Az automotív acél fejlődése és jövője: Az ősi kézművességtől a modern mérnöki megoldásokig

Bevezetés: Az autóipari acél jelentősége

Az acél használata az autógyártásban autók alapvető közgondolkodás a modern emberek számára. Azonban sokan az autóipari acélról alkotott képe még mindig megáll a lágyacélnál. Bár mindkettő acél, a mai autóipari acél messze sokkal jobb, mint az évtizedekkel ezelőtti. Az elmúlt évek során az autóipari acél kutatása nagy előrelépést ért el. Ma az autóipari acéllemezek egyre vékonyabbak és vékonyabbak , és az acél szilárdsága és korrózióállósága jelentősen javított javult. A számláló új anyagok által kiváltott hatások kezelése érdekében számos acélcég aktívan együttműködik jármű cégek könnyű, nagy szilárdságú acél kifejlesztéséhez hogy lehet verseng a alumíniumötvözet, műanyag és szénrostszerkezetű kompozitok.

Vas- és acélolvasztó üzem

1. A nem definiált kifejezés: „nagy szilárdságú acél”

A modern autópiacon sok márka állítja, hogy „nagy szilárdságú acélt” használ, de ezen kifejezésnek nincs egységes ipari szabványa. Ahogy az acéltechnológia fejlődik, úgy emelkedik a címkehez tartozó szilárdsági határérték is. A helyzet hasonló, mint amikor egy autómodellt „Új”, „Teljesen Új” vagy „Következő Generációs” változatként reklámoznak. A marketingosztályok gyakran besorolják a 300 MPa feletti acélokat „nagy szilárdságú” kategóriába, annak ellenére, hogy az ezen csoport alá tartozó különböző acélfajták szilárdsága akár 100%-kal is eltérhet.

Az autóipari acélról szóló témának megértéséhez először ismerni kell annak történeti fejlődését.

Az acélfejlesztés Kínában

A bronztól a vashoz: a kínai innováció

A acélgyártás hosszú történelemmel rendelkezik, egészen a kínai Tavasz és Ősz, valamint Harcoló Államok kora (kb. i. e. 770–210) idejéig nyúlik vissza. Akkoriban a bronz volt a domináns fém, de túl rideg volt ahhoz, hogy tartós eszközöket vagy fegyvereket készítsenek belőle. A régi kínai mérnökök elkezdték használni a kupolás kemencében történő vasgyártást, amely lágy, tömbös vasat eredményezett. Bár az így előállított vaseszközöknek csak korlátozott előnyeik voltak a bronzhoz képest, ezek a későbbi fémtani áttörések alapjait jelentették.

Fejlődés a Han-dinasztia alatt

A Han-dinasztia idején (i. e. 202–i. sz. 220) a fúvókával segített kemencék növelték az olvasztási hőmérsékletet, és megjelent a karbonizálási technológia a keménység szabályozására. A „keverőolvasztási eljárás” lehetővé tette a fémszakértők számára, hogy konverterekben keverjék az olvadt vasat, és ötvözőanyagokat adjanak hozzá. Ezek az eljárások – együtt a hajtogatással és kovácsolással, amelyekkel eltávolították a szennyeződéseket – magas minőségű vasat eredményeztek, amelyet elsősorban fegyverekhez használtak. A Han-kori sírokból kiemelt fegyverek gyakori előfordulása széleskörű alkalmazásra utal.

Tökéletesedés a Tang-dinasztia alatt

A Tang-korban (i. sz. 618–907) a kovácsok képesek voltak az acél szén tartalmának szabályozására, így olyan acélokat állítottak elő, melyek 0,5–0,6% szenet tartalmaztak – ez napjainkban az acél meghatározása. Különböző technikákat, például pengeszendvicselést dolgoztak ki a keménység és ütőkeménység optimalizálásához.

jade - markolatú vas

A képen látható vörös fegyverek ókori kínai jade markolatú kardok. Ez azt mutatja, hogy az olvasztási technológia fejlett volt akkoriban. A vasfegyvereket széles körben használták. Különböző típusok is léteztek, mint vasból készült kések, ji-k, lándzsák és nyílhegyek. A vas teljesen felváltotta a bronzot, és az emberiség belépett a Vas korba.

tang dinasztiában használt acélkések igen

Kínában a Tang-dinasztia idején nem változott meg az olvasztási és kovácsolási technológia nyilvánvaló . Ugyanakkor a gyűjtött tapasztalatok alapján a kovácsok képesek voltak szabályozni a vas termékek szén tartalmát. A reprezentatív tang-kések szén tartalma körülbelül 0,5–0,6% között mozgott, ami az acél tartományába esik.

