فولادهاي ضد زنگ در صنايع خودروسازي

چكيده:
در اين مقاله به بررسي انواع فولادهاي ضد زنگ در صنايع خودرو مي پردازيم. هم اكنون فولاد ضد زنگ در سيستم اگزوز خودروها بكار مي‌رود. قطعات ساخته شده از اين نوع فولاد كه كارخانجات خودروسازي روي آنها كار مي‌كنند عبارتند از: محفظه موتور، ميله های داخلي خودرو، مخازن سوخت در عقب خودرو، سپرها و ميله سپرها، صفحات ترمز، اجزاء حساس به برخورد، واشر دهانه سيلندر، قطعات سيستم تعليق و جاذب انرژي، چرخها. اين نوع فولاد به شكلهاي اوليه ورق، فويل، ميل گرد، سيم، لوله و غيره توليد می‌شود و سپس به صورت دلخواه مشتري تحويل داده مي شود. فولادهاي ضد زنگ معمولا مي‌توانند توسط بسياري از فرايندهاي شكل دهي سرد تغيير شكل يابند. اين فرايندها عبارتند از: پولك ‌زني، خم كاري، سوراخكاري، نورد، ضربه ‌زني، برجسته كاري، پرس كاري، شكل ‌دهي چرخشي و كشش عميق.
كلمات كليدي: فولاد ضد زنگ، هيدروفرمينگ، روانكار

مقدمه:
فولاد ضد زنگ نام گروهي از آلياژهاي آهني حاوي مقادير كروم بالا (بيش از 5/10 درصد) و كربن (به ميزان حداكثر 2/1 درصد) به علاوه عناصر ديگري مثل نيكل، موليبدن، آلومينيوم، تيتانيوم، سيلسيوم، نيوبيوم، نيتروژن، سولفور و سلنيوم است. اين فولادها به اشكال مختلف از جمله ورق، فويل، ميل گرد، سيم، لوله و محصولات نيمه‌تمام و غيره توليد می‌شوند. آلياژ 304 از آلياژهاي معروف اين گروه با 18 درصد كروم و 8 درصد نيكل است.

فولادهاي ضد زنگ در صنعت خودروسازي:
فولاد ضد زنگ در صنعت به صورتها و اشكال مختلف توليد مي گردد. كارايي و خواص اشكال مختلف فولاد ضد زنگ باعث شده كه در صنعت به صورتهاي مختلفي استفاده شوند. ذيلاً به تشريح خواص شكلهاي مختلف اين فولادها مي پردازيم:

ورق نازك (SHEET):
ورق نازك به محصولات نورد تخت گفته می‌شود كه عرضي معادل حداقل 610 ميلي‌متر و ضخامتي كمتر از 76/4 ميلي‌متر دارند. تقريبا همه فولادهاي ضد زنگ بجز برخي انواع مارتنزيتي مي‌توانند بصورت ورق نازك توليد شوند. به اين صورت كه ابتدا شمش آنها توسط ريخته‌گری بدست آمده و سپس نورد می‌شوند.

تسمه (STRIP):
تسمه محصول ديگر نورد تخت است كه پهنايي كمتر از 610 ميلي‌متر و ضخامت بين 13/0 تا 76/4 ميلي‌متر دارد. تسمه‌‌ها پس از نورد داغ، مورد عمليات آنيل و سپس اسيد شويي قرار گرفته و نورد سرد می‌شوند و به اين ترتيب تسمه فولاد ضد زنگ (نورد سرد شده) بدست مي‌آيد. بسته به ميزان ضخامت درخواستي نورد سرد در چند مرحله انجام می‌شود.

صفحه (PLATE):
صفحه، محصول نورد تخت يا آهنگري است كه بيش از 250 ميلي‌متر عرض و حداقل 76/4 ميلي‌متر ضخامت دارد. فولادهاي ضد زنگ فريتي پر آلياژ، برخي فولادهاي ضد زنگ مارتنزيتي از موارد توليد اين محصول هستند.

