Razvoj i budućnost automobilske čelika: Od antičkih tehnika do moderne inženjerske umjetnosti

Uvod: Značaj automobilske čelika

Korištenje čelika za izradu automobili je osnovna logičnost za moderne ljude. Međutim, mnogo razumijevanja automobilske čelika još uvijek staje na niskougljičnom čeliku. Iako su oba čelika, današnji automobilski čelik je znatno značajno bolji u odnosu na onaj prije desetljeća. Tijekom proteklih godina, istraživanja na području automobilske čelika postigla su veliki napredak. Danas, limovi od automobilske čelika su sve tanji i tanji , a čvrstoća i otpornost čelika na koroziju znatno su poboljšani. unaprijed zbog stolac utjecaja novih materijala, mnoge čeličane aktivno surađuju s vozilo tvrtke za razvoj čelika malog težine i visoke čvrstoće što cAN konkurirati s aluminijskom slitinom, plastikom i kompozitima ojačanim ugljičnim vlaknima

Tvornica za topljenje željeza i čelika

1. Nedovršeni pojam: "Čelik visoke čvrstoće"

Na modernom automobilskom tržištu, mnoge marke tvrde da koriste "čelik visoke čvrstoće", ali ovaj izraz nema jedinstven standard u industriji. Dok se tehnologija čelika razvija, tako se mijenjaju i granice čvrstoće povezane s ovim nazivom. Situacija je slična kao kod automobila koji su na tržištu kao "Novi", "Potpuno novi" ili "Generacije slijedeća verzija". Odjeli za marketing često klasificiraju čelik iznad 300 MPa kao "čelik visoke čvrstoće", unatoč tome što različiti čelici pod tom kategorijom mogu varirati u čvrstoći do 100%.

Kako bi temu automobilskog čelika pojasnili, prvo moramo razumjeti njegov povijesni razvoj.

Razvoj čelika u Kini

Od brončanog do željeznog doba: Kineska inovacija

Čelik ima dugu povijest koja seže u razdoblje proljetnih i jesenskih te ratnih država u Kini (otprilike 770. – 210. pr. Kr.). U to vrijeme, bronca je bila glavni metal, ali je bila prekrhka za izradu trajnih alata ili oružja. Stari kineski inženjeri počeli su koristiti plavnjače za proizvodnju mekog, blokastog željeza. Iako su alati od željeza tada imali ograničene prednosti u usporedbi s broncom, oni su postavili temelje za kasnija metalurška dostignuća.

Napredak u doba dinastije Han

Tijekom dinastije Han (202. pr. Kr. – 220. n. Kr.), visoke peći s mijehom povećale su temperature topljenja, a razvila se tehnologija cementacije za kontrolu tvrdoće. "Postupak miješanja" omogućio je metalurzima da miješaju rastopljevo željezo u konvertorima i dodaju legirajuće elemente. Zajedno s tehnikama presavijanja i kovanja za uklanjanje nečistoća, ove metode stvorile su visokokvalitetno željezo koje se uglavnom koristilo za oružje. U iskopanim Hanovim grobnicama često se nalaze takva oružja, što ukazuje na široku upotrebu.

Vještina u doba dinastije Tang

Već u doba dinastije Tang (618. – 907. g. n. e.) kovači su mogli kontrolirati sadržaj ugljika u željeznim proizvodima, proizvodeći čelik s 0,5–0,6% ugljika – modernu definiciju čelika. Razvijene su tehnike poput sendviča za oštrice radi optimizacije tvrdoće i žilavosti.

nož od željeza s drškom od jade

Željezne je oružje na slici prikazuje noževe od željeza s drškom od jade iz drevne Kine. To pokazuje da je tehnologija topljenja bila napredna već tada. Željezno oružje se široko koristilo. Postojale su i različite vrste poput željeznih noževa, ji, koplja i strijela. Željezo je potpuno zamijenilo broncu, a ljudsko društvo je ušlo u Željezno doba.

čelični noževi korišteni za dinastiju Tang y

Tijekom kineske dinastije Tang tehnike topljenja i kovanja nisu se promijenile očito . Međutim, kroz nakupljeno iskustvo, kovači su postali sposobni kontrolirati sadržaj ugljika u željeznim proizvodima. Sadržaj ugljika reprezentativnih tangenskih noževa bio je otprilike između 0,5% i 0,6%, što spada u raspon čelika.

