Evolúcia a budúcnosť automobilovej ocele: od starejšieho remesla po moderné inžinierstvo

Úvod: Význam automobilovej ocele

Používať oceľ na výrobu autá je pre moderných ľudí základným zdravým rozumom. Avšak mnohé poznatky o automobilovej oceli stále končia u nízkouhlíkovej ocele. Hoci obe sú oceľami, dnešná automobilová oceľ je oveľa veľa lepšia ako pred desiatkami rokov. Počas posledných rokov sa výskumu automobilovej ocele dosiahli veľké pokroky. Dnes sú oceľové plechy tenšie a tenšie , a pevnosť a odolnosť ocele proti korózii sa zvýšila vylepšené veľa. Do pocítadlo vplyv nových materiálov aktívne spolupracujú mnohé oceliarske spoločnosti s vozidlo spoločnosťami na vývoj ľahkých, vysoko pevných ocelí že cAN súťažiť s hliníkové zliatiny, plasty a kompozity armované uhlíkovými vláknami.

Železársky a oceliarsky závod

1. Neurčitý termín: „Vysokopevná oceľ“

Na modernom automobilovom trhu si veľa značiek chváli použitie „vysokopevnej ocele“, ale tento termín nemá jednotný priemyselný štandard. S postupom technológie ocele sa posúva aj hranica pevnosti spojená s týmto označením. Situácia je podobná ako u modelov áut propagovaných ako „Nové“, „Úplne nové“ alebo „Nasledujúca generácia“. Marketingové oddelenia často klasifikujú oceľ s pevnosťou nad 300 MPa ako „vysokopevnú“, aj keď rôzne oceli pod týmto pojmom môžu mať rozdielnu pevnosť až o 100 %.

Aby sme objasnili tému automobilovej ocele, musíme najskôr pochopiť jej historický vývoj.

Vývoj ocele v Číne

Z bronzu ku železu: Čínska inovácia

Oceľ má dlhú históriu, ktorá siaha do obdobia jar a jeseň a obdobie bojujúcich štátov v Číne (približne 770–210 pred n. l.). V tom čase bol dominantným kovom bronz, no bol príliš krehký na výrobu trvanlivých nástrojov alebo zbraní. Starovekí čínští inžinieri začali používať technológiu výroby železa vo forme svietivky na výrobu mäkkého, blokového železa. Hoci nástroje zo železa mali vtedy len obmedzené výhody oproti bronzu, položili základy pre neskoršie metalurgické prelomy.

Pokroky počas dynastie Han

Počas dynastie Han (202 pred n. l.–220 n. l.) zvýšili vysoké pece vybavené miechami teplotu tavby a bola vyvinutá karburizačná technológia na reguláciu tvrdosti. Pri "procese rušenia liatiny" mohli metalurgici rušiť roztavené železo v konvertoroch a pridávať legovacie prvky. Spolu s technikami prekladania a kováčstva na odstránenie nečistôt tieto metódy vytvorili vysokokvalitné železo, ktoré sa používalo hlavne na výrobu zbraní. Pri vykopávkach z hánovských hrobiek sa často nachádzajú takéto zbrane, čo naznačuje ich široké použitie.

Vzostup počas dynastie Tang

Už v dobe dynastie Tang (618–907 n. l.) vedeli kováči kontrolovať obsah uhlíka v železných výrobkoch a vyrábať ocele s 0,5–0,6 % uhlíka – čo je súčasná definícia ocele. Boli vyvinuté techniky, ako napríklad vloženie briežneho medzi mäkké vrstvy, na optimalizáciu tvrdosti aj húževnatosti.

železo s jantárovou rukoväťou

Železné zbrane na obrázku sú meče zo starovekého Číny s jantárovou rukoväťou. To ukazuje, že tavobné technológie boli v tom období veľmi pokročilé. Železné zbrane sa bežne používali. Existovalo aj viacero druhov, ako napríklad železné nože, ji, oštepy a šípy. Železo úplne nahradilo bronz a ľudstvo vstúpilo do doby železnej.

ocele na nožoch používané v dynastii Tang y

Počas čínskej dynastie Tang sa sa techniky tavenia a kovania nezmenili zrejmé . Avšak prostredníctvom nazhromaďených skúseností sa kováčom podarilo kontrolovať obsah uhlíka v železných výrobkoch. Obsah uhlíka reprezentatívnych nožov z doby dynastie Tang bol približne medzi 0,5 % a 0,6 %, čo spadá do rozsahu ocele.

Pri výrobe ocele je dnes stále základné kontrolovať obsah uhlíka. Úprava jeho množstva na základe plánovaného použitia môže doladiť húževnatosť a tvrdosť ocele. Na výrobu čepeľov s oboma vlastnosťami vynalezli starovekí ľudia techniky ako sú potahovanie a vrstvenie ocele. Tieto však presahujú rámec tohto článku.