فويل يا كاغذ فلزي (FOIL):
فويل نيز محصول فرايند نورد تخت است كه تا 13/0 ميلي‌متر ضخامت دارد و عرض آن كمتر از 610 ميلي‌متر مي‌باشد. فويلها از آلياژهاي 201، 202، 301، 302، 304، 305، 316، 321، 347، 430 و 442 و از يك سري آلياژهای خاص ساخته می‌شوند. خواص مكانيكي فويلها به ضخامت آنها بستگي دارد. با كاهش ضخامت، استحكام كششي آنها افزايش و انعطاف‌پذيري آنها كاهش مي‌يابد.

ميله ‌گرد (BAR):
ميله گردها يا ميل گردها در ضخامتها و اشكال مختلف وجود دارند. ميله گردها عموماً توسط نورد داغ، آهنگري يا پرش شمش شكل مي‌گيرند كه البته بعد از آن، براي رسيدن به ابعاد نهايي دوباره نورد داغ، آهنگري يا اكسترود می‌شوند.

شكل دهي فولاد ضد زنگ:
در حين فرايند توليد فولاد ضد زنگ معمولاً لايه ‌اي غير فعال بر روي سطح آلياژ توليد می‌شود. اين آلياژ به دليل تشكيل لايه مذكور با ضخامت حدود 1 تا 2 نانومتر مقاومت بسيار خوبي در مقابل خوردگي از خود نشان مي دهد. اين لايه غير فعال خود ترميم بوده و بنابراين خسارات شيميايي و مكانيكي ناشي از محيط ‌هاي اكسيد كننده التيام يافته و از افزايش خوردگي جلوگيري مي گردد. فولادهاي ضد زنگ معمولا مي‌توانند توسط بسياري از فرايندهاي شكل دهي سرد تغيير شكل يابند. اين فرايندها عبارتند از: پولك ‌زني، خم كاري، سوراخكاري، نورد، ضرب ‌زني، برجسته كاري، پرس كاري، شكل ‌دهي چرخشي و كشش عميق.

به طور كلي تمام تجهيزاتي كه براي شكل ‌دهي فولاد كربني ساده به كار مي رود، براي فولاد ضد زنگ نيز مورد استفاده قرار مي ‌گيرد. البته چون نيروي بيشتري براي شكل دهي فولاد ضد زنگ لازم است، ظرفيت دستگاه كاهش خواهد يافت. علاوه بر آن به ابزارهاي شكل ‌دهي هم نياز مي باشد. فولادهاي ضد زنگ استحكام بالاتري نسبت به فولادهاي كربني ساده دارند، در نتيجه موجب سايش بيشتر می‌شوند. بنابراين ابزار بكار گرفته شده در مورد اين فولادها بايد سخت ‌تر، صاف تر و داراي طراحي بهتر باشند. فولاد مورد مصرف در ابزار آلات با درجات بالاتر بكار مي‌روند و اغلب داراي كاربيد تنگستن و برنز آلومينيومي هستند. در مواردي كه از همان ابزار مورد استفاده در فولادهاي كربني براي شكل دهي استفاده می‌شود، بايد روانكارهايي با كيفيت بالاتر اعمال شود و كاهش عمر ابزار نيز در نظر گرفته شود. تقاضا براي فولادهاي ضد زنگ روز به روز در حال افزايش است. موارد كاربرد فولاد ضد زنگ:

