سایش

سایش


مهندسی سطح یک حوزع تحقیقاتی بین رشته است که در آن خواص سطوح قطعات مهندسی بررسی می­ شود تا عملکرد و سرویس­ پذیری آن­ها بهبود یابد. در کتاب جامع ASM واژه مهندسی سطح این گونه تعریف شده است:

"هر گونه عملیات سطحی و نزدیک به سطح که بتواند عملکرد این مناطق را از توده ماده متمایز کند جزء حوزه تحقیقاتی مهندسی سطح است"

خاصیت یا خصوصیات مطلوب قطعات مهندسی شامل موارد زیر است:

  • -بهبود مقاومت به خوردگی از طریق ممانعت کننده­ها یا حفاظت با فداشونده­ها
  • -بهبود مقاومت به خوردگی و/یا اکسیداسیون
  • -بهبود مقاومت به سایش
  • -کاهش تلفات انرژی اصطکاکی
  • -بهبود خواص مکانیکی مثل خستگی یا چقرمگی
  • -بهبود خواص الکتریکی و الکترونیکی
  • -بهبود عایق حرارتی
  • -بهبود ظاهر و زیبایی

توده ماده یا زیرلایه را نمی توان کاملا مستقل از عملیات سطحی در نظر گرفت. اغلب فرایندهای سطحی کاملا محدود به مناطق سطحی نیستند و زیرلایه را نیز تحت تاثیر قرار می دهند. به عنوان مثال، پوشش های نفوذی با عملیات حرارتی (مثل کربن دهی/نیتروژن دهی) اغلب چرخه های حرارتی دما بالایی دارند که ممکن است زیرلایه به دمای استحاله فازی برسد و خواص آن تغییر کند، یا عملیات ساچمه زنی می­تواند موجب ایجاد کرنش های شدید در توده ماده شود.

 

مهندسی سطح در کاربردهای مقاومت به خوردگی و سایش


اثرات اقتصادی خوردگی و سایش. تخریب تدریجی به دلیل خوردگی و سایس سطح فلزی مورد استفاده در کارخانجات صنعتی باعث کاهش بازده و در نهایت تعطیلی می­شود. آسیب خوردگی و سایش مواد در ایالات متحده آمریکا سالانه در حدود چند صد بیلیون دلار است. به عنوان مثال، خوردگی فلزات تقریبا 300 بیلیون دلار در سال خسارت به بار می­آورد. این مقدار حدود %4/2 تولید ناخالص ملی است. به هر حال، حدود %40 کل هزینه ­ها را می­توان با روش­های حفاظتی کاهش داد. جدول 2 هزینه­های خوردگی در ایالات متحده آمریکا را نشان می­دهد. مطالعات مشابهی در زمینه آسیب­ها و تخریب­های ناشی از سایش انجام شده است که بررسی­های انجام شده نشان داد که سالانه 20 بیلیون دلار ضرر اقتصادی دارد. جدول 3 وسعت این آسیب­ها را در صنایع نشان می­دهد.

 

سایش خورنده


مهمترین موضوع ترکیب همزمان سایش و خوردگی است که باعث اتلاف شدید ماده می­شود و اثرات آن شدیدتر از سایش  و خوردگی به تنهایی است، این نشان می­دهد که یک همکاری بین این دو فرایند وجود دارد. خوردگی اغلب در غیاب سایش رخ می­دهد، ولیکن برعکس آن بسیار نادر است و در موارد خاصی اتفاق می­افتد. خوردگی همراه با فرایند سایش در همه محیط­ها (به جز اتمسفر خنثی و خلأ) دیده می­شود. خوردگی و سایش اغلب در ترکیب با هم باعث آسیب شدید در برخی صنایع مثل معدن، فرآوری ماده، فرآوری مواد شیمیایی، تولید کاغذ و چغندرقند و تولید انرژی می­شود. فرایندهای خوردگی و سایش اصولا مکانیزم­های مختلفی دارند که باعث تشدید سهم یکدیگر در تخریب ماده میشوند. همانطور که در جدول 4 مشاهده می­کنید، 17 رابطه همزمان بین خراش، ضربه و خوردگی رخ می­دهد که موجب افزایش آسیب در محیط­های مرطوب و آبی می­شود.

