فولادهای ضد زنگ در صنایع خودروسازی

چکیده:
در این مقاله به بررسی انواع فولادهای ضد زنگ در صنایع خودرو می پردازیم. هم اکنون فولاد ضد زنگ در سیستم اگزوز خودروها بکار می‌رود. قطعات ساخته شده از این نوع فولاد که کارخانجات خودروسازی روی آنها کار می‌کنند عبارتند از: محفظه موتور، میله های داخلی خودرو، مخازن سوخت در عقب خودرو، سپرها و میله سپرها، صفحات ترمز، اجزاء حساس به برخورد، واشر دهانه سیلندر، قطعات سیستم تعلیق و جاذب انرژی، چرخها. این نوع فولاد به شکلهای اولیه ورق، فویل، میل گرد، سیم، لوله و غیره تولید می‌شود و سپس به صورت دلخواه مشتری تحویل داده می شود. فولادهای ضد زنگ معمولا می‌توانند توسط بسیاری از فرایندهای شکل دهی سرد تغییر شکل یابند. این فرایندها عبارتند از: پولک ‌زنی، خم کاری، سوراخکاری، نورد، ضربه ‌زنی، برجسته کاری، پرس کاری، شکل ‌دهی چرخشی و کشش عمیق.
کلمات کلیدی: فولاد ضد زنگ، هیدروفرمینگ، روانکار

مقدمه:
فولاد ضد زنگ نام گروهی از آلیاژهای آهنی حاوی مقادیر کروم بالا (بیش از 5/10 درصد) و کربن (به میزان حداکثر 2/1 درصد) به علاوه عناصر دیگری مثل نیکل، مولیبدن، آلومینیوم، تیتانیوم، سیلسیوم، نیوبیوم، نیتروژن، سولفور و سلنیوم است. این فولادها به اشکال مختلف از جمله ورق، فویل، میل گرد، سیم، لوله و محصولات نیمه‌تمام و غیره تولید می‌شوند. آلیاژ 304 از آلیاژهای معروف این گروه با 18 درصد کروم و 8 درصد نیکل است.

فولادهای ضد زنگ در صنعت خودروسازی:
فولاد ضد زنگ در صنعت به صورتها و اشکال مختلف تولید می گردد. کارایی و خواص اشکال مختلف فولاد ضد زنگ باعث شده که در صنعت به صورتهای مختلفی استفاده شوند. ذیلاً به تشریح خواص شکلهای مختلف این فولادها می پردازیم:

ورق نازک (SHEET):
ورق نازک به محصولات نورد تخت گفته می‌شود که عرضی معادل حداقل 610 میلی‌متر و ضخامتی کمتر از 76/4 میلی‌متر دارند. تقریبا همه فولادهای ضد زنگ بجز برخی انواع مارتنزیتی می‌توانند بصورت ورق نازک تولید شوند. به این صورت که ابتدا شمش آنها توسط ریخته‌گری بدست آمده و سپس نورد می‌شوند.

تسمه (STRIP):
تسمه محصول دیگر نورد تخت است که پهنایی کمتر از 610 میلی‌متر و ضخامت بین 13/0 تا 76/4 میلی‌متر دارد. تسمه‌‌ها پس از نورد داغ، مورد عملیات آنیل و سپس اسید شویی قرار گرفته و نورد سرد می‌شوند و به این ترتیب تسمه فولاد ضد زنگ (نورد سرد شده) بدست می‌آید. بسته به میزان ضخامت درخواستی نورد سرد در چند مرحله انجام می‌شود.

صفحه (PLATE):
صفحه، محصول نورد تخت یا آهنگری است که بیش از 250 میلی‌متر عرض و حداقل 76/4 میلی‌متر ضخامت دارد. فولادهای ضد زنگ فریتی پر آلیاژ، برخی فولادهای ضد زنگ مارتنزیتی از موارد تولید این محصول هستند.