هم اكنون فولاد ضد زنگ در سيستم اگزوز خودروها بكار مي‌رود. در اوايل دهه 90 ميلادي سيستم اگزوز خودروها از فولادهاي كربني ساده يا فولادهاي كربني پوشش ‌دار ساخته مي‌شد، اما امروزه اكثر خودروهاي جديد براي افزايش مقاومت و ماندگاري، اگزوزهايي از جنس فولادهاي ضد زنگ دارند. تقريبا 45 تا 50 پوند از فولادهاي ضد زنگ مصرفي در صنعت خودروسازي، در سيستم اگزوز استفاده می‌شود. به علاوه اخيراً اين فولاد در ساخت سيستمهای نگهداري، قطعات مربوط به ترمز و محفظه سوخت و در قابهاي اتوبوس و كاميون به كار گرفته شده ‌است.
قطعات ديگر ساخته شده از اين فولادها كه در مرحله توسعه قرار دارند و سازندگان خودرو روي آنها كار مي‌كنند عبارتند از: محفظه موتور، ميله های داخلي، مخازن سوخت در عقب خودرو، سپرها و ميله سپرها، صفحات ترمز، اجزاء حساس به برخورد، واشر دهانه سيلندر، قطعات سيستم تعليق و جاذب انرژي و چرخها.
در دهه گذشته سازندگان و محققان براي تعيين فوايد احتمالي شكل دهي اين نوع فولاد بجاي فولادهاي كربني يا آلومينيومي، بر روي كاربردهاي مختلف فولادهاي ضد زنگ در صنعت خودرو مطالعه كرده‌اند. به طور كلي هزينه توليد فولادهاي ضد زنگ بيشتر از فولاد كربني و آلياژهاي آلومينيوم است و به همين دليل در ظاهر مقرون به صرفه به نظر نمي‌رسد ؛ اما وقتي نسبت استحكام به وزن بالاي فولاد ضد زنگ را در نظر مي‌گيريم، مي‌توان از فولاد ضد زنگ سبكتر و نازكتر استفاده كرد و همچنين آن را مي توان جانشين فولاد كربني ضخيم ‌تر يا آلياژهای آلومينيوم با استحكام بالا (سري 6000) در قطعات خودرو قرار داد. علاوه بر آن پتانسيل فولادهاي ضد زنگ در ماندگاري و دوام طولاني مي تواند منجر به صرفه‌جويي اقتصادي در چرخه عمر محصول شود. در صورت در نظر گرفتن خواص اين فولادها در طراحي ‌هاي اوليه، بهترين صرفه‌جويي اقتصادي و بيشترين كاهش حجم در ماده مصرفي به دست خواهد آمد.

هيدروفرمينگ (Hydroforming):
هيدروفرمينگ به معناي شكل دهي فولاد به روش هيدروليكي مي باشد. براي بهره ‌برداري از مزيت كاهش وزن در فولادهاي ضد زنگ بايد اشكال برخي قطعات خودرو و همچنين چگونگي روش ساخت آنها اصلاح شده و يا تغيير يابد. مثلا براي استفاده از مزيت شكل پذيري اين فولادها بهتر است برخي قطعات از لوله ‌های هيدروفرم شده (Hydroformed) ساخته شوند. محرك اوليه عموميت يافتن هيدروفرم كردن (يا شكل دادن هيدروليكي) بخصوص در صنعت خودروسازي، صرفه‌جويي هاي عمده در وزن، تعداد قطعات و . . . در مقايسه با روشهاي متداول مثل Stamping (پرس كاري و قالب زني) مي‌باشد.
فرايند هيدروفرمينگ ورق‌ها معمولا به دو گروه هيدرواستاتيكي و هيدرومكانيكي تقسيم می‌شود (برخي از انواع روشهاي مورد استفاده به عنوان اختراع به ثبت رسيده و Patent هستند مثل روش SMG يا شكل دهي پيچي).
روشهاي هيدروفرمينگ تا مدتها مطرح بوده اند، اما هيچگاه از اين روشها به اندازه ظرفيت آن در صنعت استفاده نشد. خواص كششي خوب فولادهاي ضد زنگ آستنيتي در هنگام شكل دهي هيدروليكي (بعنوان فرايندي كه كنترل مناسبي بر ميزان كاهش ضخامت ورق دارد)،‌ مزيت بزرگي محسوب می‌شود. مزيت اصلي شكل دهي مكانيكي، كشش عميق آن است كه در روش هيدروفرمينگ، قطعات مي‌توانند بيشتر كشيده شوند (به عنوان مثال نسبت كشش در فولاد ضد زنگ مي‌تواند از 2 به بيش از 5/2 افزايش يابد). مشكل اصلي شكل دهي هيدروليكي نيز آن است كه سود دهي ساخت را به ميزان زيادي كم مي‌كند. عوامل مختلفي بر موفقيت فرايند شكل دهي هيدروليكي موثرند؛ از جمله: اصطكاك و روانكاري، تجهيزات، سرعت توليد و زمان چرخه توليد و خواص شكل پذيري ماده.

