تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3)

همانگونه که قبلا اشاره شد، بیشتر پوشش های نانوکامپوزیتی ابر سخت شامل چند لایه هایی از مواد نیتریدی و کاربیدی یا یک فاز نانو کریستالی سخت( مانند TiN) هستند که در داخل زمینه ی آمورف
يکشنبه، 4 اسفند 1392
تخمین زمان مطالعه:
موارد بیشتر برای شما
تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3)
تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی(3)

 

مترجم:حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون



 

فیلم های نانو کامپوزیتی ابر سخت

همانگونه که قبلا اشاره شد، بیشتر پوشش های نانوکامپوزیتی ابر سخت شامل چند لایه هایی از مواد نیتریدی و کاربیدی یا یک فاز نانو کریستالی سخت( مانند TiN) هستند که در داخل زمینه ی آمورف( مانند تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3) ) یا فاز فلزی ( مانند Cu، Ag، Ni، و ...) قرار داده شده اند. سایر فازهای نیتریدی که می توانند ابر سختی ایجاد کنند، ممکن است شامل دانه های VN، NbN، ZrN و (TiAl)N هستند که در زمینه ای آمورف از جنس تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3) قرار گرفته اند( شکل 1). به دلیل ابر سختی آنها، این پوشش ها می توانند محافظت عالی در برابر سایش و اکسیداسیون ایجاد کنند( در زمانی که ماشین کاری با سرعت بالا یا عملیات های شکل دهی فلز در دماهای بالا مورد نیاز باشد). ضرایب اصطکاک این مواد بسیار پایین نیست مخصوصا زمانی که شرایط لغزش خشک وجود داشته باشد؛ اما تحت شرایط لغزشی مجهز به روغن کاری، آنها می توانند همچنین ضرایب اصطکاکی بسیار پایینی داشته باشند. از نقطه نظر کاربردی، یک ترکیب از ابر سختی و اصطکاک بسیار پایین برای ایجاد محافظت در برابر سایش، ضروری است؛ در حالی که اصطکاک پایین به منظور کاهش مصرف انرژی خوب است. پوشش های چند لایه ی ابر سخت، به طور گسترده در سال های اخیر مورد بررسی قرار گرفته اند. به خصوص سیستم های دارای CrN/NbN و TiAlN/VN نیز مورد مطالعه قرار گرفته است و خواص سایشی این پوشش ها به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته است.
در برخی تلاش ها اخیر در زمینه ی ماشین کاری، پوشش های نانو کامپوزیتی تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3) دارای کارایی بهتری نسبت به پوشش های سخت معمولی( مانند TiN، TiC و (TiAl)N) هستند. شکل 2 کارایی برخی از پوشش های ابر سخت و پوشش های سخت معمولی را نشان می دهد. با استفاده از کاتدهای قوسی- چرخشی جدید در طی رسوب دهی و استفاده از فرایند تمیزکاری بر روی کاتدها، بهبودهای اضافی در کارایی برشی ابزارهای پوشش داده شده، ایجاد شده است. این مسئله مخصوصا در ماشین کاری خشک وجود دارد. برای مثال، وقتی این پوشش های نانو کامپوزیتی در دریل کاری خشک فولاد سخت مورد استفاده قرار می گیرد، عمر مفید ابزارآلات 4 برابر می شود( در مقایسه با ابزارآلات پوشش داده شده با (AlTi)N). تحت یک چنین شرایط ماشین کاری، دمای لبه های برشی ممکن است به تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3) برسد. علاوه بر مواد ابر سخت، این انتظار می رود که پوشش های نانوکامپوزیتی نیز دارای پایداری حرارتی و مقاومت به اکسیداسیون خوبی هستند.
تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی(3)
تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی(3)

