L'evoluzione e il futuro dell'acciaio automobilistico: Dall'arte antica all'ingegneria moderna

Introduzione: L'importanza dell'acciaio automobilistico

Utilizzare l'acciaio per produrre automobili è una questione di buon senso per le persone moderne. Tuttavia, molte conoscenze sull'acciaio automobilistico si fermano ancora all'acciaio dolce. Sebbene entrambi siano acciai, l'acciaio automobilistico moderno è molto molto migliore rispetto a quello di decenni fa. Negli ultimi anni, la ricerca sull'acciaio automobilistico ha compiuto grandi progressi. Oggi, le lamiere in acciaio sono sempre più sottili sempre più sottili , e la resistenza e la capacità anticorrosione dell'acciaio sono migliorate migliorato molto. Per fronteggiare contaglio l'impatto dei nuovi materiali, molte aziende siderurgiche stanno collaborando attivamente con veicolo aziende per sviluppare acciai leggeri, ad alta resistenza che pUÒ compete con leghe di alluminio, plastica e compositi rinforzati con fibra di carbonio.

Impianti di fusione di ferro e acciaio

1. Il termine indefinito: "Acciaio ad alta resistenza"

Nel mercato automobilistico moderno, molti marchi affermano di utilizzare "acciaio ad alta resistenza", ma questo termine non ha uno standard industriale unificato. Con il progredire della tecnologia degli acciai, aumentano anche i livelli di resistenza associati a questa definizione. La situazione è simile a quella delle auto pubblicizzate come versioni "Nuove", "Tuttanuove" o "Nuova Generazione". I reparti marketing classificano spesso l'acciaio con una resistenza superiore ai 300 MPa come "ad alta resistenza", anche se diversi tipi di acciaio rientranti in questa categoria possono differire nella resistenza fino al 100%.

Per chiarire meglio il tema dell'acciaio automobilistico, dobbiamo prima comprenderne lo sviluppo storico.

Sviluppo dell'acciaio in Cina

Dal bronzo al ferro: L'innovazione cinese

L'acciaio ha una lunga storia che risale ai periodi della Primavera e dell'Autunno e dei Regni Combattenti in Cina (circa 770–210 a.C.). All'epoca, il bronzo era il metallo predominante, ma era troppo fragile per essere utilizzato in strumenti o armi durevoli. Gli ingegneri cinesi antichi iniziarono ad utilizzare il processo di riduzione diretta per produrre ferro tenero con forma a blocchi. Sebbene gli utensili in ferro avessero allora vantaggi limitati rispetto al bronzo, essi gettarono le basi per successivi progressi metallurgici.

Progressi durante la dinastia Han

Durante la dinastia Han (202 a.C.–220 d.C.), forni migliorati con mantici aumentarono le temperature di fusione, e fu sviluppata la tecnologia di cementazione per controllare la durezza. Il "processo di agitazione" permise ai metallurgici di mescolare il ferro fuso nei convertitori e di aggiungere elementi leganti. Insieme alle tecniche di piegatura e forgiatura per rimuovere le impurità, questi metodi crearono un ferro di alta qualità principalmente utilizzato nelle armi. Le tombe Han scavate spesso contengono tali armi, indicando un uso diffuso.

Maestria durante la dinastia Tang

Già durante la dinastia Tang (618–907 d.C.), i fabbri erano in grado di controllare il contenuto di carbonio nei prodotti di ferro, producendo acciai con una percentuale di carbonio compresa tra lo 0,5% e lo 0,6%: la definizione moderna di acciaio. Tecniche come il rivestimento a sandwich per le lame furono sviluppate per ottimizzare sia la durezza che la tenacità.

ferro con impugnatura in giada

Le armi in ferro raffigurate sono spade in ferro con impugnatura in giada provenienti dall'antica Cina. Questo dimostra che la tecnologia di fusione era molto avanzata già all'epoca. Le armi in ferro erano ampiamente utilizzate e comprendevano diversi tipi, come coltelli, ji, lance e frecce. Il ferro sostituì completamente il bronzo e l'umanità entrò nell'età del ferro.

coltelli in acciaio usati per la dinastia Tang y

Durante la dinastia Tang in Cina, le tecniche di fusione e forgiatura non subirono modifiche evidente mente. Tuttavia, grazie all'esperienza accumulata, i fabbri riuscirono a controllare il contenuto di carbonio nei prodotti di ferro. Il contenuto di carbonio dei coltelli rappresentativi della dinastia Tang era approssimativamente compreso tra lo 0,5% e lo 0,6%, rientrando così nella gamma dell'acciaio.

