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工程材料

汽车用钢材的知识

时间:2016-07-02 22:26:00   作者:未知   来源:网络文摘   阅读:213   评论:0
    在混杂的汽车市场,现在很多企业都说自己用了“高强度钢”,其实什么级别的钢算“高强度钢”没有一个准确定义,它的指标是随钢材强度提升过程增长的。其实就类似于如今车型名称里的“新”,什么“新XX车型”、“全新XX车型”、“新一代XX车型”都是相对于上一代说的。于是企业市场部继续发挥混淆视听大放烟幕弹,只要是300Mp级别以上的都叫“高强度钢”。都叫“高强度钢”的钢材可能强度差出一倍。

  基于以上两点,我觉得可以聊一聊车用钢的话题,而为了内容的丰富,我觉得可以先从钢的应用历史聊起。

1、钢铁的发展略史

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春秋战国时期就开始有关于炼铁的记载

  说起钢的历史,最早可以追溯到春秋战国时期。当时的主流金属材料是青铜,这一点毋庸置疑。但是青铜无论是作为工具还是武器都存在“脆”的问题,为了找到更好的替代材料,当时的人们开发了早期的冶铁技术。春秋战国时期的冶铁技术被称为“块炼法”,是因为炼出的铁呈块状,而且很软。此时的铁器相比青铜器没有太大的技术优势。

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汉代的冶铁技术进步,铁器逐渐普及

  到了汉代,冶炼技术得到改进,风箱的升级使得冶铁炉的炉温升高,并且人们意识到碳对于铁硬度的影响,开始出现渗碳技术。汉代的冶炼方法被称为“炒钢法”,是因为炼钢时搅拌锅中铁水并加入合金元素的过程类似于炒菜。另外,为了排除杂质,折叠锻打技法也趋于成熟。优质的铁首先用来制作兵器,于是在很多汉代墓葬中出土了铁质兵器。

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出土的三国时期铁刀

  图中这些铁质兵器均为三国时期的吴国制造,可见当时冶铁技术已非常成熟,铁质兵器得到普遍使用,形制上也产生了铁刀、铁戟、铁矛、铁镞等等,铁已经完全取代了青铜的地位,人类历史进入了铁器时代。

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唐刀的材料已经可叫做钢

  到了唐代,其实冶炼和锻打方法没有非常明显的改变,通过日积月累的经验,铁匠们已经可以控制铁制品内部的含碳量。像有代表性的唐刀的含碳量大约在0.5%-0.6%之间,这个碳含量已经属于钢的范畴。含碳量得到控制使唐刀兼顾韧性和硬度,这也是唐刀名扬海外的原因之一。其实今天的钢铁冶炼中最基础的部分也是控制含碳量,根据用途不同调整含碳量以调整钢的韧性和硬度这两个主要性质。当然,古人为了使刀剑同时具备韧和硬发明了包钢、夹钢等制作工艺,这已不在本文讨论范围。

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第一次工业革命将制铁推上了工业化的道路

  人类对于钢铁需求量的第一次飞跃是第一次工业革命时期。蒸汽机的发明使得人类第一次摆脱了繁重的体力劳动和依赖畜力进行的生产,燃料驱动的机器将人类的生产效率提高了几个等级。

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英国的纺织厂依赖于钢铁制造的蒸汽机和织布机

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蒸汽机车也钢铁的消耗大户,以及与之配套的铁轨

  在英格兰的纺织厂里已经不见成群的女工操作木质纺织机织布,取而代之的是轰隆作响的钢铁机器。欧洲的大陆上也架起了铁轨,蒸汽机车开始取代马车成为人类的主要交通工具。从这时起,人类已经无法离开钢铁,并且对钢铁的需求与日俱增。

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第二次工业革命将汽车与钢铁联系到了一起

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如今,少量高性能车仍然使用钢铁制造

  第二次工业革命时期汽车诞生了,与此同时钢铁行业也跨上了一个新台阶,二者之间百年纠葛也从此开始。时至今日,现代的汽车上虽然已经看不到“奔驰一号”的影子,但是它们仍然在使用钢铁制造,甚至是一些超级跑车。

2、汽车用钢的强度等级

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现代汽车的车身由多种不同强度的钢材拼焊而成

  现代汽车的车身都是由不同强度的钢板拼焊在一起的,不同强度等级的钢板用于受力环境不同的位置,一些受力条件比较苛刻,又不能使用粗厚钢板的位置则使用强度最高的钢材,正所谓“好钢用在刀刃上”。

