Ewolucja i przyszłość stali motoryzacyjnej: od starożytnej rzemiosła po nowoczesną inżynierię

Wprowadzenie: Znaczenie stali motoryzacyjnej

Wykorzystanie stali do produkcji samochody to podstawowy zdrowy rozsądek dla współczesnych ludzi. Jednakże wiele osób nie rozumie, co to jest stal samochodowa. nadal zatrzymuje się w stali niskoemisyjnej. Chociaż obie są ze stali, dzisiejsza stal motoryzacyjna jest o wiele bardzo lepsze niż to z dziesięcioleci temu. W ostatnich latach badania nad stalowością samochodową dokonały znacznych postępów. Teraz, stalowe blachy samochodowe są cieńsze i cieńsze , a wytrzymałość i odporność na korozję stali mają poprawione dużo. Do licznik wpływ nowych materiałów, wiele firm stalowych aktywnie współpracuje z pojazd firma w celu opracowania lekkiej stali o wysokiej wytrzymałości że może konkurowała z stopów aluminium, tworzyw sztucznych i kompozytów wzmacnianych włóknem węglowym.

Huta żelaza i stali

1. Niezdefiniowany termin: „Stal o wysokiej wytrzymałości”

Na współczesnym rynku motoryzacyjnym wiele marek twierdzi, że używa się „stali o wysokiej wytrzymałości”, jednak ten termin nie ma jednolitego standardu branżowego. Wraz z postępem technologii stali, rosną również progi wytrzymałości związane z tym oznaczeniem. Sytuacja jest podobna do modeli samochodów oferowanych jako „Nowe”, „Całkowicie nowe” lub „Następnej generacji”. Działy marketingowe często zaliczają stale o wytrzymałości powyżej 300 MPa do „stali o wysokiej wytrzymałości”, mimo że stale objęte tym terminem mogą różnić się wytrzymałością nawet o 100%.

Aby wyjaśnić temat stali stosowanej w przemyśle motoryzacyjnym, należy najpierw zrozumieć jej rozwój historyczny.

Rozwój stali w Chinach

Od brązu do żelaza: chińska innowacja

Stal ma długą historię sięgającą epoki Wiosny i Jesieni oraz okresu Wojennych Państw w Chinach (około 770–210 p.n.e.). W tamtych czasach dominującym metalem był brąz, jednak był zbyt kruchy, by tworzyć trwałe narzędzia czy broń. Starożytni chińscy inżynierzy zaczęli używać procesu pieczenia bezpośredniego do wytwarzania miękkiego, bryłowego żelaza. Choć narzędzia żelazne miały wtedy ograniczone zalety w porównaniu z brązem, to położyły one podstawy późniejszych przełomów metalurgicznych.

Postępy w Dynastii Han

W czasie dynastii Han (202 p.n.e.–220 n.e.) piece wyposażone w miechy pozwoliły na podniesienie temperatury topnienia, a także rozwinęła się technologia cementacji pozwalająca kontrolować twardość materiału. „Proces mieszania” umożliwiał metalurgom mieszanie płynnego żelaza w konwertorach i dodawanie pierwiastków stopowych. Wraz z technikami składania i kucia usuwającymi zanieczyszczenia, metody te pozwalały uzyskiwać wysokiej jakości żelazo, którego głównym zastosowaniem była produkcja broni. W wykopaliskach grobowców z dynastii Han często znajdują się takie właśnie przedmioty, co wskazuje na szerokie zastosowanie.

Biegłość w Dynastii Tang

W czasach dynastii Tang (618–907 n.e.) kowale potrafili kontrolować zawartość węgla w wyrobach z żelaza, wytwarzając stali o zawartości 0,5–0,6% węgla – co odpowiada współczesnej definicji stali. Opracowano techniki takie jak warstwowe hartowanie ostrzy, aby zoptymalizować zarówno twardość, jak i odporność na pękanie.