فیلم های کربنی نانو ساختار

کربن به عنوان یک عنصر می تواند در بخش های ساختاری برخی از سخت ترین مواد شناخته شده ( مانند الماس، کاربید بور، و کاربید فلزات انتقالی)جایگزین شود. این عنصر یک جزء اصلی در برخی از نانو مواد مانند فلرن ها، نانو تیوب ها، پیاز شکلی ها، نانو الماس، کربن نانو مقیاس و پوشش های نیترید بور است. علاوه بر الماس و DLC، سایر مواد تریبولوژیکی بر پایه ی کربن( مانند گرافیت، فلوریدهای گرافیتی، کربن شیشه ای و کامپوزیت های کربن- کربن یا کربن- گرافیت) نیز برخی اوقات برای استفاده در کاربردهای روان سازی مورد استفاده قرار می گیرند. به طور خاص، پوشش های الماسی و DLC در کاهش اصطکاک لغزشی المان های ماشین کاری مؤثر هستند و از این رو، به طور گسترده در صنایع به عنوان روان ساز مورد استفاده قرار می گیرند. کامپوزیت های بالک بر پایه ی کربن همچنین یکی از کلاس های مهم مواد تریبولوژیک می باشند که برخی از آنها دارای ضرایب اصطکاک اندکی هستند و مقاومت آنها در برابر حرارت نیز مناسب می باشد. کامپوزیت های کربنی با اصطکاک پایین ابتدا به عنوان مواد آب بندی در تجهیزات صنعتی چرخنده مورد استفاده قرار می گرفت، در حالی که کامپوزیت های کربن- کربن با اصطکاک بالا در تولید ترمز در ماشین های مسابقه مورد استفاده قرار می گیرند.
در سال های اخیر، کربن به عنوان ماده ی اولیه برای تولید برخی از نانو کامپوزیت ها و پوشش های نانو کریستالی مورد استفاده قرار می گیرد. به طور خاص، با استفاده از کربن، الماس نانو ساختار و فیلم های الماسی مشتق شده از کاربید تولید می شود. همچنین از کربن در تولید یک سری از فیلم های کامپوزیتی بر پایه ی کربن برای استفاده در کاربردهای تریبولوژیکی استفاده می شود.

فیلم های الماسی نانو کریستالی

الماس به عنوان سخت ترین ماده ی طبیعی شناخته شده، دارای قابلیت های زیادی برای کاهش میزان اصطکاک و سایش در بسیاری از کاربردهای مهندسی دارد. به دلیل خنثایی شیمیایی، این ماده همچنین ضریب اصطکاک بسیار پایینی در سطوح لغزشی ایجاد می کند. فیلم های الماسی سنتزی می توانند بر روی سطوح تریبولوژیکی و با استفاده از روش های CVD اعمال شوند. به هر حال، سطح نهایی بسیاری از فیلم های الماسی مرسوم بسیار صاف می باشد. این صافی می تواند موجب ایجاد ضرایب اصطکاک اندک بر روی بسیاری از سطوح شود. در سال های اخیر، محققین روش های پولیش کاری مؤثری توسعه داده اند( مانند روش پولیش کاری لیزری). بوسیله ی این روش ها، سطح نهایی صاف تری بر روی فیلم الماسی ایجاد می کند. به هر حال، این فرایندهای پولیش کاری نسبتا گران قیمت هستند و در مورد قطعات با هندسه ی پیچیده، این روش ها قابل اجرا نیستند. در طی دهه های گذشته، روش های جدید برای رسوب دهی فیلم های الماسی با سطح بسیار صاف، توسعه یافته است. مخصوصا با استفاده از تکنیک های مناسب اضافه کردن جوانه زا و استفاده از مخلوط های پلاسمایی آرگون- باکی بال و آرگون- متان در سیستم های CVD میکروویو،‌ فیلم های الماسی با خلوص بالا در آزمایشگاه توسعه پیدا کرده اند. اندازه ی دانه ی این فیلم ها در گستره ی 2 تا 5 نانومتر است و سطح نهایی ایجاد شده دارای زبری 10 تا 20 نانومتر می باشد. شکل 3 جزئیات ساختاری فیلم های الماسی نانو کریستالی را نشان می دهد. وقتی از این فیلم ها بر روی سطوح لعزشی استفاده می شود، این فیلم ها می توانند ضرایب اصطکاکی کمتر از 0.05 ایجاد کنند. شکل 4 کارایی اصطکاکی فیلم های الماسی نانوساختاری را نشان می دهد که دارای گستره ی وسیعی از زبری های هستند. این شکل همچنین مورفولوژی سطحی فیلم هایی نانو کریستالی را نسبت به فیلم های میکرو کریستالی نشان می دهد. به دلیل سختی فوق العاده و اصطکاک پایین، فیلم های الماسی نانوکریستالی می توانند در کاربردهایی همچون سری های فلزی برش، عملیات های شکل هی و بخش های لغزنده مورد استفاده قرار گیرند. در سال های اخیر، این فیلم های الماسی برای تولید بسیاری از سیستم های میکروالکترومکانیکی( MEMS) مورد استفاده قرار گرفته اند.
تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی(3)
تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی(3)

