Automobiļu tērauda attīstība un nākotne: no senās meistarības līdz modernai inženierijai

Ievads: Automobiļu tērauda nozīme

Izmantojot tēraudu izgatavošanai autos ir pamata kopīga jēga mūsdienu cilvēkiem. Tomēr daudziem automobiļu tērauda izpratne joprojām apstājas zemā - oglekļa tērauda līmenī. Lai gan abi ir tērauds, mūsdienu automobiļu tērauds ir ievērojami daudz labāks nekā pirms desmitiem gadu. Pēdējo gadu laikā pētījumi par automobiļu tēraudu ir panākuši lielus panākumus. Tagad automobiļu tērauda loksnēm ir plānākas un plānākas , un tērauda stiprība un korozijizturība ir izlabota daudz. Pret līdzsvars jaunu materiālu ietekmi, daudzas tērauda kompānijas aktīvi strādā kopā ar vietajam uzņēmumiem izstrādāt vieglu, augstas izturības tēraudu kas var konkurē alumīnija sakausējums, plastmasa un oglekļa šķiedru armēti kompozītmateriāli.

Dzelzs un tērauda kausēšanas rūpnīca

1. Neapstiprināts termins: "Augstas izturības tērauds"

Mūsdienu automobiļu tirgū daudzas zīmolnes apgalvo, ka izmanto "augstas izturības tēraudu", taču šim terminam trūkst vienota nozares standarta. Tā kā tērauda tehnoloģijas attīstās, arī šī etiķetes izturības robežvērtības mainās. Situācija ir līdzīga ar automašīnu modeļiem, kas tiek reklamēti kā "Jauni", "Pilnībā jauni" vai "Nākamā paaudze" versijas. Mārketinga nodaļas bieži klasificē tēraudu virs 300 MPa kā "augstas izturības", lai gan dažādi tēraudi zem šī jumta var atšķirties spēkā līdz pat 100%.

Lai precizētu automobiļu tērauda tēmu, vispirms jāsaprot tā vēsturiskais attīstība.

Tērauda attīstība Ķinā

No bronzas uz dzelzi: Ķīnas inovācija

Tērauds tam ir ilga vēsture, kas attiecas uz pavasara un rudens laikmetu un karaliskās valstis periodu Ķinā (aptuveni 770–210. g. p.m.ē.). Toreiz vara bija dominējošais metāls, taču tas bija pārāk trausls, lai izgatavotu izturīgus rīkus vai ieročus. Senie ķīniešu inženieri sāka izmantot blokmūra procesu, lai ražotu mīkstu, bloka formas dzelzi. Lai arī dzelzs rīkiem toreiz bija ierobežotas priekšrocības salīdzinājumā ar varu, tie laidā pamatu vēlākiem metalurģijas sasniegumiem.

Uzlabojumi Han dinastijas laikā

Han dinastijas laikā (202. g. p.m.ē.–220. g. mūsu ērā) vēdinātāju uzlabotās krāsnis paaugstināja kausēšanas temperatūru, un tika izstrādāta karbonizācijas tehnoloģija, lai kontrolētu cietību. Ar "maisīšanas liešanas procesu" metalurgiem tika dota iespēja maisīt šķidro dzelzi konvertoros un pievienot sakausējuma elementus. Kopā ar impuritāšu noņemšanas tehnikām, piemērojot locīšanu un kalšanu, šīs metodes radīja augstas kvalitātes dzelzi, ko galvenokārt izmantoja ieročos. Atraduši Han dinastijas kapenes bieži satur šādus ieročus, kas norāda uz plašu izmantošanu.

