Automobilių plieno raida ir ateitis: nuo senovės amato iki šiuolaikinės inžinerijos

Įvadas: Automobilių plieno svarba

Automobiliai gaminti naudoti automobiliai yra paprasta logika šiuolaikiniams žmonėms. Tačiau daugelio supratimas apie automobilių plieną vis dar sustoja ties žemo anglies kiekio plienu. Nors abu yra plienas, šiuolaikinis automobilių plienas yra kur kas daug geresnis nei prieš dešimtmečius. Per pastaruosius metus automobilių plieno tyrimai pasiekė didelę pažangą. Šiuo metu automobilių plieno lakštai tampa vis storesni ir plieno stiprumas bei atsparumas korozijai padidėjo patobulintas daug. Iki stalčio naujų medžiagų poveikis, daugelis plieno įmonių aktyviai bendradarbiauja su transporto priemonę įmonėmis, kad būtų sukurtas lengvas, stiprus plienas kad gali konkuruoti su aliuminio lydinys, plastikas ir anglies pluošto kompozitai.

Geležies ir plieno krosnies gamyklą

1. Neapibrėžtas terminas: „aukštos stiprybės plienas“

Šiuolaikiniame automobilių rinkoje daugelis prekių ženklų teigia naudojantys „aukštos stiprybės plieną“, tačiau šiam terminui trūksta vieningos pramonės standartų. Plienų technologijoms vystantis, kartu kinta ir šios etiketės stiprumo ribos. Situacija yra panaši į automobilius, reklamuojamus kaip „Nauji“, „Visiškai nauji“ arba „Kitos kartos“ modeliai. Rinkodara dažnai klasifikuoja plieną virš 300 MPa kaip „aukštos stiprybės“, nors skirtingi plienai po šiuo skydu gali skirtis stiprumu net iki 100%

Norint aiškiau suprasti apie automobiline plieną, pirmiausia reikia suprasti jo istorinį vystymąsi.

Plieno vystymasis Kinijoje

Iš bronzos į geležį: Kinų inovacijos

Pliena turi ilgą istoriją, prasidedančią dar Kinijos Pavasario ir Žiemą bei Karinių Valstijų laikotarpiais (apytiksliai 770–210 m. pr. Kr.). Tuo metu dominavo bronzos metalas, tačiau jis buvo pernelyt trapus ilgaamžiams įrankiams ar ginklams gaminti. Senovės kinų inžinieriai pradėjo naudoti kupstos krosnies procesą, kad pagamintų minkštą, stačiakampį geležies bloką. Nors tokiu metodu pagaminti geležiniai įrankiai tuo metu turėjo tik ribotą pranašumą prieš bronzą, tai sukūrė pagrindą vėlesnėms metalurgijos permainoms.

Pažanga Han dinastijos laikais

Han dinastijos laikotarpiu (202 m. pr. Kr.–220 m. po Kr.) sukuriamos puūtimo mašinos padidino krosnių kaitrą, o karbūrinimo technologija leido valdyti kietumą. Naudojant „maišymo liejimo procesą“, metalurgai galėjo maišyti lydžiąją geležį konvertoriuose ir pridėti lydmenų elementų. Kartu su sulankstymo ir kalimo metodais, skirtų pašalinti priemaišas, šios technologijos leido gaminti aukštos kokybės geležį, kuri daugiausiai buvo naudojama ginklams gaminti. Iškasti Han dinastijos kapai dažnai būna užpildyti tokiais ginklais, kas rodo apie jų platų panaudojimą.