U proizvodnji čelika danas, kontrola sadržaja ugljika i dalje je temeljna. Prilagodba na temelju predviđene uporabe može prilagoditi žilavost i tvrdoću čelika. Kako bi izradili oštrice s oba svojstva, stari su ljudi izumili tehnike poput oblaganja i slaganja čelika. Međutim, one su izvan dosega ovog članka.

(Prva industrijska revolucija )

Prva industrijska revolucija

Prva industrijska revolucija stavljamo premještanje proizvodnje željeza prema industrializaciji. Prvi skok u ljudskom potražnji za čelikom dogodio se tijekom industrijske revolucije. Izum para-pokretnog stroja oslobodio je ljudsku vrstu od teškog ručnog rada i proizvodnje pokretane snagom životinja, a strojevi koji rade na gorivo podigli su ljudsku produktivnost na znatno višu razinu.

Britanske tekstilne tvornice ovisile su o parnim motorima i tkaćim stanzama napravljenim od čelika

(parni lokomotiv )

Parni lokomotivi također su bili veliki potrošači čelika, zajedno s pripadajućim željezničkim tračnicama. U britanski tekstilnim tvornicama, grupe žena koje rade bio je umjesto toga od bukeća čelična mašinerija. Uzduž evropskog kontinenta, postavljane su gvozdene šine. Parne lokomotive počele su da zamenjuju the kočije vučene konjima kao glavno sredstvo prevoza alati. Od tada, ljudi nisu mogli da žive bez čelika, a potražnja je svakodnevno rasla.

(Prva montažna linija Ford Motora tokom Druge industrijske revolucije)

 Druga industrijska revolucija povezala je automobile sa čelikom  materijal .

(Xiaomi 's Novo predstavljeni SUV: YU7)

Sada, neki automobili visokih performansi i dalje se prave po čelika. Tokom Druge industrijske revolucije, kada su automobili nastali, industrija čelika napredovala je na novi nivo. Od tada, ove dve oblasti bile su u bliskoj vezi. Iako moderni automobili više ne podsećaju na "Mercedes-Benz broj 1", čelik se i dalje široko koristi u njihovoj proizvodnji, uključujući neke nadautomobile.

Klase čvrstoće automobilskog čelika  

Kako se stvarno koristi visokotvrdi čelik u modernim karoserijama automobila

U modernim vozilima, karoserija se izrađuje tako da se zavaruju čelične ploče različitih čvrstoća . Inženjeri biraju odgovarajući čelični kvalitet u skladu s nivoima napetosti kojima će svaki dio strukture biti izložen. Na područjima velikog opterećenja – gdje upotreba debljeg čelika nije izvodljiva – koristi se čelik ekstremno visoke čvrstoće . Kao što kaže poslovica, "Upotrijebite najbolji čelik tamo gdje je najpotrebniji."

Grafikoni čvrstoće karoserijskog čelika: Što prikazuju i što ne

Dok mnogi proizvođači automobila tvrde da koriste čelik visoke čvrstoće čelik visoke čvrstoće (HSS) dijagrame konstrukcije karoserije vozila , ali većina ovih tablica ističe samo opća područja gdje se koristi jači čelik, bez navođenja konkretnih vrijednosti vlačne čvrstoće . Dobre marke s jakim istraživačkim i razvojnim sposobnostima često su još rezerviranije u dijeljenju takvih tehničkih podataka.

Razumijevanje terminologije

U Japanu i Južnoj Koreji, čelik visoke čvrstoće često se naziva "čelik pod visokim pritiskom (high-tension steel)." Čvrstoća čelika obično se mjeri u MPa (megapaskalima) . Kako bi dobili osjećaj za razmjer: 1 MPa jednak je sili od 10 kilograma (otprilike težini dvije lubenice) primijenjenoj na površinu od svega 1 kvadratni centimetar, bez deformiranja materijala.

Strategijska uporaba, a ne potpuno pokrivanje

Analizirajući dijagrame struktura tijela, jasno je da čelik ekstremno visoke čvrstoće (npr., 1000 MPa ili više) koristi se samo u određenim komponentama – poput protivsudarnih greda i ključnih zona ojačanja . Većina tijela još uvijek je napravljena od čelika niže ili srednje čvrstoće , koji je lakši za oblikovanje i ekonomičniji. Takvo selektivno korištenje temelji se i na funkcionalnim potrebama i proizvodnim ograničenjima .