żelazo z rękojeściami ze jadeitu

Bronie żelazne na obrazku to miecze z żelaza z rękojeściami ze jadeitu z dawnej Chin. To dowodzi, że technologia topienia była zaawansowana już w tamtych czasach. Bronie żelazne były szeroko używane. Istniały również różne typy, takie jak noże żelazne, ji, włócznie i strzały. Żelazo całkowicie zastąpiło brąz, a ludzkość wszedłszy w epokę żelaza.

noże stalowe używane w dynastii Tang y

W czasach chińskiej dynastii Tang techniki topienia i kucia się nie zmieniły oczywiste . Jednak dzięki gromadzonemu doświadczeniu kowale byli w stanie kontrolować zawartość węgla w wyrobach z żelaza. Zawartość węgla w reprezentatywnych nożach z okresu Tang wynosiła około 0,5–0,6%, co mieści się w zakresie stali.

W dzisiejszej metalurgii stalowej kontrolowanie zawartości węgla pozostaje nadal podstawową czynnością. Dostosowanie jej poziomu w zależności od planowanego zastosowania pozwala na dopasowanie ciągliwości i twardości stali. Aby tworzyć ostrza o obu tych właściwościach, starożytni rzemieślnicy wynaleźli techniki takie jak hart powłokowy czy technika warstwowa. Jednakże wykraczają one poza zakres tego artykułu.

(Pierwsza Rewolucja Przemysłowa )

Pierwsza Rewolucja Przemysłowa

Pierwsza Rewolucja Przemysłowa umieścić przejście produkcji żelaza na industrializację. Pierwszy skok w ludzkim popycie na stal nastąpił w czasie Rewolucji Przemysłowej. Wynalezienie maszyny parowej po raz pierwszy wyzwoliło ludzkość z ciężkiej pracy ręcznej i produkcji opartej na sile zwierząt, a maszyny napędzane paliwem podniosły produktywność ludzką do znacznie wyższego poziomu.

Brytyjskie manufaktury tekstylne polegały na silnikach parowych i tkackich krosnach wykonanych ze stali

(lokomotywa parowa )

Lokomotywy parowe były również dużymi konsumentami stali, podobnie jak towarzyszące im torowiska kolejowe. W brytyjskich manufakturach tekstylnych grupy kobiet obsługujących była to raczej siła hałaśliwe stalowe maszyny. Po całej Europie zaczęto układać żelazne szyny. Parowozy zaczęły zastępować the powozy konne jako główny środek transportu narzędzia. Od tego czasu ludzie nie potrafią już żyć bez stali, a jej zapotrzebowanie rośnie z dnia na dzień.

(Pierwsza linia montażowa firmy Ford Motor w czasie II Rewolucji Przemysłowej)

 II Rewolucja Przemysłowa powiązała samochody ze stalą  materiał .

(Xiaomi 's Nowa SUV: YU7)

Obecnie niektóre samochody wysokiej klasy są nadal produkowane przez ze stali. W czasie II Rewolucji Przemysłowej, gdy pojawili się samochody, przemysł stalowy osiągnął nowy poziom. Od tego czasu oba sektory są ściśle powiązane. Mimo że współczesne samochody już nie przypominają "Mercedes-Benz nr 1", stal jest nadal powszechnie stosowana przy ich produkcji, również w przypadku niektórych super samochodów.

Gatunki wytrzymałościowe stali samochodowej  

W jaki sposób naprawdę wykorzystuje się stal o dużej wytrzymałości w współczesnych nadwoziach samochodów

W nowoczesnych pojazdach nadwozie jest konstruowane poprzez spawanie blach stalowych o różnych wytrzymałościach . Inżynierowie dobierają odpowiednią gatunek stali w zależności od poziomu naprężeń, jakie każdy element konstrukcji ma wytrzymać. W miejscach o wysokim obciążeniu – gdzie zastosowanie grubszej stali nie jest możliwe – stosowana jest stal o ultra wysokiej wytrzymałości . Jak to mówi powiedzenie, "Najlepszą stal stosuj tam, gdzie jest najbardziej potrzebna."