کربن مشتق شده از کاربیدهای نانوساختار

علاوه بر فیلم های الماسی نانوکریستالی که در بالا به آن ها اشاره شد، فیلم های کربنی مشتق شده از کاربید( CDC) نیز می توانند ضرایب اصطکاک و سایش بسیار پایینی بر روی سطوح لغزنده ی تماسی ایجاد کنند. این فیلم ها به طور نمونه وار بر روی سطوح خارجی سرامیک های بر پایه ی کاربید ایجاد می شوند. این فیلم ها مخصوصا با واکنش این مواد کاربیدی با مخلوط های گازی کلردار و هیدروژن دار در یک رآکتور آب بندی، تولید می شوند. بر خلاف روش های CVD و PVD نیازمند سیستم های خلأ بسیار پیچیده ای برای تولید پوشش های الماسی و سایر پوشش های سخت هستند، این روش جدید نه نیازمند سیستم خلأ و نه نیازمند سیستم تخلیه ی پلاسمایی است. این روش بیشتر در کوره های تیوبی و با استفاده از جریانی از مخلوط های گازی کلردار و هیدروژن دار،‌ انجام می شود. جریان گاز اشاره شده از روی زیرلایه ای می گذرد که دمای آن در گستره ی 600 تا تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3) می باشد. مواد کلردار موجود در این مخلوط های گازی به طور ترجیحی با اتم های فلزی واکنش می دهد و آنها را به روش اچ جداسازی می کند. در مورد SiC، واکنش انجام شده، Si〖Cl〗_4 تولید می کند که این ماده،‌ ماده ای فرار است و بنابراین به آسانی زدایش پیدا می کند. اتم های کربنی که بر روی سطح رها شده اند،‌ خود آرایی کرده و تشکیل یک فیلم کربنی نانو ساختار واقعی را می دهند. این فیلم نانو ساختار از فازهای الماسی، گرافیتی، کربن پیازی شکل و کربن آمورف تشکیل شده است. شکل 5 ریزساختار نمونه وار این پوشش را نشان می دهد.
تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی(3)
با کنترل پارامترهای فرایندی، ساختار و وی‍ژگی های فیلم های CDC می تواند به آسانی دستکاری شود و یا میزان زبری آن برای برطرف نمودن نیازی خاص در یک کاربرد معین،‌ تغییر داده می شود. مطالعات تجربی انجام شده در سال های اخیر نشان داده است که ویژگی های سایشی این فیلم ها به طور قابل ملاحظه ای به محیط آزمایش بستگی دارد. در هوای مرطوب، ضرایب اصطکاکی این مواد با گرافیت پیرولیتیکی بسیار جهتدار، قابل مقایسه است. این در حالی است که در نیتروژن خشک یا خلأ، مقادیر اصطکاک ممکن است بسیار بزرگتر باشد. شکل 6 ضرایب اصطکاک CDC‌ و SiC را نشان می دهد. فیلم های CDC‌ خاص می توانند ضرایب اصطکاک کمتر از 0.1 را در نیتروژن خشک ایجاد کنند، اما سایر فیلم ها ضرایب اصطکاک بالاتری را در این محیط ایجاد می کنند( شاید به دلیل برخی تفاوت های ساختاری و مرفولوژیکی). با اعمال فرایند هیدروژن زایی بعد از فرایند رسوب دهی، ضرایب اصطکاک این فیلم ها می تواند در نیتروژن خشک به مقادیری کمتر از 0.05 نیز برسد. این فیلم های کربنی با ضرایب اصطکاک اندک برای کاربردهایی مانند MEMS،‌ تماس های الکتریکی، امپلنت های بیولوژیکی و آب بندهای مکانیکی،‌کاربرد دارند.
تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی(3)