A mai acélgyártásban a szén tartalom szabályozása továbbra is alapvető jelentőségű. A cél felhasználás alapján történő beállítással az acél szívósságát és keménységét optimalizálhatják. Olyan pengék készítéséhez, amelyek mindkét tulajdonsággal rendelkeznek, az őseink kifejlesztették a rétegelési és szendvics acél technikákat. Ezek azonban túlmutatnak ezen cikk keretein.

(Az első ipari forradalom )

Az első ipari forradalom

Az első ipari forradalom tesz a vasgyártás iparosítására való áttérés. Az emberiség igénye az acél iránt először az ipari forradalom idején ugrott meg. A gőzgép feltalálása először szabadította fel az embert az erőteljes kézi munkától és az állatokra alapuló termeléstől, és a tüzelőanyag-üzemű gépek az emberi termelékenységet sokkal magasabb szintre emelték.

A brit textilgyárak gőzgépekre és acélból készült szövőgépekre támaszkodtak

(gőzmozdony )

A gőzmozdonyok is nagy mennyiségű acélt fogyasztottak, ugyanúgy mint a hozzájuk tartozó vasúti síneket. A brit textilgyárakban női munkás csoportok üzemeltették valójában a zajos acél gépek. Európa kontinensén vaspályákat helyeztek el. A gőzmozdonyok elkezdtek felváltani a lovak által húzott szekereket, mint fő közlekedési eszközt szerszámok. Azóta az emberek képtelenek nélkülözni az acélt, és a kereslet napról napra növekszik.

(A Ford Motor első összeszerelő vonala a Második Ipari Forradalom alatt)

 A Második Ipari Forradalom az autóipart az acélhoz kapcsolta  anyag .

(Xiaomi 's Újonnan megjelent terepjárója: YU7)

Mostanában néhány nagy teljesítményű autót továbbra is gyártanak a acélból. A második ipari forradalom idején, amikor megjelentek az autók, az acélipar új szintre emelkedett. Azóta e két ágazat szorosan összekapcsolódott. Még akkor is, ha a modern autók már nem hasonlítanak a „Mercedes-Benz No. 1”-re, az acélt továbbra is széles körben használják gyártásuk során, beleértve néhány szuperautót is.

Az automotív acél szilárdsági fokozatai  

Hogyan alkalmazzák valójában a nagy szilárdságú acélt modern autótestekben

A modern járművek karosszériáját különböző szilárdságú acéllemezek összehegesztésével építik . A mérnökök a szerkezet egyes részein várható terhelési szintek alapján választják ki a megfelelő acélminőséget. Olyan nagy igénybevételű területeken, ahol vastagabb acél használata nem lehetséges, ultra magas szilárdságú acélt alkalmaznak. Mint mondani szokás, "Ott használjuk a legjobb acélt, ahol a legtöbbre van szükség."

Karosszéria-acél szilárdsági táblázatok: Mi látható és mi nem

Sok autógyártó állítja, hogy magerősségű acél , de csak kevés árulkodik az alkalmazott pontos anyagokról. Egyes márkák közzéteszik a járműkarosszéria-szerkezeti rajzokat , de ezek a táblázatok általában csak azokat az általános területeket jelölik meg, ahol erősebb acélt alkalmaznak, anélkül hogy megadnák a pontos húzószilárdsági értékeket . A kiváló kutatás-fejlesztési képességekkel rendelkező, jól ismert márkák gyakran még visszafogottabbak ezen műszaki adatok megosztásában.

A terminológia megértése

Japánban és Dél-Koreában a nagy szilárdságú acélt általában "feszített acélnak" Nevezik. Az acél szilárdságát általában MPa (megapascal) egységben mérik. Hogy kirajzolódjon az arány: 1 MPa egyenlő azzal az erővel, amit 10 kilogramm súly (körülbelül két dinnye súlya) fejt ki 1 négyzetcentiméter felületre gyakorolt hatásként anélkül, hogy az anyagot deformálná.

Stratégiai alkalmazás, nem teljes körű bevonás

A testfelépítési ábrák elemzéséből egyértelmű, hogy ultra magas szilárdságú acélt (pl. 1000 MPa vagy annál nagyobb) csak meghatározott alkatrészeknél – például ütközésvédelmi merevítőknél és kritikus megerősítési zónáknál kerül felhasználásra. A járműtest túlnyomó része továbbra is alacsonyabb vagy közepes szilárdságú acélból készül, amely formázása egyszerűbb és költséghatékonyabb. Ez a célszerű felhasználás mind a funkcionális igényeket, mind a gyártási korlátokat figyelembe veszi. .

Ne hagyja félrevezetni magát reklámszlogensek által

Amikor olyan kifejezéseket hall, mint például "Járművünk teste 1000 MPa-os osztályú nagyszilárdságú acélt használ," fontos pontosan értelmezni őket. Ez nem jelenti, hogy az egész karosszéria ilyen fejlett anyagból készül. A legtöbb esetben csak helyileg elhelyezkedő alkatrészek – például az ajtó ütközési merevítők – érhetik el ezt a szilárdsági szintet. A karosszéria többi része általában különböző anyagok keverékéből készül, amelyek biztosítják az egyensúlyt a biztonság, költség és gyárthatóság között.