Meistriškumas Tang dinastijos laikais

Tangų dinastijos (618–907 m. po Kr.) laikais kalviai jau mokėjo valdyti anglies kiekį geležies gaminiuose, gaudami plieną, kurio sudėtyje buvo 0,5–0,6 % anglies – tokio plieno apibrėžimas išliko iki šių dienų. Buvo sukurtos technologijos, tokios kaip dviejų sluoksnių geležies naudojimas, kad būtų pasiektas optimalus kietumo ir atsparumo smūgiams balansas.

geležinis su aukso kriauna

Paveikslėlyje pavaizduoti geležiniai ginklai – tai senovės Kinijos geležiniai kardai su aukso kriaunomis. Tai rodo, kad to meto lydymo technologijos buvo labai pažengusios. Geležiniai ginklai buvo plačiai naudojami. Taip pat buvo įvairių rūšių: geležiniai durklai, ge, ietys ir strėlės. Geležis visiškai pakeitė bronzą, o žmonija įžengė į geležies amžių.

plieniniai durklai Tangų dinastijai y

Kinijos Tangų dinastijos laikais lydymo ir kalimo technologijų nebuvo keista akivaizdu . Tačiau, remiantis sukauptu patyrimu, kalviams pavyko valdyti anglies kiekį geležies gaminiuose. Tipingų Tangų dinastijos durklų anglies kiekis svyravo tarp 0,5 % ir 0,6 %, todėl jie priskiriami prie plieno.

Šiandien plieno gamyboje anglies kiekio valdymas vis dar yra pagrindinis. Pakeičiant jį priklausomai nuo numatytos paskirties, galima reguliuoti plieno atsparumą ir kietumą. Kad išgauti abu šiuos savybes turinčius peilius, senoliai išrado technologijas, tokias kaip apsauginis ir sluoksninis plienas. Tačiau šios technologijos yra už šio straipsnio ribų.

(Pirmoji pramonės revoliucija )

Pirmoji pramonės revoliucija

Pirmoji pramonės revoliucija atsižvelgiame į geležies gamybos perėjimas prie industrializacijos. Pirmasis žmonių paklausa dėl plieno šuolis įvyko pramonės revoliucijos metu. Garų mašinos išradimas pirmą kartą išlaisvino žmoniškumą nuo sunkaus fizinio darbo ir gyvūnų pagalba gaminamos produkcijos, o degalų varomi įrenginiai padidino žmogaus produktyvumą iki kur kas aukštesnio lygio.

Britanijos tekstilės fabrikai priklausė nuo garų mašinų ir plieno looms

(garvežys )

Garvežiai taip pat buvo dideli plieno vartotojai kartu su geležinkelių bėgiais. In britanijos tekstilės fabrikuose, moterų grupės aptarnaujančios buvo vietoj to triukšmingos plieno mašinos. Per visą Europą buvo nutiesti geležiniai bėgiai. Garo traukiniai pradėjo keisti the arklių traukiamas karietes kaip pagrindinį transportą įrankiai. Nuo tada žmonės nebegalėjo gyventi be plieno, o paklausa nuolat augo.

(Ford Motor pirmoji konvejerinė linija Antrojoje pramonės revoliucijoje)

 Antroji pramonės revoliucija sujungė automobilius ir plieną  medžiaga .

(XiaoMi 's Naujas SUV: YU7)

Dabar kai kurie aukštos kokybės automobiliai vis dar gaminami iš plienas. Antrosios pramonės revoliucijos metu, kai pasirodė automobiliai, plieno pramonė pasiekė naują lygmenį. Nuo tada šios dvi sritys tapo glaudžiai susijusios. Netgi dabartiniai automobiliai jau nebepanašūs į „Mercedes-Benz No. 1“, plienas vis tiek plačiai naudojamas jų gamyboje, įskaitant net kai kurias super automobilis.

Automobilių plieno stiprumo klasės  

Kaip iš tikrųjų moderniuose automobilių korpusuose yra naudojamas stiprus plienas

Šiuolaikiniuose automobiliuose karabinas yra sukurtas suvirinant plieno plokštes skirtingos stiprumo klasės . Inžinieriai parenka tinkamą plieno rūšį pagal apkrovos lygmenis, kuriuos konstrukcijos dalys turi išlaikyti. Vietose, kur negalima naudoti storesnio plieno, ypač stiprus plienas naudojamas. Kaip sako posakis, "Geriausią plieną reikia ten, kur jis labiausiai reikalingas."