فویل یا کاغذ فلزی (FOIL):
فویل نیز محصول فرایند نورد تخت است که تا 13/0 میلی‌متر ضخامت دارد و عرض آن کمتر از 610 میلی‌متر می‌باشد. فویلها از آلیاژهای 201، 202، 301، 302، 304، 305، 316، 321، 347، 430 و 442 و از یک سری آلیاژهای خاص ساخته می‌شوند. خواص مکانیکی فویلها به ضخامت آنها بستگی دارد. با کاهش ضخامت، استحکام کششی آنها افزایش و انعطاف‌پذیری آنها کاهش می‌یابد.

میله ‌گرد (BAR):
میله گردها یا میل گردها در ضخامتها و اشکال مختلف وجود دارند. میله گردها عموماً توسط نورد داغ، آهنگری یا پرش شمش شکل می‌گیرند که البته بعد از آن، برای رسیدن به ابعاد نهایی دوباره نورد داغ، آهنگری یا اکسترود می‌شوند.

شکل دهی فولاد ضد زنگ:
در حین فرایند تولید فولاد ضد زنگ معمولاً لایه ‌ای غیر فعال بر روی سطح آلیاژ تولید می‌شود. این آلیاژ به دلیل تشکیل لایه مذکور با ضخامت حدود 1 تا 2 نانومتر مقاومت بسیار خوبی در مقابل خوردگی از خود نشان می دهد. این لایه غیر فعال خود ترمیم بوده و بنابراین خسارات شیمیایی و مکانیکی ناشی از محیط ‌های اکسید کننده التیام یافته و از افزایش خوردگی جلوگیری می گردد. فولادهای ضد زنگ معمولا می‌توانند توسط بسیاری از فرایندهای شکل دهی سرد تغییر شکل یابند. این فرایندها عبارتند از: پولک ‌زنی، خم کاری، سوراخکاری، نورد، ضرب ‌زنی، برجسته کاری، پرس کاری، شکل ‌دهی چرخشی و کشش عمیق.

به طور کلی تمام تجهیزاتی که برای شکل ‌دهی فولاد کربنی ساده به کار می رود، برای فولاد ضد زنگ نیز مورد استفاده قرار می ‌گیرد. البته چون نیروی بیشتری برای شکل دهی فولاد ضد زنگ لازم است، ظرفیت دستگاه کاهش خواهد یافت. علاوه بر آن به ابزارهای شکل ‌دهی هم نیاز می باشد. فولادهای ضد زنگ استحکام بالاتری نسبت به فولادهای کربنی ساده دارند، در نتیجه موجب سایش بیشتر می‌شوند. بنابراین ابزار بکار گرفته شده در مورد این فولادها باید سخت ‌تر، صاف تر و دارای طراحی بهتر باشند. فولاد مورد مصرف در ابزار آلات با درجات بالاتر بکار می‌روند و اغلب دارای کاربید تنگستن و برنز آلومینیومی هستند. در مواردی که از همان ابزار مورد استفاده در فولادهای کربنی برای شکل دهی استفاده می‌شود، باید روانکارهایی با کیفیت بالاتر اعمال شود و کاهش عمر ابزار نیز در نظر گرفته شود. تقاضا برای فولادهای ضد زنگ روز به روز در حال افزایش است. موارد کاربرد فولاد ضد زنگ:

