Evoluția și viitorul oțelului auto: de la meșteșugul antic la ingineria modernă

Introducere: Importanța oțelului pentru industria auto

Utilizarea oțelului pentru fabricare mașini este un lucru firesc pentru oamenii moderni. Cu toate acestea, mulți consideră că oțelul pentru autovehicule se oprește totuși la oțelul slab aliat. Deși ambele sunt oțel, oțelul auto utilizat astăzi este mult mult mai bun decât cel de acum câteva decenii. În ultimii ani, cercetările privind oțelul pentru autovehicule au înregistrat progrese semnificative. Astăzi, foile de oțel pentru autovehicule sunt mai subțiri și mai subțiri , iar rezistența și rezistența la coroziune a oțelului au îmbunătățit crescut mult. Pentru contor a contracara impactul materialelor noi, multe companii producătoare de oțel colaborează activ cu vehicul companii pentru a dezvolta oțel ușor, dar cu înaltă rezistență - Ce? poate se concureze cu aliaje de aluminiu, plastic și materiale compozite armate cu fibră de carbon.

Uzina de topire a fontei și oțelului

1. Termenul nedefinit: "Oțel de înaltă rezistență"

Pe piața auto modernă, multe branduri susțin că utilizează "oțel de înaltă rezistență", însă acest termen nu are un standard industrial unitar. Pe măsură ce tehnologia oțelului avansează, tot așa se modifică și pragurile de rezistență asociate acestei etichete. Situația seamănă cu modelele de mașini promovate ca fiind versiuni "Noi", "Total Nou" sau "Generația Următoare". Departamentele de marketing clasifică adesea oțelul cu o rezistență peste 300 MPa drept "de înaltă rezistență", chiar dacă tipurile diferite de oțel aflate sub această umbrelă pot avea variații ale rezistenței de până la 100%.

Pentru a lămuri subiectul oțelului utilizat în industria auto, trebuie mai întâi să înțelegem evoluția sa istorică.

Dezvoltarea oțelului în China

Din bronz în fier: Inovația chineză

Oțelul are o lungă istorie, care se întoarce la perioada Primăverii și Toamnei și la perioada Statelor Rivală din China (aproximativ 770–210 î.Hr.). La acea vreme, bronzul era metalul dominant, dar era prea fragil pentru a fi folosit în scule sau arme durabile. Inginerii chinezi antici au început să utilizeze procesul de topire în cuptoare de afumătorie pentru a produce fier moale, în formă de blocuri. Deși sculele din fier aveau atunci avantaje limitate față de cele din bronz, acestea au pus bazele unor descoperiri ulterioare în metalurgie.

Progrese în Dinastia Han

În timpul Dinastiei Han (202 î.Hr.–220 d.Hr.), cuptoarele îmbunătățite cu fuelieri au crescut temperaturile de topire, iar tehnologia de cementare a fost dezvoltată pentru controlul durității. Procesul de turnare cu agitare a permis metalurșilor să amestece fonta topită în convertizoare și să adauge elemente de aliere. Împreună cu tehnici de pliere și forjare pentru eliminarea impurităților, aceste metode au creat un fier de calitate ridicată, utilizat în principal pentru arme. Muli incinti funerarii din perioada Han conțin astfel de arme, indicând un uz răspândit.

Maiestrie în Dinastia Tang

În timpul Dinastiei Tang (618–907 d.Hr.), fierarii puteau controla conținutul de carbon din produsele de fier, obținând oțeluri cu 0,5–0,6% carbon – definiția modernă a oțelului. Au fost dezvoltate tehnici precum sudarea lamelor pentru a optimiza atât duritatea, cât și tenacitatea.

fier cu mâner de jade

Armele de fier din imagine sunt săbii de fier cu mâner de jade din China antică. Acest lucru demonstrează că tehnologia de topire era avansată în acea perioadă. Armele de fier erau larg utilizate. Exista de asemenea diferite tipuri, cum ar fi cuțite de fier, ji, sulițe și săgeți. Fierul a înlocuit complet bronzul, iar omenirea a intrat în Epoca Fierului.

cuțite de oțel utilizate pentru Dinastia Tang y

În timpul Dinastiei Tang din China, tehnica de topire și forjare nu s-a modificat evident . Cu toate acestea, prin experiența acumulată, fierarii au reușit să controleze conținutul de carbon din produsele de fier. Conținutul de carbon al cuțitelor reprezentative din Dinastia Tang era aproximativ între 0,5% și 0,6%, ceea ce se încadrează în intervalul oțelului.

