A evolución e o futuro do acero automotriz: Do artesanado antigo á enxeñaría moderna

Introdución: A importancia do acero automotriz

Usar o acero para fabricar coches é unha cuestión elemental de sentido común para as persoas modernas. Con todo, moitas comprensións do acero automotriz aínda se deteñen no acero de baixo carbono. Aínda que ambos son aceros, o acero automotriz actual é moi moito superior ao utilizado hai décadas. Durante os últimos anos, a investigación sobre o acero automotriz fixo grandes progresos. Agora, as follas de acero automotriz son máis finas cada vez máis , e a resistencia e a resistencia á corrosión do acero melloraron melorado moito. Para contrarrestar o impacto de novos materiais, moitas empresas siderúrxicas están a traballar activamente con vehículo empresas para desenvolver aceros lixeiros e de alta resistencia que podemos competir con aleacións de aluminio, plástico e composites reforzados con fibra de carbono.

Planta de fundición de ferro e acero

1. O Termo Non Definido: "Aceros de Alta Resistencia"

No mercado automotriz moderno, moitas marcas afirman usar "aceros de alta resistencia", pero este termo carece dun estándar industrial unificado. Conforme avanza a tecnoloxía do acero, tamén o fan os umbrais de resistencia asociados a esta etiqueta. A situación é semellante á dos modelos de coches comercializados como versións "Novo", "Totalmente Novo" ou "De Nova Xeración". Os departamentos de marketing adoitan clasificar o acero por encima dos 300 MPa como "de alta resistencia", aínda que diferentes tipos de acero baixo este paraguas poden variar en resistencia ata un 100%.

Para clarificar o tema do acero automotriz, primeiro debemos comprender o seu desenvolvemento histórico.

Desenvolvemento do acero en China

Do Bronce ao Ferro: A Innovación Chinesa

O acero ten unha longa historia que se remonta aos períodos da Primavera e Outono e dos Estados Combatentes en China (aproximadamente 770-210 a.C.). Naquel momento, o bronce era o metal dominante pero era demasiado fráxil para ferramentas ou armas duradeiras. Os enxeñeiros chineses comezaron a usar o proceso de forno de cubo para producir ferro blando con forma de bloque. Aínda que as ferramentas de ferro tiveran entón vantaxes limitadas fronte ao bronce, sentaron as bases para avances posteriores na metalurxia.

Avances durante a dinastía Han

Durante a dinastía Han (202 a.C.-220 d.C.), os fogos mellorados con fuelles elevaron as temperaturas de fundición, e desenvolveuse a tecnoloxía de cementación para controlar a dureza. O "proceso de fundición con agitación" permitiu aos metalúrxicos mesturar ferro fundido nos conversores e engadir elementos de aliaxe. Xunto coas técnicas de plegado e forxado para eliminar impurezas, estes métodos crearon ferro de alta calidade que se usaba principalmente en armas. As armas atopadas en túmulos Han indican un uso amplamente difundido.

Dominio durante a dinastía Tang

Durante a dinastía Tang (618–907 d.C.), os ferreiros podían controlar o contido de carbono nos produtos de ferro, producindo aceiros con 0.5–0.6% de carbono: a definición moderna de aceiro. Desenvolvéronse técnicas como o solapamento das lamas para optimizar a dureza e a tenacidade.

ferro con punce de xade

As armas de ferro da imaxe son espadachos de ferro con punce de xade da antiga China. Isto amosa que a tecnoloxía de fundición era avanzada naquela época. As armas de ferro usábanse amplamente. Tamén houbo diferentes tipos como coitellos de ferro, ji, lanzas e frechas. O ferro substituíu completamente ao bronce, e a humanidade entrou na Idade do Ferro.

coitellos de aceiro usados para a dinastía Tang y

Durante a dinastía Tang en China, as técnicas de fundición e forxado non cambiaron obvio mente. Con todo, a través da experiencia acumulada, os ferreiros foron capaces de controlar o contido de carbono nos produtos de ferro. O contido de carbono dos coitellos representativos da dinastía Tang foi aproximadamente entre 0.5% e 0.6%, o que cae dentro da gama de aceiro.

