Otomotiv Çeliğinin Evrimi ve Geleceği: Antik Çağlardan Günümüze Çelik Mühendisliği

Giriş: Otomotiv Çeliğinin Önemi

Arabaların yapımında çelik kullanmak arabalar günümüz insanı için temel mantıktır. Ancak otomotiv çeliği konusundaki anlayış düşük karbonlu çelik düzeyinde kalmıştır. Her ikisi de çelik olmasına rağmen günümüz otomotiv çeliği, birkaç on yıl önceki çeliğe kıyasla çok daha çok üstündür. Araştırmalar sayesinde otomotiv çeliği alanında büyük gelişmeler olmuştur. Şimdi çelik sac levhalar eskiden olduğuna göre daha ince ve daha ince olmaktadır ve aynı zamanda çeliğin dayanıklılığı ve korozyona karşı direnci geliştirilmiş çok. Yeni karşılıklı yeni malzemelerin etkisine karşı, birçok çelik şirketi aktif olarak araç şirketlerle hafif, yüksek dayanımlı çelik geliştirmek için çalışıyor bu can rengarenk olan alüminyum alaşımı, plastik ve karbon elyaf takviyeli kompozitler.

Demir ve çelik döküm tesisi

1. Tanımsız Terim: "Yüksek Dayanımlı Çelik"

Modern otomobil pazarında, pek çok marka "yüksek dayanımlı çelik" kullandığını iddia eder, ancak bu terimin birleşik bir endüstri standardı yoktur. Çelik teknolojisi ilerledikçe bu etiketle ilişkilendirilen mukavemet eşikleri de değişmiştir. Durum, "Yeni", "Tüm Yeni" veya "Nesil Ötesi" versiyonlar olarak pazarlanan otomobil modellerine benzer şekilde gelişmektedir. Pazarlama departmanları genellikle 300 MPa'nın üzerindeki çelikleri "yüksek dayanımlı" olarak sınıflandırır, ancak bu başlık altında yer alan farklı çeliklerin mukavemetleri %100'e varan oranlarda değişebilir.

Otomotiv çeliği konusunu açıklamak için öncelikle tarihsel gelişimini anlamamız gerekir.

Çin'de çelik gelişimi

Bronzdan Demire: Çin'in Yeniliği

Çelik, Çin'de Bahar ve Güz Dönemi'nden (yaklaşık MÖ 770–210) beri uzun bir geçmişe sahiptir. O dönemde bronz baskın bir metaldi ancak dayanıklı aletler ya da silahlar için çok kırılgandı. Eski Çin mühendisleri yumuşak, blok şeklinde demir üretmek amacıyla bir eritme fırını süreci kullanmaya başladılar. O dönemde demir aletlerin bronzla karşılaştırıldığında sınırlı avantajları vardı ama sonraki metal işleme alanındaki atılımlar için temel oluşturdu.

Han Hanedanı Dönemindeki İlerlemeler

Han Hanedanlığı dönemi sırasında (MÖ 202–MS 220), zambak destekli fırınlar ergitme sıcaklıklarını yükseltti ve sertliği kontrol etmek için karbonlama teknolojisi geliştirildi. "Karıştırma döküm süreci" ile metalururlar çeviricilerde erimiş demiri karıştırarak alaşım elementleri ekleyebildiler. Katı işlemlerle safsızlıkları giderme teknikleriyle birlikte bu yöntemler özellikle silahlarda kullanılan yüksek kaliteli demir üretmeyi sağladı. Kazılan Han mezarlarında sıklıkla bu tür silahlar bulunur ve yaygın kullanımını gösterir.