اثرات ترکیبی خوردگی و سایش می­تواند موجب خوردگی گالوانیکی در برخی کاربردها مثل خردایش مواد معدنی شود. ذرات سایش و محصولات خوردگی که در حین خردایش تشکیل می­شوند بر کیفیت محصول تاثیر می­گذارند و به تبع آن اثر معکوس بر خواص شیمیایی و الکتروشیمیایی سیستم معدنی می­گذارند. برهم­کنش­های الکتروشیمیایی بین مواد معدنی و محیط ساینده باعث جفت گالوانیکی می­شود که نتیجه آن افزایش سایش خورنده است.

 

روش­های کنترل خوردگی


به دلیل خصوصیات مطلوب فولادها و کاربرد زیاد آن­ها در صنایع، بیشتر روش­های کنترل خوردگی در مورد آن­ها بیان می­شود. فولادها خواص مکانیکی بسیار متنوعی دارند، مثل استحکام، چقرمگی و انعطاف­پذیری. فولادها همچنین خواص تولیدی مناسبی دارند، آن­ها را با روش­های مختلف می­توان شکل­دهی، جوشکاری و رنگ­آمیزی کرد. سایر جنبه­های مثبت فولادها شامل دسترسی راحت، خواص مغناطیسی، بازیافت و هزینه­های اقتصادی پایین است. به دلیل این که فولاد مستعد به خوردگی در حضور رطوب است و در دماهای بالا به راحتی اکسید می­شود، برای استفاده مفید از این ماده بی­نظیر نیاز به روش­های حفاظت است.

روش­های حفاظت در برابر خوردگی شامل موارد زیر است:

-تغییر ترکیب شیمیایی فلز با اضافه کردن عناصر آلیاژی، یعنی فولادهای پرآلیاژ و فولادهای رنگ­نزن گران­تر به جای فولادهای ساده کربنی و کم آلیاژ

-تغییر محیط با استفاده از ممانعت کننده­ها

-کنترل پتانسیل الکتروشیمیایی با جریان­های کاتدی و آندی، یعنی حفات کاتدی و آندی

-استفاده از پوشش­های آلی، فلزی یا معدنی (شیشه­ها و سرامیک­ها)

کاربرد پوشش­های مقاوم به خوردگی از پرکاربردترین روش­های حفاظت فولادها است. جدول 1 تنوع وسیع پوشش­ها را نشان می­دهد که بر اساس اندازه قطعه، دسترسی، محیط خورنده، دمای سرویس، اعوجاج قطعه، ضخامت پوشش نهایی و هزینه انتخاب می­شوند.

رنگ کردن احتمالا رایج­ترین روش برای پوشش­دهی فولادها در برابر خوردگی  است. تنوع وسیعی از فرمول­ها و رنگ­ها برای محیط­های مختلف مثل اتمسفر دریایی، غوطه­وری در آب، رطوبت زیاد و دماهای نسبتا بالا ابداع و توسعه یافته است.

پوشش­های فلزی مقاوم به خوردگی نیز کاربرد گسترده­ای دارند که از مهمترین آن­ها غوطه­وری داغ در حمام روی، پوشش­های آلومینیوم و روی-آلومینیوم است. این پوشش­ها مقاومت به خوردگی بسیار خوبی در محیط­های اتمسفر معمولی دارند و در صنایع اتومبیل­سازی و ابزارآلات استفاده می­شود.

سایر فرایندهای پوشش­دهی فولادها شامل آبکاری الکتریکی، آبکاری بدون جریان الکتریسیته، پاشش حرارتی، آلومینیوم­دهی (برای مقاومت به اکسیداسیون دما بالا) و روکش­کاری (شامل سخت­کاری سطحی با جوشکاری و روکش­کاری با فرایند نورد) است.