Wykresy wytrzymałości stali w nadwoziu: Co pokazują i czego nie

Podczas gdy wielu producentów samochodów twierdzi, że stosuje stal o wysokiej wytrzymałości , tylko nieliczni są przejrzysti co do dokładnie użytych materiałów. Niektóre marki publikują diagramy konstrukcji nadwozia pojazdu , ale większość z tych wykresów podkreśla jedynie ogólne obszary, gdzie stosuje się stal o większej wytrzymałości, bez podawania dokładnych wartości wytrzymałości na rozciąganie . Często jeszcze bardziej wstrzemięźliwie potraktują takie dane techniczne znane marki posiadające silne zespoły badawczo-rozwojowe.

Zrozumienie terminologii

W Japonii i Korei Południowej stal o wysokiej wytrzymałości jest powszechnie nazywana "stalą wysokiego napięcia (high-tension steel). " Wytrzymałość stali mierzy się zazwyczaj w jednostkach MPa (megapaskale) . Dla uświadomienia skali: 1 MPa odpowiada sile 10 kilogramów (mniej więcej wadze dwóch arbuzyków) działającej na powierzchnię o polu 1 centymetra kwadratowego, bez powodowania odkształcenia materiału.

Zastosowanie strategiczne, a nie pełne pokrycie

Analizując diagramy struktury nadwozia, widać wyraźnie, że stosowana jest stal o ultra wysokiej wytrzymałości (np. 1000 MPa lub więcej) jest stosowana wyłącznie w określonych elementach — takich jak belki przeciwzderzeniowe i kluczowe strefy wzmocnienia . Większość nadwozia wciąż wykonana jest z stali o niskiej lub średniej wytrzymałości , która jest łatwiejsza do kształtowania i bardziej opłacalna. Taki selektywny dobór wynika zarówno z potrzeb funkcjonalnych, jak i ograniczeń produkcyjnych .

Nie daj się zwieść marketingowym hasłom

Gdy napotkasz sformułowania takie jak "Nasze nadwozie pojazdu wykonane jest ze stali wysokiej wytrzymałości klasy 1000 MPa." ważne jest, aby poprawnie je interpretować. Nie oznacza to, że cała karoseria wykonana jest z tak zaawansowanych materiałów. W większości przypadków tylko określone części – takie jak belki wytrzymałe na uderzenie drzwi – mogą osiągać taki poziom wytrzymałości. Pozostała część konstrukcji karoserii zazwyczaj składa się z mieszaniny materiałów dobranych pod kątem równowagi pomiędzy bezpieczeństwem, kosztem i możliwościami produkcji.

 3, nowe gatunki stali sprzyjające tłoczeniu

Tłoczenie jest główną metodą wytwarzania karoserii.
Części karoserii pozostające nadal na formie po procesie tłoczenia

Zwiększenie wytrzymałości materiału powoduje problem trudności w jego przetwarzaniu. Większość samochodów osobowych produkuje się metodą tłoczenia, czyli formowania materiału za pomocą matryc – podobnie jak formowanie plasteliny. Obecnie, z powodu większej wytrzymałości stalowych blach samochodowych, wymagania dotyczące procesu tłoczenia są bardziej rygorystyczne. Dodatkowo występuje wiele elementów o głębokim wyciągu, co czyni materiał bardziej narażonym na pęknięcia i zmiany. Na przykład, narożniki są najbardziej narażone na powstawanie tzw. "martwych kątów" podczas tłoczenia, gdzie najczęściej występują rozerwania i fałdy. To również oznacza, że podczas tłoczenia blach stalowych zawsze pojawiają się problemy związane z rozciąganiem i tarcie o matrycę. Mogą one prowadzić do wad części tłoczonych spowodowanych naprężeniami wewnętrznymi lub uszkodzeniem powierzchni.

