästä että voimme kilpaillaakseen alumiiniseoksen, muovin ja hiilikuituvahvisteisten komposiittien kanssa.

Rauta- ja terästeollisuuslaitos

1. Määrittelemätön termi: "Korkealujuusteräs"

Nykyään monien autojen markkinoilla monet merkit väittävät käyttävänsä "korkealujuusterästä", mutta tällä termillä ei ole yhtenäistä teollisuusstandardia. Teräksen teknologian edetessä myös tämän termin lujuusraja on noussut. Tilanne on samankaltainen kuin autojen mallit, joita markkinoidaan "Uusina", "Täysin uusina" tai "Seuraavan sukupolven" versioina. Markkinointiosastot usein luokittelevat teräksen, jonka lujuus on yli 300 MPa, "korkealujuusteräkseksi", vaikka eri terästen lujuudessa voi olla jopa 100 % eroa.

Selkeyttääksemme autoteollisuuden teräksen käsitettä, meidän tulee ensin ymmärtää sen historiallista kehitystä.

Teräksen kehitys Kiinassa

Vähän pronssista rautaan: Kiinalainen innovaatio

Teräksellä on pitkä historia, joka ulottuu Kiinan kevät– ja syyskauteen sekä taistelukaudelle (noin 770–210 eaa.). Tuolloin pronssi hallitsi metallien käyttöä, mutta se oli liian haurasta kestäviin työkaluihin tai aseisiin. Muinaiset kiinalaiset insinöörit alkoivat käyttää puhallusmassahautausta tuottamaan pehmeää, lohkomainen rautaa. Vaikka rautatyökalut tarjosivatkin tuolloin vain rajallisia etuja pronssin edellyttämään käyttöön, ne loivat perustan myöhemmille metallurgisille läpimurtoille.

Edistyminen Han-dynastian aikana

Han-dynastian aikana (202 eaa. – 220 jaa.) nostivat paineilmapullotetut uunit sulatuslämpötiloja ja hiiltämisellä kehitettiin tekniikkaa säätää kovuutta. Metallurgit saattoi sekoittaa sulaa rautaa muuntajissa ja lisätä sora-aineita, mikä mahdollisti "sekoitusvalamisen". Yhdessä taittamis- ja takomismenetelmien kanssa epäpuhtauksien poistamiseksi syntyi korkealaatuista rautaa, jota käytettiin ensisijaisesti aseisiin. Han-hautojen arkeologisista kaivauksista on usein löydetty tällaisia aseita, mikä viittaa niiden yleiseen käyttöön.

Tang-dynastian mestaruus

Tang-dynastian aikana (618–907 jaa.) rautasepät pystyivät hallitsemaan hiilen määrää rautatuotteissa ja valmistamaan terästä, jonka hiilipitoisuus oli 0,5–0,6 % – tämä vastaa nykymääritelmää teräksestä. Kehittyneitä menetelmiä, kuten terän kerrostamista, kehitettiin optimoimaan sekä kovuutta että sitkeyttä.

vihertävän helmen -kädensija rautaa

Kuvan rautaiset aseet ovat muun muassa jade-kahkoisia rautasiekkoja antiikin Kiinasta. Tämä osoittaa, että sulattamisteknologia oli edistynyttä jo tuolloin. Rautaisia aseita käytettiin laajasti ja niitä oli eri tyyppejä kuten rautateriä, keihäitä ja nuolia. Rauta syrjäytti pronssin täysin, ja ihmiskunta siirtyi rautakaudelle.

teräksiset veitset, joita käytettiin Tang-dynastian aikana y

Kiinan Tang-dynastian aikana raudan sulatus- ja valmistustekniikat eivät muuttuneet selkeästi . Kuitenkin kokemuksen avulla seppämetallurgit oppivat hallitsemaan hiilipitoisuutta rautatuotteissa. Edustavien Tang-dynastian veistä löydetty hiilipitoisuus oli noin 0,5–0,6 %, mikä kuuluu teräksen hiilipitoisuusalueelle.

Nykyisin teräksen valmistuksessa hiilipitoisuuden hallinta on edelleen keskeistä. Sen säätäminen käyttötarkoituksen mukaan vaikuttaa teräksen taipumiskykyyn ja kovuuteen. Molemmilla ominaisuuksilla varustettuja teriä varten muinaiset ihmiset kehittivät tekniikoita kuten teräksen pinnoittamisen ja kerrostamisen. Näitä menetelmiä ei kuitenkaan käsitellä tässä artikkelissa.