Na fabricación do aceiro hoxe en día, o control do contido de carbono aínda é fundamental. Axustalo segundo o uso pretendido pode regular a tenacidade e a dureza do aceiro. Para fabricar lamas con ambas as propiedades, as persoas antigas inventaron técnicas como a laminación e o sanduíche de aceiro. Con todo, estas están fóra do alcance deste artigo.

(A primeira Revolución Industrial )

A primeira Revolución Industrial

A primeira Revolución Industrial poner a transición cara á industrialización na produción do ferro. O primeiro gran aumento na demanda humana por aceiro ocorreu durante a Revolución Industrial. A invención da máquina de vapor liberou á humanidade do traballo manual pesado e da produción baseada en animais pola primeira vez, e as máquinas impulsadas por combustible elevaron a produtividade humana a un nivel moito máis alto.

Os molinos têxteis británicos dependían das máquinas de vapor e dos telares feitos de aceiro

(locomotora a vapor )

As locomotoras a vapor tamén foron grandes consumidoras de aceiro, xunto coas vías ferroviarias asociadas. En británico molinos têxteis, grupos de mulleres operando foi faceta mediante máquinas de ferro ruidosas. A través do continente europeo, foron colocadas liñas férreas de ferro. Os locomotoras a vapor comezaron a substituír the carros tirados por cabalos como o transporte principal ferramentas. Desde entón, os seres humanos non puideron vivir sen o ferro, e a demanda foi aumentando día a día.

(A primeira liña de montaxe da Ford Motor durante a Segunda Revolución Industrial)

 A Segunda Revolución Industrial vinculou os automóbiles co ferro  material .

(Xiaomi 's SUV Recén Lançado: YU7)

Ferro. Durante a Segunda Revolución Industrial, cando apareceron os automóbiles, a industria do ferro avanzou ata un novo nivel. Desde entón, estes dous sectores estiveron estreitamente ligados. Aínda que os coches modernos xa non se parezan ao "Mercedes-Benz No. 1", o ferro aínda se usa amplamente na súa produción, incluídos algúns supercoches. por ferro. Durante a seguna Revolución Industrial, cando os automóbiles emergiron, a industria do ferro avanzou a un novo nivel. Desde entón, estes dous sectores estiveron estreitamente vinculados. Incluso hoxe en día, algúns coches de alta performance seguen fabricándose con ferro.

Graos de resistencia do aceiro automotriz  

Como se usa realmente o aceiro de alta resistencia nos corpos de coches modernos

Nos vehículos modernos, o corpo do coche constrúese mediante a unión por soldadura de chápás de aceiro de diferentes resistencias . Os enxeñeiros elixen o grao adecuado de aceiro segundo os niveis de tensión que cada parte da estrutura deba soportar. Nas zonas de alta tensión – onde non é factible empregar aceiro máis grosos – utilízase aceiro de ultraalta resistencia . Como di o refrán, "Emprega o mellor aceiro onde sexa máis necesario."

Táboas de resistencia do aceiro da carrocería: o que se mostra e o que non

Aínda que moitos fabricantes de coches afirman empregar acero de alta resistencia , só uns poucos son transparentes sobre os materiais exactos utilizados. Algúns fabricantes si publican diagramas da estrutura do corpo do vehículo , pero a maioría destas táboas só destacan as áreas xerais onde se aplica o aceiro máis forte, sen especificar valores exactos de resistencia á tracción . As marcas coñecidas con fortes capacidades de I+D están a miúdo incluso máis reservadas ao compartir este tipo de datos técnicos.

Comprender a Terminoloxía

En Xapón e Corea do Sur, o aceiro de alta resistencia é coñecido comúnmente como "aceiro de alta tensión. " A resistencia do aceiro mídese normalmente en MPa (megapascals) . Para que teñas unha idea da escala: 1 MPa equivale á forza de 10 quilogramos (aproximadamente o peso de dúas melancias) aplicada a unha superficie de tan só 1 centímetro cadrado, sen provocar deformación no material.

Aplicación Estratéxica, Non Cobertura Total

Ao analizar os diagramas da estrutura do corpo, é claro que utilízase aceiro de ultraalta resistencia (p. ex. , 1000 MPa ou máis) úsase só en compoñentes específicos—como vigas anticolisión e zonas críticas de reforzo . A maioría do corpo aínda está fabricada con aceros de baixa ou media resistencia , que son máis fáciles de modelar e máis económicos. Este uso selectivo baséase tanto na necesidade funcional como nas limitacións de fabricación .