Nella produzione dell'acciaio oggi, il controllo del contenuto di carbonio è ancora fondamentale. Regolandolo in base all'utilizzo previsto, è possibile regolare la tenacità e la durezza dell'acciaio. Per creare lame con entrambe queste proprietà, gli antichi svilupparono tecniche come la laminatura e la costruzione a sandwich dell'acciaio. Tuttavia, queste tecniche esulano dall'ambito di questo articolo.

(La prima rivoluzione industriale )

La prima rivoluzione industriale

La prima rivoluzione industriale mettendo la produzione del ferro ha avviato il processo di industrializzazione. Il primo grande aumento della domanda umana di acciaio si verificò durante la rivoluzione industriale. L'invenzione della macchina a vapore liberò l'umanità per la prima volta dal lavoro manuale pesante e dalla produzione basata sulla forza animale, e le macchine alimentate da combustibili innalzarono la produttività umana a un livello molto più alto.

I mulini tessili britannici dipendevano da motori a vapore e da telai realizzati in acciaio

(locomotiva a vapore )

Anche le locomotive a vapore erano grandi consumatrici di acciaio, insieme alle rotaie ferroviarie ad esse associate. In britannico mulini tessili, gruppi di donne che operavano era invece da macchine d'acciaio rumorose. Attraverso il continente europeo, furono posate rotaie di ferro. Le locomotive a vapore iniziarono a sostituire il carrozze trainate da cavalli come principale mezzo di trasporto strumenti. Da allora, gli esseri umani non sono più riusciti a vivere senza acciaio e la domanda è aumentata giorno dopo giorno.

(La prima linea di montaggio della Ford Motor durante la Seconda Rivoluzione Industriale)

 La Seconda Rivoluzione Industriale associò automobili ed acciaio  materiale .

(Xiaomi 'sUV appena lanciato: YU7)

Ora, alcune auto ad alte prestazioni sono ancora realizzate di acciaio. Durante la seconda Rivoluzione Industriale, quando emersero le automobili, l'industria siderurgica avanzò verso un nuovo livello. Da allora, questi due settori sono stati strettamente collegati. Anche se le automobili moderne non assomigliano più alla "Mercedes-Benz N. 1", l'acciaio continua a essere ampiamente utilizzato nella loro produzione, incluso in alcune supercar.

Classi di resistenza dell'acciaio automobilistico  

Come l'acciaio ad alta resistenza viene effettivamente utilizzato nei corpi delle auto moderne

Nei veicoli moderni, la carrozzeria è costruita saldando insieme lamiere di acciaio di diversa resistenza . Gli ingegneri selezionano il grado appropriato di acciaio in base ai livelli di stress che ciascuna parte della struttura dovrà sopportare. In corrispondenza delle aree ad alto stress – dove non è fattibile utilizzare acciaio più spesso – si applica acciaio ad ultra-alta resistenza . Come dice il detto, "Utilizza l'acciaio migliore dove serve di più."

Grafici sulla resistenza dell'acciaio della carrozzeria: ciò che viene mostrato e ciò che non lo è

Mentre molti produttori automobilistici affermano di utilizzare acciaio ad alta resistenza , solo pochi sono trasparenti riguardo ai materiali esatti impiegati. Alcuni marchi pubblicano diagrammi della struttura del telaio del veicolo , ma la maggior parte di questi grafici evidenzia solo le aree generali in cui viene applicato un acciaio più resistente, senza specificare valori esatti di resistenza alla trazione . Marche ben note con solide capacità di ricerca e sviluppo sono spesso ancora più riservate nel condividere tali dati tecnici.

Comprensione della Terminologia

In Giappone e Corea del Sud, l'acciaio ad alta resistenza è comunemente indicato come "acciaio ad alta tensione. " La resistenza dell'acciaio è generalmente misurata in MPa (megapascal) . Per dare un'idea della scala: 1 MPa equivale alla forza di 10 chilogrammi (circa il peso di due angurie) applicata su una superficie di appena 1 centimetro quadrato, senza causare deformazioni al materiale.

Applicazione Strategica, Non Copertura Totale

Analizzando i diagrammi della struttura del veicolo, è chiaro che acciaio ad ultra-alta resistenza (ad esempio, 1000 MPa o superiore) viene utilizzato solo in componenti specifici, come travi antiurto e zone critiche di rinforzo . La maggior parte della carrozzeria è ancora realizzata con acciaio a bassa o media resistenza , che è più facile da modellare e più economico. Quest'uso selettivo si basa sia sulle esigenze funzionali che sui vincoli produttivi .

