Evolucija in prihodnost avtomobilskega jekla: od starodavnega obrtovanja do sodobnega inženirstva

Uvod: Pomen avtomobilskega jekla

Uporaba jekla za izdelavo avtomobili je za sodobne ljudi osnovna stvar zdravega razuma. Vendar mnogi pomen avtomobilskega jekla še vedno povezujejo s pocinkanim jeklom. Čeprav sta obe vrsti jekla, je današnje avtomobilske jeklo precej precej boljše kot pred desetletji. V zadnjih letih so raziskave na področju avtomobilskega jekla dosegale velik napredek. Danes so jeklene pločevine tanjše in tanjše , hkrati pa se moč in odpornost proti koroziji jekla so izboljšanje veliko. V stolec vpliv novih materialov, se mnogi jeklarski podjetja dejavno sodelujejo z vozilo podjetji za razvoj lahkega, visokotrdnega jekla da cAN soditi z aluminijeva zlitina, plastika in ogljikovo vlakno ojačane kompozite.

Železarna in jeklarna

1. Nedoločeni izraz: "Visokotrdeno jeklo"

Na sodobnem avtomobilskem trgu številne blagovne znamke trdijo, da uporabljajo "visokotrdeno jeklo", vendar ta izraz ne vključuje enotnega standarda industrije. Ko se tehnologija jekla razvija, se dviguje tudi meja trdnosti povezana s to oznako. Situacija je podobna kot pri avtomobilskih modelih, ki so na trgu predstavljeni kot "Novi", "Popolnoma novi" ali "Naslednje generacije". Odbori za marketing pogosto razvrščajo jeklo z več kot 300 MPa kot "visokotrdeno", čeprav se lahko jekla pod tem naslovom razlikujejo po trdnosti do 100%.

Da bi pojasnili tematiko avtomobilskih jekel, moramo najprej razumeti njihov zgodovinski razvoj.

Razvoj jekla v Kitajski

Od bron do železa: kitajska inovacija

Jeklo ima dolgo zgodovino, ki se sega v obdobje jar in jeseni ter vojnih držav v Kitajski (približno 770–210 pr. n. št.). Takrat je bila prevladujoč kovina bron, vendar je bil preveč krhek za izdelavo trdnih orodij ali orožja. Starodavni kitajski inženirji so začeli uporabljati peči za proizvodnjo mehkega, blokaste oblike železa. Čeprav so imela orodja iz železa takrat omejene prednosti v primerjavi s bronom, so postavila temelje za nadaljnje metalurške prebojne dosežke.

Razvoj v dinastiji Han

V času dinastije Han (202 pr. n. št.–220 n. št.) so plavži izboljšali peči in dvignili temperature taljenja, razvita pa je bila tudi karburizacijska tehnologija za nadzorovanje trdote. S »postopkom mešanja« so metalurgom omogočili mešanje taline železa v pretvornikih in dodajanje legirnih elementov. Skupaj s tehnikami prepogibanja in kovanja za odstranitev nečistoč so ti postopki ustvarili visokokakovostno železo, ki se je uporabljalo predvsem za orožje. V izkopanih grobnicah iz dinastije Han pogosto najdejo takšno orožje, kar kaže na njegovo široko uporabo.

Obvladavanje v dinastiji Tang

V času dinastije Tang (618–907 n. št.) so kovinarji znali nadzorovati vsebnost ogljika v železnih izdelkih in proizvajati jekla z 0,5–0,6 % ogljika – sodobno opredelitev jekla. Razvite so bile tehnike, kot je npr. sendvičasta izdelava rezil, da bi optimizirali trdoto in žilavost.

železo z ročaji iz jade

Železne opeklje na sliki so meči iz železa z ročaji iz jade iz starodavnega Kitajskega cesarstva. To kaže, da je bila metalurška tehnologija v tistem času že napredna. Železne opeklje so bile pogosto v uporabi. Obstajale so različne vrste, kot so železni noži, ji, kopja in puščice. Železo je popolnoma nadomestilo bron in človeštvo je vstopilo v železno dobo.

jekleni noži iz obdobja dinastije Tang y

V času dinastije Tang v Kitajski se tehnike taljenja in kovanja niso spremenile očitno . Vendar pa so kovinarji skozi nabrano izkušnjo postopoma uspeli nadzorovati vsebnost ogljika v železnih izdelkih. Vsebnost ogljika pri predstavnih nožih iz dinastije Tang je znašala približno med 0,5 % in 0,6 %, kar spada v območje jekla.

