تولید پوشش‌های مقاوم به سایش برای افزایش عمر قطعات صنعتی
محققان دانشکده مهندسی معدن و متالورژی دانشگاه صنعتی امیرکبیر با همکاری دانشگاه سیدنی استرالیا اخیرا به تولید پوشش‌هایی برای افزایش مقاومت به سایش فولاد ابزار AISI H۱۳ به عنوان یکی از فولادهای پرکاربرد برای تولید قالب‌های شکل‌دهی دست یافتند که به گفته آنها اعمال این پوشش می‌تواند در افزایش طول عمر قطعات در صنعت موثر باشد.
به گزارش ایسنا، امید شریف احمدیان، دانش‌آموخته دکتری دانشکده مهندسی معدن و متالورژی دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تماس سطوح قطعات مختلف با یکدیگر را یکی از عوامل اصلی کاهش عمر قطعات در صنعت دانست و گفت: فولاد ابزار AISI H۱۳ یکی از فولادهای پرکاربرد برای تولید قالب‌های شکل‌دهی است که تحت سایش شدید قرار می‌گیرد؛ از این رو اعمال پوشش مقاوم به سایش بر روی این فولاد، راهکار مناسب و اقتصادی به شمار می‌رود.
وی پوشش‌های کربنی شبه الماسی (DLC) را بهترین پوشش برای این فولاد دانست؛ چراکه دارای خواص منحصر به‌فردی چون مقاومت سایشی بالا، ضریب اصطکاک کم، سختی بالا و خنثی از نظر شیمیایی است و می‌توانند انتخابی مناسب برای افزایش طول عمر قطعات در این زمینه باشند.
شریف احمدیان با اشاره به اجرای پروژه تحقیقاتی با عنوان "طراحی و تولید پوشش دو لایه کربنی شبه الماس برای کاربردهای سایشی در صنعت" در دانشگاه صنعتی امیرکبیر، خاطر نشان کرد: در این طرح پوشش دولایه توسط روش رسوب‌شیمیایی بخار به کمک پلاسما (PACVD) بر زیر لایه فولاد ابزار نیتروژن کربن‌دهی شده، اعمال شد.
این محقق با تاکید بر اینکه دستگاه رسوب شیمیایی بخار به کمک پلاسما از سوی دکتر فرزاد محبوبی، استاد راهنمای این پروژه طراحی و ساخته و بومی‌سازی شد، ادامه داد: عملکرد سایشی پوشش‌های کربن شبه الماسی تحت تأثیر عوامل بسیاری از جمله چسبندگی پوشش به زیرلایه، شرایط محیطی در طول آزمون سایش و سختی پوشش می‌تواند تغییر کند. اما برای زیر لایه‌های نرم مانند فولاد، کاهش چسبندگی پوشش به زیرلایه تأثیر منفی بر رفتار سایشی پوشش دارد.
وی با بیان اینکه به منظور بهبود چسبندگی پوشش‌ها به زیرلایه و تأثیر متقابل آن بر رفتار سایشی، چند راهکار اساسی به کار گرفته شد، اضافه کرد: فاز اول اعمال فرآیند نیتروژن کربن‌دهی روی نمونه‌های فولادی به‌منظور افزایش سختی زیرلایه و در فاز دوم با اضافه شدن عنصر نیتروژن به ساختار پوشش و تولید پوشش‌های کربن شبه الماسی نیتروژن‌دار (N-DLC)، سختی و تنش‌های موجود در پوشش کاهش یافت و نهایتاً باعث بهبود چسبندگی آن به زیر لایه شد.
شریف احمدیان، فاز سوم این فرآیند را طراحی و تولید پوشش دولایه N-DLC/DLC از مقادیر بهینه‌شده توسط روش سطح پاسخ (RSM) برای پوشش‌های تک لایه کربن شبه الماسی ( DLC و N-DLC) ذکر کرد و یادآور شد: در فاز چهارم با اعمال فرآیند توری فعال در دستگاه رسوب‌شیمیایی بخار به کمک پلاسما، پوشش دولایه مربوطه با ضریب اصطکاک ۰.۱۲ و پایداری بالا در رفتار سایشی تولید شد.