Meistarība Tang dinastijas laikā

Tang dinastijas laikā (618.–907. gada p.m.ē.) kalēji prata kontrolēt oglekļa saturu dzelzs izstrādājumos, iegūstot tēraudu ar 0,5–0,6% oglekļa — mūsdienu tērauda definīciju. Tika attīstītas tehnikas, piemēram, lāpju slāņojums, lai optimizētu gan cietību, gan izturību.

dzelzs ar jade rokturi

Attēlā redzamie dzelzs ieroči ir senču Ķīnā izgatavoti dzelzs zobeni ar jade rokturi. Tas liecina, ka kausēšanas tehnoloģija bija attīstīta jau toreiz. Dzelzs ieročus plaši izmantoja. Pastāvēja arī dažādi tipi, piemēram, dzelzs nazi, ji, šķēpi un bultas. Dzelzs pilnībā aizstāja bronzu, un cilvēce ienāca Dzelzs laikmetā.

tang dinastijas nazis no tērauda y

Ķīnā Tang dinastijas laikā kausēšanas un kalšanas tehnikas nemainījās acīmredzami tomēr, uzkrājot pieredzi, kalēji spēja kontrolēt oglekļa saturu dzelzs izstrādājumos. Tipisku Tang dinastijas nažu oglekļa saturs bija aptuveni no 0,5% līdz 0,6%, kas atbilst tērauda klasei.

Mūsdienās tērauda ražošanā oglekļa satura kontrole joprojām ir pamatfaktors. To pielāgojot paredzētajam lietojumam, var mainīt tērauda izturību un cietību. Lai izgatavotu asmeņus ar abām šīm īpašībām, senie cilvēki izgudroja tehnikas, piemēram, apvalka un sviestmaizes no tērauda izgatavošanu. Tomēr šī raksta ietvaros tas ir aiz robežām.

(Pirmā industriālā revolūcija )

Pirmā industriālā revolūcija

Pirmā industriālā revolūcija ievieto dzelzs ražošanas pāreja uz industrializāciju. Pirmais straujais pieaugums cilvēku vajadzībām pēc tērauda bija laikā, kad notika industriālā revolūcija. Tvaika dzinēja izgudrošana pirmo reizi atbrīvoja cilvēci no smagā fiziskā darba un produkcijas ražošanas, kas balstīta uz dzīvniekiem, bet degvielas dzinēti mehānismi pacēla cilvēka ražīgumu līdz daudz augstākam līmenim.

Britu tekstilfabrikas bija atkarīgas no tvaika dzinējiem un no tērauda izgatavotiem vilnīšiem

(tvaika lokomotīve )

Tvaika lokomotīves patērēja arī daudz tērauda, kā arī attiecīgās dzelzceļa sliedes. Uz britu tekstilfabrikām, sieviešu grupas, kas apkalpoja notika gan ar trokšņainās tērauda mašīnas. Pa visu Eiropas kontinentu tika izklāti dzelzs pavedieni. Tvaika lokomotīves sāka aizvietot tas zirgu vilktās karietes kā galveno transportu rīkiem. No tā laika cilvēki vairs nevarēja dzīvot bez tērauda, un pieprasījums nepārtraukti auga.

(Pirmā Ford Motor montāžas līnija Otrā industriālā revolūcija)

 Otrā industriālā revolūcija saistīja automobiļus ar tēraudu  materiāls .

(XiaoMi 's Jaunizlaistais SUV: YU7)

Tagad dažas augstas veiktspējas automašīnas joprojām tiek izgatavotas ar tērauds. Otrā industriālā revolūcija, kad parādījās automobiļi, tērauda rūpniecība panāca jaunu līmeni. Kopš tā laika šīs divas nozares ir cieši saistītas. Pat tad, kad mūsdienu automobiļi vairs neatgādina "Mercedes-Benz Nr. 1", to ražošanā joprojām plaši izmanto tēraudu, tostarp arī dažās supermašīnās.

Automobiļu tērauda stiprības klases  

Kā patiesībā tiek izmantots augstas stiprības tērauds mūsdienu automašīnu korpusos

Mūsdienu transporta līdzekļos auto korpusu veido, metinot kopā tērauda loksnis ar dažādu izturību . Inženieri izvēlas atbilstošu tērauda šķirni, pamatojoties uz slodzes līmeni, ko konstrukcijas katrs elements paredzēts izturēt. Vietās ar augstu slodzi – kur biezāka tērauda izmantošana nav iespējama – ultraaugstas izturības tērauds tiecas lietot. Kā saka, "Labāko tēraudu izmanto tur, kur tas visvairāk nepieciešams."

