آلومینیوم یا فولاد؟ کدام یک بهتر است؟

نویسنده: احمد حاتمیان، عصر مواد

شاید اولین نکته ای که می توان درباره ی فولادها گفت این باشد که فولادها تنوع بسیار زیادی دارند. این تنوع به چه دلیلی است؟

آهن و کربن عناصر اصلی تشکیل دهنده ی یک فولاد هستند. بیشترین حد کربنی که اکثر فولادها می توانند داشته باشند معمولاً ۱% است. کربن موجود در فولاد به آن سختی و استحکام می بخشد و افزایش درصد کربن به معنی افزایش سختی یا به اصطلاح تردی فولاد است. این تردی از خواصی نیست که ما از فولاد انتظار داریم. تولید و استفاده از انواع فولادها با درصدهای بسیار پایین تا درصد های بالایی از کربن، خود به تنهایی تنوع بالایی از فولادها را به وجود می آورد. علاوه بر آن، حضور عناصر آلیاژی در ترکیب انواع فولادها باعث تنوع بیشتر آن ها شده است.

علاوه بر تنوع زیاد، قابلیت ریخته گری، شکل پذیری، عملیات حرارتی، جوش پذیری و ماشین کاری مناسب فولاد در کنار خواص مطلوب مکانیکی و قیمت مناسب آن، فولاد را به عنوان اصلی ترین فلز دنیا در صنعت معرفی کرده است.

تا اینجا بیشتر از فولاد ها تعریف کردیم! بد نیست با نقاط ضعف فولادها نیز آشنا شویم:

فولاد با چگالی بالایی که دارد یک فلز سنگین است. در مقایسه با آلومینیوم، فولاد حدود ۳ برابر سنگین تر است. این در حالی است که آلومینیوم در کنار سبک بودن می تواند به استحکامی نزدیک به فولاد برسد. این موضوع کجا اهمیت پیدا می کند؟

به طور مثال در خودروها این موضوع می تواند تغییرات زیادی به وجود آورد، چرا که اگر در بدنه ی خودرو از آلومینیوم به جای فولاد استفاده کنیم، خودرو ۳ برابر سبک تر می شود. این بدان معنی است که موتور بار سبک تری را به دوش می کشد و قدرت آن می تواند سبب افزایش شتاب و سرعت حرکت خودرو شود. اما مسئله مهم تری که برای تولید کنندگان مطرح است هزینه های مربوط به سوخت است. یکی از بهترین راه های بهبود بهره وری سوخت، صرفه جویی در وزن است که استفاده از آلومینیوم برای بدنه خودرو راهی مطمئن برای آن می باشد. پایین آمدن مصرف سوخت به معنی تولید کمتر CO₂ و جلوگیری از آلودگی بیشتر محیط زیست هم است و این خود یک مزیت بسیار مهم برای خودروساز است.

البته استفاده از آلومینیوم تنها منحصر به بدنه خودرو نیست و قطعات آلومینیومی در موتورها، سر سیلندرها و بلوک ها، چرخ دنده ها، براکت ها و اجزای پمپ نیز به کار برده می شوند. وزن یک خودروی معمولی حدود ۱۳۰۰ کیلوگرم است. استفاده از آلومینیوم می تواند وزن این خودرو را به چیزی حدود ۷۷۵ کیلوگرم کاهش دهد. با این همه، بالاتر بودن قیمت آلومینیوم نسبت به فولاد دلیل مهمی است که باعث می شود خودروسازان به صورت جدی سراغ استفاده از بدنه ی آلومینیومی نروند. البته شرکت های بزرگی نظیر بی.ام.و، جگوار، فورد و تسلا خودروهایی ساخته اند که در بدنه ی آن ها از آلومینیوم استفاده شده است. از این خودروها می توان به Ford F-150 ،BMW i8 ،Audi A8 L ،Tesla S60 ،Ford Shelby GR-1 و Jaguar XE اشاره کرد.

خودروهای فورد با بدنه آلومینیومی

جایگزینی آلومینیوم فقط در رابطه با خودرو ها مطرح نیست، بلکه در صنایعی مانند هواپیماسازی حتی نمی توان به فلز سنگینی مثل فولاد فکر هم کرد.

آلومینیوم در کنار سبک بودن برتری دیگری نسبت به فولاد دارد و آن هدایت الکتریکی بالای آلومینیوم است که امروزه آن را در کنار مس از فلزات اصلی انتقال دهنده ی قدرت مطرح کرده است. در اینجا هم سبک بودن و قیمت پایین تر آلومینیوم نسبت به مس یک مزیت محسوب می شود، هر چند که هدایت الکتریکی آن پایین تر از مس است. وزن یکی از مهم ترین پارامترهای خطوط ولتاژ بالا است که قدرت را در مسافت های طولانی انتقال می دهند. در این رابطه فولاد کاربردی ندارد و ما را به این نتیجه نزدیک می کند که آلومینیوم فلزی با کاربرد های پیشرفته تر نسبت به فولاد است.

