Еволюція та майбутнє автомобільної сталі: від давньої технології до сучасної інженерії

Вступ: значення автомобільної сталі

Використання сталі для виготовлення автомобілі є загальновизнаним фактом у сучасному світі. Проте, багато хто досі обмежує своє уявлення про автомобільну сталь лише низьковуглецевою стальню хоча це й одна сталь, сучасна автомобільна сталь значно перевищує ту, що використовувалася кілька десятиліть тому. За останні роки дослідження в галузі автомобільної сталі досягли величезних успіхів. Сьогодні листи автомобільної сталі стають все тоншими багато тоншими , а також зростає їхня міцність і стійкість до корозії. Сталь тепер має нові властивості покращено багато. До каса вплив нових матеріалів, багато сталевих компаній активно співпрацює з транспортний засіб компаніями для розробки легких, високоміцних сталей що можуть конкурувати з алюмінієві сплави, пластик і карбонові композити.

Завод з виплавки чавуну та сталі

1. Невизначене поняття: «Високоміцна сталь»

На сучасному автомобільному ринку багато брендів стверджують, що використовують «високоміцну сталь», але цей термін не має єдиного галузевого стандарту. Разом із розвитком технологій сталі, зростають і показники міцності, пов’язані з цим позначенням. Ситуація схожа на автомобільні моделі, які маркетуються як «Нові», «Оновлені» чи «Покоління Next». Відділи маркетингу часто класифікують сталь з межею міцності понад 300 МПа як «високоміцну», хоча різні види сталі у цій категорії можуть відрізнятися за міцністю на 100%

Щоб прояснити тему автомобільної сталі, спочатку треба зрозуміти її історичний розвиток.

Розвиток сталі в Китаї

Від бронзи до заліза: китайські інновації

Сталь має довгу історію, що сягає періоду Весни й Осені та періоду Боротьби держав у Китаї (приблизно 770–210 рр. до н. е.). Тоді бронза була основним металом, але вона була занадто крихкою для виготовлення міцних інструментів чи зброї. Стародавні китайські інженери почали використовувати технологію домниці для отримання м'якого заліза блоками. Хоча інструменти з заліза на той час мало переважали над бронзою, вони заклали основу для подальших досягнень у металургії.

Досягнення періоду династії Хань

У період династії Хань (202 р. до н. е. – 220 р. н. е.) за допомогою мехів підвищувалася температура у печах, а також було розроблено технологію насичнення вуглецем для контролю над твердістю. «Процес перемішування» дав можливість металургам змішувати розплавлене залізо в конвертерах та додавати легуючі елементи. Разом із техніками складання та кування, які використовувалися для видалення домішок, ці методи створювали високоякісне залізо, яке в основному використовувалося для виготовлення зброї. У могилах періоду Хань часто знаходять таку збрю, що свідчить про її широке використання.

Майстерність періоду династії Тан

До часів династії Тан (618–907 рр. н.е.) ковалі вміли контролювати вміст вуглецю в залізних виробах, отримуючи сталь із вмістом 0,5–0,6% вуглецю — сучасне визначення сталі. Були розроблені технології, такі як шарувате виготовлення клинків, щоб оптимізувати твердість і міцність.

залізо з нефритовою ручкою

Залізні військові знаряддя на картинці — це мечі з нефритовою ручкою з давнього Китаю. Це свідчить про те, що технологія плавки металу була добре розвинена тогочасною. Залізні військові знаряддя широко використовувалися. Існували різні види, такі як залізні ножі, списи, довгокілі та стріли. Залізо повністю замінило бронзу, і людство увійшло в залізний вік.

сталеві ножі, використані для династії Тан y

У період династії Тан у Китаї технології плавки та кування не змінювалися очевидно льно. Однак, завдяки накопиченому досвіду, ковалі могли контролювати вміст вуглецю в залізних виробах. Вміст вуглецю в типових ножах епохи Тан становив приблизно від 0,5% до 0,6%, що потрапляє в діапазон сталі.