هم اکنون فولاد ضد زنگ در سیستم اگزوز خودروها بکار می‌رود. در اوایل دهه 90 میلادی سیستم اگزوز خودروها از فولادهای کربنی ساده یا فولادهای کربنی پوشش ‌دار ساخته می‌شد، اما امروزه اکثر خودروهای جدید برای افزایش مقاومت و ماندگاری، اگزوزهایی از جنس فولادهای ضد زنگ دارند. تقریبا 45 تا 50 پوند از فولادهای ضد زنگ مصرفی در صنعت خودروسازی، در سیستم اگزوز استفاده می‌شود. به علاوه اخیراً این فولاد در ساخت سیستمهای نگهداری، قطعات مربوط به ترمز و محفظه سوخت و در قابهای اتوبوس و کامیون به کار گرفته شده ‌است.
قطعات دیگر ساخته شده از این فولادها که در مرحله توسعه قرار دارند و سازندگان خودرو روی آنها کار می‌کنند عبارتند از: محفظه موتور، میله های داخلی، مخازن سوخت در عقب خودرو، سپرها و میله سپرها، صفحات ترمز، اجزاء حساس به برخورد، واشر دهانه سیلندر، قطعات سیستم تعلیق و جاذب انرژی و چرخها.
در دهه گذشته سازندگان و محققان برای تعیین فواید احتمالی شکل دهی این نوع فولاد بجای فولادهای کربنی یا آلومینیومی، بر روی کاربردهای مختلف فولادهای ضد زنگ در صنعت خودرو مطالعه کرده‌اند. به طور کلی هزینه تولید فولادهای ضد زنگ بیشتر از فولاد کربنی و آلیاژهای آلومینیوم است و به همین دلیل در ظاهر مقرون به صرفه به نظر نمی‌رسد ؛ اما وقتی نسبت استحکام به وزن بالای فولاد ضد زنگ را در نظر می‌گیریم، می‌توان از فولاد ضد زنگ سبکتر و نازکتر استفاده کرد و همچنین آن را می توان جانشین فولاد کربنی ضخیم ‌تر یا آلیاژهای آلومینیوم با استحکام بالا (سری 6000) در قطعات خودرو قرار داد. علاوه بر آن پتانسیل فولادهای ضد زنگ در ماندگاری و دوام طولانی می تواند منجر به صرفه‌جویی اقتصادی در چرخه عمر محصول شود. در صورت در نظر گرفتن خواص این فولادها در طراحی ‌های اولیه، بهترین صرفه‌جویی اقتصادی و بیشترین کاهش حجم در ماده مصرفی به دست خواهد آمد.

هیدروفرمینگ (Hydroforming):
هیدروفرمینگ به معنای شکل دهی فولاد به روش هیدرولیکی می باشد. برای بهره ‌برداری از مزیت کاهش وزن در فولادهای ضد زنگ باید اشکال برخی قطعات خودرو و همچنین چگونگی روش ساخت آنها اصلاح شده و یا تغییر یابد. مثلا برای استفاده از مزیت شکل پذیری این فولادها بهتر است برخی قطعات از لوله ‌های هیدروفرم شده (Hydroformed) ساخته شوند. محرک اولیه عمومیت یافتن هیدروفرم کردن (یا شکل دادن هیدرولیکی) بخصوص در صنعت خودروسازی، صرفه‌جویی های عمده در وزن، تعداد قطعات و . . . در مقایسه با روشهای متداول مثل Stamping (پرس کاری و قالب زنی) می‌باشد.
فرایند هیدروفرمینگ ورق‌ها معمولا به دو گروه هیدرواستاتیکی و هیدرومکانیکی تقسیم می‌شود (برخی از انواع روشهای مورد استفاده به عنوان اختراع به ثبت رسیده و Patent هستند مثل روش SMG یا شکل دهی پیچی).
روشهای هیدروفرمینگ تا مدتها مطرح بوده اند، اما هیچگاه از این روشها به اندازه ظرفیت آن در صنعت استفاده نشد. خواص کششی خوب فولادهای ضد زنگ آستنیتی در هنگام شکل دهی هیدرولیکی (بعنوان فرایندی که کنترل مناسبی بر میزان کاهش ضخامت ورق دارد)،‌ مزیت بزرگی محسوب می‌شود. مزیت اصلی شکل دهی مکانیکی، کشش عمیق آن است که در روش هیدروفرمینگ، قطعات می‌توانند بیشتر کشیده شوند (به عنوان مثال نسبت کشش در فولاد ضد زنگ می‌تواند از 2 به بیش از 5/2 افزایش یابد). مشکل اصلی شکل دهی هیدرولیکی نیز آن است که سود دهی ساخت را به میزان زیادی کم می‌کند. عوامل مختلفی بر موفقیت فرایند شکل دهی هیدرولیکی موثرند؛ از جمله: اصطکاک و روانکاری، تجهیزات، سرعت تولید و زمان چرخه تولید و خواص شکل پذیری ماده.