Korpusa tērauda izturības diagrammas: kas ir parādīts un kas nav

Daudzi auto ražotāji apgalvo, ka izmanto augstspēcīga oceļa , taču tikai daži ir pārredzami attiecībā uz precīzajām materiālu markām. Dažas zīmolnes publicē transporta līdzekļa korpusa struktūras shēmas , bet lielākajai daļai no šīm diagrammām ir tikai vispārējas stiprāka tērauda izmantošanas zonas, nenorādot precīzas stiepes izturības vērtības . Labi pazīstami zīmollietotāji ar spēcīgām pētniecības un attīstības iespējām parasti pat slēpj šādu tehnisko informāciju.

Terminoloģijas izpratne

Japānā un Dienvidkorejā augstas izturības tēraudu bieži dēvē par "augstsprieguma tēraudu. " Tērauda izturību parasti mēra MPa (megapaskālos) . Lai iegūtu priekšstatu par mērogu: 1 MPa atbilst 10 kg masas (aptuveni divu arbūzu) svara spēkam uz vienu kvadrātcentimetru virsmas laukumu, nedeformējot materiālu.

Stratēģiska lietošana, nevis pilna pārklāšanās

Analizējot ķermeņa struktūras diagrammas, ir skaidrs, ka ultraaugstas izturības tērauds (piemēram, 1000 MPa vai vairāk) tiek izmantots tikai konkrētos komponentos — piemēram, pret sadursmes staru un kritiskajām pastiprināšanas zonām . Lielāko daļu no ķermenim joprojām veido zema vai vidēja stipruma tērauds , kuru ir vieglāk veidot un tas ir izmaksu ziņā izdevīgāks. Šāda selektīva izmantošana balstās gan uz funkcionālajām vajadzībām, gan ražošanas ierobežojumiem .

Nepiesieties pie reklāmas lozungiem

Kad sastopat frāzes, piemēram, "Mūsu transportlīdzekļa korpusā izmantots 1000 MPa klases augsta stipruma tērauds," ir svarīgi tos interpretēt precīzi. Tas nenozīmē, ka viss korpusa ir izgatavots no tik sarežģītiem materiāliem. Visbiežāk tikai atsevišķas daļas—piemēram, durvju stiprinājuma stieņi —var sasniegt šo stipruma līmeni. Pārējā ķermeņa struktūrā parasti tiek izmantota materiālu kombinācija, kas paredzēta drošības, izmaksu un ražošanas efektivitātes līdzsvarošanai.

 3, jauni tērauda materiāli, kas veicinājuši apspiest

Apstiprināšana ir galvenais metode korpusa ražošanai.
Korpusa daļas, kas pēc apspiešanas veidošanas joprojām atrodas veidnē

Materiāla stiprības palielināšanās rada apstrādes grūtību problēmu. Lielāko daļu vieglo automobiļu ražo ar štamplēšanu, tas ir, izmantojot veidnes, lai izspiestu materiālu vajadzīgajā formā — līdzīgi kā veidojot māls no plastilīna. Tomēr tagad, kad automašīnu tērauda loksnēm ir augstāka stiprība, štamplēšanas procesiem tiek izvirzīti stingrāki nosacījumi. Turklāt ir daudz dziļi velkamu detaļu, kas padara materiālu parādībai uz plaisām un krokām. Piemēram, stūri ir visvairāk pakļauti "mirušajiem nostūriem" štamplēšanas laikā, kur parasti notiek plīšana un krokošanās. Tas arī norāda, ka, štamplējot tērauda loksnes, pastāv vienmērīgas izstiepšanās un berzes pret veidni problēmas. Tās var izraisīt trūkumus štampos dēļ iekšējā sprieguma vai virsmas bojājumiem.

