Эволюция и будущее автомобильной стали: от древних технологий до современной инженерии

Введение: Важность автомобильной стали

Использование стали для изготовления автомобили это основной принцип здравого смысла для современных людей. Однако многие понимают, что автомобильная сталь все еще останавливается в низкоуглеродной стали. Хотя оба из стали, сегодняшняя автомобильная сталь - это далеко очень лучше, чем десятилетия назад. За последние годы исследования автомобильной стали достигли больших успехов. Теперь стальные листы для автомобилей стали тоньше. и тоньше , а прочность и коррозионная стойкость стали улучшенная - Очень много. - Вперед! счетчик в результате, многие сталелитейные компании активно работают с транспортное средство компании по разработке легких, высокопрочных сталей что cAN конкурировать с алюминиевые сплавы, пластик и композитные материалы с углеродным волокном.

Черная металлургия и заводы по производству стали

1. Нестандартизированный термин: "Высокопрочная сталь"

На современном автомобильном рынке многие бренды утверждают, что используют "высокопрочную сталь", но этот термин не имеет единого промышленного стандарта. По мере развития технологий производства стали увеличиваются и пороговые значения прочности, связанные с этим обозначением. Ситуация аналогична той, когда автомобильные модели позиционируются как "Новые", "Все новые" или "Следующее поколение". Отделы маркетинга часто относят сталь с прочностью выше 300 МПа к "высокопрочной", хотя различные виды стали под этой общепринятой классификацией могут различаться по прочности до 100%.

Для ясности темы автомобильной стали мы должны сначала понять ее историческое развитие.

Развитие сталелитейного производства в Китае

От бронзы к железу: Китайская инновация

Сталь имеет долгую историю, уходящую корнями в эпохи Весны и Осени и Период Сражающихся царств в Китае (примерно 770–210 гг. до н.э.). В то время бронза была основным металлом, но она была слишком хрупкой для изготовления прочных инструментов или оружия. Древние китайские инженеры начали использовать сыродутный процесс для производства мягкого железа блочного типа. Несмотря на то, что железные инструменты того времени обладали ограниченными преимуществами по сравнению с бронзовыми, они заложили основу для последующих металлургических прорывов.

Технические достижения династии Хань

Во времена династии Хань (202 г. до н.э.–220 г. н.э.) печи, оснащённые мехами, позволили повысить температуру плавки, а также была разработана технология цементации для контроля твёрдости. «Процесс перемешивания» позволял металлургам перемешивать расплавленное железо в конвертерах и добавлять легирующие элементы. Вместе с техниками складывания и ковки, которые использовались для удаления примесей, эти методы обеспечивали производство высококачественного железа, которое в основном применялось при изготовлении оружия. В раскопанных могилах эпохи Хань часто находят подобное оружие, что свидетельствует о его широком применении.

Совершенство в период династии Тан

К периоду династии Тан (618–907 гг. н. э.) кузнецы могли контролировать содержание углерода в железных изделиях, производя сталь с содержанием углерода 0,5–0,6% — современное определение стали. Были разработаны технологии, такие как сварка слоёв для изготовления лезвий, чтобы оптимизировать твёрдость и прочность.

железный меч с нефритовой рукояткой

Железное оружие на картинке — это железные мечи с нефритовыми рукоятками из древнего Китая. Это свидетельствует о высоком уровне металлургических технологий того времени. Железное оружие широко использовалось. Существовало множество видов: железные ножи, цзи, копья и стрелы. Железо полностью заменило бронзу, и человечество вошло в Железный век.

стальные ножи, использовавшиеся в династии Тан y

Во времена династии Тан в Китае технологии плавки и ковки не претерпели изменений очевидно однако благодаря накопленному опыту кузнецы могли контролировать содержание углерода в железных изделиях. Содержание углерода в характерных ножах династии Тан составляло приблизительно от 0,5% до 0,6%, что попадает в диапазон содержания углерода в стали.