فیلم های کربنی نانو ساختار شبه الماسی

فیلم های کربنی شبه الماسی عموما آمورف هستند و از مخلوطی از اتم های کربن با هیبریداسیون های تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3) و تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3) تشکیل شده اند. اگر این فیلم ها از مواد هیدروکربنی مشتق شده باشند و یا از طریق پلاسمای آرگون- هیدروژن تولید شده باشند، آنها ممکن است همچنین دارای مقادیری هیدروژن در ساختارشان باشند. از لحاظ تریبولوژیکی، آنها می توانند اصطکاک اندکی ایجاد کنند و دارای مقاومت سایشی بالایی در سطوح لغزنده می باشند. در حال حاضر، این فیلم ها در گستره ی وسیعی از کاربردها از دیسک های مغناطیسی سخت گرفته تا بخش ها و اجزای اتومبیل مورد استفاده قرار می گیرند. برای بهبود هر چه بیشتر عملکرد تریبولوژیکی این مواد،‌ محققین فازهای کریستالی معینی را به این فیلم ها اضافه کرده اند. این تصور وجود دارد که یک چنین پوشش های نانوکامپوزیتی دارای اصطکاک و سایش کمتری هستند و داری قابلیت تحمل بار بیشتری نیز می باشند.
در بین سایر پوشش ها،‌ اخیرا پوشش های DLC چند لایه نیز توسعه یافته اند که این پوشش ها به طور گسترده مورد ارزیابی قرار گرفته اند و ویژگی های تریبولوژیکی و سایر خواص آنها نیز مورد بررسی قرار گرفته است. به طور خاص، فیلم های چندلایه ی C/W و C/Cr بیشترین توجه را به خود اختصاص داده اند. این پوشش ها بر روی زیرلایه ی فولادی ایجاد شده اند و ویژگی های تریبولوژیکی آنها تحت گستره ی وسیعی از شرایط( از شرایط محیطی خشک گرفته تا شرایط روان سازی شده) مورد بررسی قرار گرفته است( این مواد نه تنها در آزمایشگاه ها بلکه در کاربردهای واقعی نیز مورد استفاده قرار گرفته اند).
برخی از فیلم های کربنی نانوساختار شامل کاربیدها و یا سایر فازهای کریستالی نانوسایز هستند که این فازها به طور یکنواخت در زمینه ی آمورف از جنس کربن پراکنده شده اند. دانه های کاربیدی کریستالی در این فیلم ها در ابعاد نانومتری هستند که در زمینه ی آمورف از DLC پراکنده شده اند. وقتی این فیلم ها را با فیلم های متداول یا فیلم های DLC تک فاز مقایسه می کنیم، می فهمیم که این فیلم ها دارای ترکیبی از تافنس و سختی مکانیکی فوق العاده هستند.
جنبه های جدید طراحی برای نانو کامپوزیت های خود روان ساز مورد استفاده در کاربردهای دما بالا
برخی از کاربردهای تریبولوژیکی( مانند عملیات فرج، نورد،‌ مونتاژ رینگ پیستون و لاینرهای سیلندر و توربوماشین ها) دارای شرایط عملیات بسیار سخت هستند. در این عملیات ها،‌ فرایند شکل دهی در دماهای بالا،‌سرعت های بالا،‌ محیط های اکسیداسیون شدید و ... انجام می شود. از میان سایر شرایط عملیاتی، افزایش دمای عملیاتی در برخی سیستم های تریبولوژیکی موجب کاهش خاصیت روان سازی در حالت مایع و خشک می شود. یکی از مکانیزم های تخریب عمده در دماهای بالا، اکسیداسیون است. به طور خاص، سطح مشترک لغزشی سیستم های تریبولوژیکی اکسید می شود و یک لایه ی اکسیدی نازک بر روی آنها ایجاد می شود. این لایه بر روی وی‍ژگی های تریبولوژیکی ماده اثرگذار می باشد. بیشتر اکسید های شناخته شده دارای سختی بالا هستند و از این رو موادی ساینده به شمار می آیند اما اکسیدهای خاصی نیز وجود دارند که نرم بوده و از این رو در دماهای بالا به آسانی تخریب می شوند.
سیستم های PVD و CVD که امروزه وجود دارند، می توانند به آسانی از پوشش های نانوآلیاژی یا نانوکامپوزیتی بهره ببرند که این پوشش ها می توانند منجر به تشکیل اکسیدهای با استحکام برشی پایین شوند. این اکسید ها را عموما اکسیدهای روان ساز می نامند. مطالعات تجربی اخیر نشان داده است که اکسیدهای عناصری چون Re، Ti، Ni، W، Mo، Zn، V، B و ... مواد روان ساز خوبی هستند و از این رو می توان از آنها برای روان سازی در دماهای بالا استفاده کرد. وقتی دو یا تعداد بیشتری از عناصر یا فازهای آلیاژی در فیلم نانوکامپوزیتی وجود داشته باشند، اکسیدهای روان ساز ترکیبی( مانند تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3)،‌ تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3)، تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3)،‌ تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3)، تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3)، تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3)، تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3) ) ممکن است بر روی سطح لغزنده تشکیل شود و ضرایب اصطکاک اندکی( در گستره ی 0.1 تا 0.4 ) ایجاد شود.
