آهن یکی از عناصر فراوان در پوسته زمین است که به علت ویژگی‌ها و خواصی که دارد بسیار محبوب و پرکاربرد است. آهن و فولاد متفاوتند اما گاهی من جمله در این مقاله به جای هم استفاده می‌شوند. درواقع فولاد آلیاژی از آهن است که خواص بهبود یافته‌ای 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 می‌کنیم.

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 می‌دهد. این رقم در کشور ایران 7 تا 9 درصد برآورد می‌شود.

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 جاده‌ای، 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 می‌گیرند.

اهمیت آهن در خودرو سازی :

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

فولاد، پرمصرف‌ترین آلیاژ آهنی در خودروهای رایج است. به نقل از worldsteel.org در هر خودرو 900 کیلوگرم فولاد مصرف می‌شود. 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 بهینه‌ترنین حالت بین این سه مورد هستند. یعنی ماده‌ای 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 نیاز‌ها می‌دهد. علاوه بر آهن یا فولاد فلزات دیگری نیز در خودروسازی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سایر فلزات مورد استفاده در ساخت خودرو :

• آلومینیوم : از عناصری است که به وفور در پوسته زمین یافت می‌شود اما نگرانی بابت منابع رو به پایان آهن در بلند مدت و سبک‌تر کردن خودرو سهم آن را به تدریج کاهش و استفاده از آلومینیوم و کامپوزیت‌های 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 قوی‌تر و سبک‌تر از فولاد است و همچنین دربرابر زنگ ‌زدگی مقاومت خوبی دارد، با محیط زیست سازگار است و سبک‌تر بودن آن نسبت به فولاد، مصرف سوخت خودرو را کاهش می‌دهد در نقطه مقابل بین کاهش وزن و افزایش قیمت تعادل برقرار است یعنی این فلز گران‌تر 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 : ویژگی‌های 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 می‌شود. محققان دانشگاه امیرکبیر در سال‌های اخیر و در مقیاس آزمایشگاهی موفق به ساخت قطعات آلومینیومی نانوساختار  شده‌اند. آنها از ساخت آلیاژی مناسب برای صنعت حمل و نقل خبر داده‌اند که استحکام بالا، کاهش وزن، صرفه‌جویی در مواد اولیه، مصرف کمتر انرژی و کاهش آلودگی از ویژگی‌های آن است و علاوه بر اینها بهبود ایمنی وسیله نقلیه هم مدنظر بوده است.

• منیزیم : نسبت به فولاد قوی‌تر و همچنین سبک‌تر است و در مقایسه با آلومینیوم کار با آن ساده‌تر 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 می‌خواهند 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 شیشه‌ای و خطوط هیدرولیک به این خاصیت وابسته هستند همچنین سیم‌های موجود در خودرو اغلب توسط مس ساخته می‌شوند 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 ورق‌های 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 اتوبوس‌ها چون تحت فشار شدید قرار دارند اغلب از فولاد باکیفیت ساخته می‌شوند. در ساخت بدنه دوچرخه نیز از فولاد استفاده می‌شود. کاربرد آهن در خودرو سازی اما در قسمت‌های مختلف است. آهن آلات خودرو سازی مطابق درصد‌های زیر در آن به‌کار رفته است:

• 40٪ در ساختار بدنه خودرو، درها و پنل‌ها
• 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 خودرو‌ها ویژگی‌های جذابی است که آهن و فولاد دارند. به همین دلیل است که سالیان سال استفاده از فولاد رواج دارد. این ویژگی‌ها عبارت‌اند از :

• در دسترس بودن
• مقاومت و استحکام بالا
• قیمت مناسب
• خاصیت شکل‌پذیری که امکان طراحی‌ خلاقانه را می‌دهد.
• امکان رنگ‌آمیزی
• وزن قابل قبول و درنتیجه کاهش مصرف سوخت خودرو در مقایسه با بسیاری از فلزات.
• قابلیت بازیافت و سازگاری با محیط‌زیست
• دوام بالا
• قابلیت تعمیر و بازسازی
• قابلیت جوش‌‌پذیری و اتصال
• قابلیت پرس‌کاری

کاربرد فولاد در بدنه خودرو :

اخیراً از نوعی فولاد پیشرفته با مقاومت بالا در بسیاری از شرکتهای تولید کننده استفاده می‌شود و این نوع، جایگزین فولاد معمولی شده است این فولاد با نام AHSS(Advanced High Strength Steel) شناخته می‌شود 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 سخت‌تر شدن فولاد می‌شود 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 می‌شود و باعث کاهش وزن، حفظ ایمنی مسافران و بهینه شدن مصرف سوخت می‌شود. به نقل از ‌worldsteel.org این فولاد پیشرفته باعث کاهش 8 الی 10 درصدی وزن خودروها می‌شود در نتیجه مصرف سوخت نیز پایین‌تر است همچنین هزینه و زمان تعمیر بدنه خودرو را کاهش می‌دهد. هزینه تولید آن یک‌سوم 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 شرکت‌های تولید کننده آن می‌توانند نیاز‌های صنعت خودروسازی را با آن پاسخ دهند. این نوع فولاد خود به سه دسته زیر تقسیم می‌شود:

• نسل اول : معروف به فولادهای استحکام بالای، کم آلیاژ است با این وجود انعطاف‌پذیری کمی دارد به همین دلیل نسل دوم تولید شد.
• نسل دوم : انعطاف‌پذیری و استحکام بالا دارند اما هزینه تولید آنها نیز بالا است.
• نسل سوم : با توجه به کمبودهای دو نسل قبل این نسل مستحکم، انعطاف‌پذیر 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 گلخانه‌ای کمتری در طول عمر خودرو تولید می‌شود.

اشکال مختلف آهن در خودرو سازی :

فولاد و آهن در اشکال متنوعی به بازار عرضه می‌شوند مانند ورق، تیرآهن، میلگرد و مواردی از این دست اما کاربرد آهن در خودرو سازی به شکل ورق فولادی یکی از پرمصرف‌ترین انواع آن است. انواع ورق استفاده شده در این صنعت عبارت‌اند 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 بی‌علت نیست. ویژگی‌های جذاب و منحصر به فرد آهن و فولاد علت اصلی این موضوع است. استحکام، وزن، تاثیر آن در مصرف سوخت و قیمت تمام‌شده خودرو همگی متاثر از مواد به کار رفته در آن است. همچنین تاثیر کلان این موضوع را می‌توان در اهمیت صنعت حمل و نقل در رشد اقتصادی کشورها دید. فولادهای پیشرفته رفته رفته جایگاه بهتری در صنعت خودرو پیدا کرده‌اند و به دلیل مزیت‌هایی که نسبت به فولاد معمولی دارند استفاده از آنها در صنعت خودرو روز افزون است. سایر فلزاتی که سهم رو‌به رشدی در خودرو سازی دارند نیز در این مقاله بررسی شدند.