(Prvá priemyselná revolúcia )

Prvá priemyselná revolúcia

Prvá priemyselná revolúcia kladieme presun výroby železa do industrializácie. Prvý skok v ľudskej poptávke po oceli nastal počas priemyselnej revolúcie. Vynález parného stroja opäť prvýkrát oslobodil ľudstvo od ťažkej manuálnej práce a výroby poháňanej zvieratami, a stroje na pohon paliva zdvihli produktivitu ľudstva na oveľa vyššiu úroveň.

Britské textilné mlyny záviseli od parných motorov a stavbách z ocele

(parné lokomotívy )

Parné lokomotívy boli tiež veľkými spotrebiteľmi ocele, spolu so sprievodnými koľajnicami. V britských textilných mlynách, skupiny žien prevádzkujúce nebolo to však hlučné oceľové stroje. Po celom európskom kontinente sa začali kladie železné koľaje. Parné lokomotívy postupne nahradzovali the koňom ťahané kočy ako hlavný dopravný prostriedok náradie. Od tej doby ľudia nevedia bez ocele a dopyt po nej neustále rastie.

(Prvá montážna linka Ford Motor počas Druhej priemyselnej revolúcie)

 Druhá priemyselná revolúcia prepojila automobil priemysel s oceľou  materiál .

(XiaoMi 's Novo vydaný SUV model: YU7)

Teraz sú niektoré vysokovýkonné automobily stále vyrábané podľa z ocele. Počas druhej priemyselnej revolúcie, keď sa objavili automobily, oceliarsky priemysel sa posunul na novú úroveň. Odvtedy sú tieto dve odvetvia úzko prepojené. Aj keď moderné automobily už nepripomínajú Mercedes-Benz číslo 1, oceľ sa na ich výrobu aj tak široko používa, vrátane niektorých supersportových áut.

Pevnostné triedy ocele pre automobilový priemysel  

Ako sa v skutočnosti využíva vysokopevná oceľ v karosériách moderných áut

V moderných vozidlách je karoséria zostavená z zváraním oceľových plechov s rôznou pevnosťou . Inžinieri vyberajú vhodnú oceľovú triedu na základe úrovne namáhania, ktoré bude konkrétna časť konštrukcie vystavená. V oblastiach s vysokým namáhaním – kde nie je možné použiť hrubší oceľový plech – sa používa ultravysokopevná oceľ . Ako hovorí známe príslovie, "Najlepšiu oceľ použite tam, kde je najviac potrebná."

Grafy pevnosti karosérie: Čo ukazujú a čo nie

Pri mnohých výrobcoch áut sa uvádza, že používajú high-strength steel , len niektorí sú však transparentní ohľadom presných materiálov. Niektoré značky zverejňujú diagramy konštrukcie karosérie vozidla , ale väčšina z týchto grafov zvyčajne iba zdôrazňuje všeobecné oblasti, kde sa používa oceľ vyššej pevnosti, bez špecifikácie presných hodnôt medze pevnosti . Známe značky s výbornou výskumnou a vývojovou základňou bývajú často ešte rezervovanejšie vo zverejnení takých technických údajov.

Pochopenie terminológie

V Japonsku a Južnej Kórei sa vysoko pevná oceľ bežne označuje ako "oceľ s vysokým napätím." Pevnosť ocele sa zvyčajne meria v jednotkách MPa (megapaskaly) . Aby sme si to mohli predstaviť: 1 MPa predstavuje silu 10 kg (približne hmotnosť dvoch melónov) pôsobiacu na ploche len 1 štvorcový centimeter, bez deformácie materiálu.

Strategické použitie, nie celoplošné pokrytie

Analyzovaním diagramov konštrukcie karosérie je zrejmé, že ultravysokopevná oceľ (napr. 1000 MPa alebo viac) sa používa iba v niektorých komponentoch – ako napríklad protinárazové nosníky a kritické zosilnené zóny . Väčšia časť karosérie je stále vyrobená z oceľovej nízkej alebo strednej pevnosti , ktorá je ľahšie tvarovateľná a ekonomicky výhodnejšia. Táto výberová stratégia vychádza z funkčných požiadaviek aj výrobných obmedzení .

Nenechajte sa oklamať reklamnými slogánmi

Keď narazíte na výrazy ako "Karoséria nášho vozidla využíva oceľ vysokopevnostnej triedy 1000 MPa," dôležité je ich správne interpretovať. To neznamená, že celé auto je vyrobené z takýchto pokročilých materiálov. Vo väčšine prípadov dosahujú túto úroveň pevnosti iba lokálne časti – napríklad priečky v dverách na zabezpečenie proti nárazu –. Zvyšok konštrukcie karosérie zvyčajne využíva kombináciu materiálov, ktorá je navrhnutá tak, aby medzi sebou vyvážala bezpečnosť, náklady a výrobné možnosti.