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厂商公布的车身用钢强度图

  目前很多厂家都宣称自己用的是“高强度钢”,但是有底气公布车身各部位钢材强度图的却没多少,有的厂家就算公布了车身强度图,也只是示意了不同强度钢材用在了不同位置,并没有标示钢材的具体强度数值。另一些品牌实力雄厚的企业更是不屑于公布这些数据。

 

  解释一些名词:日本人和韩国人管高强度钢叫做高张力钢。Mp(兆帕)是强度单位,1Mp的强度相当于在1平方厘米(指甲盖那么大)的面积上施加10kg(俩西瓜)的力而该受力材料不变形。

 

  通过公布的车身强度图来看,其实最高强度的钢用量并不多,只是用在了防撞梁和一些加强部位上,车身大部分结构钢的强度并不高。这是以受力情况不同为根据的设计,,毕竟高强度钢的价格不菲,而且不易加工。

 

  因此,在看厂商宣传资料时看到“我们的车身采用了1000Mp级别高强度钢制造”这种宣传语时不要误以为全车都是用这种钢造的,实际上可能只有四门防撞梁那几根杆达到了这个强度级别。

3、利于冲压的新型钢材

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冲压是车身制作的主要方法

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冲压成型还在模具上的车身零件

  材料强度上去了带来的问题是难以加工。一般轿车都是采用冲压的方法制造,即用模具挤压材料成型,类似于玩培乐多彩泥。现在车用钢板强度高了就对冲压工艺要求更高,而且现在深冲部件很多,材料容易出现裂纹和折皱。

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冲压损坏的零件

  上图中的部件就是冲压不合格产品,钢板未能按要求延展成型。边角位置是冲压最容易出现死角的位置,一般撕裂和折皱都会出现在该位置。

 

  同时也说明钢板在被冲压时总是会有拉伸,和模具的摩擦等问题。这些都会造成冲压成型的零件因内部应力或者表面损伤而存在缺陷。

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侧围是全车尺寸最大的冲压件,也是最难成型的部件

  所以生产厂家都会研究冲压时钢板的内部应力情况,尽量消除内部积累的应力。同时对于大面积冲压件的厚度研究可以知道钢板那些部位拉伸比较严重,多大冲深可以保证钢板不撕裂。

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新型钢材可以解决冲压成型和材料强度高难加工的问题

  为了根本上解决高强度钢的冲压问题,一种新型钢材正在被应用于汽车车身的生产。这种钢材的基质是比较柔软韧性好的铁素体,其中镶嵌了硬度好的马氏体。在冲压时比较容易成型,成型后的材料又具有相当的强度。

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一些经过热处理的高强度结构件

  对于B柱这种特别需要加强的位置,有些厂家会采用热处理工艺,成型后的B柱再经过加热和淬火使钢内部晶相结构更完美。这就相当于瓷器制作时用陶土塑造成型后再加热固化的过程。一般这些热处理零件往往呈现出一种黑色。

4、汽车用钢的耐腐蚀性

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汽车制造使用的是低合金钢

  目前汽车用钢属于低合金钢范畴,这是钢材中的一个分支,这种钢材中大部分是铁元素,只有少量的合金元素,例如:碳、硅、磷、铜、锰、铬、镍等,这些合金元素含量不超过2.5%。

  低合金钢具有优秀的加工性能和强度表现,同时它还具有良好的耐腐蚀性。一般的低碳钢在自然环境中会生成棕红色的氧化层,这些氧化层非常酥松,也就是我们常说的铁锈。而低合金钢在自然环境中会生成褐色的致密氧化层,紧紧附着在钢表面,起到隔绝内部钢继续被外界侵蚀的作用。这种防锈机理有些类似于铝合金、锌合金,只是低合金钢锈层变成稳定的保护性锈层往往需要几年的时间,锈层的颜色从浅黄到褐色,而铝合金生成保护性锈层只需一瞬。

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耐候钢经常裸露使用在建筑外立面

  耐候钢生成锈层后具有特殊的艺术效果,因此成为很受新锐设计师幻影的建材。

  由于这种特性,低合金钢又可称耐候钢(耐气候腐蚀钢)。耐候钢通常用来制作车辆、船舶、桥梁、集装箱等,而且都会在其表面用油漆涂装。但是在建筑装饰领域则倾向于裸露使用耐候钢,因为耐候钢裸露使用也不会出现锈穿问题,而且它自身产生的褐色锈层能够产生一种独特的艺术效果,所以一些特殊建筑常用耐候钢板焊接起来做外立面使用。

 

