فولاد ضدزنگ، 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 و موليبدن، آلومينيوم، تيتانيم، سيلسيم، نايوبيم، نيتروژن، سولفور و سلنيوم است. اين فولادها به اشكال مختلف از جمله ورق، فويل، ميلگرد، سيم، لوله، و محصولات نيمهتمام و غيره توليد میشود. آلياژ 304 از آلياژهاي معروف اين گروه با 18 درصد كروم و 8 درصد نيكل است.
ورق نازك (
SHEET) :
ورق نازك به محصولات نورد تخت گفته میشود كه عرضي معادل حداقل 610 ميليمتر و ضخامت كمتر از 76/4 ميليمتر دارند. تقريبا همه فولادهاي ضدزنگ بجز برخي انواع مارتنزيتي ميتوانند بصورت ورق نازك توليد شوند. ابتدا شمش آنها از ريختهگری بدست آمده و بعد نورد میشود.
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، عمليات آنيل و سپس اسيدشويي ، نورد سرد میشوند و به اين ترتيب تسمه فولاد ضدزنگ نورد سرد شده بدست ميآيد. بسته به ميزان ضخامت درخواستي نورد سرد در چند مرحله انجام میشود.
صفحه (
PLATE) :
صفحه يك محصول نورد تخت يا آهنگري است كه بيش از 250 ميليمتر عرض و حداقل 76/4 ميليمتر ضخامت دارد. فولادهاي ضدزنگ فريتي پرآلياژ، برخي فولادهاي ضدزنگ مارتنزيتي و تعداد اندكي از انواع بينياز از ماشينكاري از موارد استثنا در توليد اين محصول هستند.
فويل يا كاغذ فلزي (
FOIL) :
فويل نيز محصول فرايند نورد تخت است؛ تا 13/0 ميليمتر ضخامت دارد و عرض آن كمتر از 610 ميليمتر ميباشد. فويلها از انواع 201، 202، 301، 302، 304، 305، 316، 321، 347، 430 و 442 و همينطور از يك سري آلياژهای خاص ساخته میشوند. خواص مكانيكي فويلها به ضخامت آنها بستگي دارد. با كاهش ضخامت، استحكام كششي آنها افزايش اما انعطافپذيري كاهش مييابد.
ميلهگرد (
BAR) :
ميلهگردها در انواع ضخامتها و اشكال وجود دارند. ميلهگردهاي با تمامكاري داغ، 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.
معمولا لايهاي غير فعال بر روي سطح آلياژ توليد میشود؛ به دليل تشكيل اين لايه به ضخامت حدود 1 تا 2 نانومتر، اين آلياژ مقاومت بسيار خوبي به خوردگي دارد. اين لايه غير فعال خودترميم بوده و بنابراين خسارات شيميايي و مكانيكي در محيطهاي اكسيدكننده دوباره التيام يافته و عامل افزايش خوردگي نخواهند شد.
فولادهاي ضدزنگ معمولا ميتوانند توسط بسياري از فرايندهاي شكلدهي سرد تغيير شكل يابند. اين فرايندها عبارتند از: پولكزني، خمكاري، سوراخكاري، نورد، ضربزني، برجستهكاري، پرسكاري، شكلدهي چرخشي، و كشش عميق. به طور كلي تمام تجهيزاتي كه براي شكلدهي فولاد كربني ساده به كار ميرود، براي فولاد ضدزنگ نيز مورد استفاده قرار ميگيرد. چون نيروي بيشتري براي شكلدهي فولاد ضدزنگ لازم است، ظرفيت دستگاه كاهش خواهد يافت. علاوه بر آن نياز به ابزارهاي شكلدهي بهتر هم وجود دارد. فولادهاي ضدزنگ نه تنها استحكام بالاتري نسبت به فولادهاي كربني ساده دارند، بلكه كارسختي بيشتري نيز داشته و درنتيجه موجب سايش بيشتر و حساسيت به جوش فشاري میشوند. بنابراين ابزار بكار گرفته شده در مورد اين فولادها بايد سختتر، صافتر و با طراحي بهتر باشد. فولاد ابزار با درجات بالاتر بكار ميروند و اغلب كاربيد تنگستن و برنز آلومينيوم هستند. در مواردي كه از همان ابزار مورد استفاده در فولادهاي كربني براي شكلدهي استفاده میشود، بايد روانكارهايي با كيفيت بالاتر اعمال شود و كاهش عمر ابزار نيز در نظر گرفته شود. تقاضا براي فولادهاي ضدزنگ روز به روز در حال افزايش است.
