فولادهای ضد زنگ در صنعت خودروسازی

مقدمه:
فولاد ضد زنگ نام گروهی از آلیاژهای آهنی حاوی مقادیر كروم بالا (بیش از 5/10 درصد) و كربن (به میزان حداكثر 2/1 درصد) به علاوه عناصر دیگری مثل نیكل، مولیبدن، آلومینیوم، تیتانیوم، سیلسیوم، نیوبیوم، نیتروژن، سولفور و سلنیوم است. این فولادها به اشكال 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 كروم و 8 درصد نیكل است.

فولادهای ضد زنگ در صنعت خودروسازی:

فولاد ضد زنگ در صنعت به صورتها و اشكال مختلف تولید می گردد. كارایی و خواص اشكال مختلف فولاد ضد زنگ باعث شده كه در صنعت به صورتهای مختلفی استفاده شوند. ذیلاً به تشریح خواص شكلهای مختلف این فولادها می پردازیم:

ورق نازك (SHEET):

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

تسمه (STRIP):

تسمه محصول دیگر نورد تخت است كه پهنایی كمتر 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 كه 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 كاغذ فلزی (FOIL):

فویل نیز محصول فرایند نورد تخت است كه تا 13/0 میلی‌متر ضخامت دارد و عرض آن كمتر از 610 میلی‌متر می‌باشد. فویلها از آلیاژهای 201، 202، 301، 302، 304، 305، 316، 321، 347، 430 و 442 و از یك سری آلیاژهای خاص ساخته می‌شوند. خواص مكانیكی فویلها به ضخامت آنها بستگی دارد. با كاهش ضخامت، استحكام كششی آنها افزایش و انعطاف‌پذیری آنها كاهش می‌یابد.

میله ‌گرد (BAR):

میله گردها یا میل گردها در ضخامتها و اشكال مختلف وجود دارند. میله گردها عموماً توسط نورد داغ، آهنگری یا پرش شمش شكل می‌گیرند كه البته بعد از آن، برای رسیدن به ابعاد نهایی دوباره نورد داغ، آهنگری یا اكسترود می‌شوند.

شكل 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 تشكیل لایه مذكور 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 مكانیكی ناشی از محیط ‌های اكسید كننده التیام یافته و از افزایش خوردگی جلوگیری می گردد. فولادهای ضد زنگ معمولا می‌توانند توسط بسیاری از فرایندهای شكل دهی سرد تغییر شكل یابند.

این فرایندها عبارتند از: پولك ‌زنی، خم كاری، سوراخكاری، نورد، ضرب ‌زنی، برجسته كاری، پرس كاری، شكل ‌دهی چرخشی و كشش عمیق.

به طور كلی تمام تجهیزاتی كه برای شكل ‌دهی فولاد كربنی ساده به كار می رود، برای فولاد ضد زنگ نیز مورد استفاده قرار می ‌گیرد. البته چون نیروی بیشتری برای شكل دهی فولاد ضد زنگ لازم است، ظرفیت دستگاه كاهش خواهد یافت. علاوه بر آن به ابزارهای شكل ‌دهی هم نیاز می باشد.

فولادهای ضد زنگ استحكام بالاتری نسبت به فولادهای كربنی ساده دارند، در نتیجه موجب سایش بیشتر می‌شوند. بنابراین ابزار بكار 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 بكار می‌روند و اغلب دارای كاربید تنگستن و برنز آلومینیومی هستند. در مواردی كه از همان ابزار مورد استفاده در فولادهای كربنی برای شكل دهی استفاده می‌شود، باید روانكارهایی با كیفیت بالاتر اعمال شود و كاهش عمر ابزار نیز در نظر گرفته شود. تقاضا برای فولادهای ضد زنگ روز به روز در حال افزایش است. موارد كاربرد فولاد ضد زنگ:

هم اكنون فولاد ضد زنگ در سیستم اگزوز خودروها بكار می‌رود. در اوایل دهه 90 میلادی سیستم اگزوز خودروها از فولادهای كربنی ساده یا فولادهای كربنی پوشش ‌دار ساخته می‌شد، اما امروزه اكثر 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 كامیون به كار گرفته شده ‌است.

