Utvecklingen och framtiden för bilstål: Från antik hantverkskonst till modern ingenjörskonst

Introduktion: Betydelsen av bilstål

Användning av stål för att tillverka biler är en grundläggande sunt förnuft för moderna människor. Dock, många uppfattningar om bilstål stannar fortfarande på lågkolstål. Även båda är stål, är nutidens bilstål mycket mycket bättre än det från decennier sedan. Under de senaste åren har forskningen kring bilstål gjort stora framsteg. Idag är plåtarna av bilstål tunnare och tunnare , och stålets hållfasthet och korrosionsmotstånd har förbättrad förbättrats väsentligt. För att möta mätare utmaningen från nya material arbetar många stålföretag aktivt med fordon företag att utveckla lättviktigt, höghållfast stål att kAN tävla med aluminiumlegering, plast och kolfiberarmerade kompositmaterial.

Järn- och stålverk

1. Den odefinierade termen: "Höghållfast stål"

På den moderna bilmarknaden hävdar många märken att de använder "höghållfast stål", men denna term saknar en enhetlig industristandard. När stålt teknologi utvecklas, gör också hållfasthetströsklarna som är kopplade till denna etikett det. Situationen liknar de bilmallar som marknadsförs som "Ny", "Alldeles ny" eller "Nästa generation". Marknadsavdelningar brukar klassificera stål över 300 MPa som "höghållfast", trots att olika sorter av stål under denna paraply kan variera i hållfasthet med upp till 100%.

För att förtydliga ämnet bilstål måste vi först förstå dess historiska utveckling.

Stålutveckling i Kina

Från brons till järn: Den kinesiska innovationen

Stål har en lång historia som sträcker sig tillbaka till vårres- och höstperioden samt krigsstormens period i Kina (cirka 770–210 f.Kr.). Då var brons den dominerande metallen men var för seg för att användas till hållbara verktyg eller vapen. Kinesiska ingenjörer började använda svampjärnsprocessen för att framställa mjukt, blockformat järn. Även om järnverktygen då hade begränsade fördelar jämfört med brons lade de grunden för senare metallurgiska genombrott.

Framsteg under Han-dynastin

Under Han-dynastin (202 f.Kr.–220 e.Kr.) ökade blåslågor smälttemperaturen i ugnar och cementeringsteknik utvecklades för att styra hårdheten. "Röriste-processen" lät metallurgerna röra smält järn i konverterare och tillsätta legeringselement. Tillsammans med viknings- och smedningstekniker för att ta bort orenheter skapade dessa metoder högkvalitativt järn som främst användes till vapen. I utgrävda gravar från Han-dynastin finns ofta sådana vapen, vilket tyder på allmän användning.

Mästerlighet under Tang-dynastin

Under Tangdynastin (618–907 e.Kr.) kunde smeder kontrollera kolhalt i järnprodukter och tillverka stål med 0,5–0,6 % kol – den moderna definitionen av stål. Tekniker som bladssandwich användes för att optimera både hårdhet och seghet.

jadehandtag av järn

De järnvapen som visas på bilden är jadehandtagda järnsvärd från forntidens Kina. Detta visar att smälttekniken var avancerad vid den tidpunkten. Järnvapen användes allmänt. Det fanns också olika typer såsom järnklingor, ji, spjut och pilar. Järn ersatte fullständigt brons, och mänskligheten trädde in i järnåldern.

stålknivar använda under Tangdynastin y

Under Tangdynastin i Kina förändrades smält- och smidesteknikerna inte. uppenbarligen . Dock, genom uppsamlad erfarenhet, lyckades smederna kontrollera kolhalten i järnprodukterna. Kolhalten i representativa Tang-knivar låg ungefär mellan 0,5 % och 0,6 %, vilket ligger inom stålets intervall.