У сучасному виробництві сталі контроль вмісту вуглецю залишається фундаментальним. Коригування його вмісту залежно від передбаченого використання дозволяє змінювати міцність і твердість сталі. Щоб створювати клинки з властивостями обох типів, давні майстри винайшли техніки, такі як облицювання і шарувате поєднання сталі. Проте ці методи виходять за межі цієї статті.

(Перша промислова революція )

Перша промислова революція

Перша промислова революція поставити перехід виробництва заліза до індустріалізації. Перший стрибок у потребі людства у сталі стався під час промислової революції. Винахід парового двигуна вперше звільнив людство від важкої фізичної праці та виробництва, заснованого на тваринах, а машини, що працювали на паливі, підняли продуктивність праці людини на значно більш високий рівень.

Британські текстильні мільйони залежали від парових двигунів і ткацьких верстатів, виготовлених із сталі

(паровоз )

Паровози також були великими споживачами сталі, разом із відповідними залізничними коліями. В британські текстильних мільйонах групи жінок, які керували замість цього було шумні сталеві машини. По всьому Європейському континенту прокладали залізничні колії. Паровози почали замінювати цей кінні карети як основний засіб транспорту інструменти. З того часу люди не могли обійтися без сталі, і попит постійно зростав.

(Перша потокова лінія Ford Motor під час Другої промислової революції)

 Друга промислова революція пов’язала автомобілі зі сталлю  матеріал .

(Xiaomi 'новий випуск кросовера: YU7)

Тепер деякі високопродуктивні автомобілі все ще виготовляються від сталі. Під час Другої промислової революції, коли з'явилися автомобілі, сталеві галузі досягли нового рівня. З того часу ці дві галузі тісно пов’язані. Навіть сучасні автомобілі більше не нагадують "Mercedes-Benz No. 1", сталь широко використовується при їх виробництві, у тому числі в деяких суперкарах.

Класи міцності автомобільної сталі  

Як насправді використовується високоміцна сталь у сучасних кузовах автомобілів

У сучасних автомобілях кузов виготовляється шляхом зварювання сталевих листів різної міцності . Інженери підбирають відповідний клас сталі залежно від рівня напруження, яке кожна частина конструкції має витримувати. У місцях із великими навантаженнями — де використання товстішої сталі не є можливим — використовується надвисокоміцна сталь . Як кажуть у народі, «Використовуй найкращу сталь там, де вона потрібна найбільше»

Діаграми міцності кузова: що показано, а що — ні

Багато автовиробників стверджують, що використовують сталь високої міцності високоміцну сталь деякі марки публікують діаграми конструкції кузова , але більшість цих діаграм лише підкреслюють загальні зони, де використовується більш міцна сталь, не уточнюючи точні значення межі міцності . Відомі бренди з потужними дослідницькими та розробницькими можливостями часто ще більше стримані у наданні таких технічних даних.

Розуміння термінології

У Японії та Південній Кореї високоміцну сталь зазвичай називають «сталь високого натягу» Міцність сталі зазвичай вимірюється в МПа (мегапаскалях) . Для кращого розуміння масштабу: 1 МПа дорівнює силі 10 кілограмів (приблизно вага двох кавунів), прикладеній до площі поверхні всього 1 квадратний сантиметр, без деформації матеріалу.

Стратегічне застосування, а не повне покриття

Аналізуючи діаграми конструкції кузова, стає зрозуміло, що використовується надвисокоміцна сталь (наприклад, 1000 МПа або більше) використовується лише в окремих компонентах — таких як антиударні балки та ключові зони підсилення . Більша частина кузова все ще виготовлена з сталі нижчої або середньої міцності , яка простіша у формуванні й економічніша. Такий вибірковий підхід ґрунтується як на функціональних потребах, так і на обмеженнях виробництва .

Не дайте себе ввести маркетинговим гаслам

Коли ви стикаєтеся з фразами типу "Кузов нашого автомобіля виготовлений зі сталі класу 1000 МПа", важливо правильно їх інтерпретувати. Це не означає, що весь кузов виготовлений з таких передових матеріалів. У більшості випадків лише окремі частини — наприклад, енергопоглинаючі балки дверей — можуть досягати такого рівня міцності. Решта конструкції кузова зазвичай виконана з комбінації матеріалів, які забезпечують баланс між безпекою, вартістю та технологічністю виробництва.