بزرگترین محدودیت روان سازهای جامد بر پایه ی اکسید، این است که این مواد به طور ذاتی ترد هستند و بنابراین ممکن است به سرعت شکسته و سایش پیدا کنند. علاوه براین، بیشتر روان سازهای اکسیدی در دمای اتاق خاصیت روان سازی ندارند. کاربردهای بالقوه ی این اکسیدهای روان ساز عبارتند از آب بندهای دما بالا، یاتاقان ها،‌ چرخ دنده ها،‌ شیرها و نشیمنگاه های شیر،‌ بخش های خاصی از استاتور و یاتاقان های فلزی می باشد.
اخیرا، یک روش شیمیایی- کریستالی بوسیله ی Erdemir برای طبقه بندی اکسیدهای روان ساز ابداع شده است. اساس این طبقه بندی بر پایه ی کارایی و محدودیت های عملیاتی است. این روش برای جاهایی پیشنهاد می شود که در آنها بخواهیم نوع اکسید روان ساز مورد نیاز بر روی یک سطح واقع شده در دمای بالا را تعیین کنیم. ظاهرا،‌ شیمی کریستالی اکسیدهای معینی که بر روی سطح لغزنده تشکیل می شوند، به طور قابل توجهی به رئولوژی برشی آنها ( و در نتیجه روان سازی در دمای بالا) بستگی دارد.
روش شیمی کریستالی ضرورتا بر اساس پتانسیل یونی یک اکسید پایه گذاری شده است و به عنوان نسبت Z/r تعریف می شود. که در اینجا Z‌ بار کاتیون و r شعاع کاتیون می باشد. ظاهرا، پتانسیل یونی چندین پدیده ی فیزیکی و شیمیایی کلیدی در اکسیدها را کنترل می کند. عموما پتانسیل یونی بالاتر موجب می شوند تا آنیون های بیشتری در اطراف کاتیون قرار گیرند. اکسیدهای با چنین کاتیون هایی معمولا نرم هستند و از این رو به آسانی در دماهای بالا بریده می شوند. کاتیون های آنها به خوبی تفکیک شده اند و به طور کامل بوسیله ی آنیون ها در بر گرفته شده اند. از این رو، آنها در واکنش های اندکی شرکت می کنند و با کاتیون های دیگر واقع در سیستم، واکنش نمی دهند. بیشتر پیوندهای ایجاد شده با آنیون های همسایه می باشد. همانطور که در شکل 7 می بینید،‌ پتانسیل یونی بالاتر موجب می شود تا ضریب اصطکاک پایین تری ایجاد شود. این بدین معناست که اکسیدهای با پتانسیل یونی بالاتر به آسانی تحت برش قرار می گیرند و بنابراین دارای اصطکاک پایین تری در دمای بالا هستند.
تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی(3)
تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی(3)
در پوشش های نانوکامپوزیتی، بیشتر از دو فاز جامد غیر مشابه از لحاظ شیمیایی وجود دارند. وقتی یک چنین پوشش هایی نسبت به ماده ی دیگر، کشیده می شوند، هیچ شکی وجود ندارد که بیشتر از یک نوع اکسید بر روی سطح لغزشی وجود دارد. روش شیمیایی- کریستالی ممکن است به عنوان یک راهنما در فرمولاسیون یک چنین فیلم های نانوکامپوزیتی مورد استفاده قرار گیرد به نحوی که لایه های اکسیدی پیچیده ای که بر روی سطوح لغزنده تشکیل می شوند، ممکن است به آسانی تحت برش قرار گرفته و از این رو، اصطکاک کمی ایجاد می کنند. شکل 8 چند مورد را نشان داده است که در آن،‌ دو اکسید(مانند تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3)،‌ تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3)، تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3)،‌ تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3)، تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3)و تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3) ) نیز حضور دارند و یا همانگونه که اشاره شد بر روی سطح مشترک ایجاد می شوند تا بدین وسیله اصطکاک پایین در دماهای بالا ایجاد شود. همانگونه که انتظار می رود، رابطه ی قابل قبولی میان آندسته از پتانسیل های یونی وجود دارد که در دماهای بالا اندازه گیری شده اند.