روش­های کنترل سایش


انواع مختلف سایش وجود دارد، اما فقط چهار نوع از سیستم­های سایش (سیستم تریبولوژی) باعث سایش می­شوند و شش مرحله در کنترل سایش موثر است. چهار سیستم تریبولوژی عبارت اند از:

  • -مواد جامد نسبتا صاف بر روی یکدیگر بلغزند
  • -مواد سخت و تیز بر روی سطوح نرم­تر بلغزند
  • -خستگی سطح با تنش متناوب (معمولا فشاری)
  • -سیال با یا بدون جامد معلق در تماس نسبی با سطح جامد باشد.
  • همانطور که در شکل 2 مشاهده می­کنید، در این سیستم­های تریبولوژی، سایش با پوشش دادن یا اصلاح زیرلایه به صورت متالورژیکی یا شیمیایی کاهش می­یابد.
  • در سیستم­های تریبولوژی از شش روش برای کاهش سایش استفاده می­شود:
  • -جداسازی سطح با یک لایه روانکار
  • -سخت کردن سطوح تحت سایش با سخت­کاری سطحی، عملیات حرارتی نفوذی، آبکاری کروم سخت یا اخیرا روش­های رسوب­دهی از حالت بخار یا فرایندهای با انرژی زیاد (مثل کاشت یون)
  • -مقاوم­سازی سطوح تحت سایش در براب شکست. بسیاری از فرایندهای سایش شامل شکست و جدا شدن ماده از سطح است. از این رو، چقرمگی و مقاومت به شکست نقش مهمی در سطوح مقاوم به سایش دارد. استفاده از مواد بسیار سخت مثل سرامیک­ها، کاربیدهای سمانته و کروم سخت موجب مقاومت شدن سطح در برابر شکست می­شود.
  • -مقاوم سازی سطوح تحت رُفتگی در برابر خوردگی. نمونه­هایی از این مواد شامل آلیاژهای پایه کبالت است که مقاومت خوبی در برابر رُفتگی مایع، حباب­زدگی و رُفتگی دوغابی دارند. در کاربردهای دریایی، آلیاژهای سخت­کاری برنز آلومینیوم مقاومت خوبی دارند. آلیاژهای سخت­کاری پایه نیکل در برابر آسیب شیمیایی مقاوم هستند.
  • -انتخاب جفت تماسی مناسب. برای سال­های زیادی است که از آلیاژهای سخت­کاری سطحی مثل آلیاژهای پایه کبالت و نیکل-کروم-مولیبدن در کاربردهای سایش فلز بر فلز استفاده می­شود. سایر گزینه­های مهندسی شامل فولادهای ابزار کاملا سخت شده، سطوح سخت­کاری شده با فرایندهای نفوذی، فولادهای آلیاژی سخت­کاری شده به صورت انتخابی و آبکاری است.
  • -مقاوم سازی سطوح تحت سایش در برابر خستگی. چرخ دنده­ها، میل بادامک و تجهیزات انتقال قدرت اغلب با مکانیزم خستگی سطح ساییده می­شوند.

 

انتخاب ماده/فرایند


با توجه به گستره وسیع مواد و روش­ها، انتخاب آن­ها در کاربردهای مقاوم به سایش و خوردگی بسیار مهم است. به نظر می­رسد که انتخاب ماده مهندسی سطح و فرایند بسیار سخت است، اما معمولا این گونه نمی­باشد. در ادامه مباحث مهندسی سطح شما خواهید توانست دیدگاه مناسبی در مورد انتخاب ماده یا فرایند کنترل خوردگی و سایش داشته باشید.


برای سفارش خدمات مهندسی سطح با کارشناسان ایران بریزینگ در تماس باشید

 

ارتباط با کارشناسان ایران بریزینگ