آهن یکی از عناصر فراوان در پوسته زمین است که به علت ویژگی ها و خواصی که دارد بسیار محبوب و پرکاربرد است. آهن و فولاد متفاوتند اما گاهی من جمله در این مقاله به جای هم استفاده می شوند. درواقع فولاد آلیاژی از آهن است که خواص بهبود یافته ای نسبت به آهن دارد و سهم بزرگی از اقتصاد جهان را به خود اختصاص داده است که ناشی از تاثیر صنعت حمل و نقل است. بخشی از صنعت حمل و نقل هم خودروها هستند بنابراین کاربرد آهن در خودرو سازی را در این مقاله بررسی می کنیم.

صنعت حمل و نقل :

حمل و نقل یک شاخص مهم در اقتصاد است و در بسیاری از کشورها 6 تا 12 درصد تولید ناخالص آنها را تشکیل می دهد. این رقم در کشور ایران 7 تا 9 درصد برآورد می شود.

عامل مهم و تأثیرگذار در صنعت حمل و نقل فلزات هستند چون زیرساخت بسیاری از صنایع وابسته به حمل و نقل مستقیم یا غیر مستقیم به فلزات مرتبط است مثل حمل و نقل جاده ای، ریلی، هوایی و دریایی. به علاوه در ساخت خودرو، قطار، هواپیما و کشتی که اسباب اصلی حمل و نقل هستند فلزات مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند.

اهمیت آهن در خودرو سازی :

کاربرد آهن در خودرو سازی بر کسی پوشیده نیست. یک خودروی مناسب باید چند ویژگی مهم داشته باشد که عبارت اند از : ایمنی، مصرف سوخت قابل قبول و وزن مناسب. مواد به کار رفته در خودرو بر روی تمام این عوامل تاثیرگذار است. اما کاربرد آهن در خودرو سازی کجاست؟

فولاد، پرمصرف ترین آلیاژ آهنی در خودروهای رایج است. به نقل از worldsteel.org در هر خودرو 900 کیلوگرم فولاد مصرف می شود. کاربرد ٱهن در خودروسازی علل مختلفی دارد که به آنها اشاره خواهد شد. در خودرو مهم است که ماده استفاده شده سه ویژگی را حتما داشته باشد.

1. مقاومت
2. وزن مناسب
3. قیمت قابل قبول

خودروسازان همواره در حال پیداکردن بهینه ترنین حالت بین این سه مورد هستند. یعنی ماده ای که نسبت مقاومت به وزن بالایی داشته باشد و در عین حال صرفه اقتصادی هم داشته باشد. کاربرد آهن در خودرو سازی به همین دلیل است چون پاسخ مناسبی به این نیاز ها می دهد. علاوه بر آهن یا فولاد فلزات دیگری نیز در خودروسازی مورد استفاده قرار می گیرند.

سایر فلزات مورد استفاده در ساخت خودرو :

• آلومینیوم : از عناصری است که به وفور در پوسته زمین یافت می شود اما نگرانی بابت منابع رو به پایان آهن در بلند مدت و سبک تر کردن خودرو سهم آن را به تدریج کاهش و استفاده از آلومینیوم و کامپوزیت های پلاستیکی را افزایش داده است اما مهم است که بتوان از آنها در ساخت خودرو هم استفاده کرد. آلومینیوم از فلزات رایج در صنعت خودرو است که قوی تر و سبک تر از فولاد است و همچنین دربرابر زنگ زدگی مقاومت خوبی دارد، با محیط زیست سازگار است و سبک تر بودن آن نسبت به فولاد، مصرف سوخت خودرو را کاهش می دهد در نقطه مقابل بین کاهش وزن و افزایش قیمت تعادل برقرار است یعنی این فلز گران تر از فولاد است. به همین دلیل خودروهای تولید شده با آلومینیوم اغلب گران قیمت هستند. در گذشته 2٪ از کل اجزای خودرو از آلومینیوم تشکیل شده بود اما امروزه این عدد به 15٪ رسیده است به علاوه این فلز قابل بازیافت هم هست.