Korpuso plieno stiprumo diagramos: kas parodyta ir ko nėra

Daugelis automobilių gamintojų teigia naudoją aukštos stiprumo acieris , tik keli iš jų atviri dėl tikslaus naudojamo medžiagos tipo. Kai kurios prekės ženklai paskelbia automobilio korpuso konstrukcijos diagramas , tačiau daugelyje šių diagramų pabrėžiamos tik apytikslės vietos, kur naudojamas stipresnis plienas, nenurodant tikslių tempimo stiprumo verčių . Gerai žinomi prekės ženklai, turintys stiprią mokslinių tyrimų ir plėtros bazę, dažnai dar mažiau linkę dalintis tokiais techniniais duomenims.

Terminų supratimas

Japonijoje ir Pietų Korėjoje aukšto stiprumo plienas dažnai vadinamas „aukšto įtempimo plienu.“ Plieninio tvirtumą paprastai matuoja MPa (megapaskaliais) . Kad būtų aiškiau: 1 MPa yra jėga, lygi 10 kg (maždaug dviejų arbūzų svoriui), veikiančiai paviršiaus plotą, kuris yra vos 1 kvadratinis centimetras, nekeičiant medžiagos formos.

Taikymas strategiškai, o ne visiškai dengiant

Išnagrinėjus kūno konstrukcijos diagramas, tampa aišku, kad ypač stiprus plienas (pvz., 1000 MPa ar daugiau) naudojamas tik konkrečiose detalėse – tokiomis kaip anti-kolizijos sijos ir kritinės stiprinimo zonos . Daugelis korpuso vis dar pagaminta iš žemo ar vidutinio stiprumo plieno , kuris yra lengviau formuojamas ir ekonomiškesnis. Ši atranka atliekama remiantis tiek funkciniais reikalavimais, tiek gamybos apribojimais .

Nepasiduokite reklaminėms frazėms

Kai susiduriate su frazėmis kaip "Mūsų automobilio korpusas naudoja 1000 MPa klasės aukšto stiprumo plieną," svarbu juos teisingai interpretuoti. Tai nereiškia, kad visas automobilis yra pagamintas iš tokio pažengto materiale. Daugelyje atvejų tik lokalizuotos dalys – pvz., durų smūgio įtvirtinimo sijos – gali pasiekti tokį stiprumo lygį. Likusi korpuso konstrukcija paprastai naudoja medžiagų mišinį, sukurtą siekiant balanso tarp saugumo, kainos ir gamybos galimybių.

 3, naujos kartos plieno medžiagos, tinkamos presavimui

Presavimas yra pagrindinis korpuso gamybos metodas.
Korpuso detalės, kurios vis dar lieka formoje po presavimo

Medžiagos stiprumo padidėjimas sukelia sunkumų apdirbant. Daugelyje lengvųjų automobilių gamybos procesų naudojamas presavimas – tai reiškia, kad medžiaga formuojama naudojant formas, panašiai kaip formuojamas „Play-Doh“. Tačiau dėl didesnio automobilių plieno lakštų stiprumo, presavimo procesams keliami griežtesni reikalavimai. Be to, yra daug giliai traukiamų detalių, todėl medžiaga linkusi įtrūkti ar susiraušti. Pavyzdžiui, kampuose labiausiai tikėtina atsirasti „negyviems kampams“ presuojant, kur dažniausiai atsiranda plyšiai ir raukšlės. Tai taip pat rodo, kad presuojant plieno lakštus visada kyla problemų dėl tempties ir trinties tarp formos. Dėl šių priežasčių atsiranda defektų presuotose dalyse, sukeltų vidiniuose įtempimuose ar paviršiaus pažeidimuose.