هیدروفرمینگ (Hydroforming):
هیدروفرمینگ به معنای شكل دهی فولاد به روش هیدرولیكی می باشد. برای بهره ‌برداری از مزیت كاهش وزن در فولادهای ضد زنگ باید اشكال برخی قطعات خودرو و همچنین چگونگی روش ساخت آنها اصلاح شده و یا تغییر یابد. مثلا برای استفاده از مزیت شكل پذیری این فولادها بهتر است برخی قطعات از لوله ‌های هیدروفرم شده (Hydroformed) ساخته شوند.

محرك اولیه عمومیت یافتن هیدروفرم كردن (یا شكل دادن هیدرولیكی) بخصوص در صنعت خودروسازی، صرفه‌جویی های عمده در وزن، تعداد قطعات و . . . در مقایسه با روشهای متداول مثل Stamping (پرس كاری و قالب زنی) می‌باشد.

فرایند هیدروفرمینگ ورق‌ها معمولا به دو گروه هیدرواستاتیكی و هیدرومكانیكی تقسیم می‌شود (برخی از انواع روشهای مورد استفاده به عنوان اختراع به ثبت رسیده و Patent هستند مثل روش SMG یا شكل دهی پیچی).

روانكاری (Lubrication):

یك روانكار خوب روانكاری است كه خواص زیر را دارا باشد:
1. فشار زیاد را تحمل كند.
2. از روان كنندگی مطلوبی برخوردار بوده به نحوی كه از اصطكاك لغزشی بین قالب و قطعه جلوگیری كند.
3. ناخالصی نداشته باشد.
4. هزینه فرایند را بالا نبرده و قیمت مناسبی داشته باشد.
5. كار كردن با آن راحت باشد و به راحتی از قالب و قطعه كار جدا شود.
6. سایش قالب را كاهش دهد.

كاهش وزن قطعه جانبی(Side) خودرو:

یكی از زمینه‌‌های تحقیق، بررسی میزان كاهش وزن در صورت استفاده از فولاد ضد زنگ به خصوص در صورت بكارگیری فرایند شكل ‌دهی هیدرولیكی است. برای محاسبه كاهش وزن فولاد ضد زنگ در ساختار بدنه خودرو از قبیل اجزاء كناری خودرو(Side) آزمایش مقایسه‌ای انجام شد.

ابتدا قطعه جانبی خودرو كه معمولا از جنس فولاد كربنی ساخته می‌شود، بدون اصلاح شكل آن، از فولاد ضد زنگ سبكتر و نازك ‌تر ساخته شد.

نتیجه گیری:
در این مقاله انواع فولادهای ضد زنگ مورد مصرف در صنایع خودرو، نحوه كاربرد آنها در خودروها، اشكال اولیه تولید انواع فولاد ضد زنگ و همچنین روشهای شكل دهی آنها بررسی گردیدند.

به كاربردهای مختلف فولاد ضد زنگ و استفاده از آن در قسمتهای مختلف خودرو پرداخته شد كه 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 كه فولاد ضد زنگ به شكلهای اولیه ورق، فویل، میل گرد، سیم و لوله تولید می‌گردد و سپس بنا به سفارش مشتری تغییر و تحویل داده می شود. فرایندهای شكل دهی فولاد نیز در این مقاله بررسی گردیدند كه این فرایندها عبارتند از:

پولك ‌زنی، خم كاری، سوراخكاری، نورد، ضربه ‌زنی، برجسته كاری، پرس كاری، شكل ‌دهی چرخشی و كشش عمیق. از موارد دیگری كه در این مقاله به آنها اشاره گردید، روش هیدروفرمینگ یا شكل دهی هیدرولیكی فولاد ضد زنگ، روانكاری در تولید فولاد و كاهش وزن خودروها به وسیله حذف فولاد كربنی و افزایش فولاد ضد زنگ در تولید بدنه خودرو بوده اند.