În metalurgia oțelului de astăzi, controlul conținutului de carbon rămâne esențial. Ajustarea acestuia în funcție de utilizarea intenționată poate modifica tenacitatea și duritatea oțelului. Pentru a crea lame cu ambele proprietăți, oamenii antici au inventat tehnici precum placarea și înglobarea oțelului. Acestea însă depășesc cadrul acestui articol.

(Prima revoluție industrială )

Prima revoluție industrială

Prima revoluție industrială punem trecerea producției de fontă la industrializare. Primul salt al cererii umane pentru oțel a avut loc în timpul Revoluției Industriale. Invenția motorului cu aburi a eliberat omenirea, pentru prima dată, de munca grea fizică și de producția bazată pe animale, iar mașinile cu combustibil au ridicat productivitatea umană la un nivel mult mai înalt.

Mizeriile britanice de textile depindeau de motoare cu aburi și de războaiele de țesut fabricate din oțel

(locomotivă cu aburi )

Locomotivele cu aburi erau și ele mari consumatoare de oțel, la fel ca și liniile ferate însoțitoare. În britanică mizerii textile, grupuri de femei care operau a fost, în schimb, de mașini de oțel zgomotoase. Pe întreg continentul european, au fost așezate șine de fier. Locomotivele cu aburi au început să înlocuiască the carurile trase de cai ca mijloc principal de transport unelte. De atunci, oamenii nu au mai putut trăi fără oțel, iar cererea a crescut zi de zi.

(Prima linie de asamblare a Ford Motor din timpul celei de-a doua revoluții industriale)

 A doua revoluție industrială a legat automobilele de oțel  material .

(Xiaomi 's SUV nou lansat: YU7)

Acum, unele mașini de înaltă performanță sunt încă fabricate de oțel. În timpul celei de-a doua revoluții industriale, când au apărut automobilele, industria oțelului a avansat la un nivel nou. De atunci, aceste două sectoare au fost strâns legate. Chiar dacă mașinile moderne nu mai seamănă cu "Mercedes-Benz nr. 1", oțelul este încă utilizat pe scară largă în producția lor, inclusiv în unele supercaruri.

Clase de rezistență ale oțelului auto  

Cum este folosit cu adevărat oțelul de înaltă rezistență în caroseriile moderne

În vehiculele moderne, caroseria este construită prin sudarea unor plăci de oțel cu rezistențe diferite . Inginerii aleg calitatea potrivită de oțel în funcție de nivelul de solicitare pe care fiecare parte a structurii urmează să-l suporte. În zonele cu solicitare ridicată – unde utilizarea unui oțel mai gros nu este fezabilă – se aplică oțel de înaltă rezistență . După cum spune și vorba populară, "Folosește cel mai bun oțel acolo unde este nevoie cel mai mult."

Graficele rezistenței oțelului caroseriei: ce este prezentat și ce nu este

Deși mulți producători de mașini susțin că utilizează oțel de înaltă rezistență oțel de înaltă rezistență diagrame ale structurii caroseriei , dar majoritatea acestor diagrame evidențiază doar zonele generale unde se aplică oțelul mai rezistent, fără a specifica valorile exacte ale rezistenței la tracțiune . Brandurile cunoscute, care au capacități solide de cercetare-dezvoltare, sunt adesea și mai reticente în a împărtăși astfel de date tehnice.

Înțelegerea Terminologiei

În Japonia și Coreea de Sud, oțelul de înaltă rezistență este frecvent denumit "oțel de înaltă tensiune" . Rezistența oțelului este măsurată, în mod obișnuit, în MPa (megapascali) . Pentru a avea o imagine asupra scării: 1 MPa este egal cu forța a 10 kilograme (aproximativ greutatea a două pepeni galbeni) aplicată pe o suprafață de doar 1 centimetru pătrat, fără a deforma materialul.

Aplicare strategică, nu acoperire completă

Analizând diagramele structurii caroseriei, este clar că oțel de înaltă rezistență (de exemplu, 1000 MPa sau mai mult) este utilizat doar în componentele specifice—cum ar fi barele anti-coliziune și zonele critice de consolidare . Mare parte a caroseriei este fabricată din oțel de rezistență medie sau scăzută , care este mai ușor de prelucrat și mai eficient din punct de vedere al costurilor. Această utilizare selectivă se bazează atât pe necesitățile funcționale, cât și pe constrângerile de producție .

