پوشش دهی
مواد منابع گرانبهایی هستند. روش‌ها و تکنیک‌های مختلفی برای محافظت از مواد در برابر تخریب استفاده می‌شود. خرابی قطعات مکانیکی در اثر سایش رایج‌ترین و اجتناب‌ناپذیرترین مشکل در خودروها، واحدهای تولید برق (نیروگاه‌های آبی)، تجهیزات ساختمانی، بخش دریایی، خطوط لوله گاز و سوخت و سایر صنایع مکانیکی است. این نه تنها عمر یک قطعه را تحت تأثیر قرار می‌دهد، بلکه عملکرد آن را نیز کاهش می‌دهد، از این رو به دلیل خسارات اقتصادی سنگین ناشی از سایش، این مشکل توجه محققان در سراسر جهان را به خود جلب کرده است. برای غلبه بر این مشکل، عموماً از آلیاژهای مقاوم یا پوشش‌های مناسب مقاوم در برابر سایش که با تکنیک‌های پیشرفته مختلف رسوب داده می‌شوند، استفاده می‌شود.
تکنولوژی‌های پوشش‌دهی
روش‌های پوشش‌دهی مرسوم و قدیمی به منظور حفاظت از لایه زیرین در مجاورت با هوا استفاده می‌شده است. اما روش‌های پیشرفته پوشش‌دهی نه تنها از لایه بستر محافظت می‌کنند، بلکه خواص آن را نیز افزایش می‌دهند. تکنیک‌های توسعه یافته باعث ایجاد اثرات متعددی مانند محافظت در برابر خوردگی و فرسایش، کاهش سایش، دستیابی به اصطکاک مطلوب با ایجاد سختی مطلوب، تقویت مواد بستر و غیره می‌شود. روش‌های متفاوتی مانند PVD، CVD، Sol-gelپو پاشش حرارتی وجود دارد که هرکدام مزایا و معایب خود را در زمینه کاربرد مطابق جدول 1 نشان می‌دهند. دستیابی به برخی از پوشش‌ها آسان و مقرون به صرفه است، اما هدف این است لایه‌ای از مواد مورد نظر را برای حفاظت تهیه کنیم که توانایی پایداری مطلوبی تحت بار دینامیکی، فرسایش، سایش و اصطکاک داشته باشند و شرایط نامطلوب کاری را جبران کنند.
جدول1: مزایا و معایب روش‌های رسوب دهی بررسی شده در مقالات
| فرایند | نقاط مثبت | نقاط منفی |
|---|---|---|
| پاشش حرارتی | کم هزینه و نرخ رسوب‌دهی بالا قابل اجرا برای طیف وسیعی از جنس‌های متفاوت زیرلایه و ماده پوشش | ضخامت نامنظم پوشش تنش پسماند متمرکز در نمونه پوشش داده شدهدشواری در ایجاد پوشش با تخلخل در ابعاد نانو |
| آبکاری الکتریکی | نرخ رسوب‌دهی متوسط تخلخل کم در پوشش‌دهی | زباله زیست محیطی استحکامِ کم پوشش |
| رسوب فیزیکی بخار | توانایی پوشش‌دهی مواد مرکب پوشش با ضخامت متراکم در ابعاد نانو مناسب برای پوشش هایی که عملکرد تریبولوژیکی ندارند | نرخ رسوب‌دهی خیلی کم هزینه اولیه بالا استحکام کم پوشش |
| رسوب شیمیایی بخار | رسوب یکنواخت در اشکال پیچیده توانایی پوشش‌دهی مواد مرکب پوشش بدون تخلخل ضخامت یکنواخت و کنترل‌شده | محدود به ترکیب شیمیایی و استفاده از گازهای فرار نرخ رسوب‌دهی بسیار کم هزینه اولیه بالا |
پاشش حرارتی
پاشش حرارتی در سال‌های اخیر اهمیت فزاینده‌ای یافته است، هم در ساخت قطعات جدید و هم در تعمیر قطعات موجود. پاشش حرارتی یک فناوری پوشش‌دهی سطحی است که انواع مختلف خواص مطلوب را به وجود می‌آورد یا بهبود می‌بخشد.
ویژگی‌های خاص آن گواه این است که:
-
ترکیبات متعددی از مواد زیرلایه و مواد پوشش را ممکن می‌سازد.
-
کمبود مواد اولیه و در نتیجه قیمت بالا، صنعت را وادار می‌کند تا از موادی خاص برای تولید سطوح با کیفیت بالا استفاده کند که مواد زیرلایه آن ویژگی‌ها را ندارند.
-
انعطاف پذیری پاشش حرارتی به این معنی است که قطعات فرسوده را می‌توان به کمک فرایندهای مختلفی تعمیر کرد. هزینه کمتر تعمیر و زمان نسبتاً کوتاه در مقایسه با روش‌های بازسازی، مزایای عمده‌ای را نشان می‌دهد.