V proizvodnji jekla danes ostaja osnovno vprašanje nadzor nad vsebnostjo ogljika. Prilagajanje vsebnosti glede na predvideno uporabo omogoča prilagoditev žilavosti in trdote jekla. Za izdelavo rezil z obema lastnostma so si stari ljudje izmislili tehnike, kot sta oblečenje in sendvična konstrukcija jekla. Te tehnike pa presegajo obseg tega članka.

(Prva industrijska revolucija )

Prva industrijska revolucija

Prva industrijska revolucija postavimo premik proizvodnje železa v industrializacijo. Prvi skok v človekovi potrebi po jeklu se je zgodil v času industrijske revolucije. Izum parnega stroja je prvič človeštvo osvobodil težke ročne delo in proizvodnje, ki jo pogoni žival, gorivne naprave pa so dvignile človekovo produktivnost na precej višjo raven.

Britanski tekstilni mlini so se zanašali na parne motorje in tkalne stroje iz jekla

(parni lokomotiv )

Parni lokomotivi so porabili veliko jekla, skupaj s pripadajočimi tirnicami. V britanskih tekstilnih mlinih so skupine žensk upravljale ni bilo s strani hrupne jeklene stroje. Po evropskem celinu so bile položene železne tirnice. Parne lokomotive so začele nadomeščati ta konjske kočije kot glavno prevozno sredstvo orodje. Od takrat ljudje ne morejo več živeti brez jekla in je povpraševanje naraščalo iz dneva v dan.

(Prva montažna linija Ford Motorja v času Druge industrijske revolucije)

 Druga industrijska revolucija je povezala avtomobile z jeklom  material .

(XiaoMi 's novim SUV-jem: YU7)

Zdaj so nekatera visokozmogljiva vozila še vedno narejena z jeklo. V času Druge industrijske revolucije, ko so se pojavila vozila, je železna industrija dosegla novo raven. Od takrat sta bili ti dve panogi tesno povezani. Kljub temu, da moderne avtomobile ne spominjajo več na "Mercedes-Benz št. 1", se jeklo v proizvodnji še vedno pogosto uporablja, vključno z nekaterimi supersportnimi avtomobili.

Kakovostne razrede avtomobilskega jekla  

Kako se visokotrdno jeklo dejansko uporablja v modernih avtomobilskih karoserijah

V sodobnih vozilih je vozniško telo zgrajeno s zavarjanjem jeklenih pločevin različnih trdnosti . Inženirji izberejo ustrezno kakovost jekla glede na nivoje napetosti, ki jim morajo posamezni deli konstrukcije odporni. V območjih z visokimi napetostmi – kjer uporaba debelejšega jekla ni mogoča – se uporablja ultravzmočno jeklo . Kot pravi poslovica: "Najboljše jeklo uporabite tam, kjer je najbolj potrebno."

Grafi trdnosti karoserije: Kaj prikazuje in česa ne prikazuje

Medtem ko mnogi proizvajalci avtomobilov trdijo, da uporabljajo visoko stopnjevito jeklo , le nekateri so pregledni glede točnih uporabljenih materialov. Nekateri blagovne znamke objavijo diagrami strukture karoserije vozila , vendar večina teh diagramov poudarja le splošna območja, kjer se uporablja močnejši jeklo, ne da bi navedla natančne vrednosti natezne trdnosti . Dobro znane blagovne znamke z močnimi raziskovalno-razvojnimi sposobnostmi so pogosto še rezerviranejše pri deljenju teh tehničnih podatkov.

Razumevanje terminologije

V Japonski in Južni Koreji se visokotrdno jeklo pogosto imenuje "visoko napetostno jeklo. " Trdnost jekla se običajno meri v MPa (megapaskalih) . Za predstavo: 1 MPa ustreza sili 10 kilogramov (približno teža dveh lubenin) na površini 1 kvadratni centimeter, brez deformacije materiala.

Strateška uporaba, ne popolne pokritosti

Če analiziramo diagrame telesne strukture, je jasno, da ultravzmočno jeklo (npr. 1000 MPa ali več) se uporablja samo v določenih komponentah – kot so protiudarni nosilci in ključne cone za utrditev . Večina karoserije je še vedno izdelana iz jekla z nižjo ali srednjo trdnostjo , ki je lažje oblikovati in cenejše. To izbirno uporabo določajo tako funkcionalne potrebe kot tudi proizvodne omejitve .