Nu vă lăsați pâcăliți de sloganurile de marketing

Când încâlniți fraze precum "Caroseria autovehiculului nostru utilizează oțel de înaltă rezistență de clasa 1000 MPa," este important să le interpretăm corect. Acest lucru nu înseamnă că întregul caroserie este fabricată dintr-un astfel de material avansat. În majoritatea cazurilor, doar anumite părți localizate — cum ar fi grinzile de impact ale ușilor — pot atinge acest nivel de rezistență. Restul structurii caroseriei utilizează în mod obișnuit o combinație de materiale concepute pentru a asigura un echilibru între siguranță, costuri și posibilități de producție.

 3, materiale noi din oțel favorabile ambutisării

Ambutisarea este metoda principală de fabricare a caroseriei.
Părțile caroseriei care rămân încă pe matriță după formarea prin ambutisare

Creșterea rezistenței materialelor generează problema dificultății prelucrării. Majoritatea autoturismelor sunt fabricate prin ștanțare, adică utilizând matrițe pentru a extruda materialul în formă – asemănător cu modelarea din plastilină. Acum, datorită rezistenței mai mari a tablelor auto din oțel, cerințele privind procesele de ștanțare sunt mai riguroase. În plus, există multe componente adânc trase, ceea ce face ca materialul să fie predispus la crăpături și cute. De exemplu, colțurile sunt cele mai predispuse la apariția „unghiurilor moarte” în timpul ștanțării, locuri unde se produc în mod obișnuit ruperea și formarea de cute. Aceasta situație indică și faptul că, atunci când tablele din oțel sunt ștanțate, apar întotdeauna probleme precum întinderea materialului și frecarea cu matrița. Acestea vor cauza defecte ale pieselor ștanțate datorită tensiunilor interne sau deteriorării suprafeței.

(oțel structural pentru caroserii auto)

Distribuția subțierii tablalelor  

Pentru a evita situațiile de mai sus, producătorii trebuie să studieze deformarea foilor de oțel în timpul ambutisării pentru a preveni ruperea. Cu toate acestea, există întotdeauna o contradicție: cu cât este mai mare rezistența foilor de oțel .Panoul lateral este cea mai mare piesă ambutisată din întregul vehicul și, de asemenea, este cea mai dificil de format. Prin urmare, producătorii vor studia tensiunile interne ale foilor de oțel în timpul ambutisării pentru a elimina pe cât posibil tensiunile interne acumulate. În același timp, studierea grosimii pieselor mari ambutisate poate arăta care sunt părțile foii de oțel care sunt puternic întinse și ce adâncime de ambutisare poate asigura că foaia de oțel nu se rupe.

Oțelul de tip nou poate rezolva problema formării prin ambutisare și a prelucrării dificile cauzate de înalta rezistență a materialului. Pentru a rezolva fundamental problema ambutisării oțelului de înaltă rezistență, un oțel de tip nou este aplicat în producția caroseriilor auto. Matricea acestui oțel este din ferită, având o bună tenacitate și maleabilitate, în care este încorporată martensită cu o bună duritate. Este mai ușor de format în timpul ambutisării, iar materialul format are o rezistență considerabilă.

(Piese din tablă pentru montantul A al automobilului )

Unele componente structurale din oțel de înaltă rezistență tratate termic

Pentru poziții precum montantul B care necesită întărire specială, unii producători utilizează un proces de tratament termic. Montantul B realizat este încălzit și călit pentru a face structura cristalină internă a oțelului mai perfectă. Acest proces este similar cu modul de modelare a lutului și apoi de încălzire pentru întărire în fabricarea porțelanului. În general, aceste piese tratate termic apar adesea de culoare neagră.

3.Rezistența la Coroziune a Oțelurilor Auto

(Bobine de oțel pentru producția auto )

Autovehiculele sunt fabricate utilizând oțeluri cu conținut scăzut de aliaje.

În prezent, oțelul pentru industria auto face parte din categoria oțelurilor cu conținut scăzut de aliaje, care este o ramură a oțelului. Majoritatea acestui oțel este compusă din elemente de fier, cu doar o cantitate mică de elemente de aliere, cum ar fi carbonul, siliciul, fosforul, cuprul, manganul, cromul, nichelul etc. Conținutul acestor elemente de aliere nu depășește 2,5%.

Oțelurile slab aliate prezintă o prelucrare excelentă și rezistență ridicată, având în același timp o bună rezistență la coroziune. Oțelul obișnuit de tip carbon formează în medii naturale un strat oxidic roșu-castaniu, foarte afânat, cunoscut sub denumirea de rugină. În contrast, oțelurile slab aliate generează un strat oxidic brun, dens, care aderă strâns la suprafața oțelului, acționând ca o barieră împotriva erodării ulterioare a oțelului interior de către mediul extern. Acest mecanism anticoroziv este destul de similar cu cel al aliajelor de aluminiu și aliajelor de zinc, cu excepția faptului că oțelurilor slab aliate le ia câțiva ani pentru a dezvolta un strat protector stabil de rugină, culoarea acestuia trecând de la galben-deschis la maroniu, pe când aliajele de aluminiu formează aproape instantaneu un strat protector de oxid.