اصطلاح “پاشش حرارتی” طیف وسیعی از فرایندهای پاشش را در برمی‌گیرد. آنها بر اساس نوع مواد پاشش، نوع عملکرد یا نوع منبع انرژی مطابق استاندارد ISO 14917 طبقه بندی می‌شوند. فرایندهای پاشش حرارتی به دلیل ویژگی‌های مربوط به فرایند، برای کاربردها با یکدیگر رقابت نمی‌کنند، بلکه مکمل یکدیگر هستند.
پیشینه پاشش حرارتی
فناوری پاشش حرارتی در اواخر دهه 1800 برای بازسازی قطعات فلزی فرسوده و محافظت از سطح ابداع شد. در ابتدا به عنوان “metallizing” (روکش‌دهی با فلزات) شناخته می‌شد، در طول جنگ جهانی دوم برای تعمیر سریع تانک‌ها و سایر وسایل نقلیه با تقاضای زیاد محبوبیت بیشتری پیدا کرد. امروزه پاشش حرارتی شامل مجموعه ای از فرایندهای پوشش دهی است که برای اعمال فلزات، پلیمرها، سرامیک‌ها، سرمت‌ها و سایر ترکیبات مواد در انواع مختلفی از زیرلایه‌های فلزی، پلیمری، کامپوزیتی و سرامیکی استفاده می‌شود.
در گذشته، پاشش حرارتی به طور گسترده‌ای در صنعت هوافضا استفاده می‌شد. در چند دهه گذشته و با توجه به نیاز به بهبود بهره‌وری سوخت، پاشش حرارتی به طور فزاینده‌ای در طیف وسیعی از کاربردهای خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرد که نیاز به مقاومت در برابر خوردگی و سایش، مقاومت در برابر درجه حرارت بالا، بهبود روانکاری و ترمیم ابعادی دارد. نمونه‌ها عبارتند از: پاشش پلاسما برای سر پیستون، نشیمنگاه سوپاپ، پاشش متریال سرامیکی پلاسما بر روی منیفولد اگزوز، اجزای توربو شارژ و محفظه‌های احتراق دیزل و پاشش پلاسما برای بهبود خواص تریبولوژیکی بوش‌های سیلندر در بلوک موتور ساخته شده از آلومینیوم ریخته‌گری با درصد سیلسیم کم.
تکنولوژی پاشش حرارتی
به طور کلی، مواد اولیه به عنوان بستر در حالت مایع، نیمه مایع یا جامد برای اعمال پوشش‌هایی با ضخامت بیشتر از 100 میکرومتر پیش بینی می‌شود. به طور سنتی، مواد اولیه (به شکل پودر، سیم یا میله) توسط احتراق یا قوس الکتریکی/پلاسما ذوب می‌شوند و سپس با یک جت گاز با سرعت بالا به سمت زیرلایه شتاب می‌گیرند. در فرآیندهای جدیدتر پاشش حرارتی، مانند پاشش سرد، مواد اولیه به‌خصوصی توسط یک جت گاز مافوق صوت تسریع می‌شوند تا رسوب در حالت جامد ایجاد شود. متداول ترین روش پاشش حرارتی پوشش‌دهی به روش پاشش پلاسما است. در این روش دمای منبع حرارت بیش از 15000 درجه سانتی‌گراد است. ذرات شتاب یافته مذاب از مواد پوشش به سمت بستر (زیرلایه) حرکت کرده و با سرعت کنترل شده به آن برخورد می کنند. بمباران مداوم ذرات روی بستر منجر به تشکیل یک لایه متراکم از پوشش می‌شود. پوشش را می توان روی طیف گسترده‌ای از مواد زیرلایه و مواد روکش مانند فلزات، سرامیک ها، پلیمرها، کامپوزیت ها و غیره استفاده کرد. پوشش چند لایه از ترکیبات یکسان یا متفاوت نیز می‌تواند از طریق پاشش حرارتی به دست آید. هدف نهایی در انتخاب هر فرآیند وابسته به عملکرد پوشش، پایداری، افزایش خواص مکانیکی زیرلایه، عیوب کمتر در فرآیند و سازگاری با محیط زیست است.
در مطالب‌های آینده با فرایندهای مرسومِ پوشش‌دهی درموتور و به ویژه بوش سیلندر یا لاینر آشنا خواهیم شد.
مراجع- Characterization of Thermal Spray Coatings for Cylinder Running Surfaces of Diesel Engines, Mareike Hahn, Alfons Fischer, 2009
-
Potential applications of thermal spray coating for I.C. engine tribology: A Review, Sonia, R.S. Walia, N.M. Suri, Sumit Chaudhary,Ankit Tyagi, 2021
-
Study Of Wear In Chrome Plated Cylinder Liner In Two Stroke Marine Diesel Engine Lubricated By Hans Jensen Swirl Injection Principle, Jayakumar, S.Mohanamurugan, R.Rajavel, 2017
-
Application of DLC Coating in Cylinder Liners for Friction Reduction, Edney Deschauer Rejowski, Paulo Mordente Sr, Marina Fuser Pillis, Tom Casserly, 2012
-
Characterization of Coated Diesel Engine Cylinder Liner Material using Surface Metrology Techniques, Salah H.R. Ali, Hassan Dadoura, Mohamd Ahmad, Mazin I. Nigm, 2015