(konstrukcyjna stal karoseryjna)

Rozkład cienienia blach  

Aby uniknąć powyższych sytuacji, producenci muszą badać odkształcenie blach stalowych podczas tłoczenia, aby zapobiec ich rozerwaniu. Jednak zawsze istnieje sprzeczność: im wyższa wytrzymałość blachy stalowej .Boczna pokrywa jest największą częścią tłoczoną całego pojazdu i także jest najtrudniejszym elementem do sformowania. Dlatego producenci badają naprężenia wewnętrzne blachy stalowej podczas tłoczenia, aby możliwie jak najbardziej zlikwidować skumulowane naprężenia wewnętrzne. Tymczasem badanie grubości dużych części tłoczonych może ujawnić, które części blachy są mocno rozciągane oraz jaka głębokość tłoczenia zapewni, że blacha się nie zerwie.

Nowoczesny typ stali może rozwiązać problem formowania tłocznego i trudności w przetwarzaniu spowodowanych wysoką wytrzymałością materiału. Aby zasadniczo rozwiązać problem tłoczenia stali wysokiej wytrzymałości, nowy typ stali jest stosowany w produkcji nadwozi samochodów. Macierz tej stali to ferryt o dobrych właściwościach plastycznych i odporności na pękanie, w którym osadzony jest martenzyt o dobrej twardości. Łatwiej ją formować podczas tłoczenia, a uzyskany materiał ma znaczącą wytrzymałość.

(Blachy karoserii samochodu – część A-słupa )

Niektóre konstrukcyjne elementy ze stali wysokiej wytrzymałości po obróbce cieplnej

W przypadku miejsc takich jak B-słup, które wymagają szczególnie wzmocnienia, niektórzy producenci stosują proces obróbki cieplnej. Uformowany B-słup zostaje poddany ogrzewaniu i hartowaniu, co sprawia, że struktura krystaliczna stali będzie bardziej doskonała. Przypomina to proces formowania gliny i następnie ogrzewania jej w celu utwardzenia, stosowany przy produkcji porcelany. Ogólnie rzecz biorąc, części poddane takiej obróbce często mają czarną barwę.

3.Odporność na korozję stali samochodowych

(Zwoje stalowe do produkcji samochodów )

Samochody są produkowane z użyciem stali niskostopowych.

Obecnie stal samochodowa należy do kategorii stali niskostopowych, które są odmianą stali. Większość tej stali składa się z żelaza, z niewielką ilością pierwiastków stopowych, takich jak węgiel, krzem, fosfor, miedź, mangan, chrom, nikiel itp. Zawartość tych pierwiastków stopowych nie przekracza 2,5%.

Stale niskostopowe wykazują doskonałe właściwości przerobowe i wytrzymałość, a także dobrą odporność na korozję. Zwykła stal niskowęglowa tworzy w naturalnych warunkowaniach luźną, czerwonawobrązową warstwę tlenkową, powszechnie znaną jako rdza. Natomiast stale niskostopowe wytwarzają brązową, gęstą warstwę tlenkową, która mocno przylega do powierzchni stali, stanowiąc barierę ochronną, zapobiegającą dalszemu niszczeniu wnętrza stali przez środowisko zewnętrzne. Mechanizm zapobiegania korozji jest w pewnym sensie podobny do mechanizmu występującego w stopach aluminium czy cynku, z tą różnicą, że stalom niskostopowym potrzeba kilku lat, aby wytworzyć stabilną ochronną warstwę rdzy, której kolor zmienia się od jasnożółtego do brązowego, podczas gdy w przypadku stopów aluminium warstwa ta tworzy się niemal natychmiast.

Stal nasłoneczniona bywa często stosowana na elewacjach budynków

Stal odporna na warunki atmosferyczne tworzy specjalny artystyczny efekt po utworzeniu warstwy rdzy, stając się materiałem budowlanym wysoko cenionym przez nowatorskich projektantów.