روانكاري (Lubrication):
يك روانكار خوب روانكاري است كه خواص زير را دارا باشد:
1. فشار زياد را تحمل كند.
2. از روان كنندگي مطلوبي برخوردار بوده به نحوي كه از اصطكاك لغزشي بين قالب و قطعه جلوگيري كند.
3. ناخالصي نداشته باشد.
4. هزينه فرايند را بالا نبرده و قيمت مناسبي داشته باشد.
5. كار كردن با آن راحت باشد و به راحتي از قالب و قطعه كار جدا شود.
6. سايش قالب را كاهش دهد.
هيچ روانكاري تمام خواص فوق را بطور كامل در بر ندارد، بنابراين بايد در انتخاب روانكار، نوع و شرايط عمليات شكل دهي در نظر گرفته شود. تحقيقات گسترده انجام گرفته در پنج سال گذشته منجر به تحول عظيم در روش هيدروفرمينگ در صنعت شده است و اجازه توليد اشكال مختلف فولاد را به سازندگان مي‌دهد. اما در هر حال اين فرايند، جديد بوده و نياز به تحقيق و توسعه بيشتري دارد. به دليل فشار بالايي كه در اين فرايند به كار مي‌رود ابزارهاي مورد استفاده نمي‌توانند نرم باشند، قالبها بايد از فولادهايي با سختي مشخص و پوشش‌هاي خاص ساخته شوند كه تمام آنها هزينه ‌بر است. بنابراين براي افزايش بهره ‌وري اين فرايند، بايد مطالعات گسترده ‌اي در زمينه كاهش هزينه ‌‌های تحميلي توليد در دستور كار محققين و صنعتگران قرار گيرد.