(automobiļu korpusa strukturālais tērauds)

Lapu biezuma samazināšanās sadalījums  

Lai izvairītos no iepriekš minētajām situācijām, ražotājiem jāizpēta tērauda loksnes deformācija spiešanas laikā, lai novērstu pārrāvumu. Tomēr vienmēr pastāv pretruna, ka jo augstāka ir tērauda loksnes izturība .Sānu panele ir vislielākā spiešanas detaļa visā transportlīdzeklī un arī ir grūtākā komponenta veidošana. Tādēļ ražotāji izpētīs tērauda loksnes iekšējo spriegumu spiešanas laikā, lai pēc iespējas vairāk tos novērstu. Tikmēr liela apgabala spiestu daļu biezuma izpēte var parādīt, kuras tērauda loksnes daļas tiek smagi izstieptas un kāda spiešanas dziļums nodrošina, ka tērauda loksne nesaplīst.

Jauna tipa tērauds var atrisināt problēmas ar materiāla lielās stiprības dēļ sarežģīto apstrādi un štampanu. Lai pamatīgi atrisinātu augstas stiprības tērauda štampēšanas problēmas, jauna tipa tēraudu izmanto automobiļu korpusu ražošanā. Šī tērauda bāze ir ferīts, kas ir labs ar savu mīkstumu un izturību pret triecieniem, tajā iegulta martensīta struktūra ar labu cietību. Tas ir vieglāk deformējams štampējot, bet pēc tam iegūtais materiāls joprojām ir pietiekami stiprs.

(Automobiļa A-staba metālapvalka daļas )

Daži termiski apstrādāti augstas stiprības konstrukcijas elementi

Vietās, kur īpaši nepieciešama pastiprināšana, piemēram, B-stabā, daži ražotāji izmanto termiskās apstrādes procesu. Izgatavoto B-stabu silda un pēc tam atdziļina, lai tērauda iekšējā kristāliskā struktūra kļūtu pilnīgāka. Tas ir līdzīgs procesam, kad māla veidošanai seko cepšana porcelāna izgatavošanā. Parasti šādas termiski apstrādātas detaļas ir melnas krāsas.

3.Automobiļu tēraudu korozijizturība

(Tērauda ruļļi automobiļu ražošanai )

Automobiļus izgatavo no zemā sakausējuma tēraudiem.

Pašlaik automobiļu tērauds pieder pie zemā sakausējuma tēraudu kategorijas, kas ir viena no tērauda šķirnēm. Lielāko daļu šā tērauda veido dzelzs elementi, ar tikai nelielu daudzumu leģējošajiem elementiem, piemēram, ogleklis, silīcijs, fosfors, vara, mangāns, hroms, niķelis utt. Šo leģējošo elementu saturs nepārsniedz 2,5%.

Zema sakausējuma tērauds izrāda lieliskas apstrādes veiktspēju un stiprumu, kā arī labu korozijizturību. Parastais zema oglekļa tērauds dabiskos apstākļos veido sarkanīgi brūnu oksīda slāni, kas ir ļoti vaļīgs un vispārīgi pazīstams kā rūsa. Savukārt, zema sakausējuma tērauds veido brūnu, blīvu oksīda slāni, kas cieši pieķeras tērauda virsmai, darbojoties kā barjera, kas novērš iekšējā tērauda turpmāku eroziju no ārējās vides. Šī pretkorozijas darbības mehānisms ir daļēji līdzīgs alumīnija sakausējumiem un cinka sakausējumiem, izņemot to, ka zema sakausējuma tēraudam stabilas aizsargrūsas slāņa veidošanai nepieciešami vairāki gadi, pie kam rūsas slāņa krāsa pāriet no gaiši dzeltenas uz brūnu, savukārt alumīnija sakausējumi gandrīz uzreiz veido aizsargrūsas slāni.

Vēja izturīgs tērauds bieži tiek izmantots atklātā veidā uz ēku fasādēm

Laika izturīgais tērauds pēc rūsas slāņa veidošanās attīsta īpašu māksnīgu efektu, kļūstot par būvmateriālu, ko ļoti vērtē modernie arhitekti.