Tang Hanedanlığı Dönemindeki Ustalık

Tang Hanedanı'na (618–907 CE) gelindiğinde demirciler, demir ürünlerdeki karbon oranını kontrol edebiliyorlardı ve bu da %0,5–0,6 karbon içeren çeliklerin üretimini sağlıyordu—çeliğin modern tanımı budur. Sertliği ve tokluğu optimize etmek amacıyla sandviç bıçak teknikleri gibi yöntemler geliştirildi.

yeşim saplı demir

Resimdeki demir silahlar, eski Çin'den gelen yeşim saplı demir kılıçlardır. Bu durum, o dönemde eritme teknolojisinin ileri düzeyde olduğunu göstermektedir. Demir silahlar yaygın olarak kullanılıyordu. Demir bıçaklar, ji, mızraklar ve oklar gibi farklı türleri de vardı. Demir, bronzun yerini tamamen almış ve insanlık Demir Çağı'na girmişti.

tang Hanedanı için kullanılan çelik bıçaklar y

Çin'deki Tang Hanedanı döneminde eritme ve dövme tekniklerinde değişiklik olmadı aşikar . Ancak, biriken deneyim sayesinde demirciler demir ürünlerdeki karbon oranını kontrol edebilir hale geldiler. Temsilci Tang dönemine ait bıçakların karbon oranı yaklaşık olarak %0,5 ile %0,6 arasında değişmekteydi ve bu oran çelik aralığı içerisine düşmektedir.

Çelik üretiminin bugünkü uygulamasında, karbon oranının kontrol edilmesi hâlâ temel bir unsurdur. Kullanım amacına göre oranı ayarlamak, çeliğin tokluğunu ve sertliğini ayarlanabilir hale getirir. Her iki özelliğe sahip bıçaklar elde etmek için antik çağ insanları kaplama ve sandviç teknikleri gibi yöntemler geliştirdi. Ancak bu yöntemler bu makalenin kapsamı dışındadır.

(Birinci Sanayi Devrimi )

Birinci Sanayi Devrimi

Birinci Sanayi Devrimi koyuyoruz demir üretiminin sanayileşmeye geçişi. İnsanların çelik talebindeki ilk sıçrama, Sanayi Devrimi sırasında gerçekleşti. Buhar makinesinin icadı, insanlığı ağır emek yoğun üretimden ve hayvan gücüne dayalı üretimden ilk kez kurtardı; yakıtla çalışan makineler ise insan üretkenliğini çok daha yüksek seviyelere çıkardı.

İngiliz tekstil fabrikaları, buhar motorlarına ve çelikten yapılan dokuma tezgahlarına bağımlıydı

(buharlı lokomotif )

Buharlı trenler ayrıca raylarla birlikte büyük miktarda çelik tüketiyordu. İngiltere'de i̇ngiliz tekstil fabrikalarında çalışan kadın grupları yerine gürültülü çelik makinelerdi. Avrupa kıtası boyunca demir raylar döşendi. Buharlı lokomotifler ana ulaşım aracı olarak at arabalarının yerini almaya başladı the ana ulaşım aracı olarak at arabaları aletleri. O zamandan beri insanlar çeliksiz yaşamayı başaramadı ve talep gün be gün arttı.

(İkinci Sanayi Devrimi sırasında Ford Motor'un ilk montaj hattı)

 İkinci Sanayi Devrimi, otomobilleri çelikle ilişkilendirdi  malzeme .

(Xiaomi 's Yeni Çıkan SUV: YU7)

Şimdi, bazı yüksek performanslı arabalar hâlâ üretiliyor - Ne? çelikten. İkinci Sanayi Devrimi sırasında otomobiller ortaya çıktığında çelik endüstrisi yeni bir düzeye ulaştı. O zamandan beri bu iki sektör sıkı bir şekilde bağlandı. Modern arabalar artık "Mercedes-Benz No. 1" gibi görünmese de, üretimlerinde halen yaygın olarak çelik kullanılmaktadır; hatta bazı süper arabalarda bile kullanılmaktadır.

Otomotiv çeliğinin dayanım sınıfları  

Modern Araç Gövdelerinde Gerçekten Nasıl Kullanılır Yüksek Mukavemetli Çelik

Modern araçlarda, aracın gövdesi farklı dayanıma sahip çelik levhaların kaynak edilmesiyle oluşturulur . Mühendisler, yapının her bölümünün maruz kalacağı gerilim seviyelerine göre uygun çelik sınıfını seçerler. Kalın çeliğin kullanılamadığı yüksek gerilim bölgelerinde aşırı yüksek dayanımlı çelik kullanılır. Söylendiği gibi, "En iyi çeliği en çok ihtiyaç duyulan yere kullanın."