روانکاری (Lubrication):
یک روانکار خوب روانکاری است که خواص زیر را دارا باشد:
1. فشار زیاد را تحمل کند.
2. از روان کنندگی مطلوبی برخوردار بوده به نحوی که از اصطکاک لغزشی بین قالب و قطعه جلوگیری کند.
3. ناخالصی نداشته باشد.
4. هزینه فرایند را بالا نبرده و قیمت مناسبی داشته باشد.
5. کار کردن با آن راحت باشد و به راحتی از قالب و قطعه کار جدا شود.
6. سایش قالب را کاهش دهد.
هیچ روانکاری تمام خواص فوق را بطور کامل در بر ندارد، بنابراین باید در انتخاب روانکار، نوع و شرایط عملیات شکل دهی در نظر گرفته شود. تحقیقات گسترده انجام گرفته در پنج سال گذشته منجر به تحول عظیم در روش هیدروفرمینگ در صنعت شده است و اجازه تولید اشکال مختلف فولاد را به سازندگان می‌دهد. اما در هر حال این فرایند، جدید بوده و نیاز به تحقیق و توسعه بیشتری دارد. به دلیل فشار بالایی که در این فرایند به کار می‌رود ابزارهای مورد استفاده نمی‌توانند نرم باشند، قالبها باید از فولادهایی با سختی مشخص و پوشش‌های خاص ساخته شوند که تمام آنها هزینه ‌بر است. بنابراین برای افزایش بهره ‌وری این فرایند، باید مطالعات گسترده ‌ای در زمینه کاهش هزینه ‌‌های تحمیلی تولید در دستور کار محققین و صنعتگران قرار گیرد.

کاهش وزن قطعه جانبی(Side) خودرو:
یکی از زمینه‌‌های تحقیق، بررسی میزان کاهش وزن در صورت استفاده از فولاد ضد زنگ به خصوص در صورت بکارگیری فرایند شکل ‌دهی هیدرولیکی است. برای محاسبه کاهش وزن فولاد ضد زنگ در ساختار بدنه خودرو از قبیل اجزاء کناری خودرو(Side) آزمایش مقایسه‌ای انجام شد. ابتدا قطعه جانبی خودرو که معمولا از جنس فولاد کربنی ساخته می‌شود، بدون اصلاح شکل آن، از فولاد ضد زنگ سبکتر و نازک ‌تر ساخته شد.

در مرحله بعد این قطعه جانبی از فولاد ضد زنگ با طراحی مجدد و استفاده از هیدروفرمینگ برای استفاده بهینه از خواص شکل ‌پذیری مطلوب این فولاد ساخته شد. این ساختار جانبی که از فولاد کربنی ساده تولید می‌شود، یک ساختار چند جزئی بوده و از سه جزء که از روش کشش عمیق تولید شده ‌اند و یک قسمت تقویت‌ کننده تشکیل شده است که همه آنها به وسیله جوش نقطه‌ای (Spot Welding) به هم متصل می‌شوند. وزن کلی این ساختار بدون در نظر گرفتن قطعه اتصال، 16/28 کیلوگرم بود که با تغییر ماده اولیه و استفاده از سه فولاد ضدزنگ 2B، C600 و C1000 به ترتیب 3/9، 14 و 2/28 درصد کاهش وزن را به همراه داشت. وقتی این سه نوع فولاد در طراحی دوباره تحت فرایند هیدروفرمینگ قرار گرفتند، نتایج به دست آمده به ترتیب 4/19، 2/30 و 8/33 درصد کاهش وزن را نشان می‌داد.