هم اكنون فولاد ضدزنگ در سيستم اگزوز خودروها بكار ميرود. در اوايل دهه 90 سيستمهای اگزوز خودروهاي جديد از فولادهاي كربني ساده يا فولادهاي كربني پوششدار ساخته ميشد. اما امروزه اكثر خودروهاي جديد براي افزايش مقاومت و ماندگاري، سيستمهای اگزوزي از جنس فولادهاي ضدزنگ دارند. تقريبا 45 تا 50 پوند از فولادهاي ضدزنگ مصرفي در صنعت خودروسازي، در سيستم اگزوز استفاده میشود.
به علاوه اخيرا اين فولاد در ساخت سيستمهای نگهداري، قطعات مربوط به ترمز و سوخت و در قابهاي اتوبوس و كاميون به كار گرفته شدهاند.
قطعات ديگر ساخته شده از اين فولادها كه در مرحله توسعه قرار دارند و سازندگان خودرو روي آنها كار ميكنند عبارتند از: چهارچوب موتور، ميلههای 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، چرخها و رويه چرخ.
در طول دهه گذشته، سازندگان و محققان براي تعيين فوايد احتمالي شكلدهي اين نوع فولاد بجاي فولادهاي كربني يا آلومينيوم، بر روي كاربردهاي مختلف فولادهاي ضدزنگ در صنعت خودرو مطالعه كردهاند.
به طور كلي هزينه توليد فولادهاي ضدزنگ 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 ضدزنگ را در نظر ميگيريم، ميتوان از فولاد ضدزنگ سبكتر و نازكتر استفاده كرد و آن را جانشين فولاد كربني ضخيمتر يا آلياژهای آلومينيوم با استحكام بالا (سري 6000) در قطعات خودرو قرار داد. علاوه بر آن، پتانسيل فولادهاي ضدزنگ 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 طراحيهاي اوليه، بهترين صرفهجويي اقتصادي و بيشترين كاهش حجم در ماده مصرفي به دست خواهد آمد. براي بهرهبرداري از مزيت كاهش وزن در فولادهاي ضدزنگ، بايد اشكال برخي قطعات خودرو و چگونگي روش ساخت آنها اصلاح شده و تغيير يابد. مثلا براي استفاده از مزيت شكلپذيري اين فولادها، بهتر است برخي قطعات از لولههای هيدروفرم شده (
Hydroformed) ساخته شوند.
محرك اوليه عموميت يافتن هيدروفرم كردن (يا شكل دادن هيدروليكي) بخصوص در صنعت خودروسازي صرفهجوييهاي عمده در وزن، تعداد قطعات و ... در مقايسه با روشهاي متداول مثل
Stamping (به معني پرسكاري و قالبزني) ميباشد.
فرايند شكلدهي هيدروليكي ورقها معمولا به دو گروه شكلدهي هيدروستاتيكي و شكلدهي هيدرومكانيكي تقسيم میشوند. به علاوه برخي از انواع روشهاي مورد استفاده به عنوان اختراع به ثبت رسيده و
Patent هستند مثل روش SMG يا شكلدهي پيچي.
روشهاي هيدروفرمينگ مدتها مطرح بود اما شايد هيچگاه به اندازه ظرفيت آن از اين روش در صنعت استفاده نشد. به نظر ميرسد كه كم كم زمان فراگير شدن اين روش رسيده باشد. خواص كششي خوب فولادهاي ضدزنگ آستنيتي در هنگام شكلدهي هيدروليكي بعنوان فرايندي كه كنترل مناسبي بر ميزان كاهش ضخامت ورق دارد،مزيت بزرگي محسوب میشود. مزيت اصلي شكلدهي مكانيكي در مقايسه با كشش عميق آن است كه در هيدروفرمينگ قطعات عميقتر ميتوانند كشيده شوند (به عنوان مثال نسبت كشش در فولاد ضدزنگ ميتواند از 2 به بيش از 5/2 افزايش يابد). مشكل اصلي شكلدهي هيدروليكي نيز آن است كه سوددهي ساخت را به ميزان زيادي كم ميكند.
عوامل مختلفي بر موفقيت فرايند شكلدهي هيدروليكي موثرند؛ از جمله: اصطكاك و روانكاري، تجهيزات، سرعت توليد و زمان چرخه توليد و خواص شكلپذيري ماده.