روش شیمی کریستالی که در بالا بدان اشاره شد، دارای مفاهیم تجربی بسیاری در زمینه ی طراحی یا فرمولاسیون پوشش های نانوکامپوزیتی خود روان ساز دارد. یک چنین پوشش هایی ممکن است کاربردهایی در زمینه ی وسایل برش فلزی و عملیات های شکل دهی، پیدا کنند. در این کاربردها، دماهای بالا همواره وجود دارد و از این رو در آنها سایش های اکسیدی و چسبندگی در سطوح برش ایجاد می شود. روان سازی در یک چنین ابزاری بوسیله ی روش های متداول( مانند استفاده از مایعات روان ساز) بسیار مشکل است که علت اصلی آن، به دلیل افزایش قوانین محیط زیستی در این زمینه می باشد. چیزی که بسیار مناسب است، ابزاری است که نیاز به حداقل میزان روانسازی را داشته باشد.
بیشتر ابزارهای شکل دهی و برش که امروزه در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند، با کاربیدها و نیتریدهای سخت، پوشش داده می شوند. امروزه، آنها به طور روزن افزون با پوشش های نانوکامپوزیتی پوشش داده می شوند که این پوشش ها در زمان کار، به خوبی عمل می کنند. به هر حال،‌ وقتی این مواد را تحت شرایط عملیاتی خشک و یا تحت روان سازی نامناسب استفاده می کنیم، به سرعت می شکنند. با استفاده از آلیاژها و نانو فازهای خاص در این پوشش ها،‌ می تواند به طور بالقوه کارایی و دوام آنها را بالا برد. این عناصر آلیاژی یا فازها باید به نحوی انتخاب شوند که تشکیل لایه ی اکسیدی روان ساز بر روی سطوح برشی و شکل دهی ای ابزارها را در طی عملیات، ارتقاء دهند. روش های روان سازی مشابه ممکن است همچنین در فرمولاسیون پوشش های تولید شده با روش پلاسمای حرارتی و پاششی،‌ نیز مورد استفاده قرار گیرند( این پوشش ها امروزه در بسیاری از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند).
در سال های اخیر، تلاش هایی به منظور مشارکت دادن اکسیدهای روان ساز و عناصر تشکیل دهنده ی این اکسیدها در سیستم های پوششی انجام شده است. تلاش شده تا بوسیله ی این مشارکت، کارایی بهتر و طول عمر بیشتری در ابزارهای برش و انواع مختلفی از سیستم های تریبولوژیکی ایجاد گردد. در یکی از این تلاش ها،‌ محققین از اکسید تنگستن و وانادیوم در سیستم های پوششی استفاده کرده اند و توانسته اند ضرایب اصطکاک پایین و سایش اندکی را در دماهای بالا ایجاد کنند. در یکی دیگر از این مطالعات نیز، وانادیوم به پوشش های TiAlN اضافه شده است،‌ بدین امید که بتواند اکسید روان ساز تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3)ایجاد شود. تست های سایش خشک انجام شده بر روی این پوشش ها، نشان داده است که ضریب اصطکاک یک چنین پوشش کامپوزیتی در دمای تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3) ، از 0.6 تا 0.8 به 0.18 کاهش می یابد. این نتیجه گیری شده است که افزودن وانادیوم به پوشش های سخت برای ایجاد روان سازی در طی ماشین کاری خشک، مناسب می باشد. این مسئله عمدتا به دلیل تشکیل تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3) و سایر اکسیدهای با قابلیت برش از وانادیوم می باشد. همانگونه که در شکل 7 نشان داده شده است، پتانسیل یونی تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3) بزرگ است و از این رو، روان سازی این ماده در دماهای بالا، ‌زیاد است.
Gulbinski و همکارانش رفتار لغزش خشک MoO_3 و تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (3) خالص را با فازهای کامپوزیتی آنها مورد مقایسه قرار داده اند. تمام این فازها ضریب اصطکاک را کاهش می دهند اما بهترین نتایج در مورد سطوحی بدست آمده است که از اکسیدهای نقره مولیبدنات و نقره وانادیوم تشکیل شده بودند. توجه کنید که اکسیدهای پیچیده همچنین دارای پتانسیل های یونی پایینی هستند. در مطالعات بنیادی، محققین همچنین اصطکاک های کوچکی را بر روی سطوح اکسیدی بدست آوردند که در آنها فازهای Magnelia‌ با تنش برشی اندک وجود داشت.