Non Deixes Que as Frases Publicitarias Te Estrañen

Cando atopas frases como "O noso corpo do vehículo emprega aceiro de alta resistencia da clase 1000 MPa", é importante interpretalas con precisión. Isto non quere dicir que todo o corpo estea fabricado con ese material avanzado. Na maioría dos casos, só certas partes localizadas—como as vigas de impacto das portas —poden acadar ese nivel de resistencia. O resto da estrutura do corpo normalmente emprega unha mestura de materiais deseñada para equilibrar seguridade, custo e capacidade de fabricación.

 3, novos materiais de aceiro axeitados para o estampado

O estampado é o método principal para a fabricación do corpo.
Pezas do corpo que aínda están no molde despois da formación por estampado

O aumento da resistencia do material trae o problema de difícil procesamento. A maioría dos coches persoais fabricáronse mediante estampación, é dicir, usando matrices para extrudir materiais en forma —similar a moldear plastilina—. Agora, coa maior resistencia das chápás de aceiro automotriz, os requisitos para os procesos de estampación son máis exigentes. Ademais, hai moitas pezas de debuxo profundo, facendo que o material sexa propenso a rachaduras e pregas. Por exemplo, as posicións das esquinas son as máis propensas aos "puntos cegos" durante a estampación, onde normalmente ocorren rasgamentos e pregas. Isto tamén indica que cando se estampan as chápás de aceiro, existen problemas como estiramento e fricción coa matriz. Estes causarán defectos nas pezas estampadas debido a tensións internas ou danos na superficie.

(aceiro estrutural para carrocería de vehículos)

Distribución do afinamento das chápás  

Para evitar as situacións anteriores, os fabricantes necesitan estudar a deformación das follas de aceiro durante o estampado para previr rasgaduras. Con todo, sempre hai unha contradición: canto maior sexa a resistencia do aceiro .O panel lateral é a maior peza estampada do vehículo e tamén é o compoñente máis difícil de formar. Por iso, os fabricantes estudan as tensións internas da follas de aceiro durante o estampado para eliminar en toda a medida posible as tensións acumuladas. Mientres tanto, estudando a espesura das pezas estampadas de gran superficie pódese coñecer que partes da follas de aceiro están moi estiradas e que profundidade de estampado garante que a follas de aceiro non se rompan.

O novo tipo de aceiro pode resolver o problema de formación por punzón e dificultade de procesado causado pola alta resistencia do material. Para resolver fundamentalmente o problema de punzonado do aceiro de alta resistencia, está a aplicarse un novo tipo de aceiro na produción de corpos de automóbiles. A matriz deste aceiro é ferrita con boa maleabilidade e tenacidade, na que se embebe martensita con boa dureza. É máis fácil de formar durante o punzonado, e o material formado ten considerable resistencia.

(Pezas de chapa para o pilar A do automóbil )

Algunhas pezas estruturais de alta resistencia tratadas termicamente

Para posicións como o pilar B que requiren especialmente reforzo, algúns fabricantes empregan un proceso de tratamento térmico. O pilar B formado sométese a quentamento e temperado para facer a estrutura cristalina interna do aceiro máis perfecta. Isto é semellante ao proceso de modelaxe con barro e logo quentar para solidificar na fabricación de porcelana. Xeralmente, estas pezas tratadas termicamente aparecen frecuentemente de cor negra.

3.Resistencia á corrosión dos aceiros automotrices

(Bobinas de aceiro para fabricación automotriz )

Os automóbiles fabrícanse empregando aceiros de baixa aleación.

Na actualidade, o aceiro automotriz pertence á categoría dos aceiros de baixa aleación, que é unha ramificación do aceiro. A maioría deste aceiro está composta por elementos de ferro, cunha pequena cantidade de elementos de aleación, como carbono, silicio, fósforo, cobre, manganés, cromo, níquel, etc. O contido destes elementos de aleación non supera o 2,5%.