 3, нові сталеві матеріали, що добре підходять для штампування

Штампування є основним методом виготовлення кузова.
Кузовні деталі, які залишаються на матриці після формування штампуванням

Підвищення міцності матеріалу призводить до проблеми важкості обробки. Більшість легкових автомобілів виготовляють шляхом штампування, тобто використовуючи матриці для видавлювання матеріалів у потрібну форму — подібно до формування пластиліну. Тепер, через більшу міцність автомобільних сталевих листів, вимоги до процесів штампування стали жорсткішими. Крім того, існує багато глибоковитягуваних компонентів, що робить матеріал схильним до тріщин і зморшок. Наприклад, кутові ділянки є найбільш схильними до виникнення «мертвих кутів» під час штампування, де найчастіше відбувається розривання та зморшкування. Це також свідчить про те, що під час штампування сталевих листів завжди існують проблеми, пов'язані з розтягуванням та тертям об матрицю. Це може спричинити дефекти штампованих деталей через внутрішні напруження або пошкодження поверхні.

(конструкційна сталь для кузова автомобіля)

Розподіл утоншення листів  

Щоб уникнути вищевказаних ситуацій, виробникам потрібно досліджувати деформацію сталевих листів під час штампування, щоб запобігти розриву. Однак завжди існує суперечність: чим вища міцність сталевого листа .Бічна панель є найбільшою штампованою деталлю всього автомобіля і також є найважче формоване компонент. Тому виробники досліджують внутрішні напруження сталевого листа під час штампування, щоб максимально усунути накопичені внутрішні напруження. У той же час, дослідження товщини великих штампованих деталей може показати, які частини сталевого листа суттєво розтягнуті, а також яка глибина штампування забезпечить відсутність розриву сталевого листа.

Новий тип сталі може вирішити проблему штампування та важкої обробки, спричинених високою міцністю матеріалу. Щоб фундаментально вирішити проблему штампування високоміцної сталі, новий тип сталі застосовується для виробництва кузовів автомобілів. Основою цієї сталі є ферит із доброю м’якістю та в’язкістю, у який вбудовано мартенсит із доброю твердістю. Під час штампування її легше формувати, а отриманий матеріал має значну міцність.

(Автомобільні панелі стовпчика A )

Деякі термооброблені високоміцні конструкційні компоненти

Для місць, таких як стовпчик B, які особливо потребують підсилення, деякі виробники використовують процес термообробки. Сформований стовпчик B піддається нагріванню та загартуванню, щоб внутрішня кристалічна структура сталі стала досконалішою. Це схоже на процес формування з глини та подальшого нагрівання для затвердіння під час виготовлення фарфору. Як правило, ці термооброблені деталі часто мають чорний колір.

3.Корозійна стійкість автомобільних сталей

(Зварювальні електроди для виробництва автомобілів )

Автомобілі виготовляють із застосуванням низьколегованих сталей.

На даний момент автомобільна сталь належить до категорії низьколегованих сталей, яка є галуззю металургії. Більшу частину цієї сталі становлять залізні елементи, а також лише мала кількість легуючих елементів, таких як вуглець, кремній, фосфор, мідь, марганець, хром, нікель тощо. Вміст цих легуючих елементів не перевищує 2,5%.

Низьколеговані сталі виявляють чудову оброблюваність та міцність, а також мають гарну стійкість до корозії. Звичайна низьковуглецева сталь у природних умовах утворює червоно-буре оксидне шар, який є дуже рихлим і загальновідомий як іржа. Натомість, низьколеговані сталі формують буре щільне оксидне покриття, яке міцно прилипає до поверхні сталі, виступаючи бар'єром, що запобігає подальшому руйнуванню внутрішнього металу зовнішнім середовищем. Цей антикорозійний механізм є дещо схожим на механізм алюмінієвих та цинкових сплавів, за винятком того, що для низьколегованих сталей потрібно кілька років, щоб сформувався стабільний захисний шар іржі, колір якого змінюється від світло-жовтого до коричневого, тоді як алюмінієві сплави утворюють захисний шар майже миттєво.

