Sự phát triển và tương lai của thép ô tô: Từ kỹ thuật cổ đại đến kỹ thuật hiện đại

Giới thiệu: Tầm quan trọng của thép ô tô

Việc sử dụng thép để chế tạo xe hơi là điều cơ bản và dễ hiểu đối với người hiện đại. Tuy nhiên, nhiều người hiểu biết về thép dùng trong ô tô vẫn còn dừng lại ở mức thép carbon thấp. Dù cả hai đều là thép, nhưng thép ô tô ngày nay đã vượt trội hơn rất nhiều nhiều so với loại thép dùng trong ô tô từ vài thập kỷ trước. Trong những năm gần đây, nghiên cứu về thép ô tô đã đạt được nhiều tiến bộ lớn. Hiện nay, các tấm thép dùng cho ô tô ngày càng mỏng hơn , đồng thời độ bền và khả năng chống ăn mòn của thép đã được cải thiện được cải tiến rất nhiều. Để đếm đối phó với tác động từ các vật liệu mới, nhiều công ty thép đang tích cực hợp tác cùng phương tiện giao thông các công ty phát triển thép nhẹ, độ bền cao là cAN cạnh tranh với hợp kim nhôm, nhựa và vật liệu composite sợi carbon gia cố.

Nhà máy luyện kim sắt và thép

1. Thuật ngữ chưa xác định: "Thép độ bền cao"

Trên thị trường ô tô hiện đại, nhiều thương hiệu tuyên bố sử dụng "thép độ bền cao", nhưng thuật ngữ này thiếu tiêu chuẩn ngành thống nhất. Khi công nghệ thép tiến bộ, ngưỡng cường độ liên quan đến nhãn hiệu này cũng thay đổi theo. Tình hình tương tự như các mẫu xe được quảng bá là phiên bản "Mới", "Hoàn Toàn Mới" hoặc "Thế Hệ Tiếp Theo". Các phòng marketing thường phân loại thép có độ bền trên 300 MPa là "thép độ bền cao", mặc dù các loại thép khác nhau trong cùng danh mục này có thể có độ bền chênh lệch tới 100%.

Để làm rõ chủ đề về thép dùng trong ô tô, trước tiên chúng ta phải hiểu quá trình phát triển lịch sử của nó.

Sự phát triển thép tại Trung Quốc

Từ Đồng sang Sắt: Đột phá sáng tạo của Trung Quốc

Thép có một lịch sử lâu đời bắt nguồn từ thời Xuân Thu và Chiến Quốc ở Trung Quốc (khoảng 770–210 TCN). Vào thời điểm đó, đồng thau là kim loại chủ đạo nhưng quá giòn để chế tạo các công cụ hoặc vũ khí bền bỉ. Các kỹ sư người Trung Quốc thời cổ đại đã bắt đầu sử dụng phương pháp luyện sắt bằng lò thủ công để sản xuất sắt non dạng khối mềm. Mặc dù các công cụ bằng sắt lúc bấy giờ chưa thực sự vượt trội so với đồng thau, chúng đã đặt nền móng cho những bước đột phá sau này trong ngành luyện kim.

Những tiến bộ vào thời nhà Hán

Vào thời nhà Hán (202 TCN–220 SCN), việc dùng bếp lò được cải tiến với ống bễ giúp tăng nhiệt độ luyện kim, đồng thời phát triển công nghệ thấm carbon để kiểm soát độ cứng. Phương pháp "luyện đảo" cho phép các thợ luyện kim khuấy gang nóng chảy trong các thiết bị chuyển hóa và thêm các nguyên tố hợp kim. Kết hợp với kỹ thuật gấp lớp và rèn đập để loại bỏ tạp chất, những phương pháp này đã tạo ra loại sắt chất lượng cao chủ yếu được dùng để chế tạo vũ khí. Các ngôi mộ khai quật thời Hán thường chứa những món vũ khí như vậy, cho thấy việc sử dụng phổ biến.

