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
