دستیابی به پوشش‌ مقاوم به سایش قطعات صنعتی

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما به نقل از روابط عمومی دانشگاه صنعتی امیرکبیر؛ محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر اخیرا به تولید پوشش‌هایی برای افزایش مقاومت به سایش فولاد ابزار AISI H ۱۳ دست یافتند که این پوشش می‌تواند در افزایش طول عمر قطعات در صنعت موثر باشد.

یکی از مجریان این طرح تحقیقاتی که با همکاری دانشگاه سیدنی استرالیا اجرا شده است در این باره 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.
امید شریف احمدیان که دانش آموخته دکتری دانشکده مهندسی معدن و متالورژی دانشگاه صنعتی امیرکبیر است افزود: پوشش‌های کربنی شبه الماسی (DLC) بهترین پوشش برای این فولاد است؛ چراکه دارای خواص منحصر به‌فردی، چون مقاومت سایشی بالا، ضریب اصطکاک کم، سختی بالا و خنثی ازنظر شیمیایی است و می‌توانند انتخابی مناسب برای افزایش طول عمر قطعات در این زمینه باشند.
وی با اشاره به اجرای طرح 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 را فرزاد محبوبی استاد راهنمای این طرح طراحی ساخته و بومی‌سازی کرده است، 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: مرحله 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 نیتروژن دار (N-DLC)، سختی و تنش‌های موجود در پوشش کاهش یافت و نهایتاً باعث بهبود چسبندگی آن به زیر لایه شد.
شریف احمدیان مرحله 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 گفت: در مرحله چهارم با اعمال فرآیند توری فعال در دستگاه رسوب‌شیمیایی بخار به کمک پلاسما، پوشش دولایه مربوطه با ضریب اصطکاک ۱۲/۰ 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)، افزود: 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 طرح به مدت ۷ ماه در دانشگاه سیدنی استرالیا در قالب فرصت تحقیقاتی انجام شده است، خاطر نشان کرد: تجربیات و دیدگاه‌های استادان و محققان این عرصه در این دانشگاه به همراه تجهیزات جدید و پیشرفته پوشش دهی و آنالیز مواد مستقر در گروه فیزیک پلاسما و مهندسی سطح دانشگاه سیدنی، نقش بسزایی در زمینه ارتقای سطح علمی این طرح 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 مورداستفاده 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.
شریف احمدیان افزود: این پوشش دولایه طراحی‌شده هیچ‌گونه معادل خارجی و یا داخلی نداشته و بخشی از نوآوری موجود در این طرح 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.