I ståltillverkningen idag är det fortfarande grundläggande att kontrollera kolhaltens innehåll. Genom att justera den beroende på användningsområde kan man finjustera stålets seghet och hårdhet. För att tillverka blad med båda dessa egenskaper uppfunno forntida människor tekniker som plätering och lagervis struktur av stål. Dessa metoder ligger dock utanför denna artikels omfattning.

(Den första industriella revolutionen )

Den första industriella revolutionen

Den första industriella revolutionen sätta järnproduktionens övergång till industrialisering. Det första stora steget i mänsklighetens efterfrågan på stål kom under den industriella revolutionen. Ångmaskinens uppfinning befriade mänskligheten från tung manuell arbetsinsats och produktionsarbete med hjälp av djur för första gången, och bränsledrivna maskiner lyfte mänsklig produktivitet till en mycket högre nivå.

Brittiska textilfabriker var beroende av ångmaskiner och vävstolar tillverkade av stål

(ånglok )

Ånglok förbrukade också stora mängder stål, liksom de tillhörande järnvägsrälsen. I brittiska textilfabriker arbetade grupper av kvinnor med var istället genom bullrande stålmaskiner. Järnvägsspår av järn lades ner över hela Europa. Ånglok började ersätta den hästdragna vagnar som huvudsaklig transportmedel verktyg. Sedan dess har människor inte kunnat leva utan stål, och efterfrågan har ökat dag för dag.

(Fords Motors första monteringslinje under den andra industriella revolutionen)

 Den andra industriella revolutionen kopplade bilar med stål  material .

(Xiaomi 's Nyligen utgivna SUV: YU7)

Nu tillverkas fortfarande vissa högpresterande bilar av stål. Under den andra industriella revolutionen, när bilar dök upp, tog stålindustrin ett nytt steg. Sedan dess har dessa två sektorer varit nära kopplade. Även om moderna bilar inte längre liknar "Mercedes-Benz nr 1", används stål fortfarande omfattande i deras produktion, inklusive i vissa superbilar.

Styrkegrader för bilstång  

Hur högfaststål egentligen används i moderna bilkarosser

I moderna fordon är karossen konstruerad genom att sammanlöda stålplåtar med olika hållfasthet . Konstruktörer väljer lämplig stålkvalitet baserat på de spänningsnivåer som varje del av strukturen förväntas klara. I områden med hög belastning – där det inte är möjligt att använda tjockare stål – används ultrahårdstål . Som man säger, "Använd bästa stålet där det behövs mest."

Diagram över karossens stålhållfasthet: Vad som visas och vad som inte visas

Många bilverkstäder uppger att de använder höghållfast stål , men bara några få är transparenta när det gäller exakta material som används. Vissa märken publicerar faktiskt diagram över fordonets karossstruktur , men de flesta av dessa diagram visar bara de allmänna områdena där starkare stål används, utan att ange exakta draghållfasthetsvärden . Väletablerade varumärken med starka R&D-möjligheter är ofta ännu mer tillbakahållsamma med att dela sådan teknisk information.

Förstå terminologin

I Japan och Sydkorea kallas höghållfast stål ofta för "högspänningsstål. " Stålets hållfasthet mäts vanligtvis i MPa (megapascal) . För att ge dig en uppfattning om skalan: 1 MPa motsvarar kraften från 10 kilogram (ungefär två vattenmeloners tyngd) som appliceras på en yta på endast 1 kvadratcentimeter, utan att materialet deformeras.

Strategisk användning, inte fullständig täckning

Genom att analysera kroppsdetaljer blir det tydligt att ultrahårdstål (t.ex., 1000 MPa eller mer) används endast i specifika komponenter – såsom kollisionsskyddande bjälkar och kritiska förstärkningszoner . Större delen av karossen är fortfarande tillverkad av lägre eller mellanliggande hållfasthetsstål , vilket är enklare att forma och mer kostnadseffektivt. Denna selektiva användning baseras både på funktionella behov och tillverkningsbegränsningar .