وی با اشاره به بررسی مورفولوژی سطحی و ساختار پوشش‌ها توسط میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، میکروسکوپ الکترونی (SEM) و همچنین گسیل میدانی (FESEM) تجهیز شده با طیف‌سنجی پراش انرژی پرتوایکس(EDS)، گفت: همچنین مطالعات ساختاری پوشش‌ها توسط آنالیزهای طیف‌سنجی رامان، فوتوالکترون‌های اشعه ایکس (XPS)، مادون‌قرمز (ATR-FTIR)، انتشار نوری (OES)، الیپسومتری و پراش اشعه ایکس (XRD) انجام شد.
محقق این طرح با بیان اینکه فعالیت‌های تکمیلی این پروژه به مدت ۷ ماه در دانشگاه سیدنی استرالیا در قالب فرصت تحقیقاتی انجام شده است، خاطر نشان کرد: تجربیات و نقطه نظرات اساتید و محققان این عرصه در این دانشگاه به همراه تجهیزات جدید و پیشرفته پوشش‌دهی و آنالیز مواد مستقر در گروه فیزیک پلاسما و مهندسی سطح دانشگاه سیدنی، نقش بسزایی در زمینه ارتقای سطح علمی این پروژه داشته است.
به گفته وی، طراحی پوشش دولایه N-DLC/DLC نه تنها باعث افزایش عمر قطعات استفاده شده در قالب‌های شکل‌دهی می‌شود، بلکه از لحاظ اقتصادی بسیار با صرفه بوده است. استفاده از گاز نیتروژن در کنار گازهای مورد استفاده دیگر نظیر متان و آرگون در اتمسفر پلاسمای دستگاه و همچنین دمای پایین و زمان کوتاه فرآیند، در مقایسه با روش‌های دیگر تولید این نوع از پوشش‌ها، باعث کاهش هزینه‌های تولید در مقیاس صنعتی می‌شود.
بر اساس اعلام روابط عمومی دانشگاه صنعتی امیرکبیر، شریف احمدیان یادآور شد: این پوشش دولایه طراحی‌شده هیچ‌گونه معادل خارجی و یا داخلی نداشته و بخشی از نوآوری موجود در این پروژه دکتری است؛ اما در مقایسه با پوشش‌های معادل خارجی کربن شبه الماسی که از نیتروژن در آنها استفاده شده است، این پوشش دولایه با ایجاد یک حالت گرادیانی از خواص مکانیکی و شیمیایی از زیرلایه تا سطح پوشش، باعث ایجاد خواص مقاومت به سایشی بالا به همراه چسبندگی مناسب به زیرلایه می‌شود.
وی پوشش‌های کربنی شبه الماسی (DLC) را بهترین پوشش برای این فولاد دانست؛ چراکه دارای خواص منحصر به‌فردی چون مقاومت سایشی بالا، ضریب اصطکاک کم، سختی بالا و خنثی از نظر شیمیایی است و می‌توانند انتخابی مناسب برای افزایش طول عمر قطعات در این زمینه باشند.
شریف احمدیان با اشاره به اجرای پروژه تحقیقاتی با عنوان "طراحی و تولید پوشش دو لایه کربنی شبه الماس برای کاربردهای سایشی در صنعت" در دانشگاه صنعتی امیرکبیر، خاطر نشان کرد: در این طرح پوشش دولایه توسط روش رسوب‌شیمیایی بخار به کمک پلاسما (PACVD) بر زیر لایه فولاد ابزار نیتروژن کربن‌دهی شده، اعمال شد.
این محقق با تاکید بر اینکه دستگاه رسوب شیمیایی بخار به کمک پلاسما از سوی دکتر فرزاد محبوبی، استاد راهنمای این پروژه طراحی و ساخته و بومی‌سازی شد، ادامه داد: عملکرد سایشی پوشش‌های کربن شبه الماسی تحت تأثیر عوامل بسیاری از جمله چسبندگی پوشش به زیرلایه، شرایط محیطی در طول آزمون سایش و سختی پوشش می‌تواند تغییر کند. اما برای زیر لایه‌های نرم مانند فولاد، کاهش چسبندگی پوشش به زیرلایه تأثیر منفی بر رفتار سایشی پوشش دارد.