 3, nové ocelové materiály vhodné na tvárnenie

Tvárnenie je hlavnou metódou výroby karosérie.
Karosérijske diely, ktoré sú po tvárnení stále vo forme

Zvýšenie pevnosti materiálu spôsobuje problémy s jeho spracovaním. Väčšina osobných áut sa vyrába zlievaním, teda použitím lisovacieho nástroja na vyformovanie materiálu – podobne ako pri modelovaní hračky Play-Doh. S vyššou pevnosťou oceľových plechov pre automobilový priemysel však narastajú nároky na proces lisenia. Okrem toho je veľa dielov s hlbokým ťahaním, čo zvyšuje riziko vzniku trhlín a vrások v materiáli. Napríklad rohové časti sú počas lisovania najviac náchylné na vznik tzv. "mŕtvych uhlov", kde sa typicky vyskytujú roztrhnutia a vrásky. To tiež naznačuje, že pri lisovaní oceľových plechov dochádza k problémom ako natiahnutie a trenie o nástroj. Tieto javy môžu spôsobiť chyby v lisovaných dieloch kvôli vnútornému napätí alebo poškodeniu povrchu.

(konštrukčná oceľ karosérie automobilu)

Rozloženie tenkosti plechu  

Aby sa predišlo vyššie uvedeným situáciám, musia výrobcovia študovať deformáciu oceľových plechov počas väzbenia, aby sa zabránilo ich trhaniu. Vždy však existuje rozpor: čím vyššia je pevnosť oceľového plechu .Bočný panel je najväčšou súčiastkou tvarovanou väzbením v celom aute a zároveň je aj najťažšou súčiastkou na vytvarovanie. Preto výrobcovia študujú vnútorné napätie oceľového plechu počas väzbenia, aby čo najviac eliminovali nahromadené vnútorné napätie. Zároveň štúdium hrúbky veľkoplošných tvarovaných dielov môže odhaliť, ktoré časti oceľového plechu sú výrazne natiahnuté a aká hĺbka väzbenia môže zabezpečiť, že oceľový plech nebude trhať.

Nový typ ocele môže vyriešiť problém s ťažkým tvárnením a spracovaním spôsobeným vysokou pevnosťou materiálu. Aby sa zásadne vyriešil problém so strehaním vysokopevnostnej ocele, nový typ ocele sa používa pri výrobe karosérií automobilov. Základňa tejto ocele je ferit s dobroutvárnosťou a húževnatosťou, v ktorom je rozptýlený martenzit s dobrou tvrdosťou. Počas strehania je ľahšie formovať a vytvarovaný materiál má pomerne veľkú pevnosť.

(Karosérijské plechové diely stĺpika A )

Niektoré konštrukčné komponenty z vysokopevnostnej ocele po tepelnom spracovaní

Pri pozíciách ako stĺpik B, ktoré si vyžadujú špeciálne posilnenie, niektorí výrobcovia používajú proces tepelného spracovania. Vytvorený stĺpik B prejde procesom ohrevu a kalenia, aby vnútorná kryštalická štruktúra ocele bola dokonalejšia. Tento proces je podobný modelovaniu z hlíny a následnému vypáleniu pri výrobe porcelánu. Zvyčajne tieto diely po tepelnom spracovaní majú čiernu farbu.

3.Odolnosť automobilových ocelí proti korózii

(Oceľové cievky pre výrobu automobilov )

Automobily sa vyrábajú z nízkolegovaných ocelí.

V súčasnosti spadá automobilová oceľ do kategórie nízkolegovaných ocelí, čo je odvetvie ocele. Väčšinu tejto ocele tvoria železné prvky, pričom len malé množstvo legujúcich prvkov, ako sú uhlík, kremík, fosfor, meď, mangan, chróm, nikel atď. Obsah týchto legujúcich prvkov nepresahuje 2,5 %.

Nízkolegované ocele vykazujú vynikajúce spracovateľské vlastnosti a pevnosť, pričom zároveň majú dobrú odolnosť voči korózii. Bežná nízkouhlíková oceľ vytvára v prirodzenom prostredí sivohnedú oxidovú vrstvu, ktorá je veľmi voľná a bežne sa nazýva rezivosť. Nízkolegované ocele na rozdiel od nej vytvárajú hnedú, hustú oxidovú vrstvu, ktorá sa pevne priľahlo prichytí k povrchu ocele a pôsobí ako bariéra brániaca ďalšiemu úbytku vnútornej ocele zo vonkajšieho prostredia. Tento protirezivý mechanizmus je niečo podobný mechanizmu používanému u hliníkových a zinkových zliatin, pričom jediným rozdielom je, že nízkolegované ocele potrebujú niekoľko rokov na vytvorenie stabilnej ochrannej rezivo-odolnej vrstvy, pričom farba tejto vrstvy prechádza zo svetložltej do hnedej, zatiaľ čo hliníkové zliatiny vytvárajú ochrannú vrstvu takmer okamžite.