Gövde Çelik Dayanım Tabloları: Gösterilenler ve Gösterilmeyenler

Birçok araba üreticisi yüksek dayanımlı çelik kullanıldığını iddia etsede araç gövdesi yapı diagramlarını yayınlayan markalardan birkaçıdır , ancak bu grafiklerin çoğu daha güçlü çeliğin uygulandığı genel alanları vurgular ve bununla birlikte çekme dayanımı değerlerini belirtmez kesin çekme dayanımı değerleri . Güçlü AR-GE yeteneklerine sahip, iyi bilinen markalar bu tür teknik verileri paylaşmada daha da çekingen davranmaktadır.

Terminolojiyi Anlamak

Japonya ve Güney Kore'de yüksek dayanımlı çelik genellikle "yüksek gerilim çeliği" olarak adlandırılır. Çeliğin dayanımı tipik olarak MPa (megapaskal) cinsinden ölçülür. Ölçek hakkında bir fikir vermek gerekirse: 1 MPa, malzeme deformasyona uğramadan sadece 1 santimetrekare yüzey alanına uygulanan yaklaşık iki karpuzun ağırlığına eşit olan 10 kilogramlık kuvvetin etkisine denk gelir.

Tamamı Değil, Stratejik Uygulama

Vücut yapı diyagramlarını analiz ederek şu açıkça görülür: aşırı yüksek dayanımlı çelik (ör. 1000 MPa veya daha fazla) sadece belirli bileşenlerde kullanılır; örneğin çarpışma önleme kirişleri ve kritik takviye bölgeleri gibi . Vücudun çoğu hâlâ düşük veya orta dayanımlı çelikten yapılmaktadır; şekillendirilmesi daha kolay ve maliyet açısından daha ekonomiktir. Bu seçici kullanım hem fonksiyonel ihtiyaçlara hem de üretim sınırlamalarına dayanmaktadır .

Pazarlama Sloganlarıyla Kandırılmayın

Aşağıdaki gibi ifadelerle karşılaştığınızda "Araç gövdesimiz 1000 MPa sınıfı yüksek dayanımlı çelik kullanmaktadır." bunları doğru bir şekilde yorumlamak önemlidir. Bu, vücudun tamamının bu tür gelişmiş malzemelerden yapıldığı anlamına gelmez. Çoğu durumda sadece yerel parçalar—örneğin kapı darbe kirişleri —bu dayanıklılık seviyesine ulaşabilir. Vücudun geri kalanı ise genellikle güvenlik, maliyet ve üretilebilirlik arasında denge sağlayan çeşitli malzemelerden oluşur.

 3, kalıp alma işlemine uygun yeni çelik malzemeler

Kalıp alma, gövde üretiminde kullanılan temel yöntemdir.
Kalıp alma şekillendirmesinin ardından hala kalıpta olan gövde parçaları

Malzeme dayanımındaki artış, işleme zorluğu gibi sorunlara neden olur. Çoğu binek otomobil, malzemeyi şekillendirmek için kalıpların kullanıldığı presleme yöntemiyle üretilir; bu da Play-Doh'u şekillendirmeye benzer. Ancak şimdi, otomotiv çelik sacın daha yüksek dayanımıyla birlikte presleme süreçlerine dair gereksinimler daha da artmıştır. Ayrıca, malzemenin çatlamaya ve buruşmaya meyilli olduğu birçok derin çekme parçası bulunmaktadır. Örneğin köşe bölgeleri, genellikle yırtılma ve buruşmanın meydana geldiği "ölü noktalar"dır. Bu aynı zamanda çelik sacın preslenmesi sırasında gerilme ve kalıp ile sürtünme gibi sorunların her zaman var olduğunu gösterir. Bunlar iç gerilmeler ya da yüzey hasarlarından dolayı preslenmiş parçalarda kusurlara yol açacaktır.