Sự tinh thông vào thời nhà Đường

Đến triều đại nhà Đường (618–907 CN), các thợ rèn đã có thể kiểm soát hàm lượng carbon trong các sản phẩm bằng sắt, tạo ra thép với 0,5–0,6% carbon — định nghĩa hiện đại của thép. Các kỹ thuật như rèn lõi thép được phát triển để tối ưu hóa cả độ cứng và độ dẻo dai.

sắt cán - chuôi ngọc

Các vũ khí bằng sắt trong hình là những thanh kiếm bằng sắt cán ngọc từ thời cổ đại Trung Quốc. Điều này chứng tỏ công nghệ luyện kim lúc đó đã rất phát triển. Vũ khí bằng sắt được sử dụng rộng rãi. Ngoài ra còn có nhiều loại khác nhau như dao găm bằng sắt, kích (ji), giáo và tên. Sắt hoàn toàn thay thế đồng thau, và nhân loại bước vào thời đại đồ sắt.

dao thép dùng cho triều Đường y

Trong thời nhà Đường ở Trung Quốc, kỹ thuật luyện và rèn kim không có gì thay đổi rõ rệt . Tuy nhiên, thông qua kinh nghiệm tích lũy, các thợ rèn đã có thể kiểm soát được hàm lượng carbon trong các sản phẩm bằng sắt. Hàm lượng carbon trong các con dao tiêu biểu của triều Đường vào khoảng từ 0,5% đến 0,6%, nằm trong khoảng của thép.

Trong ngành luyện thép ngày nay, việc kiểm soát hàm lượng carbon vẫn là yếu tố cơ bản. Việc điều chỉnh hàm lượng này dựa trên mục đích sử dụng có thể làm thay đổi độ dẻo dai và độ cứng của thép. Để chế tạo lưỡi dao có cả hai đặc tính này, người xưa đã phát minh ra các kỹ thuật như bọc thép và tạo cấu trúc thép dạng sandwich. Tuy nhiên, những kỹ thuật này nằm ngoài phạm vi bài viết này.

(Cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ nhất )

Cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ nhất

Cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ nhất đặt sự chuyển dịch sản xuất sắt ra công nghiệp hóa. Bước nhảy đầu tiên về nhu cầu thép của nhân loại diễn ra trong thời kỳ Cách mạng Công nghiệp. Phát minh ra động cơ hơi nước đã lần đầu tiên giải phóng nhân loại khỏi lao động thủ công nặng nhọc và sản xuất dựa vào sức kéo động vật, đồng thời các máy móc chạy bằng nhiên liệu đã nâng cao năng suất lao động lên mức cao hơn nhiều.

Các nhà máy dệt ở Anh phụ thuộc vào động cơ hơi nước và khung cửi được làm từ thép

(đầu máy xe lửa chạy hơi nước )

Các đầu máy xe lửa chạy hơi nước cũng tiêu thụ một lượng thép lớn, cùng với đường ray sắt đi kèm. Vào anh các nhà máy dệt, nhóm những người phụ nữ vận hành thay vì bởi những chiếc máy móc bằng thép ồn ào. Trên khắp châu Âu, đường ray sắt được trải dài. Đầu máy hơi nước bắt đầu thay thế the xe ngựa kéo trở thành phương tiện giao thông chính công cụ. Kể từ đó, con người không thể sống thiếu thép, và nhu cầu ngày càng tăng lên từng ngày.

(Dây chuyền lắp ráp đầu tiên của Ford Motor trong thời kỳ Cách mạng Công nghiệp lần thứ hai)

 Cách mạng Công nghiệp lần thứ hai đã kết nối ô tô với ngành thép  vật liệu .

(Tiểu Mi 's Chiếc SUV Mới Ra Mắt: YU7)

Bây giờ, một số chiếc xe hiệu suất cao vẫn được làm bằng by thép. Trong thời kỳ Cách mạng Công nghiệp lần thứ hai, khi ô tô xuất hiện, ngành công nghiệp thép đã phát triển lên một tầm cao mới. Kể từ đó, hai lĩnh vực này luôn gắn bó chặt chẽ với nhau. Dù những chiếc ô tô hiện đại ngày nay không còn giống với chiếc "Mercedes-Benz No. 1" nữa, thép vẫn được sử dụng rộng rãi trong sản xuất ô tô, bao gồm cả một số siêu xe.