بیشترین کاهش وزن در فولادهای ضد زنگ هنگامی بدست می‌آید که با روشهای طراحی جدید از مزیت شکل پذیری این فولادها استفاده کرده و فرایند هیدروفرمینگ را روی آنها انجام دهیم. یکی دیگر از فواید هیدروفرمینگ آن است که تعداد قطعات مورد نیاز برای تولید قطعه جانبی با حذف فرایند جوش، از چهار به یک کاهش خواهد یافت. به دلیل آنکه دیگر به لبه احتیاجی نیست، سطح مقطع میله می‌تواند بزرگتر شده و پروفیل راست تر و مستقیم تر طراحی شود.

مطالعه‌ای که بر روی شکل ‌پذیری آنها انجام گرفته نشان می‌دهد که طراحی جدید قطعه جانبی خودرو(Side) با فولاد کربنی ساده نمی‌تواند هیدروفرم شود. برای شناسایی فولادهای کربنی با استحکام بالا که بتوانند در طراحی جدید این قطعه جانبی، هیدروفرم شوند، شبیه ‌سازیهای مختلفی انجام شده است و نتایج نشان می‌دهد که طراحی هیدروفرم نمی‌تواند با فولادهای کربنی به کار رود و بنابراین برای رسیدن به کاهش وزن موثر، حتما فولاد ضد زنگ مورد نیاز است. به علاوه، هیدروفرمینگ قطعات جانبی خودرو عملکرد آنها را در حین برخورد نیز بهبود می‌بخشد. شکل خمیده قطعه جانبی خودرو از جنس فولاد کربنی باعث می‌شود تا قطعه در حین تصادف از جلو، به جای له شدن و خرد شدن (Crushing) چین بخورد یا به عبارتی بصورت آکاردئونی دربیاید (Buckling) و این ویژگی در تست‌های تصادف به اثبات رسیده است. در تست‌های ایمنی عموماً له شدن نتایج بهتری را نسبت به چین خوردن نشان می‌دهد.
آیا روزی فرا خواهد رسید که تمام قطعات استوانه ‌ای خودرو که اکنون از فولادهای کربنی ساده یا فولادهای آلیاژی ساخته می‌شوند مثل لوله پمپ آب، لوله روغن، قطعات تهویه هوا، لوله خروج آب سیستم خنک کننده موتور و لوله فرعی خنک کننده، از جنس فولاد ضد زنگ باشند؟ این سوالی است که هنوز توسط مهندسان بطور قطعی پاسخ داده نشده است.

نتیجه گیری:
در این مقاله انواع فولادهای ضد زنگ مورد مصرف در صنایع خودرو، نحوه کاربرد آنها در خودروها، اشکال اولیه تولید انواع فولاد ضد زنگ و همچنین روشهای شکل دهی آنها بررسی گردیدند. به کاربردهای مختلف فولاد ضد زنگ و استفاده از آن در قسمتهای مختلف خودرو پرداخته شد که شامل سیستم اگزوز خودروها، محفظه موتور، میله های داخلی خودرو، مخازن سوخت در عقب خودرو، سپرها و میله سپرها، صفحات ترمز، اجزاء حساس به برخورد، واشر دهانه سیلندر، قطعات سیستم تعلیق و جاذب انرژی و چرخها می باشند.

همچنین اشاره شد که فولاد ضد زنگ به شکلهای اولیه ورق، فویل، میل گرد، سیم و لوله تولید می‌گردد و سپس بنا به سفارش مشتری تغییر و تحویل داده می شود. فرایندهای شکل دهی فولاد نیز در این مقاله بررسی گردیدند که این فرایندها عبارتند از: پولک ‌زنی، خم کاری، سوراخکاری، نورد، ضربه ‌زنی، برجسته کاری، پرس کاری، شکل ‌دهی چرخشی و کشش عمیق. از موارد دیگری که در این مقاله به آنها اشاره گردید، روش هیدروفرمینگ یا شکل دهی هیدرولیکی فولاد ضد زنگ، روانکاری در تولید فولاد و کاهش وزن خودروها به وسیله حذف فولاد کربنی و افزایش فولاد ضد زنگ در تولید بدنه خودرو بوده اند.