(otomotiv gövdesi yapısal çeliği)

Sacın İncelme Dağılımı  

Yukarıdaki durumların yaşanmaması için üreticiler, çelik levhanın presle şekillendirilmesi sırasında meydana gelen deformasyonu incelemeli ve yırtılmayı önlemelidir. Ancak çelik levhanın mukavemeti ne kadar yüksek olursa o kadar bir çelişki ortaya çıkar. .Yan panel, tüm aracın en büyük presle şekillendirme parçasıdır ve aynı zamanda iS şekillendirilmesi en zor komponenttir. Bu nedenle üreticiler, çelik levhanın preslenmesi sırasında iç gerilmeleri inceler ve biriken iç gerilmelerin mümkün olduğu kadar yok edilmesini sağlar. Aynı zamanda büyük alanlı pres parçalarının kalınlığını incelemek, çelik levhanın hangi bölgelerinin aşırı gerildiğini ve hangi pres derinliğinin çelik levhanın yırtılmadan kalmasını sağlayacağını ortaya koyar.

Yeni tip çelik, yüksek malzeme dayanıklılığı nedeniyle sac şekillendirme ve zor işleme sorunlarını çözebilir. Yüksek dayanımlı çeliğin saclama problemini kökten çözmek için yeni tip bir çelik otomobil gövdelerinin üretiminde uygulanmaktadır. Bu çeliğin matrisi yumuşaklık ve tokluk sağlayan ferritten oluşur ve içinde sertliği iyi olan martensit gömülüdür. Sac sırasında daha kolay şekillenir ve şekillendirilen malzeme önemli ölçüde dayanıklıdır.

(Otomotiv A-direği sac parçaları )

Bazı ısıl işlem görmüş yüksek dayanımlı yapısal komponentler

B-direği gibi özellikle takviye gerektiren pozisyonlar için bazı üreticiler ısıl işlem prosesini kullanır. Şekillendirilmiş B-direği, çeliğin iç kristal yapısını daha mükemmel hale getirmek amacıyla ısıtılır ve su verilir. Bu, porselen yapımında hamurdan şekil verip sonra sertleştirmek amacıyla ısıtmaya benzer bir süreçtir. Genellikle bu şekilde ısıl işlem görmüş parçalar siyah renkte olur.

3.Otomotiv Çeliklerinin Korozyon Direnci

(Otomotiv üretiminde kullanılmak üzere çelik bobinler )

Otomobiller, düşük alaşımlı çelikler kullanılarak üretilmektedir.

Günümüzde otomotiv çeliği, çelik türlerinin bir kolu olan düşük alaşımlı çelikler kategorisine girmektedir. Bu çeliğin büyük çoğunluğunu demir elementleri oluşturmaktadır; yalnızca küçük miktarda alaşım elementleri, örneğin karbon, silikon, fosfor, bakır, mangan, krom, nikel vb. içermektedir. Bu alaşım elementlerinin oranı %2,5'i geçmemektedir.

Düşük alaşımlı çelikler, mükemmel işleme performansı ve dayanıklılığa sahipken aynı zamanda iyi bir korozyon direncine de sahiptir. Olağan düşük karbonlu çelik doğal ortamlarda kırmızımsı-kahverengi bir oksit tabakası oluşturur; bu tabaka çok gevşek yapıdadır ve yaygın olarak pas olarak bilinir. Buna karşın, düşük alaşımlı çelikler kahverengi renkte yoğun bir oksit katmanı meydana getirir ki bu katman çelik yüzeyine sıkıca tutunarak dış çevrenin iç çeliği aşındırmasını engelleyecek bir bariyer görevini yerine getirir. Bu paslanmaya karşı koruma mekanizması, alüminyum alaşımları ve çinko alaşımlarının mekanizmasına benzemekle birlikte düşük alaşımlı çeliklerin stabil bir koruyucu pas tabakası oluşturabilmesi birkaç yıl sürebilir. Pas tabakasının rengi açık sarıdan kahverengine doğru geçiş gösterir. Oysa alüminyum alaşımları neredeyse anında koruyucu bir pas tabakası oluşturur.

Yağış etkisine dayanıklı çelik, genellikle bina cephelerinde açık şekilde kullanılır.

Pas tabakası oluştuuktan sonra hava çeliği özel bir sanatsal etki yaratır ve bu nedenle ileri görüşlü tasarımcılar tarafından çok beğenilen bir yapı malzemesi haline gelir.