Các cấp độ bền của thép dùng trong ô tô  

Thép cường độ cao thực sự được sử dụng như thế nào trong khung xe hiện đại

Trong các phương tiện hiện đại, khung vỏ xe được chế tạo bằng cách hàn các tấm thép có độ bền khác nhau lại với nhau . Các kỹ sư chọn loại thép phù hợp dựa trên mức độ chịu lực mà mỗi bộ phận của khung xe dự kiến phải chịu. Ở những khu vực chịu lực lớn – nơi việc sử dụng thép dày hơn không khả thi – thép siêu bền sẽ được áp dụng. Như câu nói thường ngày: "Hãy dùng loại thép tốt nhất ở nơi cần thiết nhất."

Biểu đồ độ bền thép thân xe: Những gì được hiển thị và chưa được hiển thị

Nhiều nhà sản xuất ô tô tuyên bố sử dụng thép cường độ cao thép cường độ cao sơ đồ cấu tạo khung xe , nhưng hầu hết các biểu đồ này chỉ nhấn mạnh vào các khu vực chung mà thép bền hơn được áp dụng, mà không chỉ rõ giá trị độ bền kéo chính xác . Các thương hiệu nổi tiếng với năng lực nghiên cứu và phát triển mạnh thường còn kín tiếng hơn nữa trong việc chia sẻ dữ liệu kỹ thuật như vậy.

Hiểu rõ thuật ngữ

Tại Nhật Bản và Hàn Quốc, thép có độ bền cao thường được gọi là "thép căng cao. " Độ bền của thép thường được đo bằng MPa (megapascal) . Để bạn hình dung dễ hơn: 1 MPa tương ứng với lực của 10 kilogram (khoảng trọng lượng của hai quả dưa hấu) tác động lên một diện tích bề mặt chỉ 1 centimet vuông, mà không làm vật liệu biến dạng.

Ứng dụng chiến lược, chứ không phải phủ toàn bộ

Bằng cách phân tích các sơ đồ cấu trúc khung xe, rõ ràng là thép siêu bền (ví dụ: 1000 MPa trở lên) chỉ được sử dụng trong một số bộ phận cụ thể — như dầm chống va chạm và các vùng gia cố trọng yếu . Phần lớn khung xe vẫn được làm từ thép có độ bền thấp hoặc trung bình , dễ tạo hình hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Việc sử dụng chọn lọc này dựa trên cả nhu cầu chức năng và các điều kiện sản xuất .

Đừng Bị Đánh Lừa Bởi Các Câu Chào Hàng

Khi bạn gặp phải những cụm từ như "Khung xe của chúng tôi sử dụng thép độ bền cao cấp 1000 MPa," điều quan trọng là diễn giải chúng một cách chính xác. Điều này không có nghĩa toàn bộ khung xe đều được làm từ loại vật liệu tiên tiến như vậy. Trong hầu hết các trường hợp, chỉ những bộ phận cụ thể — ví dụ như các dầm cửa chống va chạm — mới đạt đến mức độ bền đó. Phần còn lại của cấu trúc khung xe thường sử dụng sự kết hợp của nhiều vật liệu nhằm tạo ra sự cân bằng giữa an toàn, chi phí và khả năng sản xuất.

 3, vật liệu thép mới thuận lợi cho việc dập khuôn

Dập khuôn là phương pháp chủ yếu để chế tạo khung xe.
Các bộ phận khung xe vẫn còn trên khuôn sau khi quá trình dập tạo hình hoàn tất

Việc tăng cường độ bền của vật liệu gây ra vấn đề về gia công khó khăn. Hầu hết các xe du lịch đều được sản xuất bằng phương pháp dập, tức là sử dụng khuôn để ép vật liệu định hình—tương tự như việc tạo hình bằng đất nặn Play-Doh. Hiện nay, với độ bền cao hơn của thép tấm dùng trong ô tô, yêu cầu đối với quy trình dập trở nên khắt khe hơn. Thêm vào đó, có nhiều chi tiết phải dập sâu, khiến vật liệu dễ bị nứt và nhăn. Ví dụ, các vị trí góc cạnh là nơi dễ xảy ra "điểm chết" nhất trong quá trình dập, thường dẫn đến hiện tượng rách hoặc nhăn. Điều này cũng cho thấy rằng khi dập tấm thép, luôn tồn tại các vấn đề như giãn dài và ma sát với khuôn dập. Những yếu tố này sẽ gây ra các khuyết tật trên các bộ phận đã dập do ứng suất bên trong hoặc hư hại bề mặt.