Os aceros de baixa aleación mostran unha excelente capacidade de procesado e resistencia, ademais de posuír unha boa resistencia á corrosión. O aceiro común de baixo carbono forma unha capa de óxido avermellada en ambientes naturais, moi solta e coñecida comunmente como ferruxe. En contraste, os aceros de baixa aleación xeran unha capa de óxido marrón e densa que se adhire fortemente á superficie do aceiro, actuando como unha barreira para impedir a erosión do aceiro interior polo ambiente exterior. Este mecanismo antiferruxe é algo semellante ao das aleacións de aluminio e das aleacións de cinc, agás que nos aceros de baixa aleación leva varios anos desenvolver unha capa protexente estable de ferruxe, co cor da capa pasando do amarelo claro ao marrón, mentres que as aleacións de aluminio forman case instantaneamente unha capa protexente de ferruxe.

O aceiro corten é frecuentemente usado exposto nas fachadas dos edificios

O aceiro resistente á intemperie desenvolve un efecto artístico especial unha vez formada a capa de ferruxe, converténdose así nun material de construción moi valorado polos deseñadores máis avanzados.

Debido a esta característica, o aceiro de baixa aleación tamén é coñecido como aceiro resistente á intemperie (aceiro resistente á corrosión atmosférica). O aceiro resistente á intemperie úsase normalmente para fabricar vehículos, barcos, pontes, contedores, etc., cos seus acabados superficiais xeralmente pintados. Non obstante, no deseño arquitectónico prefírese empregar o aceiro resistente á intemperie sen protexir, xa que non sufre ferruxamento cando se deixa á vista. Ademais, a capa de ferruxe marrón que forma crea un efecto artístico único, facendo dos paneis de aceiro resistente soldados unha elección común para as fachadas de edificios especiais.

Debido á mellora nas propiedades do aceiro, os fabricantes de automóbiles están a converterse cada vez máis en descoidados nos tratamentos antiferruxe.

No que se refire aos automóbiles, moitos fabricantes agora empregan menos recubrimento de goma no chasis, coñecido comúnmente como "armadura do chasis" en termos leigos. O chasis de moitos coches novos expón directamente as follas de aceiro, que só teñen a imprimación orixinal de fábrica e a pintura exterior a xogo. Isto indica que estes vehículos só pasan polos procesos de imprimación electrophoretic e pintura durante a produción. Só a zona tras as rodas dianteiras ten unha fina capa de recubrimento de goma flexible, que impide que as pedras lanzadas polas rodas afecten ao aceiro do chasis. Estes cambios parecen reflectir a confianza dos fabricantes na resistencia á corrosión dos seus produtos.

(Armadura do Chasis )

Placa de protección do chasis Xiaomi SU7

Empresas sofisticadas instalan placas plásticas de protección do chasis.

Bajo das placas de protección, aínda hai follas de aceiro que só pasaron por un tratamento simple. Algúns fabricantes minuciosos instalan placas de protección de plástico no chasis. Estas placas non só poden illar o aceiro do chasis do impacto de gravilla senón que tamén organizan o fluxo de aire baixo o chasis. Bajo estas placas de protección de plástico, o aceiro do chasis só ten unha capa de imprimación.

O aceiro para automoción non se usa ao chou. As decisións dos empresarios por reducir custos acaban con frecuencia sacrificando grandes beneficios por pequenas economías, e os técnicos non poden ignorar as decisións dos xefes.

Hai unha excepción a todo, e as excepcións con frecuencia ocorren en China. Hai uns anos, unha marca nacional recén creada utilizou aceiro de baixo carbono para a fabricación de vehículos, provocando ó quedar roído o chasis en dous anos, e eses casos volven aparecer recentemente. Ás veces, as decisións tomadas impulsivamente polos líderes son realmente alarmantes. Cando os empresarios interfiren nas discusións técnicas, os resultados sempre son imprevisibles.

O futuro dos aceros automotrices

Actualmente, o grosor das follas de aceiro automotriz reduciuse a 0.6 mm, o que creo que chegou ao límite do grosor do aceiro. Se a folla é máis fina, incluso con alta resistencia, perderá a estabilidade estrutural inherente ao material. As follas de aceiro automotriz están afrontando cada vez máis desafíos por parte de novos materiais. O peso atómico do ferro determina que a súa densidade non se poida cambiar, e o camiño de redución de peso mediante o afinamento parece ter chegado a un punto morto. As ligazóns de aluminio están a ser progresivamente utilizadas de xeito xeneralizado en vehículos de alta gama. Os todo-aluminio SUVs, así como a Serie 5 e o A6 que usan aluminio para as estruturas frontais, indican todos esta tendencia.