Låt dig inte luras av marknadsföringsuttryck

När du stöter på fraser som "Vår bilkaross använder 1000 MPa-klass höghållfasthetsstål," det är viktigt att tolka dem korrekt. Det innebär inte att hela karossen är tillverkad av sådana avancerade material. I de flesta fall når endast lokaliserade delar—som dörrars påverkningsbalkar —den här nivån av hållfasthet. Resten av karossstrukturen använder vanligtvis en blandning av material som är utformade för en balans mellan säkerhet, kostnad och tillverkningsmöjligheter.

 3, nya stålmaterial som är lämpliga för pressning

Pressning är den huvudsakliga metoden för karosstillverkning.
Karosseridelen som fortfarande befinner sig i formen efter pressning

Ökningen av materialstyrkan medför problemet med svår bearbetning. De flesta personbilar tillverkas genom stansning, det vill säga att använda verktyg för att pressa material till formen – ungefär som att forma leksakslera. Nu ställer den högre styrkan hos bilstålplåtarna högre krav på stansningsprocesserna. Det finns dessutom många djupdragda komponenter, vilket gör att materialet lätt spricker och korrugar. Till exempel är hörnpositionerna mest benägna att utveckla "döda hörn" under stansning, där sprickor och veck vanligtvis uppstår. Detta visar också att vid stansning av plåtar uppstår alltid problem såsom sträckning och friktion mot verktyget. Detta kan orsaka defekter i de stansade delarna på grund av inre spänningar eller ytbeskador.

(karossstrukturstång)

Tunningsfördelning av plåtar  

För att undvika ovanstående situationer måste tillverkare studera ståplåtens deformation under pressning för att förhindra att den spricker. Det finns dock alltid en motsättning, ju högre hållfasthet stålplåten har .Sidskärmen är den största pressdel som finns på hela bilen och också är den svåraste komponenten att forma. Därför kommer tillverkare att studera ståplåtens inre spänningar under pressningen för att eliminera ackumulerade inre spänningar så långt som möjligt. Samtidigt kan studier av tjockleken på stora pressade delar visa vilka delar av ståplåten som är kraftigt utdragna och vilken presjdjup som säkerställer att ståplåten inte spricker.

Ny typ av stål kan lösa problemet med stansning och svår bearbetning som orsakas av hög materialhållfasthet. För att grundläggande lösa stansningsproblemet med höghållfasta stål används en ny typ av stål vid produktionen av bilkarosserier. Matrisen i detta stål är ferritiskt med god mjukhet och seghet, där martensit med god hårdhet är inbäddad. Det är lättare att forma under stansningen, och den formade materialen har betydande hållfasthet.

(Automobil A-pillar plåtdelar )

Vissa värmebehandlade höghållfasta strukturkomponenter

För positioner som B-pillarn som särskilt behöver förstärkning använder vissa tillverkare en värmebehandlingsprocess. Den formade B-pillaren genomgår upphettning och härdning för att göra den interna kristallstruktur hos stålet mer perfekt. Detta liknar processen att forma med lera och sedan värma för att förhärdna vid tillverkning av porslin. Generellt sett är dessa värmebehandlade delar ofta svarta.

3.Korrosionsbeständighet hos automobilstål

(Stålrullar för bilindustrins tillverkning )

Bilarna är tillverkade av låglegerat stål.

För närvarande ingår fordonstål i kategorin låglegerat stål, vilket är en gren av stålet. Större delen av detta stål består av järn, med endast en liten mängd legeringsämnen, såsom kol, kisel, fosfor, koppar, mangan, krom, nickel, etc. Innehållet av dessa legeringsämnen överstiger inte 2,5%.