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由于钢材性能的提升,汽车厂商的防锈处理也越来越草率

  至于汽车,目前很多厂商都越来越少的使用底盘橡胶喷涂,即民间常说的“底盘装甲”。很多新车底盘直接外露钢板,钢板表面只有原厂底漆和与外观同色的色漆。说明出厂时这些车辆只经过电泳镀底漆和色漆喷涂工序。只有前轮后面的溅射区会有薄薄一层的软性橡胶涂层,这些涂层的作用是防止车轮带起的砂石撞击底盘钢板。从这些变化似乎可以看出厂家对自身产品耐腐蚀能力的信心。

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讲究的企业会装上塑料底盘护板

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护板下面依然是只经过简单处理的钢板

  一些比较讲究的厂家会给底盘装上塑料护板,这些护板既能隔绝砂石撞击底盘钢板又能起到整理底盘气流的作用。而这些塑料护板下面也是只有一层底漆的底盘钢板。

 

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网友会认为这种锈层是质量问题

  至于悬挂这些可更换部件,厂商的处理就更加随意了。例如上图是一个网友在论坛里的提问,说自己的车底盘生锈。其实图中生锈的部位在出厂时都没有做过涂装,悬挂的一些部件是锻造的,由于锻造零件精度比较差,所以还要在其基础上再机加工出一些安装面,这些加工出来的安装面往往没有涂漆,直接暴露在空气中今天就会生锈,而这些黄色的锈就是耐候钢的初期锈层。

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类似情况在试车中非常常见

  在日常试车的过程中经常观察车辆悬挂和底盘,只要是钢制悬挂零件都会出现图中的情况,属正常现象,车主完全不用担心。相对于底盘悬挂这些看不见的部分,外观件的处理就精细多了,所以电镀、底漆、多层油漆主要是出于美观需求的考虑。

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集装箱也使用低合金钢制作,海中使用十几年不成问题

  另外一个实例是集装箱,使用耐候钢制造的集装箱也没有汽车这么复杂的镀锌、电泳底漆、多层喷涂表漆等等,在其生命周期中每天都要经历海风、海水、盐雾的腐蚀,使用环境比汽车恶劣的多,这些集装箱使用十几年也都不成问题,很多集装箱十几年后经过翻新还能继续用。

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汽车用钢不是随便乱用的,商人图便宜的决定总是捡了芝麻丢了西瓜,技术员拗不过大老板啊

  凡事都有特例,特例总在中国。几年前就有某刚起家的自主品牌用低碳钢造车,造成底盘两年锈穿的事。最近这样的事儿又发生了。有时候领导一拍脑袋的决定真是可怕,商人参与到技术问题的讨论中来其结果总是出人预料的。

5、汽车用钢的未来

  目前车用钢板的厚度已经降到了0.6mm,我认为这已经到了钢板厚度的极限,钢板再薄就算其自身强度再高也失去了很多材料本身的结构稳定性。现在车用钢板受到新材料的挑战越来越大。铁的原子量决定了其密度无法改变,通过减薄减重的道路似乎也走到了尽头。现在铝合金正逐渐在高端车上发扬光大,全铝的SUV,用铝做车头结构的5系和A6都在预示这一点。

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捷豹的全铝车身

  对于钢铁企业而言,汽车用钢占到了它们产品销量的1/3左右,一旦市场被制铝企业抢走,后果将是非常可怕的。所以现在钢铁企业都挖空心思把汽车企业和自己绑到一条船上,毕竟这么多年的关系积累下来的人情还是有的,于是汽车和钢铁企业联合开发新型钢材的情况非常多,特别是日本企业。日本汽车企业非常不愿意采用新材料,这么多年比较出名的铝制跑车只有本田的NSX。像R35这样的跑车都在使用钢制车身,这么重的车能挤进超跑阵营真是不容易,如果采用轻量化材料性能难道不会更好?

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塑料覆盖件越来越多

  另外塑料也对钢铁材料形成冲击,我们都知道汽车的外壳钢板完全只是构成形状、密闭车舱空间的,几乎不受力。如果用塑料来制造车辆外壳不但价格便宜、容易成型而且在行人保护和碰撞后自动恢复形状方面都比传统的软钢更有优势。塑料唯一的缺点就是阻燃性,但加入阻燃材料后能得到改善,所以很多塑料覆盖件也趋于实用化,例如Smart。

 

  面对新材料的围追堵截,钢铁还能在汽车上用多久令人生疑。不过鉴于目前仍然是商业社会,所有事情商人说了算,钢铁企业经过百年积累都实力雄厚,因金钱关系而阻碍新技术推进的例子也并不少见。只要有足够的喘息机会,钢铁企业也可以顺利转型为新材料综合企业,或者收购比较成熟的新材料业务。


标签:汽车钢材 

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