 3, új acélanyagok, amelyek elősegítik a sajtását

A sajtás a karosszéria-gyártás fő módszere.
Azok a karosszéria-alkatrészek, amelyek a sajtás után még mindig a formában maradtak

Az anyag szilárdságának növekedése a megmunkálhatóság problémáját veti fel. A személygépkocsik többségét sajtózás útján gyártják, azaz sablonok segítségével préselik az anyagot formába – hasonlóan ahhoz, mint amikor plüssagy gurmival formázunk. Ugyanakkor az autóipari acéllemezek nagyobb szilárdsága miatt a sajtózó eljárásokkal szemben támasztott követelmények is szigorúbbak. Emellett sok mélyhúzott alkatrész van, ami miatt az anyag repedésre és gyűrődésre hajlamos. Például a sarkok a sajtózás során a leginkább „halott sarokként” jelentkeznek, ahol általában elszakadás és gyűrődés keletkezik. Ez azt is jelzi, hogy amikor az acéllemezeket sajtózzák, akkor mindig fennállnak olyan problémák, mint a nyújtás és a sablonnal való súrlódás. Ezek belső feszültségből vagy felületi károsodásból fakadó hibákat okozhatnak a sajtolt alkatrészekben.

(autókarosszéria szerkezeti acélja)

Lemezvastagság csökkenés eloszlása  

Az említett helyzetek elkerülése érdekében a gyártóknak meg kell vizsgálniuk a lemezanyag alakváltozását a sajtás során, hogy megakadályozzák a repedést. Ugyanakkor mindig fennáll egy ellentét: minél nagyobb az acéllap szilárdsága .Az oldallemez az egész jármű legnagyobb sajtolással gyártott alkatrésze, valamint az a kialakítása is a legnehezebb feladat. Ezért a gyártók kutatják az acéllap belső feszültségét a sajtás közben, és igyekeznek a halmozódott belső feszültséget a lehető leginkább csökkenteni. Eközben a nagy kiterjedésű sajtolt alkatrészek vastagságának vizsgálata rávilágíthat arra, hogy az acéllap mely területei vannak erősen nyújtva, illetve milyen mélységű sajtás biztosítja, hogy az acéllap ne szakadjon el.

Az új típusú acél megoldást nyújt a nagy szilárdságú anyagok miatti sajtózás és megmunkálás nehézségeire. A nagy szilárdságú acél sajtózási problémájának alapvető megoldásához az új típusú acélt autótestek gyártásában alkalmazzák. Ennek az acélnak a mátrixa jól deformálható és ütésálló ferritből áll, amelyben kemény martensit van beágyazva. Könnyebben alakítható sajtózás közben, és az így kialakított anyag jelentős szilárdsággal rendelkezik.

(Automotív A-oszlop lemezalkatrészek )

Egyes hőkezelt nagyszilárdságú szerkezeti elemek

Olyan helyekre, mint például a B-oszlop, ahol különösen megerősítésre van szükség, egyes gyártók hőkezelési eljárást alkalmaznak. A kész B-oszlopot felmelegítik és edzik, hogy az acél belső kristályszerkezete tökéletes legyen. Ez hasonló ahhoz a folyamathoz, amikor agyagból formálnak meg egy tárgyat, majd sütéssel keményítik meg a porcelángyártás során. Általában ezek az utólag hőkezelt alkatrészek feketék.

3.Autóipari acélok korrózióállósága

(Acéltekercsek az autógyártáshoz )

Az autókat alacsony ötvözettségű acélokból gyártják.

Jelenleg az autóipari acél az alacsony ötvözettségű acélok kategóriájába tartozik, amely az acélok egy ágát képezi. Ez az acél főként vasból áll, csupán kis mennyiségű ötvöző elemmel, mint például szén, szilícium, foszfor, réz, mangán, króm, nikkel stb. Ezeknek az ötvöző elemeknek a tartalma nem haladja meg a 2,5%-ot.

Az alacsony ötvözettségű acélok kiváló feldolgozhatóságot és szilárdságot mutatnak, ugyanakkor jó korrózióállósággal is rendelkeznek. A hagyományos alacsony szén tartalmú acél természetes környezetben vörös-barna színű oxidréteget képez, amely nagyon laza szerkezetű, és általánosan rozsdának nevezik. Ezzel szemben az alacsony ötvözettségű acélok barna színű, sűrű oxidréteget hoznak létre, amely szorosan tapad az acélfelülethez, így akadályt képezve a belső acél további környezeti hatásokra történő lebomlásával szemben. Ez a rozsdaálló mechanizmus hasonló az alumínium- és cinkötvözetekéhez, csupán annyi a különbség, hogy az alacsony ötvözettségű acéloknál több évbe telik, míg kialakul egy stabil védő réteg, amelynek színe világos sárgától a barnáig változik, míg az alumíniumötvözeteknél már majdnem azonnal kialakul egy védő oxidréteg.