Ne bodite zmoteni zaradi tržnih sloganov

Ko naletite na izraze kot so "Karoserija našega vozila uporablja visokotrdno jeklo razreda 1000 MPa." je pomembno, da se jih pravilno interpretira. To ne pomeni, da je celotno telo izdelano iz tako naprednega materiala. V večini primerov le lokalni deli - kot so vratne vodice za udarne sile - lahko dosegajo to raven trdnosti. Preostali del konstrukcije telesa običajno uporablja mešanico materialov, ki so načrtovani za ravnovesje med varnostjo, stroški in možnostmi proizvodnje.

 3, nove jeklene materiale, primernimi za žiganje

Žiganje je glavna metoda za izdelavo karoserij.
Deli karoserije, ki ostanejo še v pobočju po oblikovanju z žiganjem

Povečanje trdnosti materiala povzroča težavo s težavnim obdelovanjem. Večina osebnih vozil se izdeluje s pomočjo žigosanja, to je uporabo orodij za iztiskanje materialov v obliko – podobno kot pri oblikovanju igračk Play-Doh. Toda zaradi večje trdnosti avtomobilskih jeklenih pločevin so zahteve glede procesa žigosanja postale strožje. Poleg tega obstaja veliko komponent z globokim vlečenjem, kar naredi material bolj dovzetnega za razpoke in gube. Na primer, vogalni deli so med žigosanjem najbolj dovzetni za "mrtve kote", kjer se običajno pojavijo raztrgi in gubanje. To kaže tudi na to, da se ob žigosanju jeklenih pločevin vedno pojavljajo težave, kot so raztezanje in trenje z orodjem. To lahko povzroči napake na žigovalnih delih zaradi notranjih napetosti ali poškodb površine.

(konstrukcijsko jeklo za avtomobilsko karoserijo)

Porazdelitev zmanjšanja debeline pločevin  

Da bi se izognili zgoraj opisanim situacijam, morajo proizvajalci preučiti deformacijo pločevine med žganjem, da preprečijo počenje. Vendar vedno obstaja proturéčnost, da višja je trdnost pločevine .Bočna plošča je največji žgani del celotnega vozila in tudi je najtežje oblikovan komponent. Zato bodo proizvajalci preučevali notranje napetosti pločevine med žganjem, da čim bolj odpravijo kopičene notranje napetosti. Hkrati pa raziskava debeline velikih žganih delov lahko pokaže, katere dele pločevine močno raztegne in kakšna globina žganja zagotavlja, da pločevina ne poči.

Nova vrsta jekla lahko reši problem žganja in težav pri obdelavi, ki ju povzroča visoka trdnost materiala. Da bi temeljito rešili problem žganja visokotrdnega jekla, se za proizvodnjo avtomobilskih karoserij uporablja nova vrsta jekla. Osnova tega jekla je ferit, ki ima dobro mehkobo in žilavost, v katero je vdelan martenzit z dobrimi trdnostnimi lastnostmi. Pri žganju se lažje oblikuje, končni izdelek pa ima precejšnjo trdnost.

(Avtomobilske pločevinarske komponente stebra A )

Nekatere toplotno obdelane nosilne konstrukcije s povečano trdnostjo

Za položaje, kot je stebri B, ki potrebujejo dodatno utrditev, nekateri proizvajalci uporabljajo toplotno obdelavo. Oblikovan stebri B se segreje in pokali, da notranja kristalna struktura jekla postane popolnejša. To spominja na proces modeliranja glinene mase in nato segrevanja, da se zakali pri izdelavi porcelana. Splošno gledano so te toplotno obdelane komponente pogosto črne barve.

3.Korozijska odpornost avtomobilskih jekel

(Jeklene tuljave za avtomobilsko proizvodnjo )

Avtomobili so izdelani iz nizko-legiranih jekel.

V sedanji tehniki spadajo avtomobilske jekla v skupino nizko-legiranih jekel, ki predstavljajo eno od vej jekel. Večino tega jekla sestavljajo železni elementi, zelo majhen delež pa legirnih elementov, kot so ogljik, silicij, fosfor, baker, mangan, krom, nikelj itd. Vsebnost teh legirnih elementov ne presega 2,5 %.

Nizko-legirane jekla kažejo odlične lastnosti obdelave in trdnost, hkrati pa imajo tudi dobro odpornost proti koroziji. Običajna nizkougljična jekla v naravnem okolju tvorijo rjavo-rumen oksidni sloj, ki je zelo ohlapen in je splošno znan kot rja. V nasprotju s tem nizko-legirana jekla tvorijo rjav, gost oksidni sloj, ki se tesno oprijema površine jekla in deluje kot pregrada, ki preprečuje nadaljnje razpadanje notranjega jekla zaradi zunanjega okolja. Ta protikorozijski mehanizem je nekoliko podoben tistemu pri aluminijevih in cinkovih zlitinah, razlikuje pa se po času, potrebnem za nastanek stabilnega zaščitnega rjavega sloja – pri nizko-legiranih jeklih to traja več let, pri čemer se barva rjavega sloja spreminja iz svetlo rumene v rjavo, medtem ko se pri aluminijevih zlitinah zaščiten rjav sloj skorajda takoj ustvari.