(Ensimmäinen teollisuuskierros )

Ensimmäinen teollisuuskierros

Ensimmäinen teollisuuskierros asettamme raudantuotannon siirtyminen teollistumiseen. Ensimmäinen ihmisen kysynnän hyppy teräksen osalta tuli teollisuuskierroksen aikana. Höyrykoneen keksiminen vapautti ihmiskunnan ensimmäisenä raskaasta manuaalisesta työstä ja eläinten voimalla tapahtuvasta tuotannosta, ja polttoainetta käyttävät koneet nostivat ihmisen tuottavuuden paljon korkeammalle tasolle.

Brittiläiset tekstiilitehtaat riippuivat höyrykoneista ja teräksestä valmistetuista kutomakoneista

(höyryveturi )

Höyryveturit olivat myös suuria teräksen kuluttajia yhdessä mukaan liittyvien rautatierekien kanssa. In brittiläinen tekstiilitehtaissa naisryhmät hoitivat oli sen sijaan meluisat teräskoneet. Euroopan mantereella asennettiin rautaraiteita. Höyryveturit alkoivat syrjäyttää paperin hevosella vetämät kulkuneuvot olivat pääasiallinen kulkuneuvo työkalut. Sen jälkeen ihmiset eivät ole voineet elää ilman terästä, ja kysyntä on lisääntynyt päivä päivältä.

(Ford Motorin ensimmäinen tuotantolinja toisen teollisuusvallankumouksen aikana)

 Toinen teollisuusvallankumous yhdisti autoteollisuuden ja terästeollisuuden  materiaali .

(Xiaomi 'uutuus SUV: YU7

Nykyään joitain suorituskykyisiä autoja valmistetaan edelleen tekijä: terästä. Toisen teollisuusvallankumouksen aikana, kun autot tulivat yleisiksi, terästeollisuus kehittyi uudelle tasolle. Sen jälkeen nämä kaksi sektoria ovat olleet tiiviisti yhteydessä. Vaikka nykyaikaiset autot eivät enää muistuta "Mercedes-Benz No. 1":stä, terästä käytetään edelleen laajasti niiden valmistukseen, mukaan lukien joissakin supersportautoissa.

Autoterästen lujuusluokat  

Miten todella korkealujuusterästä käytetään nykyaikaisten autojen rungossa

Nykyaikaisissa ajoneuvoissa auton runko rakennetaan hitsaamalla yhteen eri lujuuksisia teräslautoja . Insinöörit valitsevat sopivan teräsluokan rakenteen osien kestämän rasituksen perusteella. Suurten rasitusten alueilla, joissa paksumman teräksen käyttö ei ole mahdollista, erittäin korkealujuusterästä käytetään. Kuten sanonta kuuluu, "Käytä parasta terästä siellä missä sitä eniten tarvitaan."

Kehän teräksen lujuuskaaviot: Mitä esitetään ja mitä ei

Monet autonvalmistajat väittävät käyttävänsä korkean vahvuuden teräs , vain harvat ovat avoimia tarkkojen materiaalien suhteen. Jotkin merkit julkaisevat ajoneuvon runkorakennepiirustukset , mutta useimmat näistä kaavioista korostavat vain yleisiä alueita, joissa käytetään vahvempaa terästä, ilman että määritellään tarkasti tarkat vetolujuusarvot . Tunnetut merkit, joilla on vahva tutkimus- ja kehitysosuus, ovat usein vieläkin varovaisempia jakamalla tällaista teknistä tietoa.

Termien ymmärtäminen

Japanissa ja Etelä-Koreassa korkealujuusterästä käytetään yleisesti nimitystä "korkeajännitetterästä. " Teräksen lujuutta mitataan tyypillisesti MPa (megapaskaleina) . Mittasuhteiden hahmottamiseksi: 1 MPa vastaa 10 kilogramman painovoimaa (noin kahden vesimelonin paino), joka kohdistuu 1 neliösenttimetrin pinta-alaan aiheuttamatta materiaalin muodonmuutosta.

Strateginen käyttö, ei täysi peitto

Rakenteen kaaviokuvia analysoimalla nähdään selvästi, että erittäin korkealujuusterästä (esim. 1000 MPa tai enemmän) käytetään vain tietyissä komponenteissa, kuten törmäyksenestotangot ja kriittiset vahvistusalueet . Suurin osa kehystä on edelleen valmistettu heikommasta tai keskisuorasta teräksestä , joka on helpompi muotoilla ja kustannustehokkaampi. Tämän valikoivan käytön perustana ovat sekä toiminnalliset tarpeet että valmistusrajoitukset .

Älä jää valehtelun uhriksi

Kun kohtaat ilmaisuja, kuten "Ajoneuvon runko on valmistettu 1000 MPa:n luokan korkealujuusteräksestä," on tärkeää tulkita niitä oikein. Tämä ei tarkoita, että koko runko olisi valmistettu tällaisesta edistyneestä materiaalista. Useimmissa tapauksissa vain paikalliset osat – kuten ovisiirtopalkit —saavuttamaan tuon vahvuustason. Muu runkoraken käyttää yleensä materiaaliseosta, joka on suunniteltu tasapainoimaan turvallisuus, kustannukset ja valmistettavuus.