Сталі з підвищеною опором до атмосферних впливів часто використовують відкритими на фасадах будівель

Сталеві сплави з високим опором до атмосферної корозії утворюють спеціальний художній ефект після формування шару іржі, стаючи матеріалом, який схвалюють передові дизайнери.

Унаслідок цієї особливості низьколеговану сталь також називають сталлю з високим опором до атмосферної корозії (стійкою до погодних умов). Сталі з високим опором до атмосферної корозії зазвичай використовуються для виготовлення транспортних засобів, суден, мостів, контейнерів тощо, їхні поверхні зазвичай фарбують. Однак у декоративному оформленні надають перевагу використанню сталі з високим опором до атмосферної корозії без захисного покриття, адже при відкритому використанні вона не ржавіє. Крім того, коричневий шар іржі, який вона утворює, створює унікальний художній ефект, що робить зварені плити з такої сталі поширеним вибором для фасадів особливих будівель.

Унаслідок поліпшення характеристик сталі виробники автомобілів стають дедалі байдужішими до антикорозійних обробок.

Щодо автомобілів, то багато виробників тепер використовують менше шарів гумового покриття на шасі, яке у просторіччі часто називають «бронею шасі». Шасі багатьох нових автомобілів безпосередньо експонує сталеві листи, які мають лише первинний фарбування з заводу та кольорове фарбування, що відповідає зовнішньому оформленню. Це свідчить про те, що ці автомобілі під час виробництва проходять лише процеси електрофоретичного грунтування та кольорового фарбування. Лише у ділянці за передніми колесами нанесено тонкий шар м’якого гумового покриття, який запобігає пошкодженню сталі шасі від каміння, що викидається колесами. Ці зміни, схоже, відображають впевненість виробників у корозійній стійкості своїх продуктів.

(Броня шасі )

Пластина захисту шасі Xiaomi SU7

Софістикований підприємства встановлюють пластикові захисні пластина шасі.

Під захисними плитами все ще є сталеві листи, які пройшли лише просту обробку. Деякі добросовісні виробники встановлюють пластикові захисні плити на шасі. Ці плити не тільки можуть ізолювати сталеве шасі від ударів гравію, але й організовувати потік повітря під шасі. Під цими пластиковими захисними плитами сталь шасі має лише один шар грунтівки.

Автомобільна сталь не використовується хаотично. Рішення бізнесменів скоротити витрати часто призводять до того, що великі переваги жертвуються задля малих економій, і технічні фахівці не можуть змінити рішення керівництва.

Виняток із правил існує завжди, і саме в Китаї такі винятки трапляються досить часто. Кілька років тому нова вітчизняна марка використала для виготовлення автомобілів низьковуглецеву сталь, що призвело до корозії шасі всередині двох років — і подібні випадки знову з'явилися нещодавно. Інколи справді лякають рішення, прийняті керівниками хаотично. Коли бізнесмени втручаються у технічні обговорення, результат завжди передбачити неможливо.

Майбутнє автомобільних сталей

Наразі товщина автомобільних сталевих листів зменшилася до 0,6 мм, на мою думку, це вже межа товщини сталі. Якщо стальний лист буде тоншим, навіть за високої міцності, він втратить властиву матеріалу структурну стабільність. Сталеві листи для автомобілів сьогодні стикаються із зростаючими викликами з боку нових матеріалів. Атомна вага заліза визначає те, що його густоту не можна змінити, а шлях зменшення ваги за рахунок зменшення товщини, здається, досяг глухого кута. Сплави алюмінію тепер поступово набувають широкого вжитку у преміальних автомобілях. Повністю алюмінієві позашляховики, а також серії 5 і A6, що використовують алюміній для передньої конструкції, всі ці ознаки вказують на цю тенденцію.