Jeklo odporno proti vremenu se pogosto uporablja na fasadah stavb

Odporna jekla razvije po nastanku rjavnega sloja poseben umetniški učinek, zaradi česar postane gradbeni material, ki ga zelo cenijo sodobni oblikovalci.

Zaradi te lastnosti se nizko-legiranemu jeklu reče tudi odporno jeklo (vremensko odporno proti koroziji). Odporna jekla se običajno uporabljajo za izdelavo vozil, ladje, mostov, kontejnerjev itd., njihove površine pa so običajno pobarvane. V arhitekturnem okrasu pa obstaja želja po uporabi odprtega odpornega jekla, saj ne trpi zaradi preprodaj rje v nepokritem stanju. Poleg tega rjavi rjavni sloj, ki ga tvori, ustvarja edinstven umetniški učinek, kar naredi varjene plošče iz odpornega jekla pogosto izbiro za fasade posebnih stavb.

Z izboljšanjem lastnosti jekla avtomobilski proizvajalci postajajo vedno bolj površni pri obrambnih obravnavah proti rji.

Kar zadeva avtomobile, mnogi proizvajalci trenutno uporabljajo manj gume za podvozje, v pogovornem jeziku znane kot »oklep podvozja«. Podvozje mnogih novih vozil neposredno izpostavlja jeklene pločevine, ki imajo le prvotni tovarniški grund in barvno pobarvanje, ki ustreza zunanjemu videzu. To nakazuje, da so ta vozila med proizvodnjo preletela samo elektroforetski proces grundiranja in barvanja. Le območje za prednjimi kolesi ima tanek sloj mehke gume, ki preprečuje poškodbe jekla podvozja zaradi gramoza, ki ga kolesa odmetavajo. Te spremembe videti kot da odražajo zaupanje proizvajalcev v odpornost svojih produktov proti koroziji.

(Oklep podvozja )

Plošča za zaščito podvozja Xiaomi SU7

Sodobna podjetja namestijo plastične zaščitne plošče podvozja.

Pod zaščitnimi ploščami so še vedno jeklene pločevine, ki so bile le enostavno obdelane. Nekateri zahtevni proizvajalci namestijo na podvozje plastične zaščitne plošče. Te plošče ne morejo samo ločiti jekla podvozja od udarcev gramozja, temveč tudi urejajo zračni tok pod podvozjem. Pod temi plastičnimi zaščitnimi ploščami ima jeklo podvozja le eno plast osnovnega premaza.

Avtomobilsko jeklo ni uporabljeno naključno. Odločitve poslovnežev, da zmanjšajo stroške, se pogosto končajo z žrtvovanjem večjih prednosti v zameno za manjše prihranke, tehnikov pa ne morejo preprečiti vodje.

Za vsako pravilo obstaja izjema, izjeme pa se pogosto pojavljajo v Kitajski. Pred nekaj leti je nova domača znamka uporabila nizkokarbonasto jeklo za proizvodnjo vozil, kar je povzročilo korozijo podvozja v dveh letih – in takšni primeri se v zadnjem času ponovno pojavljajo. Včasih so resnično skrb vzbujajoče odločitve, sprejete na hitro zaradi kapricov vodij. Ko poslovneži posegajo v tehnične razprave, so rezultati vedno nepredvidljivi.

Prihodnost avtomobilskih jekel

Trenutno je debelina avtomobilskih jeklenih pločevin zmanjšana na 0,6 mm, kar verjamem, da je doseglo mejo debeline jekla. Če bi bila pločevina tanjša, bi tudi pri visoki trdnosti izgubila strukturno stabilnost, ki jo zagotavlja material. Avmobilski jekleni pločevini so zdaj soočeni s povečanimi izzivi novih materialov. Atomsko število železa določa, da njegove gostote ni mogoče spremeniti, in pot rešitve z zmanjšanjem debeline se zdi, da je prišla do slepe ulice. Aluminijske zlitine so v visokorazrednih vozilih postopoma vedno bolj prisotne. To kaže tudi uporaba aluminija v prednem delu SUV-jev iz aluminija ter modelov 5 serije in A6, kar vse kaže na tovrstni trend.