Non Farsi Ingannare Dalle Frasi Pubblicitarie

Quando incontri frasi come "La carrozzeria della nostra auto utilizza acciaio ad alta resistenza della classe 1000 MPa," è importante interpretarli correttamente. Questo non significa che l'intero telaio sia realizzato con materiali così avanzati. Nella maggior parte dei casi, solo componenti localizzate, come le travi di rinforzo delle porte possono raggiungere tale livello di resistenza. La struttura restante del telaio utilizza generalmente una combinazione di materiali scelti per garantire un equilibrio tra sicurezza, costo e fattibilità produttiva.

 3, nuovi tipi di acciaio adatti alla stampaggio

La stampa è il metodo principale per la produzione del telaio.
Parti del telaio che rimangono ancora sullo stampo dopo la formatura

L'aumento della resistenza del materiale comporta problemi di lavorazione difficoltosa. La maggior parte delle automobili viene prodotta mediante stampaggio, ovvero utilizzando degli stampi per deformare il materiale fino a dargli la forma desiderata, in modo simile all'impasto modellabile Play-Doh. Oggi, con l'aumentata resistenza delle lamiere automobilistiche, i requisiti richiesti al processo di stampaggio sono più severi. Inoltre, molti componenti presentano forme complesse e profonde imbutiture, rendendo il materiale più soggetto a crepe e grinze. Ad esempio, le zone angolari sono quelle dove si verificano più frequentemente i cosiddetti "punti ciechi" durante lo stampaggio, dove tipicamente avvengono strappi e formazione di pieghe. Questo indica anche che durante lo stampaggio delle lamiere acciaio possono emergere problematiche legate allo stiramento e all'attrito con lo stampo. Tutto ciò può causare difetti nei pezzi stampati dovuti a tensioni interne o danni superficiali.

(acciaio strutturale per carrozzeria)

Distribuzione dell'assottigliamento delle lamiere  

Per evitare le situazioni sopra descritte, i produttori devono studiare la deformazione delle lamiere durante la stampaggio per prevenire strappi. Tuttavia, esiste sempre un contrasto: maggiore è la resistenza della lamiera .Il pannello laterale è il più grande componente stampato dell'intero veicolo e anche iS il componente più difficile da formare. Pertanto, i produttori analizzano lo sforzo interno della lamiera durante lo stampaggio, cercando di eliminare al massimo le tensioni residue accumulate. Allo stesso tempo, lo studio dello spessore dei pezzi stampati di grandi dimensioni permette di individuare quali parti della lamiera sono soggette a stiramento intenso e quale profondità di stampaggio garantisce che la lamiera non si rompa.

Il nuovo tipo di acciaio può risolvere il problema di formatura per stampaggio e di lavorazione difficoltosa causati dall'elevata resistenza del materiale. Per risolvere in modo definitivo il problema dello stampaggio dell'acciaio ad alta resistenza, un nuovo tipo di acciaio sta venendo applicato nella produzione dei corpi vettura. La matrice di questo acciaio è costituita da ferrite, con buona duttilità e tenacità, all'interno della quale è presente martensite con ottima durezza. Risulta più facile da formare durante lo stampaggio e il materiale stampato presenta una notevole resistenza.

(Parti in lamiera per il montante A dell'auto )

Alcuni componenti strutturali ad alta resistenza trattati termicamente

Per posizioni come il montante B che richiedono particolare rinforzo, alcuni produttori utilizzano un processo di trattamento termico. Il montante B formato viene sottoposto a riscaldamento e tempra, al fine di rendere la struttura cristallina interna dell'acciaio più perfetta. Questo processo è simile a quello della modellatura con argilla seguita dal riscaldamento per la solidificazione nella produzione della porcellana. Generalmente, queste parti trattate termicamente appaiono spesso di colore nero.

3.Resistenza alla corrosione degli acciai automobilistici

(Bobine di acciaio per la produzione automobilistica )

Le automobili sono prodotte utilizzando acciai legati a basso contenuto di lega.

Attualmente, l'acciaio automobilistico rientra nella categoria degli acciai legati a basso contenuto di lega, che è una tipologia di acciaio. La maggior parte di questo acciaio è composta da elementi ferrosi, con soltanto una piccola quantità di elementi leganti, come carbonio, silicio, fosforo, rame, manganese, cromo, nichel, ecc. Il contenuto di questi elementi leganti non supera il 2,5%.