(automobilių korpuso konstrukcinis plienas)

Lakštų storesnio sluoksnio pasiskirstymas  

Kad būtų išvengta aukščiau aprašytų situacijų, gamintojams reikia tirti plieno lakštų deformavimąsi per presavimą, kad būtų išvengta plyšimų. Tačiau visada kyla prieštaravimas: kuo didesnė plieno lakšto stiprumo riba .Šoninė dalis yra didžiausia viso automobilio presavimo detalė ir taip pat yra sudėtingiausia formuojama detalė. Todėl gamintojai tirs vidinius plieno lakšto įtempimus presuojant, kad galėtų kiek įmanoma labiau sumažinti kaupiamus vidinius įtempimus. Tuo tarpu tiriant stambaus paviršiaus presavimo detalių storį galima nustatyti, kurios plieno lakšto vietos yra smarkiai ištemptos ir koks presavimo gylis užtikrins, kad plieno lakštas nesutrūks.

Naujo tipo plienas gali išspręsti problemą dėl aukštos medžiagos stiprumo sukeltą plokštės formavimo ir sunkta apdirbti. Norint iš esmės išspręsti aukšto stiprumo plieno štampavimo problemą, naujo tipo plienas pradedamas naudoti automobilių korpusų gamyboje. Šio plieno matrica yra feritas, kuris yra minkštas ir atsparus, joje įterptas martensitas, turintis gerą kietumą. Jis lengviau formuojamas štampuojant, o suformuota medžiaga turi pakankamą stiprumą.

(Automobilio A-stulpelio metalo dalys )

Kai kurie termiškai apdoroti aukšto stiprumo konstrukciniai komponentai

Pozicijoms, tokiose kaip B-stulpelis, kurios ypač reikalauja sustiprinimo, kai kurie gamintojai naudoja terminio apdorojimo procesą. Suformuotas B-stulpelis yra kaitinamas ir užkaitomas, kad vidinė plieno kristalinė struktūra būtų tobulesnė. Tai primena molio formavimą ir vėliau kaitinant jį padaryti standžiu porceliano gamybos procese. Paprastai šios termiškai apdorotos detalės dažnai būna juodos.

3.Automobiliais naudojamo plieno atsparumas korozijai

(Plieno ritiniai automobilių gamybai )

Automobiliai yra gaminami naudojant mažai legiruotą plieną.

Šiuo metu automobiniam plienui priskiriamas mažai legiruotas plienas, kuris yra viena iš plieno šakų. Daugelio tokio plieno sudėtį sudaro geležies elementai, o tik nedidelę dalį – legiravimo elementai, tokie kaip anglis, silicis, fosforas, varis, manganas, chromas, nikelis ir kt. Šių legiravimo elementų kiekis neviršija 2,5%.

Mažai legiriniai plienai pasižymi puikiu apdirbimo našumu ir stiprumu, taip pat turi gerą atsparumą korozijai. Paprastas mažai anglies turintis plienas natūralioje aplinkoje suformuoja raudonai rudas oksidų sluoksnį, kuris yra labai lauzas ir dažnai vadinamas rūdžiais. Tuo tarpu mažai legiriniai plienai sukuria rudą, tankų oksidų sluoksnį, kuris tvirtai priglunda prie plieno paviršiaus, veikdamas kaip barjeras, neleidžiantis išorinei aplinkai toliau ardyti vidinio plieno. Šis antirūdžių mechanizmas yra kiek panašus į aliuminio lydinių ir cinko lydinių veikimą, tik mažai legiriniams plienams prireikia kelių metų, kad susiformuotų stabilus apsauginis rūdžių sluoksnis, perėjant rūdžių spalvai nuo šviesiai geltonos iki rudai pilkos, tuo tarpu aliuminio lydiniai apsauginį rūdžių sluoksnį suformuoja beveik akimirksni.

Priešatmosferinis plienas dažnai naudojamas statybos fasaduose

Pasiekus rūdijimo sluoksnį, atmosferai atspari pliena įgyja ypatingą estetinį efektą ir tampa aukštos kokybės statybos medžiaga, kuriai teikiama pirmenybė moderniems dizaineriams.