Dzięki tej właściwości, stal niskostopowa jest również znana jako stal odporna na warunki atmosferyczne (stal odporna na korozję atmosferyczną). Stal tego typu jest zazwyczaj stosowana do produkcji pojazdów, statków, mostów, kontenerów itp., a jej powierzchnie są malowane. Jednak w dekoracji architektonicznej preferuje się używanie stali odpornej na warunki atmosferyczne w sposób odsłonięty, ponieważ nie występuje problem przejścia rdzy przy pozostawieniu jej bez osłony. Co więcej, brązowa warstwa rdzy tworzy unikalny efekt artystyczny, co sprawia, że spawane płyty ze stali odpornej na warunki atmosferyczne są często wybierane do elewacji nietypowych budynków.

Dzięki poprawie właściwości stali, producenci samochodów stają się coraz bardziej pobieżni w stosowaniu zabezpieczeń przeciwrdzotwornych.

W przypadku samochodów wiele producentów stosuje obecnie mniej pokryć gumowych na ramie, potocznie nazywanych „pancerzem podwozia”. Podwozia wielu nowych samochodów bezpośrednio ujawniają blachy stalowe, które mają jedynie oryginalny lakier bazowy i kolorystykę zgodną z nadwoziem. Oznacza to, że pojazdy te przechodzą w trakcie produkcji jedynie proces malowania elektroforetycznego i kolorowego. Tylko obszar za przednimi kołami posiada cienką warstwę miękkiej gumowej powłoki, która zapobiega uszkodzeniom stalowego podwozia przez żwir podbity przez koła. Wydaje się, że te zmiany odzwierciedlają pewność siebie producentów w zakresie odporności swoich produktów na korozję.

(Pancerz podwozia )

Płyta ochronna podwozia Xiaomi SU7

Sofistyczni producenci instalują plastikowe płyty ochronne podwozia.

Pod płytkami ochronnymi nadal znajdują się blachy stalowe, które zostały jedynie poddane prostemu zabiegowi. Niektórzy wybredni producenci instalują plastikowe płyty ochronne na ramie. Płyty te nie tylko izolują stal ramy od uderzeń żwiru, ale także organizują przepływ powietrza pod ramą. Pod tymi plastikowymi płytami ochronnymi stal ramy posiada jedynie warstwę gruntu.

Stal samochodowa nie jest stosowana bez namysłu. Decyzje biznesmenów dotyczące cięcia kosztów często kończą się poświęceniem dużych korzyści dla drobnych oszczędności, a technicy nie mogą ignorować decyzji szefów.

Dla wszystkiego istnieje wyjątek, a wyjątki często pojawiają się w Chinach. Kilka lat temu nowa krajowa marka zastosowała niskowęglową stal w produkcji pojazdów, co doprowadziło do całkowitego zardzewienia podwozia w ciągu dwóch lat – a takie przypadki pojawiają się ponownie w ostatnich czasach. Czasem decyzje podjęte impulsywnie przez przywódców są naprawdę niepokojące. Gdy biznesmeni ingerują w dyskusje techniczne, wyniki są zawsze nieprzewidywalne.

Przyszłość stali motoryzacyjnych

Obecnie grubość blach stalowych w motoryzacji została zredukowana do 0,6 mm, co moim zdaniem oznacza osiągnięcie granicy możliwej do uzyskania przy stosowaniu stali. Gdyby blacha była cieńsza, nawet przy dużej wytrzymałości, straciłaby swoją materiałowo określoną stabilność konstrukcyjną. Blachy stalowe napotykają obecnie rosnące wyzwania ze strony nowych materiałów. Masa atomowa żelaza decyduje o tym, że jego gęstość nie może zostać zmieniona, a ścieżka redukcji masy poprzez cienkowanie wydaje się doprowadzić do punktu końcowego. Stopy aluminium znajdują obecnie stopniowo coraz szersze zastosowanie w pojazdach premium. Pełne aluminiowe SUV-y oraz modele serii 5 czy A6 z zastosowaniem aluminium w konstrukcjach przednich potwierdzają ten trend.