نقطه ضعف دیگر فولادهای معمولی این است که در محیط اتمسفری به سرعت زنگ می زنند. البته این یک اصطلاح است و بیان مهندسی این مسئله را می توان اینگونه بیان کرد که مقاومت به خوردگی فولادهای معمولی پایین است. در حالی که آلومینیوم در چنین محیط هایی زنگ نمی زند و می توان بدون نگرانی از خوردگی، از محصولات آلومینیومی به وفور در این محیط ها استفاده کرد. دلیل این پدیده، تشکیل یک لایه ی محافظ اکسید سطحی بر روی آلومینیوم است که مانند ضد زنگی که ما به درب و پنجره های آهنی می زنیم تا مانع زنگ زدگی آن ها شود، از زنگ زدگی و تخریب سطح آلومینیوم جلوگیری می کند.

شاید الان این سوال ذهن شما را درگیر کند که فولادهای زنگ نزن (stainless steels) نیز مثل آلومینیوم در محیط اتمسفری زنگ نمی زنند؟ درست است؛ فولادهای زنگ نزن با داشتن حداقل ۱۱ درصد کروم و برخی عناصر آلیاژی دیگر مثل نیکل و مولیبدن دارای مقاومت به خوردگی بالایی در بسیاری از محیط ها هستند، ولی نباید از نظر دور داشت که فولادهای زنگ نزن همچنان سنگین هستند و هزینه ساخت آن ها به مراتب از یک فولاد معمولی بیشتر است.

مزیت دیگری که آلومینیوم در مقایسه با فولاد دارد قابلیت شکل پذیری بهتر آن است که می تواند از ورق آلومینیومی نازک تا قطعات با ابعاد بسیار بالاتر را شامل شود.

پروفیل های آلومینیومی

پروفیل های فولادی

فلزات برای تبدیل به محصول نیمه نهایی یا نهایی عمدتاً ریخته گری می شوند یعنی ابتدا ذوب شده و سپس در قالبی ریخته می شوند تا بتوانند شکل محصول را به خود بگیرند. اگر دمای ذوب فولادها و آلومینیوم ها را مقایسه کنیم، خواهیم دید که دمای ذوب فولادها ۶۰۰ تا ۷۰۰ درجه بالاتر از آلومینیوم ها است، که این به معنی دشوارتر بودن ریخته گری فولاد نسبت به آلومینیوم است.

اما چرا فولاد مدتی طولانی در صدر فهرست پرکاربردترین فلزات دنیا در صنعت بوده و هست؟

این سوال را می توان این گونه پاسخ داد که فولادها می توانند تنوع بسیار زیادی از خواص را با قیمتی پایین تر از سایر فلزات در اختیار ما قرار دهند.

قیمت فلزات به فراوانی آن ها در طبیعت و فرایند استخراج آن ها بر می گردد. سابقه تولید آلومینیوم حتی به دو قرن هم نمی رسد، چرا که روشی برای استخراج آن وجود نداشت. همین دلیل باعث می شد آلومینیوم قیمت بالایی داشته باشد. در متون تاریخی آمده است که در قصر امپراتورهای فرانسه حتی به جای ظروف طلا از ظروف گران قیمت آلومینیومی استفاده می شد. در سال ۱۸۸۶ دو دانشمند به نام های هال و هرلوت به طور هم زمان روشی مناسب بر پایه الکترولیز برای استخراج آلومینیوم کشف کردند که شروع روندی برای کاهش قیمت آلومینیوم بود، اما همچنان فولاد ارزان تر از آلومینیوم است. امروزه آلومینیوم پس از فولاد پر مصرف ترین فلز جهان است و کاربرد های آن روز به روز در حال گسترش است.

در پایان اگر بخواهیم یک جمع بندی کلی داشته باشیم باید گفت با اینکه آلومینیوم نسبت استحکام به وزن بالاتری نسبت به فولاد دارد ولی همچنان فولاد از لحاظ خواص مکانیکی نظیر استحکام از آلومینیوم قوی تر است ولی سبک بودن آلومینیوم این امکان را به آن می دهد تا در صنایع پیشرفته تری نسبت به فولاد استفاده شود. البته نمی توان از کاربرد های زیادی که فولادها دارند صرف نظر کرد و شاید نتوان گفت کدام فلز برتر از دیگری است و باید دید با توجه به طرح و نقشه کلی و نیاز خاصی که مد نظر داریم استفاده از کدام یک مناسب تر است: آلومینیوم یا فولاد.