Bu özelliğinden dolayı düşük alaşımlı çelik, hava çeliği (hava ile paslanmaya dayanıklı çelik) olarak da bilinir. Hava çeliği genellikle araçlar, gemiler, köprüler, konteynerler vb. ürünlerin imalatında kullanılır ve yüzeyleri genellikle boyanmıştır. Ancak mimari dekorasyonlarda, açıkta bırakıldığında paslanma sorununa uğramadığı için hava çeliğinin açık şekilde kullanılması tercih edilir. Ayrıca oluşturduğu kahverengi pas tabakası, estetik olarak farklı bir sanatsal efekt meydana getirir ve bu yüzden kaynaklı hava çeliği levhalar, özel binaların cephe yapımında yaygın olarak tercih edilir.

Çeliğin özelliklerindeki iyileşme sebebiyle otomobil üreticileri, paslanmaya karşı koruyucu tedbirlere gittikçe daha kayıtsız davranmaktadır.

Otomobiller konusunda, birçok üretici artık daha az şasi lastik kaplama kullanıyor; bu durum yaygın olarak lağım kalkanı olarak bilinir. Birçok yeni aracın şasisi doğrudan çelik sacı ortaya çıkarır ve bunların üzerinde sadece fabrika çıkışı astar boyası ile dış görünümü eşleştiren renkli boya bulunur. Bu durum, bu araçların üretim sürecinde yalnızca elektroforetik astarlama ve renkli boyama süreçlerinden geçtiğini gösterir. Ön tekerleklerin gerisindeki sıçratma alanında sadece ince bir tabaka yumuşak lastik kaplama bulunur ve bu da tekerlekler tarafından kaldırılan çakıl taşlarının şasi çeliği üzerindeki etkisini önler. Bu değişiklikler, üreticilerin ürünlerinin korozyon direncine olan güvenini yansıyan bir yapıdadır.

(Lağım Kalkanı )

Xiaomi SU7 şasi koruma plakası

İleri düzeydeki işletmeler plastik şasi koruma plakaları kurarlar.

Koruma plakalarının altında, sadece basit bir işlemden geçirilmiş halen çelik levhalar bulunmaktadır. Zevkli üreticiler şasiye plastik koruma plakaları takarlar. Bu plakalar sadece şasi çeliğini çakıl taşına karşı yalıtmakla kalmaz, aynı zamanda şasi altındaki hava akımını düzenler. Bu plastik koruma plakaları altında, şasi çeliğinin üzerinde sadece bir tabaka astar boya vardır.

Otomotiv çeliği gelişigüzel kullanılmaz. İşadamlarının maliyeti düşürme kararı, genellikle büyük faydaları küçük tasarruflar uğruna feda eder ve teknisyenler patronların kararlarını geçici olarak iptal edemez.

Her kuralın bir istisnası vardır ve bu istisnalar genellikle Çin'de gerçekleşir. Birkaç yıl önce, yeni kurulan yerel bir marka otomobil üretiminde düşük karbonlu çelik kullandı; bunun sonucunda iki yıl içinde şasi paslandı ve benzer durumlar yakın zamanda yeniden gündeme geldi. Bazen liderlerin keyfi kararları gerçekten endişe vericidir. İşadamları teknik tartışmalara müdahale ettiğinde sonuç her zaman öngörülemez olur.

Otomotiv Çeliklerinin Geleceği

Günümüzde otomotiv çelik sac kalınlığı 0,6 mm'ye kadar düşürülmüştür ve bence bu, çelik kalınlığının ulaşabileceği sınıra gelindiğini göstermektedir. Eğer sac daha da inceltilirse yüksek dayanımlı olsa bile malzemenin taşıdığı yapısal stabiliteyi kaybeder. Otomotiv çelik sac şimdi yeni malzemelerden gelen artan zorluklarla karşı karşıyadır. Demirin atom ağırlığı yoğunluğunun değiştirilemeyeceğini belirlediği için inceletme yoluyla hafifletme adımı bir çıkmaza ulaşıyor gibi görünmektedir. Alüminyum alaşımlar artık yüksek segment araçlarda yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Tümüyle alüminyumbdan üretilmiş SUV’lerin yanı sıra ön yapılarında alüminyum kullanılan 5 Serisi ve A6 modelleri bu eğilimi göstermektedir.