خلاصه

در این مقاله، ما یک بررسی در زمینه ی پیشرفت های اخیر در زمینه ی تولید و استفاده از پوشش های کامپوزیتی و نانو ساختار در کاربردهای تریبولوژیکی مورد بررسی قرار گرفته است. برخلاف پوشش های معمولی، پوشش های نانو ساختار و کامپوزیتی، تحت شرایط تریبولوژیکی مختلف،‌ ترکیبی از کاهش اصطکاک و افزایش مقاومت به سایش را در سطوح لغزشی، ایجاد می کنند. از لحاظ ساختاری، آنها شامل دو یا چند فاز هستند که به روشی خاص با هم مخلوط شده اند. با این کار، یک گستره ی متنوع از مرفولوژی های ساختاری پر دانسیته ایجاد می شود. این پوشش ها ممکن است ابر سخت باشند و یا دارای ضرایب اصطکاک و سایش اندکی باشند. نوع فازهای مرزدانه ای، نقشی مهم در سختی و سایر خواص آنها ایفا می کند. پوشش های چند لایه با ضخامت لایه ای در گستره ی چند اتم تا چند نانومتر نیز موجود است. این ساختارهای لایه ای می تواند ویژگی های مکانیکی و تریبولوژیکی خوبی از خود نشان دهند. در حال حاضر،‌ چند روش CVD و PVD‌ برای رسوب دهی پوشش های نانو ساختار و کامپوزیتی بر روی زیرلایه های سرامیکی و فلزی، وجود دارد. برخی از این فیلم ها( مانند الماس نانوکریستالی، CDC و DLC) خود روان ساز هستند و ممکن است ضرایب اصطکاکی کمتر از 0.1 ایجاد کنند( حتی تحت شرایط نامناسب). این فیلم ها را می توان برای گستره ی وسیعی از کاربردها( مانند آب بندهای مکانیکی، MEMS، ‌اجزای موتور و لوکوموتیو و وسایل پزشکی) استفاده کرد. یکی دیگر از توسعه های مهم در این زمینه طراحی و تولید پوشش های نانوکامپوزیتی و چند لایه بر روی اجزای تریبولوژیکی مختلف است. به دلیل اصطکاک کم آنها،‌ این پوشش ها را می توان به طور موفق در کاربردهای تریبولوژیک مانند هوافضا و تولید سبز مورد استفاده قرار داد. برای کابردهایی که در آنها دما بالا می باشد، توسعه ی پوشش های روان سازی ضروری است که توانایی استقامت در برابر دماهای بالا را داشته باشند. اخیرا، یک روش شیمیایی کریستالی برای آگاهی از طبقه بندی اکسید های روان ساز توسعه یافته است. با استفاده از این روش،‌ می توان پوشش هایی با کارایی روان سازی مناسب را با توجه به محدودیت های این پوشش ها در دمای بالا انتخاب و طراحی کرد. این روش ممکن است برای طراحی پوشش های نانو کامپوزیتی جدید مورد استفاده قرار گیرد که بوسیله ی آن می توان انواع مختلفی از اکسیدهای روان ساز را که در سطوح لغزنده( در دمای بالا) نیاز است را تولید نمود.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.



 

 



مقالات مرتبط
ارسال نظر
با تشکر، نظر شما پس از بررسی و تایید در سایت قرار خواهد گرفت.
متاسفانه در برقراری ارتباط خطایی رخ داده. لطفاً دوباره تلاش کنید.
موارد بیشتر برای شما