Időjárásálló acélt gyakran alkalmaznak épületfuturok burkolatára

A időjárásálló acél egy különleges művészi hatást fejt ki, miután rozsda-réteg képződik rajta, így olyan építőanyaggá válik, amelyet a korszerű tervezők különösen kedvelnek.

E jellegzetessége miatt az alacsony ötvözettségű acélt időjárásálló acélnak (időjárás- és korrózióálló acélnak) is nevezik. Az időjárásálló acélt általában járművek, hajók, hidak, konténerek stb. gyártására használják, felületeiket pedig általában lefestik. Az építészeti díszítés során azonban előnyben részesítik az időjárásálló acél nyers felhasználását, mivel problémamentesen alkalmazható fedetlenül anélkül, hogy teljesen átrügné a rozsda. Emellett a képződött barna rozsdaréteg egyedi művészi hatást eredményez, ezért hegesztett időjárásálló acéllemezeket gyakran alkalmaznak speciális épületek homlokzatainak kialakításához.

Az acél tulajdonságainak javulása miatt az autógyártók egyre felszínesebbé válnak a korrózióvédelem terén.

Az autók esetében számos gyártó manapság kevesebb alvázgumibevonatot használ, amelyet laikusok között gyakran „alvázpáncél” néven emlegetnek. A legtöbb új autó alváza közvetlenül a fémlapokat hagyja fedetlenül, melyek csupán az eredeti gyári alapozó réteggel és a karosszériával megegyező színű festékkel rendelkeznek. Ez azt jelzi, hogy ezeknél a járműveknél a gyártás során kizárólag elektroforetikus alapozást és színező festést alkalmaztak. Kizárólag a első kerekek mögötti spriccelési területen található egy vékony puha gumibevonat, amely megakadályozza, hogy a kerekek által felvert kavics kárt tegyen az alváz fémlemezében. Ezek az újítások valószínűleg a gyártók bizalomkijelentését tükrözik termékeik korrózióállóságával kapcsolatban.

(Alvázpáncél )

Xiaomi SU7 alvázvédelmi lemez

Kifinomult vállalkozások műanyag alvázvédelmi lemezeket szerelnek.

A védőlemezek alatt továbbra is vannak olyan acéllemezek, amelyek csupán egyszerű felületkezelésen estek át. Egyes pedáns gyártók műanyag védőlemezeket szerelnek a futóműbe. Ezek nemcsak megvédenek a kavicsbecsapódásoktól, hanem segítenek az alváz alatti légáramlás rendezésében is. Ezek alatt a műanyag védőlemezek alatt az alváz acélja csupán egy réteg alapozót kapott.

Az autóipari acélt nem véletlenszerűen használják. A vállalkozók költségkímélési döntései gyakran azzal járnak, hogy jelentős előnyöket áldoznak fel apró megtakarításokért, és a technikusok nem tudják felülmúlni a főnököket.

Minden szabálynak van kivétel, és ezek a kivételek gyakran Kínában jelentkeznek. Pár évvel ezelőtt egy újonnan alakult hazai márkájú autógyár alacsony szén tartalmú acélt használt járműveihez, aminek eredményeként két év után az alváz teljesen elrozsdásodott – és mostanában ismét előfordultak hasonló esetek. Néha valóban aggasztó, amikor vezetők meggondolatlan döntéseket hoznak. Amikor üzletemberek avatkoznak be műszaki kérdésekbe, az eredmény mindig kiszámíthatatlan.

Az autóipari acélok jövője

Jelenleg az autóipari acéllemezek vastagságát már 0,6 mm-re csökkentették, amelyet szerintem elért az acéllemez-vastagság határát. Ha a lemez még védőbb lenne, akkor is nagy szilárdság mellett is elvesztené az anyagban rejlő strukturális stabilitást. Az autóipari acéllemezek ma már egyre nagyobb kihívásokkal néznek szembe új anyagok részéről. A vas atomtömege meghatározza, hogy sűrűsége nem változtatható meg, és a vékonyításon keresztüli súlycsökkentési út elérte egyfajta zsákutcát. Az alumínium ötvözetek mára fokozatosan elterjedőben vannak a prémium járművekben. Minden-alumínium SUV-k, valamint a sorozatgyártású 5-ös sorozat és A6 modellek alumíniummal készült elsőstruktúrája mind ezt a tendenciát jelzik.