Gli acciai legati a basso tenore di legante presentano un'eccellente lavorabilità e resistenza, oltre a una buona resistenza alla corrosione. L'acciaio al carbonio ordinario forma uno strato di ossido rosso-bruno in ambienti naturali, molto poroso, comunemente noto come ruggine. Al contrario, gli acciai legati formano uno strato di ossido bruno e compatto che aderisce strettamente alla superficie dell'acciaio, fungendo da barriera protettiva per impedire l'ulteriore erosione dell'acciaio interno da parte dell'ambiente esterno. Questo meccanismo antiruggine è simile a quello degli alleaggi di alluminio e zinco, con la differenza che agli acciai legati servono diversi anni per sviluppare uno strato protettivo stabile; il colore dello strato di ruggine passa da un giallo chiaro al bruno, mentre negli alleaggi di alluminio lo strato protettivo si forma quasi istantaneamente.

L'acciaio resistente alle intemperie viene spesso utilizzato esposto sulle facciate degli edifici

L'acciaio resistente alle intemperie sviluppa un particolare effetto artistico dopo la formazione di uno strato di ruggine, diventando così un materiale da costruzione molto apprezzato dai designer più all'avanguardia.

A causa di questa caratteristica, l'acciaio a bassa lega è conosciuto anche come acciaio resistente alle intemperie (acciaio resistente alla corrosione atmosferica). L'acciaio resistente alle intemperie viene normalmente utilizzato per la produzione di veicoli, navi, ponti, container, ecc., con superfici generalmente verniciate. Tuttavia, nell'arredamento architettonico si preferisce utilizzare l'acciaio resistente alle intemperie esposto, poiché non presenta problemi di arrugginimento quando lasciato scoperto. Inoltre, lo strato di ruggine marrone che forma crea un effetto artistico unico, rendendo le piastre saldate in acciaio resistente alle intemperie una scelta comune per le facciate di edifici particolari.

Grazie al miglioramento delle proprietà dell'acciaio, i produttori automobilistici stanno diventando sempre più superficiali nei trattamenti anti-ruggine.

Per quanto riguarda le automobili, molti produttori oggi utilizzano meno rivestimento in gomma sul telaio, comunemente noto come "armatura del telaio" nei termini comuni. Il telaio di molte nuove auto espone direttamente le lamiere, che presentano soltanto il fondo elettroforetico originale e la vernice colorata abbinata all'esterno. Questo indica che questi veicoli subiscono esclusivamente i processi produttivi di fondo elettroforetico e verniciatura colorata. Solamente l'area dietro le ruote anteriori presenta un sottile strato di rivestimento morbido in gomma, che impedisce al ghiaietto sollevato dalle ruote di colpire la lamiera del telaio. Queste modifiche sembrano riflettere la fiducia dei costruttori nella resistenza alla corrosione dei loro prodotti.

(Armatura del telaio )

Piastra protettiva per il telaio Xiaomi SU7

Aziende sofisticate installano piastre protettive in plastica per il telaio.

Sotto le piastre di protezione ci sono ancora lamiere d'acciaio che hanno subito solo un trattamento semplice. Alcuni produttori particolarmente attenti installano sul telaio piastre di protezione in plastica. Queste piastre non solo possono isolare l'acciaio del telaio dall'impatto con i sassi, ma anche organizzare il flusso d'aria sotto il telaio. Sotto queste piastre protettive in plastica, l'acciaio del telaio possiede soltanto uno strato di primer.

L'acciaio automobilistico non viene utilizzato in modo casuale. Le decisioni dei dirigenti di ridurre i costi spesso finiscono per sacrificare grandi vantaggi per risparmi minimi e gli ingegneri non possono contrastare i capi.

Ogni regola ha la sua eccezione, e le eccezioni si verificano frequentemente in Cina. Alcuni anni fa, un marchio nazionale appena fondato utilizzò acciaio a basso tenore di carbonio nella costruzione dei veicoli, causando la corrosione completa del telaio entro due anni – casi simili sono recentemente riemersi. A volte, le decisioni prese impulsivamente dai dirigenti sono davvero allarmanti. Quando i manager interferiscono nelle discussioni tecniche, i risultati sono sempre imprevedibili.

Il futuro degli acciai automobilistici

Attualmente, lo spessore delle lamiere di acciaio per l'auto è stato ridotto a 0,6 mm, che ritengo abbia raggiunto il limite dello spessore dell'acciaio. Se la lamiera fosse più sottile, anche con un'elevata resistenza, perderebbe la stabilità strutturale intrinseca del materiale. Le lamiere di acciaio per l'auto devono ora affrontare crescenti sfide da parte di nuovi materiali. Il peso atomico del ferro determina che la sua densità non possa essere modificata e il percorso di riduzione del peso attraverso l'assottigliamento sembra aver raggiunto un vicolo cieco. Le leghe di alluminio stanno gradualmente trovando ampio utilizzo nelle vetture di alta gamma. Suv completamente in alluminio, così come le Serie 5 e A6 che utilizzano l'alluminio per le strutture anteriori, indicano tutte questa tendenza.