В современном производстве стали контроль содержания углерода остается основополагающим. Регулирование его содержания в зависимости от предполагаемого использования позволяет изменять прочность и твердость стали. Чтобы создать лезвия, обладающие обоими этими свойствами, древние мастера изобрели техники, такие как биметаллическая сварка и многослойная структура стали. Однако эти методы выходят за рамки данной статьи.

(Первая промышленная революция )

Первая промышленная революция

Первая промышленная революция положить переход производства железа к индустриализации. Первый скачок в спросе на сталь произошел во время промышленной революции. Изобретение парового двигателя впервые освободило человечество от тяжелого физического труда и производства, основанного на использовании животных, а машины, работающие на топливе, подняли производительность труда людей на гораздо более высокий уровень.

Британские текстильные мануфактуры зависели от паровых двигателей и станков, изготовленных из стали

(паровой локомотив )

Паровые локомотивы также были крупными потребителями стали, равно как и сопутствующие железнодорожные пути. В британский текстильных мануфактурах группы женщин, управляющих осуществлялось с помощью шумные стальные машины. По всей Европе были проложены железные дороги. Паровозы начали заменять система лошадиные экипажи как основное средство транспорта инструменты. С тех пор люди не могли обойтись без стали, и спрос постоянно рос.

(Первая сборочная линия Ford Motor во время Второй промышленной революции)

 Вторая промышленная революция связала автомобили со сталью  материал .

(Xiaomi 'новинка внедорожника: YU7)

Теперь некоторые высокопроизводительные автомобили по-прежнему производятся от сталь. Во время второй промышленной революции, когда появились автомобили, сталелитейная промышленность вышла на новый уровень. С тех пор эти два сектора тесно связаны между собой. Даже если современные автомобили больше не похожи на "Mercedes-Benz No. 1", сталь по-прежнему широко используется в их производстве, включая некоторые суперкары.

Классы прочности автомобильной стали  

Как на самом деле используется высокопрочная сталь в современных кузовах автомобилей

В современных автомобилях кузов собирается путем сварки стальных листов различной прочности . Инженеры выбирают соответствующий сорт стали в зависимости от уровня нагрузки, который каждый элемент конструкции должен выдерживать. В зонах высокой нагрузки — где использование более толстой стали невозможно — используется сверхвысокопрочная сталь . Как говорится, "Лучшую сталь следует использовать там, где она нужна больше всего."

Диаграммы прочности кузовной стали: что показано, а что нет

Многие автопроизводители утверждают, что используют высокопрочная сталь , но лишь некоторые предоставляют информацию о конкретных материалах. Некоторые бренды публикуют диаграммы конструкции кузова автомобиля , но большинство этих диаграмм выделяют лишь общие зоны применения более прочной стали, не указывая конкретные значения предела прочности . Известные бренды с сильными исследовательскими и разработчиками часто еще более сдержанны в раскрытии такой технической информации.

Понимание терминологии

В Японии и Южной Корее высокопрочная сталь обычно называется «сталью повышенной прочности» Прочность стали обычно измеряется в МПа (мегапаскалях) . Для понимания масштаба: 1 МПа равен силе 10 килограммов (примерно весу двух арбузов), приложенной к поверхности площадью всего один квадратный сантиметр, без деформации материала.

Стратегическое применение, а не полное покрытие

При анализе схем конструкции кузова очевидно, что используется сверхвысокопрочная сталь (например, 1000 МПа или более) используется только в определенных компонентах — таких как антиударные балки и зоны критического укрепления . Основная часть кузова по-прежнему изготовлена из стали пониженной или средней прочности , которая легче поддается формовке и является более экономичной. Такой выбор обусловлен как функциональными требованиями, так и ограничениями производства .

Не дайте себя ввести рекламным слоганам

Когда вы сталкиваетесь с фразами типа "Для конструкции кузова нашей машины применяется высокопрочная сталь класса 1000 МПа" важно правильно их интерпретировать. Это не означает, что весь кузов изготовлен из таких передовых материалов. В большинстве случаев только отдельные части — например, балки дверей — могут достигать такого уровня прочности. Остальная конструкция кузова обычно изготавливается из комбинации материалов, подобранных с учетом баланса между безопасностью, стоимостью и технологичностью.