Dėl šios savybės, žemo lygio lydinys taip pat vadinamas atmosferai atsparia plienu (oro korozijai atspari pliena). Atmosferai atspari pliena dažniausiai naudojama transporto priemonių, laivų, tiltų, konteinerių ir pan. gamybai, o jų paviršius dažnai dažomas. Tačiau architektūros apdailoje yra linkstama naudoti atmosferai atsparią plieną atvirame pavidale, nes ji nekinta nuo prarūdijimo, kai yra neuždengta. Be to, ruda rūdijimo danga sukuria unikalų estetinį efektą, todėl suvirintos atmosferai atsparios plieno plokštės dažnai naudojamos kaip specialių pastatų fasadų medžiaga.

Dėl plieno savybių pagerėjimo automobilių gamintojai vis labiau abejingai elgiasi su antikorozine apsauga.

Kas lieka automobiliai, daugelis gamintojų šiuo metu naudoja mažiau rėmo guminių dengiančių medžiagų, kas paprastai vadinama „rėmo šarvais“. Daugelio naujų automobilių rėmai tiesiogiai atskleidžia plienines plokštes, kurios turi tik pradinį gamyklinį grunto sluoksnį ir išorinę spalvą. Tai rodo, kad šie automobiliai gamybos procese patiria tik elektroforezinio gruntavimo ir dažymo procedūras. Tik už priekinių ratų esančioje srityje yra plonas minkštos gumos sluoksnis, kuris saugo nuo žvyro, kurį gali numušti ratai, poveikio rėmo pliene. Atrodo, kad šie pokyčiai atspindi gamintojų pasitikėjimą savo produktų atsparumu korozijai.

(Rėmo šarvai )

Xiaomi SU7 rėmo apsauginė plokštė

Sudėtingos įmonės montuoja plastikines rėmo apsaugines plokštes.

Po apsauginėmis plokštėmis vis dar yra plieno lakštai, kurie yra tik paprastai apdoroti. Kai kurie reikalaujantys gamintojai įrengia plastikines apsaugos plokštes ant rėmo. Šios plokštės ne tik izoliuoja rėmo plieną nuo žvyro smūgių, bet ir sureguliuoja oro srautą po rėmu. Po šiomis plastikinėmis apsaugos plokštėmis, rėmo plienas turi tik vieną grunto sluoksnį.

Automobilyje naudojamas plienas nenaudojamas atsitiktinai. Verslininkų sprendimai mažinti išlaidas dažnai baigiasi didele kaina, siekiant mažų taupymų, o technikai negali pergalėti viršininkų.

Visada būna išimčių, o tokios išimtys dažnai pasitaiko Kinijoje. Prieš keletą metų vienas naujas vietinis automobilių prekės ženklas pradėjo naudoti žemo anglies plieną automobilių gamybai, dėl ko per dvejus metus rėmas pradėjo koroduoti – ir tokių atvejų vėl pasirodė neseniai. Kartais, netikėti lyderių sprendimai tikrai kelia nerimą. Kai verslininkai kišasi į technines diskusijas, rezultatai visada būna neprognozuojami.

Automobilių plienų ateitis

Šiuo metu automobilių plieno lakštų storis buvo sumažintas iki 0,6 mm, mano manymu, tai jau pasiekė plieno storio ribą. Jei plieno lakštas būtų dar storesnis, net esant dideliam stipriui, medžiagos konstrukcijos stabilumas būtų prarastas. Automobilių plieno lakštai šiuo metu susiduria su vis didėjančiomis iššūkiais dėl naujų medžiagų. Geležies atomų masė nulemia, kad jos tankis negali būti pakeistas, o kelią mažinant svorį per ploninimą atrodo pasiekęs aklavietę. Aliuminio lydiniai dabar pamažu pradeda būti plačiai naudojami aukštos klasės automobiliuose. Visiškai aliumininiai SUV modeliai, taip pat 5 serija ir A6, naudojantys aliuminį priekinėms konstrukcijoms, rodo šią tendenciją.