روانكار خوب بايد بتواند 1. فشار زياد را تحمل كند، 2. از روانكاري مطلوبي برخوردار بوده به نحوي كه از اطلاعات لغزشي بين قالب و قطعه كار جلوگيري كند، 3. ناخالصي نداشته باشد، 4. هزينه فرايند را بالا نبرده و قيمت معقولي 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 موارد فوق را بطور كامل در بر ندارد بنابراين بايد در انتخاب روانكار شرايط عمليات شكلدهي در نظر گرفته شود.
تحقيقات گسترده انجام گرفته در پنج سال گذشته منجر به تحول عظيم در روش هيدروفرمينگ در صنعت شده است و ديگر اجازه توليد انبوه اشكال مختلف را به سازندگان ميدهد. اما در هر حال اين فرايند، جديد بوده و نياز به تحقيق و توسعه بيشتردارد. 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 هزينهبر است.
بنابراين براي افزايش بهرهوري اين فرايند بايد مطالعات گستردهاي در زمينه كاهش هزينههای تحميلي در حين توليد در دستور كار محققين و صنعتگران قرار گيرد.
يكي از زمينههای تحقيق بررسي ميزان كاهش وزن در صورت استفاده از فولاد ضدزنگ به ويژه در صورت بهكارگيري فرايند شكلدهي هيدروليكي است. براي محاسبه پتانسيل كاهش وزن فولاد ضدزنگ در ساختارهاي بدنه خودرو كه مسئول جذب انرژي هستند از قبيل اجزاء كناري، آزمايش مقايسهاي انجام شد. ابتدا ساختار جانبي خودرو كه معمولا از جنس فولاد كربني ساخته میشود، بدون اصلاح شكل در آن، از فولاد ضدزنگ سبكتر و نازكتر ساخته شد. در مرحله بعد، ساختار جانبي فوق از فولاد ضدزنگ ساخته شد اما با طراحي دوباره و استفاده از هيدروفرمينگ براي استفاده بهينه از خواص شكلپذيري مطلوب اين فولاد. اين ساختار جانبي كه از فولاد كربني ساده توليد میشود، يك ساختار چند جزئي بوده و از سه جزئي كه از روش كشش عميق توليد شدهاند و يك قسمت تقويتكننده تشكيل شده است كه به وسيله جوش نقطهاي به هم متصل میشوند. وزن كلي اين ساختار بدون در نظر گرفتن قطعه اتصال، 16/28 كيلوگرم بود.
با تغيير ماده اوليه، با جذب انرژي يكسان جايگزيني فولاد ضدزنگ 2
B ، نوع 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 4/19، 2/30 و 8/33 درصد كاهش وزن را نشان ميداد. اما مطالعات فرمپذيري نشان داد كه اصلاح طراحي براي توليد اجزاء كناري از فولادهاي ضدزنگ در فولاد
C1000 تحت شرايط كار سرد، حتي لازم و ضروري بوده است.
بيشترين كاهش وزن در فولادهاي ضدزنگ تنها هنگامي بدست ميآيد كه با طراحي جديد از مزيت شكلپذيري 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 جوش، از چهار به يك كاهش خواهد يافت. به دليل آنكه ديگر به لبه احتياجي نيست، سطح مقطع ميله ميتواند بزرگتر شده و پروفيل راستتر و مستقيمتر طراحي شود.
مطالعهاي كه بر روي شكلپذيري آنها انجام گرفته، نشان ميدهد كه طراحي جديد جزء جانبي با فولاد كربني ساده نميتواند هيدروفرم شود. براي شناسايي فولادهاي كربني ديگر با استحكام بالا كه بتوانند در طراحي جديد اين جزء جانبي، هيدروفرم شوند، شبيهسازيهاي مختلفي انجام شده است و نتايج نشان ميدهد كه طراحي هيدروفرم نميتواند با فولادهاي كربني استفاده بالا به كار رود و بنابراين براي رسيدن به كاهش وزن موثر حتما فولاد ضدزنگ مورد نياز است.
به علاوه، هيدروفرمينگ اجزاء جانبي عملكرد آنها در حين برخورد را نيز بهبود ميبخشد. شكل خميده جزء جانبي از جنس فولاد كربني باعث میشود تا به جاي له شدن و خرد شدن (
Crushing) در حين تصادف از جلو، قطعه چين بخورد يا به عبارتي بصورت آكاردئوني دربيايد (Buckling) و اين ويژگي در تستهاي تصادف به اثبات رسيده است. در تستهاي ايمني عموما له شدن نتايج بهتري را نسبت به چين خوردن نشان ميدهد.