 3, новые виды стали, подходящие для штамповки

Штамповка является основным методом изготовления кузовных деталей.
Кузовные детали, остающиеся в пресс-форме после завершения штамповки

Увеличение прочности материала создает проблему сложной обработки. Большинство легковых автомобилей изготавливаются путем штамповки, то есть с использованием штампов для экструдирования материалов в форме, подобной формованию Play-Doh. Теперь, с повышенной прочностью автомобильных стальных плит, требования к штампованию становятся более требовательными. Кроме того, материалы сделаны из многочисленных глубоко уложенных элементов, из-за чего материалы легко трескаются и морщинутся. Например, угловые положения наиболее склонны к "мертвым уголкам" во время штамповки, где обычно возникают рванов и морщин. Это также указывает на то, что при штамповке стальных плит всегда возникают такие проблемы, как растяжение и трение с штампом. Они могут вызвать дефекты в штампованных деталях из-за внутреннего напряжения или повреждения поверхности.

(сталь для конструкций автомобильных кузов)

Распределение листов  

Чтобы избежать вышеуказанных ситуаций, производителям необходимо изучать деформацию стальных листов во время штамповки, чтобы предотвратить разрывы. Однако всегда существует противоречие: чем выше прочность стального листа .Боковая панель является самой большой штампованной деталью всего автомобиля и также iS самой сложной деталью в плане формования. Поэтому производители изучают внутренние напряжения стального листа во время штамповки, чтобы максимально устранить накопленные внутренние напряжения. В то же время изучение толщины крупногабаритных штампованных деталей позволяет выявить, какие части стального листа сильно растянуты, а также какая глубина штамповки может обеспечить отсутствие разрывов стального листа.

Новый тип стали может решить проблему штамповки и сложной обработки, вызванных высокой прочностью материала. Чтобы коренным образом решить проблему штамповки высокопрочной стали, новый тип стали применяется при производстве автомобильных кузовов. Основа этой стали — феррит, обладающий хорошей мягкостью и вязкостью, в котором встроена мартенситная структура с высокой твердостью. При штамповке её легче формировать, а готовый материал обладает значительной прочностью.

(Листовые детали стойки A автомобиля )

Некоторые закаленные конструкционные компоненты высокой прочности

Для позиций, которым требуется усиление, таких как стойка B, некоторые производители используют процесс термообработки. Сформированная стойка B подвергается нагреву и закалке, чтобы внутренняя кристаллическая структура стали стала более совершенной. Это похоже на процесс придания формы из глины, а затем нагрева для закрепления формы при изготовлении фарфора. Как правило, такие детали после термообработки часто имеют черный цвет.

3.Коррозионная стойкость автомобильных сталей

(Стальные рулоны для автомобилестроения )

Автомобили изготавливаются из низколегированных сталей

На данный момент автомобильная сталь относится к категории низколегированных сталей, которая является разновидностью стали. Основу этой стали составляют железные элементы, с небольшим количеством легирующих элементов, таких как углерод, кремний, фосфор, медь, марганец, хром, никель и т.д. Содержание этих легирующих элементов не превышает 2,5%

Низколегированные стали обладают отличными технологическими характеристиками и прочностью, а также хорошей коррозионной стойкостью. Обычная низкоуглеродистая сталь образует красновато-коричневый оксидный слой в естественных условиях, который очень рыхлый и обычно называется ржавчиной. Напротив, низколегированные стали формируют коричневой цвета плотный оксидный слой, который прочно сцепляется с поверхностью стали и действует как барьер, предотвращающий дальнейшее разрушение внутренней структуры стали внешней средой. Механизм защиты от ржавчины во многом похож на таковой у алюминиевых и цинковых сплавов, за исключением того, что для низколегированных сталей требуется несколько лет для формирования стабильного защитного слоя ржавчины, причем цвет этого слоя изменяется от светло-желтого до коричневого, тогда как алюминиевые сплавы образуют защитный слой практически мгновенно.