Oceľ odolná voči počasiu sa často používa bez ochrany na fasádach budov

Oceľ odolná voči poveternostným podmienkam vytvára po vzniku rezavého povlaku špecifický umelecký efekt, čím sa stáva veľmi obľúbeným stavebným materiálom medzi avantgardnými dizajnérmi.

Vďaka tomuto znaku je nízkolegovaná oceľ známa aj ako oceľ odolná voči poveternostným podmienkam (oceľ odolná proti korózii spôsobenej počasím). Oceľ odolná voči poveternostným podmienkam sa bežne používa na výrobu vozidiel, lodí, mostov, kontajnerov atď., pričom ich povrchy sú zvyčajne natreté. V architektonickom dizajne sa však dáva prednosť použitiu nechránenej ocele odolnej voči poveternostným podmienkam, pretože ak je ponechaná bez ochrany, nevzniká problém s prehnutím rezavou. Okrem toho hnedý rezavý povlak, ktorý vytvára, má jedinečný umelecký efekt, čo robí zo zváraných dosiek z ocele odolnej voči poveternostným podmienkam bežnú voľbu pre fasády špeciálnych budov.

Vďaka zlepšeniu vlastností ocele sa automobiloví výrobcovia stávajú čoraz menej dôkladní pri antikoróznych úpravách.

Čo sa týka automobilov, mnoho výrobcov teraz používa menej gumeného povlaku na podvozku, ktorý je vo vernacularnom jazyku bežne známy ako „chassis armor“. Podvozky mnohých nových áut majú priamo oceľové plechy, ktoré sú potiahnuté iba pôvodnou továrnou základňou a farbou prispôsobenou vonkajšiemu dizajnu. To naznačuje, že tieto vozidlá prechádzajú počas výroby iba procesom elektroforézy a farebného lakovania. Iba oblasť za prednými kolesami má tenkú vrstvu mäkkého gumového povlaku, ktorá bráni nárazom štrku vyhadzovaného kolesami do ocele podvozka. Tieto zmeny sa zdajú odrážať dôveru výrobcov v korózny odpor ich produktov.

(Chassis Armor )

Xiaomi SU7 ochranná doska podvozka

Vyspelé podniky inštalujú plastové ochranné dosky podvozka.

Pod ochrannými plechmi sú stále oceľové plechy, ktoré prešli iba jednoduchou úpravou. Niektorí dôslední výrobcovia inštalujú na podvozok plastové ochranné plechy. Tieto plechy nielen izolujú oceľový podvozok od nárazov štrku, ale aj zabezpečujú organizáciu prúdenia vzduchu pod podvozkom. Pod týmito plastovými ochrannými plechmi má oceľ podvozka len vrstvu základnej hlinkovej farby.

Automobilová oceľ sa nepoužíva ľubovoľne. Rozhodnutia podnikateľov o rezní nákladov často končia obetovaním väčších výhod kvôli malým úsporám a technici nevedia prekonať rozhodnutia šéfov.

Pre každú pravidelnosť existuje výnimka a výnimky sa často objavujú v Číne. Pred pár rokmi použil novopestovaný domáci značka pri výrobe áut nízkouhlíkovú oceľ, čo viedlo k prehnutiu podvozka do dvoch rokov – a takéto prípady sa nedávno opäť objavili. Niekedy sú rozhodnutia líderov urobené na poslednú chvíľu skutočne znepokojujúce. Keď sa podnikatelia zapájajú do technických diskusií, výsledky sú vždy nepredvídateľné.

Budúcnosť oceľových karosérií automobilov

V súčasnosti sa hrúbka oceľových plechov pre automobilový priemysel znížila na 0,6 mm, čo je podľa môjho názoru hranica dosiahnuteľnej hrúbky ocele. Ak by bol plech ešte tenší, stráca materiál svoju štrukturálnu stabilitu, aj keď má vysokú pevnosť. Oceľové plechy teraz čelia rastúcim výzvam zo strany nových materiálov. Atómová hmotnosť železa určuje, že jeho hustota sa nedá zmeniť a cesta k zníženiu hmotnosti pomocou znižovania hrúbky sa zdá byť slepou uličkou. Alumíniové zliatiny sa teraz postupne začínajú široko používať vo vysokej triede vozidiel. Plne alumíniové SUV modely, rovnako ako modely 5 Series a A6, ktoré používajú hliník pre predné konštrukcie, všetko to naznačuje túto tendenciu.