كاهش وزن قطعه جانبي(Side) خودرو:
يكي از زمينه‌‌های تحقيق، بررسي ميزان كاهش وزن در صورت استفاده از فولاد ضد زنگ به خصوص در صورت بكارگيري فرايند شكل ‌دهي هيدروليكي است. براي محاسبه كاهش وزن فولاد ضد زنگ در ساختار بدنه خودرو از قبيل اجزاء كناري خودرو(Side) آزمايش مقايسه‌اي انجام شد. ابتدا قطعه جانبي خودرو كه معمولا از جنس فولاد كربني ساخته می‌شود، بدون اصلاح شكل آن، از فولاد ضد زنگ سبكتر و نازك ‌تر ساخته شد.
در مرحله بعد اين قطعه جانبي از فولاد ضد زنگ با طراحي مجدد و استفاده از هيدروفرمينگ براي استفاده بهينه از خواص شكل ‌پذيري مطلوب اين فولاد ساخته شد. اين ساختار جانبي كه از فولاد كربني ساده توليد می‌شود، يك ساختار چند جزئي بوده و از سه جزء كه از روش كشش عميق توليد شده ‌اند و يك قسمت تقويت‌ كننده تشكيل شده است كه همه آنها به وسيله جوش نقطه‌اي (Spot Welding) به هم متصل می‌شوند. وزن كلي اين ساختار بدون در نظر گرفتن قطعه اتصال، 16/28 كيلوگرم بود كه با تغيير ماده اوليه و استفاده از سه فولاد ضدزنگ 2B، C600 و C1000 به ترتيب 3/9، 14 و 2/28 درصد كاهش وزن را به همراه داشت. وقتي اين سه نوع فولاد در طراحي دوباره تحت فرايند هيدروفرمينگ قرار گرفتند، نتايج به دست آمده به ترتيب 4/19، 2/30 و 8/33 درصد كاهش وزن را نشان مي‌داد.
بيشترين كاهش وزن در فولادهاي ضد زنگ هنگامي بدست مي‌آيد كه با روشهاي طراحي جديد از مزيت شكل پذيري اين فولادها استفاده كرده و فرايند هيدروفرمينگ را روي آنها انجام دهيم. يكي ديگر از فوايد هيدروفرمينگ آن است كه تعداد قطعات مورد نياز براي توليد قطعه جانبي با حذف فرايند جوش، از چهار به يك كاهش خواهد يافت. به دليل آنكه ديگر به لبه احتياجي نيست، سطح مقطع ميله مي‌تواند بزرگتر شده و پروفيل راست تر و مستقيم تر طراحي شود.
مطالعه‌اي كه بر روي شكل ‌پذيري آنها انجام گرفته نشان مي‌دهد كه طراحي جديد قطعه جانبي خودرو(Side) با فولاد كربني ساده نمي‌تواند هيدروفرم شود. براي شناسايي فولادهاي كربني با استحكام بالا كه بتوانند در طراحي جديد اين قطعه جانبي، هيدروفرم شوند، شبيه ‌سازيهاي مختلفي انجام شده است و نتايج نشان مي‌دهد كه طراحي هيدروفرم نمي‌تواند با فولادهاي كربني به كار رود و بنابراين براي رسيدن به كاهش وزن موثر، حتما فولاد ضد زنگ مورد نياز است. به علاوه، هيدروفرمينگ قطعات جانبي خودرو عملكرد آنها را در حين برخورد نيز بهبود مي‌بخشد. شكل خميده قطعه جانبي خودرو از جنس فولاد كربني باعث می‌شود تا قطعه در حين تصادف از جلو، به جاي له شدن و خرد شدن (Crushing) چين بخورد يا به عبارتي بصورت آكاردئوني دربيايد (Buckling) و اين ويژگي در تست‌هاي تصادف به اثبات رسيده است. در تست‌هاي ايمني عموماً له شدن نتايج بهتري را نسبت به چين خوردن نشان مي‌دهد.
آيا روزي فرا خواهد رسيد كه تمام قطعات استوانه ‌اي خودرو كه اكنون از فولادهاي كربني ساده يا فولادهاي آلياژي ساخته می‌شوند مثل لوله پمپ آب، لوله روغن، قطعات تهويه هوا، لوله خروج آب سيستم خنك كننده موتور و لوله فرعي خنك كننده، از جنس فولاد ضد زنگ باشند؟ اين سوالي است كه هنوز توسط مهندسان بطور قطعي پاسخ داده نشده است.

نتيجه گيري:
در اين مقاله انواع فولادهاي ضد زنگ مورد مصرف در صنايع خودرو، نحوه كاربرد آنها در خودروها، اشكال اوليه توليد انواع فولاد ضد زنگ و همچنين روشهاي شكل دهي آنها بررسي گرديدند. به كاربردهاي مختلف فولاد ضد زنگ و استفاده از آن در قسمتهاي مختلف خودرو پرداخته شد كه شامل سيستم اگزوز خودروها، محفظه موتور، ميله های داخلي خودرو، مخازن سوخت در عقب خودرو، سپرها و ميله سپرها، صفحات ترمز، اجزاء حساس به برخورد، واشر دهانه سيلندر، قطعات سيستم تعليق و جاذب انرژي و چرخها مي باشند. همچنين اشاره شد كه فولاد ضد زنگ به شكلهاي اوليه ورق، فويل، ميل گرد، سيم و لوله توليد می‌گردد و سپس بنا به سفارش مشتري تغيير و تحويل داده مي شود. فرايندهاي شكل دهي فولاد نيز در اين مقاله بررسي گرديدند كه اين فرايندها عبارتند از: پولك ‌زني، خم كاري، سوراخكاري، نورد، ضربه ‌زني، برجسته كاري، پرس كاري، شكل ‌دهي چرخشي و كشش عميق. از موارد ديگري كه در اين مقاله به آنها اشاره گرديد، روش هيدروفرمينگ يا شكل دهي هيدروليكي فولاد ضد زنگ، روانكاري در توليد فولاد و كاهش وزن خودروها به وسيله حذف فولاد كربني و افزايش فولاد ضد زنگ در توليد بدنه خودرو بوده اند.

مرجع:
Krauss, George ; Steels: Heat Treatment & Processing Principles ; 2007