Låglegerade stål visar utmärkt bearbetningsprestanda och hållfasthet, samtidigt som de har god korrosionsbeständighet. Vanligt lågkolstål bildar ett rödbrun oxidskikt i naturliga miljöer, vilket är mycket löst och allmänt känt som rost. I motsats till detta genererar låglegerade stål ett brunt, tätt oxidskikt som fäster fast vid stålytan och fungerar som en barriär som förhindrar vidare erosion av det inre stålet av den yttre miljön. Denna antirustmekanism är något liknande den hos aluminiumlegeringar och zinklegeringar, med undantaget att det tar flera år för låglegerade stål att utveckla ett stabilt skyddande rostskikt, där färgen på rostskiktet övergår från ljusgul till brun.

Väderbeständigt stål används ofta utsatt på byggnaders fasader

Väderstål utvecklar en särskild konstnärlig effekt efter att en rostlag bildats, och blir därför ett byggmaterial som är högt värderat av moderna designers.

På grund av denna egenskap kallas låglegerat stål också för väderstål (väder- och korrosionsbeständigt stål). Väderstål används typiskt för tillverkning av fordon, fartyg, broar, containrar etc., där ytorna vanligtvis målas. I arkitektoniska applikationer föredrar man dock att använda väderstål obehandlat, eftersom det inte får genomrostning när det lämnas oskyddat. Dessutom skapar den bruna rostlagen en unik konstnärlig effekt, vilket gör svetsade väderstålplattor till ett vanligt val för fasader på speciella byggnader.

På grund av förbättringen av stålets egenskaper blir bilverkstäder allt mer slappa i sina åtgärder mot rost.

Vad gäller bilar använder många tillverkare idag mindre chassigummi, även kallat "chassiarmoring" i allmänt tal. Chassin hos många nya bilar visar direkt stålplåtarna, som endast har den ursprungliga fabriksprimer och färgmatchande lack. Detta tyder på att dessa fordon endast gjorts genom elektroforetisk primer och färglackering under produktionen. Endast sprutningsområdet bakom främre hjulen har ett tunt lager av mjukt gummilack, vilket förhindrar grus som kastas upp av hjulen från att skada chassistål. Dessa förändringar verkar spegla tillverkarnas självtillit vad gäller sina produkters korrosionsmotstånd.

(Chassiarmoring )

Xiaomi SU7 chassiskyddsplatta

Sofistikerade företag installerar plastskyddsplattor under chassit.

Under skyddsplattorna finns fortfarande stålplåtar som endast har genomgått en enkel behandling. Vissa noggranna tillverkare monterar plastskyddsplattor på chassit. Dessa plattor kan inte bara isolera chassits stål från grusets påverkan utan också organisera luftflödet under chassit. Under dessa plastskyddsplattor har chassits stål endast en lager grundfärg.

Bilstål används inte godtyckligt. Affärsmäns beslut att minska kostnader leder ofta till att stora fördelar offras för små besparingar, och tekniker kan inte gå emot cheferna.

Det finns undantag från allt, och undantagen inträffar ofta i Kina. För några år sedan använde en nystartad inhems brand låglegerat stål vid tillverkning av fordon, vilket ledde till att chassit rostade igenom inom två år – och sådana fall har dykt upp igen nyligen. Ibland är det verkligen skrämmande med beslut som fattas impulsivt av chefer. När affärsmän blandar sig i tekniska diskussioner blir resultaten alltid oförutsägbara.

Framtidens bilstål

Just nu har tjockleken på stålskivor för bilindustrin minskat till 0,6 mm, vilket jag tror har nått gränsen för ståltjocklek. Om skivan är tunnare kommer den att förlora den strukturella stabilitet som materialet har, även om den har hög hållfasthet. Stålskivor för bilindustrin står inför ökande utmaningar från nya material. Järnets atomvikt bestämmer att dess densitet inte kan förändras, och vägen till viktreduktion genom tunning verkar ha nått en återvändsgränd. Aluminiumlegeringar används nu alltmer i högre segment av fordonsindustrin. SUV:er helt i aluminium samt 5-serien och A6 med aluminium i frontstrukturerna visar alla denna tendens.