 3, uudet teräsmateriaalit, jotka ovat sopivia painatusta varten

Painatuksen menetelmä on pääasiallinen keino rungon valmistukseen.
Runko-osat, jotka pysyvät muotissa painatusmuovaamisen jälkeen

Materiaalin lujuuden kasvu aiheuttaa vaikeuksia sen käsittelyyn. Useimmat henkilöautot valmistetaan leikkaamalla, eli käyttämällä muottisuihkua materiaalin mallintamiseen – samankaltaisesti kuin Play-Doh-massaa. Nyt kun automyynnissä käytettävän teräslevyn lujuus on noussut, vaatimukset painonalaustekniikoille ovat tiukemmat. Lisäksi syvävetolevyosia on paljon, mikä tekee materiaalista herkemmän murtumiselle ja rypleille. Esimerkiksi kulmakohtien koettiin olevan "kuolleita kulmia" aihettaessa, joissa pienten repeämien ja ryplyjen syntymä on todennäköistä. Tämä osoittaa myös, että teräslevyjen muovauksessa esiintyy venymistä ja kitkaa muotin kanssa. Näistä voi seurata virheitä muovatuissa osissa sisäisen jännityksen tai pinnan vaurioitumisen vuoksi.

(autoteollisuuden rakenneteräs)

Levyn ohentumisjakauma  

Yllä olevien tilanteiden välttämiseksi valmistajien on tutkittava teräslevyn muodonmuutosta painatettaessa estääkseen repeämisen. On kuitenkin olemassa ristiriita, että mitä suurempi teräslevyn lujuus on .Sivukappale on koko auton suurin painososa ja myös on vaikein komponentti muotoa. Valmistajat tutkivat sen vuoksi teräslevyn sisäistä jännitystä painatettaessa poistaakseen mahdollisimman paljon kertynyt sisäinen jännitys. Samalla suurten painososien paksuuden tutkiminen voi paljastaa, missä kohdissa teräslevyä on venytetty voimakkaasti ja mikä painosyvyys takaa sen, että teräslevy ei repeä.

Uuden tyyppinen teräs voi ratkaista ongelmat, joita aiheutuu materiaalin korkeasta lujuudesta leikatessa ja vaikeassa valmistuksessa. Jotta voidaan perusteellisesti ratkaista korkealujuusteräksen leikkausongelma, uuden tyyppistä terästä käytetään autoteollisuuden kappaleiden valmistukseen. Tämän teräksen pohja on ferriittiä, jolla on hyvä pehmeys ja sitkeys, ja siihen on upotettu martensiittia, jolla on hyvä kovuus. Se muovautuu helpommin leikatessa, ja valmistetulla tuotteella on huomattava lujuus.

(Auton A-pilari metallilevyosat )

Joitain lämpökäsiteltyjä korkealujuisia rakennekomponentteja

Tietyt valmistajat käyttävät lämpökäsittelyprosessia paikoissa, kuten B-pilarissa, jotka vaativat erityistä vahvistusta. Valmis B-pilari lämmitetään ja jäähdytetään nopeasti, jotta teräksen sisäinen kristallirakenne saadaan täydellisemmäksi. Tämä on samankaltainen prosessi kuin savesta muotoilun jälkeen tapahtuva kovetus keramiikan valmistuksessa. Yleensä näistä lämpökäsitellyistä osista tulee usein mustia.

3.Autojen terästen korroosionkestävyys

(Teräskelat autoteollisuuden valmistukseen )

Autoja valmistetaan käyttämällä matalan seosaineen sisältäviä teräksiä.

Tällä hetkellä autojen teräs kuuluu matalan seostetun teräksen ryhmään, joka on yksi teräslajien haaroista. Tämän teräksen suurin osa koostuu rauta-aineista ja siinä on vain pieni määrä seosaineita, kuten hiili, pii, fosfori, kupari, mangaani, kromi, nikkeli jne. Näiden seosaineiden pitoisuus ei ylitä 2,5 %.

Matala-seostetut teräkset omaavat erinomaisen työstettävyyden ja lujuuden, samalla kun niillä on myös hyvä korroosionkesto. Tavallinen hiiliteräs muodostaa luonnollisessa ympäristössä punaruskean hapetuskerroksen, joka on hyvin löyhä ja tunnetaan tavallisesti ruosteena. Sen sijaan matala-seostetut teräkset muodostavat ruskean, tiheän hapetuskerroksen, joka tarttuu tiukasti teräspintaan ja toimii esteenä ulkoiselle ympäristölle aiheuttaa sisäisen teräksen lisähajoamista vastaan. Tämä ruosteenesto-mekanismi on jonkin verran samankaltainen kuin alumiini- ja sinkkiseosten mekanismi, paitsi että matala-seostettujen terästen suojaruostekerros kestää useita vuosia ennen kuin siitä tulee vakaampi, ja ruostekerroksen väri vaihtuu vaalean keltaisesta ruskeaksi.