• آلیاژ مناسب برای صنعت حمل و نقل : ویژگی های جذاب آلومینیوم موجب کاربرد گسترده این فلز در صنعت حمل و نقل شده است و این موضوع منحصر به صنعت خودرو سازی نیست بلکه حمل و نقل ریلی و ساخت قطار و هواپیما را هم شامل می شود. محققان دانشگاه امیرکبیر در سال های اخیر و در مقیاس آزمایشگاهی موفق به ساخت قطعات آلومینیومی نانوساختار  شده اند. آنها از ساخت آلیاژی مناسب برای صنعت حمل و نقل خبر داده اند که استحکام بالا، کاهش وزن، صرفه جویی در مواد اولیه، مصرف کمتر انرژی و کاهش آلودگی از ویژگی های آن است و علاوه بر اینها بهبود ایمنی وسیله نقلیه هم مدنظر بوده است.

• منیزیم : نسبت به فولاد قوی تر و همچنین سبک تر است و در مقایسه با آلومینیوم کار با آن ساده تر است.

• تیتانیوم : ماده سبک، قوی و مقاوم دربرابر خوردگی است اما ساخت آن نیز دشوار است. در مقایسه با سایر فلزاتی که چگالی یکسانی با تیتانیوم دارند مقاومت این فلز از همه بالاتر است به همین دلیل یک انتخاب عالی برای خودروهای لوکسی است که می خواهند وزن کمتری داشته باشند.

• مس : این فلز قابلیت فراوانی در هدایت جریان الکتریکی دارد. به همین دلیل خودروها در قطعات مختلف مثل سیستم ناوبری، ترمز ضد قفل، صندلی حرارتی، ضدیخ شیشه ای و خطوط هیدرولیک به این خاصیت وابسته هستند همچنین سیم های موجود در خودرو اغلب توسط مس ساخته می شوند و در کل خودرو جریان دارند.

علاوه بر این استفاده بیشتر از خودروهای هیبریدی و برقی مصرف مس را افزایش داده است و این رقم همچنان رو به افزایش است. هرکدام از این خودروها متوسط 25 کیلوگرم مس نیاز دارند.

علت کاربرد آهن در خودرو سازی چیست؟

انجمن جهانی فولاد برآورد کرده است که خودرو 12٪ مصرف آهن در جهان را به خود اختصاص داده است. شرکت آرسلور میتال که از تولید کنندگان فولاد در جهان است در سال 2014 در حدود 16.7٪ بازار ورق های فولادی را در دست داشته است. همچنین صنعت حمل و نقل اعم از خصوصی و عمومی به عرضه فولاد بستگی دارد به طور مثال در حمل و نقل عمومی بدنه اتوبوس ها چون تحت فشار شدید قرار دارند اغلب از فولاد باکیفیت ساخته می شوند. در ساخت بدنه دوچرخه نیز از فولاد استفاده می شود. کاربرد آهن در خودرو سازی اما در قسمت های مختلف است. آهن آلات خودرو سازی مطابق درصد های زیر در آن به کار رفته است:

• 40٪ در ساختار بدنه خودرو، درها و پنل ها
• 23٪ در سیستم انتقال نیرو و اعضای آن
• 12% در سیسیتم تعلیق
• مابقی در چرخ و تایر، مخزن سوخت، سیستم ترمز و فرمان.

علت استفاده از آهن در ساخت خودرو ها ویژگی های جذابی است که آهن و فولاد دارند. به همین دلیل است که سالیان سال استفاده از فولاد رواج دارد. این ویژگی ها عبارت اند از :

• در دسترس بودن
• مقاومت و استحکام بالا
• قیمت مناسب
• خاصیت شکل پذیری که امکان طراحی خلاقانه را می دهد.
• امکان رنگ آمیزی
• وزن قابل قبول و درنتیجه کاهش مصرف سوخت خودرو در مقایسه با بسیاری از فلزات.
• قابلیت بازیافت و سازگاری با محیط زیست
• دوام بالا
• قابلیت تعمیر و بازسازی
• قابلیت جوش پذیری و اتصال
• قابلیت پرس کاری

کاربرد فولاد در بدنه خودرو :

اخیراً از نوعی فولاد پیشرفته با مقاومت بالا در بسیاری از شرکتهای تولید کننده استفاده می شود و این نوع، جایگزین فولاد معمولی شده است این فولاد با نام AHSS(Advanced High Strength Steel) شناخته می شود و تفاوت اصلی آن با فولاد معمولی ساختار آن است.