Сталь с повышенной атмосферной стойкостью часто используется открытой на фасадах зданий

Сталь улучшенной коррозионной стойкости приобретает особый художественный эффект после образования слоя ржавчины, становясь строительным материалом, пользующимся большой популярностью среди современных дизайнеров.

Благодаря этому свойству низколегированная сталь также известна как сталь улучшенной коррозионной стойкости (сталь с высокой устойчивостью к атмосферной коррозии). Сталь улучшенной коррозионной стойкости обычно применяется для изготовления транспортных средств, судов, мостов, контейнеров и др., поверхности которых, как правило, окрашиваются. Однако в декоративной отделке зданий предпочтение отдается открытому использованию стали улучшенной коррозионной стойкости, поскольку она не подвергается сквозной коррозии при эксплуатации без покрытия. Более того, образующийся на ее поверхности коричневый слой ржавчины создает уникальный художественный эффект, поэтому сварные пластины из такой стали часто используются для фасадов специальных зданий.

Из-за улучшения свойств стали производители автомобилей становятся все более поверхностными в применении антикоррозионных обработок.

Что касается автомобилей, многие производители сейчас используют менее обильное резиновое покрытие шасси, которое в обиходе часто называют «бронёй шасси». Шасси многих новых автомобилей напрямую экспонируют стальные листы, на которые нанесены только оригинальная заводская грунтовка и краска, соответствующая внешнему цвету. Это указывает на то, что эти автомобили проходят в процессе производства только электрофоретическое грунтование и окрашивание. Только в области брызговиков сзади передних колёс нанесён тонкий слой мягкого резинового покрытия, защищающий стальные элементы шасси от щебня, подбрасываемого колёсами. Эти изменения, похоже, отражают уверенность производителей в коррозионной стойкости своих изделий.

(Броня шасси )

Пластинa защиты шасси Xiaomi SU7

Современные предприятия устанавливают пластиковые защитные пластины шасси.

Под защитными пластинами все еще находятся стальные листы, которые подверглись лишь простой обработке. Некоторые дотошные производители устанавливают пластиковые защитные пластины на шасси. Эти пластины не только защищают сталь шасси от ударов гравия, но и организуют воздушный поток под шасси. Под этими пластиковыми защитными пластинами сталь шасси имеет лишь слой грунтовки.

Автомобильная сталь не используется произвольно. Решения бизнесменов сэкономить часто приводят к тому, что значительные преимущества жертвуются ради мелкой экономии, а инженеры не могут пересилить руководство.

Исключение бывает во всем, и именно в Китае часто возникают исключения. Несколько лет назад новый отечественный бренд использовал низкоуглеродистую сталь при производстве автомобилей, что привело к сквозной коррозии шасси всего за два года — и подобные случаи снова появляются в последнее время. Иногда решения, принимаемые спонтанно лидерами, действительно пугают. Когда бизнесмены вмешиваются в технические обсуждения, результат всегда непредсказуем.

Будущее сталей для автомобилестроения

На данный момент толщина стальных листов в автомобилестроении была снижена до 0,6 мм, что, по моему мнению, уже достигло предела толщины стали. Если лист будет тоньше, то даже при высокой прочности материал потеряет присущую ему структурную устойчивость. Стальные листы для автомобилестроения сейчас сталкиваются с растущими вызовами со стороны новых материалов. Атомный вес железа определяет, что его плотность не может быть изменена, и путь снижения массы за счет уменьшения толщины, похоже, достиг тупика. Алюминиевые сплавы теперь постепенно находят широкое применение в автомобилях премиум-класса. Полностью алюминиевые внедорожники, а также модели 5 Series и A6, использующие алюминий для передних конструкций, все это указывает на данную тенденцию.