Nemojte se prepustiti marketinškim sloganima

Kada naiđete na izraze poput "Tijelo našeg vozila koristi čelik visoke čvrstoće klase 1000 MPa" važno je da se točno protumače. To ne znači da je cijelo tijelo napravljeno od takvog naprednog materijala. U većini slučajeva, samo lokalizirani dijelovi – poput greda za apsorpciju udarca na vratima – mogu dosegnuti tu razinu čvrstoće. Ostatak konstrukcije tijela obično koristi mješavinu materijala dizajniranu radi postizanja ravnoteže između sigurnosti, troškova i proizvodnosti.

 3, novi čelični materijali pogodni za utiskivanje

Utiskivanje je glavna metoda za proizvodnju karoserije.
Dijelovi karoserije koji su i dalje u kalupu nakon oblikovanja utiskivanjem

Povećanje čvrstoće materijala dovodi do problema s teškim obradivanjem. Većina osobnih automobila proizvodi se utiskivanjem, odnosno korištenjem matrica za izvlačenje materijala u traženi oblik – slično kao oblikovanje plastičnog testa (Play-Doh). Sada, zbog veće čvrstoće automobilskih čeličnih limova, zahtjevi na procese utiskivanja su stroži. Osim toga, postoji puno duboko vučenih komponenata, što čini materijal osjetljivim na puknuća i naboravanje. Na primjer, kutne pozicije najosjetljivije su na "mrtve kutove" tijekom utiskivanja, gdje se tipično pojavljuju kidanja i naboravanja. To također ukazuje da prilikom utiskivanja čeličnih limova uvijek postoje problemi poput rastezanja i trenja s matricom. To može uzrokovati greške na utisnutim dijelovima zbog unutarnjeg naprezanja ili oštećenja površine.

(konstrukcijski čelik za karoseriju automobila)

Raspodjela tankosti limova  

Kako bi izbjegli gore navedene situacije, proizvođači moraju proučiti deformaciju čeličnih limova tijekom utiskivanja kako bi spriječili kidanje. Međutim, uvijek postoji proturječje da što je veća čvrstoća čeličnog lima .Bočna ploča je najveći dio koji se utiska na cijelom vozilu i također je najteži komad za oblikovanje. Stoga će proizvođači proučavati unutarnje napetosti čeličnog lima tijekom utiskivanja kako bi eliminirali nakupljenu unutarnju napetost. U međuvremenu, proučavanje debljine velikih utisnutih dijelova može pokazati koji su dijelovi čeličnog lima jako rastegnuti te koja dubina utiskivanja može osigurati da čelični lim ne pukne.

Novi tip čelika može riješiti problem izrade presvlaka i teškoće u obradi koje uzrokuje visoka čvrstoća materijala. Kako bi se temeljito riješio problem presvlake kod visokotvrdog čelika, novi tip čelika koristi se za proizvodnju karoserija automobila. Matrica ovog čelika je ferit s dobrim mekoćom i žilavošću, u koju je umetnut martenzit s dobrin tvrdoćom. Lakše se oblikuje tijekom presvlake, a dobiveni materijal ima značajnu čvrstoću.

(Automobilski A-stubni limeni dijelovi )

Neke toplinski obrađene konstrukcijske komponente visoke čvrstoće

Za pozicije poput B-stupa koje posebno zahtijevaju pojačanje, neki proizvođači koriste proces termičke obrade. Oblikovani B-stup se zagrijava i kaljen kako bi unutrašnja kristalna struktura čelika postala savršenija. Ovo je slično procesu oblikovanja glinene mase, a potom njenog zagrijavanja radi očvršćivanja pri proizvodnji porculana. Općenito, ove termički obrađene komponente često su crne boje.

3.Otpornost automobilskih čelika na koroziju

(Čelični koluti za proizvodnju automobila )

Automobili se proizvode od niskolegiranih čelika.

Trenutno, automobilski čelik spada u kategoriju niskolegiranih čelika, što je grana čelika. Većina ovog čelika sastoji se od željeznih elemenata, dok samo mali dio čine legirajući elementi, poput ugljika, silicija, fosfora, bakra, manganova, kroma, nikla itd. Sadržaj tih legirajućih elemenata ne prelazi 2,5%.

Niskolegirani čelici pokazuju izvrsna svojstva obrade i čvrstoću, a istovremeno imaju i dobru otpornost na koroziju. Obični niskougljični čelik u prirodnim uvjetima stvara crvenkasto-smeđi oksidni sloj koji je vrlo labav i općenito poznat kao hrđa. Naprotiv, niskolegirani čelici formiraju smeđi, gusti oksidni sloj koji se čvrsto veže za površinu čelika, djelujući kao barijera koja sprječava daljnjeg uništavanje unutarnjeg metala izvana. Ovaj antihrđni mehanizam donekle je sličan onom kod aluminijevih i cinkovih slitina, osim što niskolegiranim čelicima treba nekoliko godina da razviju stabilni zaštitni sloj hrđe, pri čemu boja sloja hrđe prelazi s svijetložute u smedu, dok aluminijeve slitine gotovo odmah formiraju zaštitni sloj hrđe.