 ایجاد مقاومت در فولاد همواره کاری پرچالش است. چون برای این کار باید ترکیب فولاد تغییر کند و مقدار برخی عناصر کم و زیاد شود که این امر گاهی منجر به سخت تر شدن فولاد می شود اما در این نوع خاص این مسئله نیز برطرف شده است.

نسل جدید فولاد که دارای دوام عالی و مقاومت بسیار بالاست. در حال حاضر برای طراحی تقریبا 60٪ بدنه خودروهای امروزی استفاده می شود و باعث کاهش وزن، حفظ ایمنی مسافران و بهینه شدن مصرف سوخت می شود. به نقل از worldsteel.org این فولاد پیشرفته باعث کاهش 8 الی 10 درصدی وزن خودروها می شود در نتیجه مصرف سوخت نیز پایین تر است همچنین هزینه و زمان تعمیر بدنه خودرو را کاهش می دهد. هزینه تولید آن یک سوم آلومینیوم است اما سختی آن 3برابر بیشتر از آن است همچنین 2 برابر بیشتر از فولاد معمولی مقاومت دارد. بنابراین ahss نوعی از فولاد هستند که شرکت های تولید کننده آن می توانند نیاز های صنعت خودروسازی را با آن پاسخ دهند. این نوع فولاد خود به سه دسته زیر تقسیم می شود:

• نسل اول : معروف به فولادهای استحکام بالای، کم آلیاژ است با این وجود انعطاف پذیری کمی دارد به همین دلیل نسل دوم تولید شد.
• نسل دوم : انعطاف پذیری و استحکام بالا دارند اما هزینه تولید آنها نیز بالا است.
• نسل سوم : با توجه به کمبودهای دو نسل قبل این نسل مستحکم، انعطاف پذیر و اقتصادی است.

حداقل مقاومت کششی فولاد پیشرفته 500 تا 800 مگاپاسکال است و گریدهای جدید آن وزن خودرو را 25-39٪ نسبت به فولاد معمولی کاهش می دهد و در نتیجه 3-2 تن گاز گلخانه ای کمتری در طول عمر خودرو تولید می شود.

اشکال مختلف آهن در خودرو سازی :

فولاد و آهن در اشکال متنوعی به بازار عرضه می شوند مانند ورق، تیرآهن، میلگرد و مواردی از این دست اما کاربرد آهن در خودرو سازی به شکل ورق فولادی یکی از پرمصرف ترین انواع آن است. انواع ورق استفاده شده در این صنعت عبارت اند از ورق سیاه، ورق گالوانیزه، ورق روغنی، ورق ضد زنگ، ورق آلیاژی، ورق سخت، ورق ASTM-a36 و ورق ahss که در مورد آن توضیح داده شد.

آهن آلات صنعت خودرو :

کاربرد آهن در خودرو سازی قدمتی چندده ساله دارد و این موضوع بی علت نیست. ویژگی های جذاب و منحصر به فرد آهن و فولاد علت اصلی این موضوع است. استحکام، وزن، تاثیر آن در مصرف سوخت و قیمت تمام شده خودرو همگی متاثر از مواد به کار رفته در آن است. همچنین تاثیر کلان این موضوع را می توان در اهمیت صنعت حمل و نقل در رشد اقتصادی کشورها دید. فولادهای پیشرفته رفته رفته جایگاه بهتری در صنعت خودرو پیدا کرده اند و به دلیل مزیت هایی که نسبت به فولاد معمولی دارند استفاده از آنها در صنعت خودرو روز افزون است. سایر فلزاتی که سهم رو به رشدی در خودرو سازی دارند نیز در این مقاله بررسی شدند.