(thép kết cấu thân xe)

Phân bố độ mỏng của tấm  

Để tránh các tình huống nêu trên, các nhà sản xuất cần nghiên cứu sự biến dạng của tấm thép trong quá trình dập để ngăn ngừa hiện tượng rách. Tuy nhiên, luôn tồn tại một mâu thuẫn là độ bền của tấm thép càng cao .Tấm hông xe là bộ phận dập lớn nhất của toàn bộ xe và cũng đã là chi tiết khó tạo hình nhất. Do đó, các nhà sản xuất sẽ nghiên cứu ứng suất bên trong của tấm thép trong quá trình dập nhằm loại bỏ tối đa ứng suất tích tụ. Đồng thời, việc nghiên cứu độ dày của các bộ phận dập diện tích lớn có thể cho biết những phần nào của tấm thép bị kéo giãn nghiêm trọng và độ sâu dập nào có thể đảm bảo tấm thép không bị rách.

Loại thép mới có thể giải quyết vấn đề về tạo hình dập và gia công khó khăn do độ bền vật liệu cao. Để giải quyết triệt để vấn đề dập thép độ bền cao, một loại thép mới đang được áp dụng trong sản xuất thân xe ô tô. Ma trận của loại thép này là ferit có độ mềm và độ dẻo tốt, trong đó chứa các pha martensit có độ cứng cao. Thép dễ tạo hình hơn trong quá trình dập, đồng thời vật liệu sau khi tạo hình vẫn có độ bền đáng kể.

(Các chi tiết tấm kim loại trụ A của xe hơi )

Một số bộ phận cấu trúc có độ bền cao sau nhiệt luyện

Đối với những vị trí như trụ B cần gia cố đặc biệt, một số nhà sản xuất sử dụng quy trình xử lý nhiệt. Trụ B sau khi tạo hình sẽ được nung nóng và tôi để làm cho cấu trúc tinh thể bên trong thép trở nên hoàn thiện hơn. Quy trình này tương tự như cách tạo hình bằng đất sét rồi nung lên để định hình trong quá trình làm gốm sứ. Thông thường, các bộ phận qua xử lý nhiệt này thường có màu đen.

3.Khả năng chống ăn mòn của thép ô tô

(Cuộn thép dùng cho sản xuất ô tô )

Ô tô được chế tạo bằng thép hợp kim thấp.

Hiện nay, thép sử dụng trong ngành ô tô thuộc nhóm thép hợp kim thấp, là một phân nhánh của thép. Thành phần chủ yếu của loại thép này là sắt, chỉ chứa một lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim như carbon, silic, phốt pho, đồng, mangan, crom, niken... Hàm lượng các nguyên tố hợp kim này không vượt quá 2,5%.

Thép hợp kim thấp thể hiện tính năng gia công và độ bền tuyệt vời, đồng thời có khả năng chống ăn mòn tốt. Thép carbon thông thường tạo thành một lớp oxit màu nâu đỏ trong môi trường tự nhiên, lớp oxit này rất xốp và thường được gọi là gỉ sắt. Ngược lại, thép hợp kim thấp tạo ra một lớp oxit màu nâu sẫm, đặc chắc bám chặt vào bề mặt thép, đóng vai trò như một lớp bảo vệ ngăn cản sự ăn mòn từ môi trường bên ngoài vào bên trong thép. Cơ chế chống gỉ này khá tương tự với cơ chế của hợp kim nhôm và hợp kim kẽm, chỉ khác là thép hợp kim thấp cần mất vài năm để hình thành một lớp gỉ bảo vệ ổn định, màu sắc của lớp gỉ chuyển dần từ vàng nhạt sang nâu sẫm, trong khi đó hợp kim nhôm hình thành lớp gỉ bảo vệ gần như tức thì.

Thép chịu thời tiết thường được sử dụng trần trên các mặt dựng công trình

Thép chống thời tiết tạo ra hiệu ứng nghệ thuật đặc biệt sau khi hình thành lớp gỉ, do đó trở thành vật liệu xây dựng được các nhà thiết kế hiện đại ưa chuộng.