Oțelul rezistent la intemperii este adesea utilizat expus pe fațadele clădirilor

Oțelul rezistent la intemperii dezvoltă un efect artistic special după formarea unui strat de rugină, devenind astfel un material de construcție foarte apreciat de către designerii moderni.

Datorită acestei caracteristici, oțelul slab aliat este cunoscut și sub denumirea de oțel rezistent la intemperii (oțel cu rezistență la coroziunea atmosferică). Oțelul rezistent la intemperii este utilizat în mod obișnuit pentru fabricarea de vehicule, nave, poduri, containere etc., suprafețele acestora fiind de regulă vopsite. Totuși, în decorarea arhitecturală, există o preferință pentru utilizarea oțelului rezistent la intemperii expus, deoarece nu suferă de probleme legate de ruginire profundă atunci când este lăsat neacoperit. În plus, stratul de rugină maroniu pe care îl formează creează un efect artistic unic, făcând plăcile din oțel rezistent la intemperii sudate o alegere frecventă pentru fațadele clădirilor speciale.

Datorită îmbunătățirii proprietăților oțelului, producătorii de automobile devin din ce în ce mai superficiali în tratamentele anti-rugină.

În ceea ce privește automobilele, mulți producători folosesc acum o cantitate mai mică de acoperiș de cauciuc pentru șasiu, cunoscut în mod obișnuit drept "armură de șasiu" în limbaj popular. Șasiul multor mașini noi expune direct tablele din oțel, care au doar grundul original de fabrică și vopseaua la culoare potrivită cu exteriorul. Acest lucru indică faptul că aceste vehicule trec doar prin procesele de grunduire electroforetică și vopsire colorată în timpul producției. Doar zona spate a roților față are un strat subțire de acoperiș de cauciuc moale, care previne ca pietrele aruncate de roți să lovească tabla șasiului. Aceste modificări par să reflecte încrederea producătorilor în rezistența la coroziune a produselor lor.

(Armură de șasiu )

Placă de protecție pentru șasiul Xiaomi SU7

Întreprinderile sofisticate instalează plăci de protecție plastice pentru șasiu.

Sub plăcile de protecție se găsesc încă foi de oțel care au suferit doar un tratament simplu. Unii producători riguroși instalează plăci de protecție din plastic pe șasiu. Aceste plăci nu numai că izolează oțelul șasiului de impactul pietrelor, dar și organizează fluxul de aer sub șasiu. Sub aceste plăci de protecție din plastic, oțelul șasiului are doar un strat de grund.

Oțelul auto nu este utilizat la întâmplare. Deciziile managerilor de a reduce costurile ajung adesea să sacrifice beneficii majore pentru economii minore, iar tehnicienii nu pot ignora deciziile șefilor.

Oricărei reguli există excepții, iar excepțiile apar frecvent în China. Acum câțiva ani, o marcă nou-înființată în țară a folosit oțel cu conținut scăzut de carbon pentru fabricarea autovehiculelor, ceea ce a dus la ruginirea completă a șasiului în doi ani — iar astfel de cazuri au reapărut recent. Uneori, deciziile luate impulsiv de lideri sunt cu adevărat îngrijorătoare. Atunci când oamenii de afaceri intervin în discuțiile tehnice, rezultatele sunt întotdeauna imprevizibile.

Viitorul oțelurilor auto

În prezent, grosimea foilor de oțel utilizate în industria auto a fost redusă la 0,6 mm, ceea ce, după părerea mea, a atins limita minimă a grosimii oțelului. Dacă foaia de oțel este mai subțire, chiar și cu rezistență mare, își va pierde stabilitatea structurală specifică materialului. Foaiele de oțel auto se confruntă acum cu provocări din ce în ce mai mari din partea noilor materiale. Masa atomică a fierului determină faptul că densitatea acestuia nu poate fi modificată, iar calea reducerii greutății prin subțiere pare să fi atins un punct mort. Aliajele de aluminiu sunt deja utilizate pe scară largă în vehiculele premium. SUV-urile complet din aluminiu, precum și modelele Seria 5 și A6 care folosesc aluminiu pentru structura din față, indică toate această tendință.