Nå bruker bilfabrikkene mye mer avansert høyfast stål (AHSS) – og press-støpt aluminium for å spare vekt og forbedre kjøreegenskapene.
Bildet øverst: Det var intens forskning hos svenske SSAB og amerikanske US Steel som gjorde at vi kan lage biler som blir MYE sikrere uten å bli særlig tyngre. Her et moderne stålkarosseri fra prosjekt ULSAB, Ultra Light Steel Auto Body. (Foto: US Steel)
Av Stein Bekkevold
En nyere bil har robuste sikkerhetssoner foran og bak, og et sterkt og stivt bur i midten. Fordi sonene må gi økt motstand når kollisjonen nærmer seg buret, bygges de av ulike stål-typer. Og buret bygges av det aller sterkeste stålet – for når smellen kommer dit må den stanses, kort og brutalt. Plateprofiler gjør jobben, formet som hule bjelker. Alt er gjerne av stål. Type AHSS. La oss se:
AHSS
er bilstål med god mikrostruktur, det metallurger kaller ekstra nedkjølingsfaser – som er ferritt, perlitt og sementitt – og som oppstår når atomene samles i krystaller mens smelten størkner; AHSS betyr Advanced High Strength Steel.
Stålene inneholder også martensitt, bainitt, og austenitt; de seks mulige krystalltypenes vekst styres av mange oppvarminger og nedkjølinger, gjennom tidssoner – eksakt styrt opphold i den og den temperaturen med presis avkjøling. Dette gir den kornstrukturen i størrelse og fordeling som gir oss akkurat det vi vil ha, seigt eller tøft stål, men hele tiden sterkt. Mange av stålene herdes ekstra i prosessen, du legger et mykt stål i formen, presser, og ut kommer en bit som kanskje er 30-40 prosent sterkere – den er arbeidsherdet. Og det finnes stål som er utfellingsherdende, de blir enda tøffere etter å ha vært i lakkeringsboksen en stund i 200-300 grader C – eller mer … Kjemisk/metallurgisk tryllekunst!
Bakgrunn
Stål er en karbonkontrollert versjon av jern. Rent stål er jern med litt karbon (kullstoff) – ofte under en prosent. Jern og stål er metaller du kan gjøre nesten hva du vil med, om du har en smeltedigel – en konverter – og råvarer, varme og et system som blåser inn luft og annet i smelten, som oksygen og nitrogen.
Du kan lage hva du vil om du styrer mengden karbon, og på sekundet styrer avkjølingen. Det handler som sagt om krystallstruktur. Jern/stål er akkurat som andre faste metaller etkrystallinsk materiale. Om jern har mer enn 2,1 prosent karbon er det ikke stål, men sprøtt støpejern …
Når stålet kommer ferdig renset og legert ut fra smelteovnen blir det støpt til en blokk som valses ut mens den kjøles på kontrollert vis, så verket etter mye om og men får akkurat det stålet bilfabrikken vil ha. (Foto: SSAB)
Krystallstruktur
Stål er et utrolig materiale med varianter som austenitt, ferritt, martensitt, øvre bainitt, nedre bainitt, perlitt – og sfæroditt. Mengden og miksen avgjør hva slags stål du får.
Vår gamle lærebok sier at austenitt er krystalltypen med flatesentrert kubisk form. Dette ble kalt gammajern. Og du kunne bare få dette om smelten ble holdt stille mellom 723 og 1500 grader C – avhengig av karboninnholdet. I dag lager de austenitt i romtemperatur bare ved å lure inn nikkel og/eller mangan i smelten ….
Mange slags stål
Når austenitt kjølner for å bli ønsket stål, flyter karbonet (C) ut og danner C-rike jernkarbider, tilbake blir karbonfattig ferritt (jern). Om du nå vil ha et tøft stål som heter martensitt etter oppfinneren, kjøler du smelten lynraskt slik at karbon ikke får tid til å stikke av, og i stedet blir en rom-sentrert, stiv krystall.
Slik får du akkurat det stålet du er på jakt etter bare ved å styre temperaturen opp og ned, og passe på hva du setter til i smelten. Da kan du lage seige stål, harde stål, myke stål og ekstremt sterke (høyfaste) stål. Og altså stål som øker styrken når du presser det, og enda litt til når du lakkerer bilen.
Trikser du med krom og nikkel så får du rustfrie stål også. Og med litt annet lurt som mangan, får du spenstig fjærstål. Utrolig.
Håndverk
Det meste av dette fant de ut på 1800-tallet i England, der et antall dyktige oppfinnere med Henry Bessemer og brødrene Siemens i spissen, godt støttet av monsieur Martin, utviklet moderne smelteovner som fornyet stålproduksjonen. Nå er disse i stor grad erstattet av digre elektriske ovner som smelter om og foredler stålskrap. Gjenvinning i enorm skala. Før alt dette var stålfremstilling et håndverk forbeholdt smeder, og så ble det industri. Og stålprisen sank …
Så hva har du i bilen?
Du har minst fire typer stål. Helt foran har du slike som greit lar seg krølle sammen, de deformasjonsvillige – tofase eller TRIP (transformasjonsindusert plastisitet). Bakover mot skilleveggen har du tøffere stål, for nå må økende krefter fanges. Her er det ofte robust martensitt.
I sidestolpene, som må ta opp enorme krefter finner du det tøffeste – høyfast stål med grunnstoffet bor, mens noen også inneholder silisium, magnesium, niob og mangan – og da har du nesten en aerospace-legering. Noen slenger i litt titan også, det hjelper stålet til å danne fine korn og sterkere stål, slik også niob gjør. Det er ikke måte på.
Stolpene danner buret som skal redde liv, så her er det ikke spart på noe. Har fabrikkene spart – eller slurvet med beregningene, blir de avslørt i testene hos Euro NCAP. Der får de beste bilene fem stjerner og rosende omtale. Etter hvert får de fleste fabrikkene dette, og da er målet nådd. Også er kineserne kommet …
Syv typer
Hva vi deler de ulike stålene inn i har variert, men nå begynner det å ordne seg. Stålfabrikkene lager nå syv ulike AHSS og ingeniørene har lært hvor i bilen de skal ha hva. De kan velge tofasestål her og kompleksfase der, martensitt et sted og stål med mer bainitt et annet. Det fine er at de stort sett veier det samme (7,85 kg/dm3), er like greie å sveise og vaske/lakkere, og like stive er de alle sammen, med 210 GPa.
Det er bare bruddstyrke og deformasjonsvillighet som skiller dem, og derfor gjør de hver sin jobb, rundt, inni og under bilen. Uten stål hadde vi ikke hatt de bilene vi har i dag. Så får de som driver med aluminium og fiberplast heller bli fornærmet.
US Steel
Det meste av denne forskningen er utført av svenske SSAB (Svenskt Stål AB) og i det amerikanske programmet ULSAB, Ultra Light Steel Auto Body. Bak dette står giganter som US Steel og de andre sværingene.