Do đặc tính này, thép hợp kim thấp còn được gọi là thép chống thời tiết (thép chịu ăn mòn thời tiết). Thép chống thời tiết thường được sử dụng để chế tạo xe cộ, tàu thuyền, cầu đường, container, v.v., bề mặt của chúng thường được sơn phủ. Tuy nhiên, trong trang trí kiến trúc, người ta lại ưa chuộng việc sử dụng trần thép chống thời tiết, bởi vì nó không bị gỉ xuyên qua khi để lộ thiên. Ngoài ra, lớp gỉ màu nâu mà nó tạo ra mang đến hiệu ứng nghệ thuật độc đáo, khiến các tấm thép chống thời tiết hàn trở thành lựa chọn phổ biến cho mặt tiền của những công trình kiến trúc đặc biệt.

Nhờ cải thiện tính chất của thép, các nhà sản xuất ô tô đang ngày càng lơ là trong xử lý chống gỉ.

Đối với ô tô, nhiều nhà sản xuất hiện nay sử dụng ít lớp phủ cao su ở khung gầm hơn, thường được gọi một cách thông tục là "giáp bảo vệ khung gầm". Khung gầm của nhiều xe mới trực tiếp để lộ các tấm thép, chỉ được phủ lớp sơn lót nguyên bản và sơn màu trùng với màu ngoại thất. Điều này cho thấy những chiếc xe này chỉ trải qua quá trình sơn lót điện phân và sơn màu trong quá trình sản xuất. Chỉ khu vực bắn nước phía sau bánh trước có một lớp cao su mềm mỏng nhằm ngăn đá sỏi bị bánh xe hất lên va đập vào khung thép gầm xe. Những thay đổi này dường như thể hiện sự tự tin của các nhà sản xuất về khả năng chống ăn mòn của sản phẩm.

(Giáp bảo vệ khung gầm )

Tấm bảo vệ khung gầm Xiaomi SU7

Các doanh nghiệp chuyên nghiệp lắp đặt các tấm bảo vệ khung gầm bằng nhựa.

Dưới các tấm bảo vệ, vẫn còn những tấm thép chỉ được xử lý đơn giản. Một số nhà sản xuất kỹ tính lắp thêm các tấm bảo vệ bằng nhựa dưới gầm xe. Những tấm này không chỉ giúp cách ly thép gầm xe khỏi tác động của sỏi đá mà còn điều hướng luồng không khí bên dưới gầm xe. Dưới các tấm bảo vệ bằng nhựa này, thép khung gầm chỉ được phủ một lớp sơn lót duy nhất.

Thép ô tô không được sử dụng một cách tùy tiện. Các quyết định cắt giảm chi phí của giới kinh doanh thường dẫn đến việc hy sinh lợi ích lớn vì tiết kiệm nhỏ, và các kỹ thuật viên không thể làm gì được khi cấp trên đã quyết.

Cái gì cũng có ngoại lệ, và những ngoại lệ đó thường xảy ra ở Trung Quốc. Vài năm trước, một thương hiệu nội địa mới nổi đã sử dụng thép carbon thấp trong sản xuất xe, dẫn đến tình trạng gỉ sét khung xe chỉ sau hai năm — và gần đây lại xuất hiện các trường hợp tương tự. Đôi khi, những quyết định được đưa ra một cách cảm tính từ các nhà lãnh đạo thực sự rất đáng lo ngại. Khi giới kinh doanh can thiệp vào các thảo luận kỹ thuật, kết quả luôn khó lường.

Tương lai của Thép Ô tô

Hiện tại, độ dày của các tấm thép ô tô đã được giảm xuống còn 0.6mm, mà tôi tin rằng đã đạt đến giới hạn về độ dày của thép. Nếu tấm thép mỏng hơn nữa, ngay cả khi có độ bền cao, nó cũng sẽ mất đi tính ổn định cấu trúc vốn có của vật liệu. Các tấm thép ô tô hiện đang phải đối mặt với những thách thức ngày càng gia tăng từ các vật liệu mới. Trọng lượng nguyên tử của sắt quyết định rằng mật độ của nó không thể thay đổi, và con đường giảm trọng lượng thông qua việc làm mỏng vật liệu dường như đã đi vào ngõ cụt. Hợp kim nhôm hiện đang dần được sử dụng rộng rãi trên các dòng xe cao cấp. Những chiếc SUV hoàn toàn bằng nhôm, cũng như các mẫu xe Seri 5 và A6 sử dụng nhôm cho cấu trúc phía trước, đều cho thấy xu hướng này.