Savas īpašības dēļ zemā leģētā tērauda veids tiek saukts par laika izturīgo tēraudu (laika un korozijizturīgo tēraudu). Laika izturīgais tērauds parasti tiek izmantots transportlīdzekļu, kuģu, tiltu, konteineru u.c. ražošanai, bet šo konstrukciju virsmas parasti krāso. Tomēr arhitektūras dekorācijām ir iecienītais variants lietot laika izturīgo tēraudu atklātā veidā, jo tam nav raksturīga rūsa caururbjama, ja to atstāj neaizsargātu. Turklāt veidotais brūnais rūsas slānis rada unikālu māksnīgu efektu, tādēļ metinātas laika izturīgas tērauda plāksnes bieži tiek izmantotas īpašu ēku fasādēm.

Tā kā tērauda īpašības ir uzlabojušās, automobiļu ražotāji pret antikorozijas apstrādi izturas arvien vienaldzīgāk.

Attiecībā uz automobiļiem, daudzi ražotāji tagad izmanto mazāk rāmis gumijas pārklājumu, kas ikdienas valodā bieži tiek dēvēts par "rāmja bruņām". Daudzu jaunu automašīnu rāmis tieši atklāj tērauda loksnēs, uz kurām ir tikai oriģinālā rūpnīcas gruntis un krāsa, kas atbilst ārējam izskatam. Tas norāda uz to, ka šie transportlīdzekļi ražošanas procesā veic tikai elektroforetiskās gruntēšanas un krāsošanas procedūras. Tikai vietās aiz priekšējiem riteņiem ir plāna mīkstas gumijas pārklājuma kārta, kas neļauj riteņu izsviestajiem akmeņiem ietekmēt rāmja tēraudu. Šādas izmaiņas liecina par ražotāju paļāvību uz saviem produktiem attiecībā pret koroziju.

(Rāmja bruņas )

Xiaomi SU7 rāmja aizsargplāksne

Sarežģīti uzņēmumi uzstāda plastmasas rāmja aizsargplāksnes.

Aiz aizsargplātēm joprojām atrodas tērauda lokšņu, kurām ir veikta tikai vienkārša apstrāde. Daži rūpīgi ražotāji uzstāda plastmasas aizsargplātes uz šasijas. Šīs plātes ne tikai var izolēt šasijas tēraudam no grants triecieniem, bet arī sakārtot gaisa plūsmu zem šasijas. Zem šīm plastmasas aizsargplātēm šasijas tērams ir tikai viens gruntējuma slānis.

Automobiļu tērds nav izmantots pa labi. Uzņēmēju lēmumi ietaupīt bieži beidzas ar to, ka lielas priekšrocības tiek upurētas niecīgu ietaupījumu dēļ, un tehniskie speciālisti nevar pārspēt priekšniekus.

Izņēmums ir visam, un izņēmumi bieži notiek Ķinā. Pirms dažiem gadiem jauna vietēja zīmola automašīnu ražošanā tika izmantots zema oglekļa saturošs tērds, kā rezultātā šasija izrūsēja divu gadu laikā — un šādi gadījumi pēdējā laikā atkal parādās. Reizēm lēmumi, ko pieņem vadītāji impulsīvi, patiešām ir biedējoši. Kad uzņēmēji iejaucas tehnikas diskusijās, rezultāti vienmēr ir neparedzami.

Automašīnu tērauda nākotne

Pašlaik automašīnu tērauda loksnēm ir samazinātas līdz 0,6 mm, kā es uzskatu, sasniegusi tērauda biezuma robežu. Ja loksne būs plānāka, pat ar lielu stiprumu, tā zaudēs materiālā iebūvēto strukturālo stabilitāti. Automašīnu tērauda loksnes šobrīd saskaras arvien pieaugošiem izaicinājumiem no jauniem materiāliem. Dzelzs atommasa nosaka, ka tā blīvums nevar mainīties, un ceļš uz masas samazināšanu, izmantojot plānāku tēraudu, šķiet, ir nonācis strupceļā. Alumīnija sakausējumi tagad pakāpeniski tiek plaši izmantoti augstas klases transportlīdzekļos. Visi alumīnija SUV modeļi, kā arī 5. serijas un A6, kuru priekšgalu konstrukcijā izmantots alumīnijs, norāda uz šo tendenci.