وی با بیان اینکه به منظور بهبود چسبندگی پوشش‌ها به زیرلایه و تأثیر متقابل آن بر رفتار سایشی، چند راهکار اساسی به کار گرفته شد، اضافه کرد: فاز اول اعمال فرآیند نیتروژن کربن‌دهی روی نمونه‌های فولادی به‌منظور افزایش سختی زیرلایه و در فاز دوم با اضافه شدن عنصر نیتروژن به ساختار پوشش و تولید پوشش‌های کربن شبه الماسی نیتروژن‌دار (N-DLC)، سختی و تنش‌های موجود در پوشش کاهش یافت و نهایتاً باعث بهبود چسبندگی آن به زیر لایه شد.
شریف احمدیان، فاز سوم این فرآیند را طراحی و تولید پوشش دولایه N-DLC/DLC از مقادیر بهینه‌شده توسط روش سطح پاسخ (RSM) برای پوشش‌های تک لایه کربن شبه الماسی ( DLC و N-DLC) ذکر کرد و یادآور شد: در فاز چهارم با اعمال فرآیند توری فعال در دستگاه رسوب‌شیمیایی بخار به کمک پلاسما، پوشش دولایه مربوطه با ضریب اصطکاک ۰.۱۲ و پایداری بالا در رفتار سایشی تولید شد.
وی با اشاره به بررسی مورفولوژی سطحی و ساختار پوشش‌ها توسط میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، میکروسکوپ الکترونی (SEM) و همچنین گسیل میدانی (FESEM) تجهیز شده با طیف‌سنجی پراش انرژی پرتوایکس(EDS)، گفت: همچنین مطالعات ساختاری پوشش‌ها توسط آنالیزهای طیف‌سنجی رامان، فوتوالکترون‌های اشعه ایکس (XPS)، مادون‌قرمز (ATR-FTIR)، انتشار نوری (OES)، الیپسومتری و پراش اشعه ایکس (XRD) انجام شد.
محقق این طرح با بیان اینکه فعالیت‌های تکمیلی این پروژه به مدت ۷ ماه در دانشگاه سیدنی استرالیا در قالب فرصت تحقیقاتی انجام شده است، خاطر نشان کرد: تجربیات و نقطه نظرات اساتید و محققان این عرصه در این دانشگاه به همراه تجهیزات جدید و پیشرفته پوشش‌دهی و آنالیز مواد مستقر در گروه فیزیک پلاسما و مهندسی سطح دانشگاه سیدنی، نقش بسزایی در زمینه ارتقای سطح علمی این پروژه داشته است.
به گفته وی، طراحی پوشش دولایه N-DLC/DLC نه تنها باعث افزایش عمر قطعات استفاده شده در قالب‌های شکل‌دهی می‌شود، بلکه از لحاظ اقتصادی بسیار با صرفه بوده است. استفاده از گاز نیتروژن در کنار گازهای مورد استفاده دیگر نظیر متان و آرگون در اتمسفر پلاسمای دستگاه و همچنین دمای پایین و زمان کوتاه فرآیند، در مقایسه با روش‌های دیگر تولید این نوع از پوشش‌ها، باعث کاهش هزینه‌های تولید در مقیاس صنعتی می‌شود.
بر اساس اعلام روابط عمومی دانشگاه صنعتی امیرکبیر، شریف احمدیان یادآور شد: این پوشش دولایه طراحی‌شده هیچ‌گونه معادل خارجی و یا داخلی نداشته و بخشی از نوآوری موجود در این پروژه دکتری است؛ اما در مقایسه با پوشش‌های معادل خارجی کربن شبه الماسی که از نیتروژن در آنها استفاده شده است، این پوشش دولایه با ایجاد یک حالت گرادیانی از خواص مکانیکی و شیمیایی از زیرلایه تا سطح پوشش، باعث ایجاد خواص مقاومت به سایشی بالا به همراه چسبندگی مناسب به زیرلایه می‌شود.