Čelik otporan na atmosferske utjecaje često se koristi bez dodatne zaštite na fasadama zgrada

Čelik otporan na vremenske utjecaje stvara poseban umjetnički učinak nakon formiranja sloja hrđe, zbog čega je postao građevinski materijal koji uživa veliki favo kod modernih dizajnera.

Zbog ove karakteristike, niskolegirani čelik poznat je i kao čelik otporan na vremenske utjecaje (čelik otporan na koroziju izazvanu vremenom). Čelik otporan na vremenske utjecaje obično se koristi za proizvodnju vozila, brodova, mostova, kontejnera itd., a njegove površine su obično slikane. Međutim, u arhitektonskoj dekoraciji, čelik otporan na vremenske utjecaje najčešće se koristi nezaštićen, jer ne dolazi do probijanja hrđe kada je izložen. Osim toga, smeđi sloj hrđe koji formira stvara jedinstveni umjetnički efekt, zbog čega su zavarane ploče od čelika otpornog na vremenske utjecaje česta opcija za fasade specijalnih zgrada.

Zbog poboljšanja svojstava čelika, proizvođači automobila postaju sve nepažljiviji u tretmanima protiv hrđe.

Kod automobila, mnogi proizvođači sada koriste manje prevlake od gume na šasiji, uobičajeno poznate kao "oklop šasije" u svakdanjem govoru. Šasije mnogih novih automobila izravno pokazuju čelične limove, koji imaju samo originalnu tvorničku grund boju i boju koja odgovara vanjskom izgledu vozila. To upućuje na to da su ova vozila tijekom proizvodnje prošla proces elektroforetskog gruntiranja i farbanja. Samo područja prskanja iza prednjih kotača imaju tanki sloj meke gumenke prevlake, što sprječava oštećenja šasije vozila od šljunka koji je udaren kotačima. Čini se da ove promjene odražavaju samopouzdanje proizvođača u otpornost svojih proizvoda na koroziju.

(Oklop šasije )

Xiaomi SU7 ploča za zaštitu šasije

Napredne tvrtke ugrađuju plastične zaštitne ploče šasija.

Ispod zaštitnih ploča još uvijek se nalaze čelični limovi koji su podvrgnuti samo jednostavnoj obradi. Neke marljive proizvođače ugrađuju plastike zaštitne ploče na šasiju. Ove ploče ne mogu samo izolirati čelik šasije od udaraca šljunka, već i usmjeriti protok zraka ispod šasije. Ispod ovih plastičnih zaštitnih ploča, čelik šasije ima samo sloj grundiranja.

Automobilski čelik nije nasumično korišten. Odluke poslovničara da smanje troškove često rezultiraju žrtvovanjem važnih pogodnosti zbog sitnih ušteda, a tehničari ne mogu zaobići zapovijedi šefa.

Za svako pravilo postoji iznimka, a iznimke se često pojavljuju u Kini. Prije nekoliko godina, novi domaći brend je koristio niskougljični čelik za proizvodnju vozila, što je dovelo do korozije šasije unutar dvije godine – a takvi slučajevi ponovno su prisutni nedavno. Ponekad su odluke donesene bez razmišljanja od strane vođaista zaista uznemirujuće. Kada poslovničari upadnu u tehničke rasprave, rezultati su uvijek nepredvidivi.

Budućnost automobilskih čelika

Trenutno je debljina limova automobilskih čelika smanjena na 0,6 mm, što vjerujem da je doseglo granicu debljine čelika. Ako bi lim bio tanji, čak i uz visoku čvrstoću, izgubio bi strukturnu stabilnost inherentnu materijalu. Limovi automobilskih čelika suočavaju se sada sa sve većim izazovima od strane novih materijala. Atomsko težina željeza određuje da njegova gustoća ne može biti promijenjena, a put smanjenja mase tankanjem lima izgleda da je došao u začep. Aluminijske legure se sada postupno široko uvode u vrhunskim vozilima. Potpuno aluminijski SUV-ovi, kao i 5 serija i A6 koje za prednju konstrukciju koriste aluminij, svi pokazuju ovaj trend.