Ilmastonkestävää terästä käytetään usein rakennusten julkisivuilla

Kestopinnoitettu teräs kehittää erityisen taiteellisen vaikutelman ruostumiskerroksen muodostuttua, jolloin siitä tulee rakennusmateriaali, jota huipputyylisuunnittelijat suosivat.

Tämän ominaisuuden vuoksi matala-seostetusta teräksestä käytetään myös nimitystä ilmastonkestävä teräs (säännöllisesti altistuva korroosiokestävä teräs). Ilmastonkestävää terästä käytetään tyypillisesti ajoneuvojen, laivojen, siltojen, konttien jne. valmistukseen, ja niiden pinnat ovat yleensä maalattuja. Kuitenkin arkkitehtonisessa korussa on suosiota käyttää ilmastonkestävää terästä paljaina, koska se ei ruostu läpi, kun sitä ei ole peitetty. Lisäksi sen muodostama ruskea ruostekerros luo ainutlaatuisen taiteellisen vaikutelman, mikä tekee hitsatuista ilmastonkestävistä teräslevyistä yleisen valinnan erikoisrakennusten julkisivuille.

Teräksen ominaisuuksien parantuessa autoteollisuus on käymässä yhä pintapuolisemmaksi ruosteenestoissa.

Autoteollisuudessa monet valmistajat käyttävät nykyään vähemmän korirubberpinnoitetta, jota kutsutaan yleisesti "koripanssiksi". Monien uusien autojen kori paljastaa suoraan teräslevyt, joissa on vain tehtaan alkuperäinen pohjaväritys ja ulkoväritys. Tämä tarkoittaa sitä, että näitä ajoneuvoja on valmistettaessa käsitelty vain sähkökemiallisella pohjamaalauksella ja värimaolauksella. Vain pyörän taakse jäävä osa kotelosta on peitetty ohuella pehmeän rubberpinnoitteella, joka estää renkaista nousevan soran iskeytymisen koriin. Nämä muutokset vaikuttavat heijastavan valmistajien luottamusta tuotteidensa korroosionkestoon.

(Koripanssari )

Xiaomin SU7-korinsuojalevy

Edistyneet yritykset asentavat muovisia korinsuojalevyjä.

Suojalevyjen alla on edelleen teräslevyjä, joille on tehty vain yksinkertainen käsittely. Jotkut huolelliset valmistajat asentavat muovisia suojalevyjä alustaan. Näillä levyillä voidaan paitsi eristää alustan terästä soran iskuilta, myös järjestää alustan alapuolista ilmavirtausta. Näiden muovisten suojalevyjen alla alustan teräs on vain yhden pohjamaalikerroksen varassa.

Autojen terästä ei käytetä sattuman kautta. Yrittäjien päätökset kustannusten leikkaamiseksi johtavat usein siihen, että merkittävät hyödyt uhrautuvat vähäisille säästöille, eikä teknikoilla ole mahdollisuutta ohittaa esimiesten päätöksiä.

Jokaisella asialla on poikkeus, ja juuri sellaisia poikkeuksia tapahtuu usein Kiinassa. Muutama vuosi sitten uusi kotimainen merkki alkoi käyttää autojensa valmistukseen matala-hiilistä terästä, mikä johti alustan ruostumiseen jo kahden vuoden kuluessa – ja vastaavia tapauksia on esiintynyt uudelleen äskettäin. Joskus johtajien mielijohteisesti tekemät päätökset ovat todella hälyttäviä. Kun liikemiehet puuttuvat teknisiin keskusteluihin, lopputulos on aina arvaamaton.

Automaattisten terästen tulevaisuus

Tällä hetkellä automaatti-teräslevyjen paksuutta on pienennetty 0,6 mm:iin, mikä uskon mukaan on saavuttanut teräksen paksuuden rajan. Jos teräslevy on ohuempi, sillä ei ole enää riittävää rakenteellista stabiilisuutta, vaikka se olisi lujuudeltaan korkealaatuinen. Automaatti-teräslevyt kohtaavat nykyään yhä suurempia haasteita uusien materiaalien myötä. Raudan atomipaino määrittää sen tiheyden, ja ohjentamisen kautta painon keventämisen mahdollisuudet näyttävät olevan loppumassa. Alumiiniseokset ovat nyt vähitellen leviämässä laajasti käyttöön korkealuokkaisissa ajoneuvoissa. Täysalumiiniset SUV:t sekä alumiinia eturakenteessa käyttävät 5-sarja ja A6 osoittavat tämän trendin.