تُمارس تقنية ترسيب PVD منذ سنوات عديدة كتقنية جديدة لتعديل الأسطح، وخاصةً تقنية طلاء الأيونات الفراغية، التي شهدت تطورًا كبيرًا في السنوات الأخيرة، وتُستخدم على نطاق واسع في معالجة الأدوات والقوالب وحلقات المكبس والتروس والمكونات الأخرى. يمكن للتروس المطلية بتقنية طلاء الأيونات الفراغية أن تُقلل بشكل كبير من معامل الاحتكاك، وتُحسّن مقاومة التآكل، وقد أصبحت محورًا رئيسيًا للبحث في مجال تقنية تقوية أسطح التروس.
المواد الشائعة المستخدمة في التروس هي الفولاذ المطروق والفولاذ المصبوب والحديد الزهر والمعادن غير الحديدية (النحاس والألومنيوم) والبلاستيك. يتكون الفولاذ بشكل أساسي من فولاذ 45 و35SiMn و40Cr و40CrNi و40MnB و38CrMoAl. يستخدم الفولاذ منخفض الكربون بشكل أساسي في 20Cr و20CrMnTi و20MnB و20CrMnTo. يُستخدم الفولاذ المطروق على نطاق واسع في التروس نظرًا لأدائه الأفضل، بينما يُستخدم الفولاذ المصبوب عادةً لتصنيع التروس التي يزيد قطرها عن 400 مم وبنيتها المعقدة. تتميز تروس الحديد الزهر بمقاومة الالتصاق والتآكل، ولكنها تفتقر إلى مقاومة الصدمات والتآكل، مما يجعلها مناسبة للعمل المستقر، كما أن قوتها ليست منخفضة السرعة أو كبيرة الحجم أو ذات شكل معقد، ويمكن أن تعمل في ظل ظروف نقص التزييت، وهي مناسبة للنقل المفتوح. المعادن غير الحديدية شائعة الاستخدام هي برونز القصدير، وبرونز الألومنيوم والحديد، وسبائك الألومنيوم المصبوب، وتُستخدم عادةً في تصنيع التوربينات أو التروس. إلا أن خصائص الانزلاق ومقاومة الاحتكاك ضعيفة، وتُستخدم فقط في التروس الخفيفة والمتوسطة ومنخفضة السرعة. تُستخدم التروس المصنوعة من مواد غير معدنية بشكل رئيسي في بعض المجالات ذات المتطلبات الخاصة، مثل التزييت الخالي من الزيت والموثوقية العالية. كما تُستخدم في مجالات مثل انخفاض التلوث، مثل الأجهزة المنزلية، والمعدات الطبية، وآلات الأغذية، وآلات النسيج.
مواد طلاء التروس
تتميز مواد السيراميك الهندسية بقوة وصلابة عالية، وقدرتها على مقاومة الحرارة العالية، وموصليتها الحرارية المنخفضة، وتمددها الحراري، ومقاومتها العالية للتآكل والأكسدة. وقد أظهرت العديد من الدراسات أن المواد السيراميكية تتميز بمقاومة عالية للحرارة، وتآكلها المنخفض للمعادن. لذلك، فإن استخدام السيراميك بدلاً من المعدن في الأجزاء المقاومة للتآكل يُحسّن من عمر خدمة غواصة الاحتكاك، ويلبي متطلبات المواد عالية المقاومة للحرارة والتآكل، ويزيد من تعدد الوظائف، ويزيد من قوة تحملها. في الوقت الحاضر، تُستخدم مواد السيراميك الهندسية في تصنيع أجزاء المحركات المقاومة للحرارة، وناقلات الحركة الميكانيكية المقاومة للتآكل، والمعدات الكيميائية المقاومة للتآكل، وأجزاء الختم، مما يُظهر بشكل متزايد آفاقًا واسعة لتطبيقات المواد السيراميكية.
تولي الدول المتقدمة مثل ألمانيا واليابان والولايات المتحدة والمملكة المتحدة ودول أخرى أهمية كبيرة لتطوير وتطبيق مواد السيراميك الهندسية، وتستثمر الكثير من الأموال والقوى العاملة لتطوير نظرية المعالجة وتكنولوجيا السيراميك الهندسي. أطلقت ألمانيا برنامجًا يُسمى "SFB442"، يهدف إلى استخدام تقنية الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) لتصنيع غشاء مناسب على سطح القطع، ليحل محل وسيط التشحيم الذي قد يكون ضارًا بالبيئة وجسم الإنسان. استخدمت شركة PW Gold وآخرون في ألمانيا التمويل المقدم من SFB442 لتطبيق تقنية الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) لترسيب أغشية رقيقة على سطح محامل الدوران، ووجدوا أن أداء مقاومة التآكل للمحامل قد تحسن بشكل ملحوظ، وأن الأغشية المترسبة على السطح يمكن أن تحل محل وظيفة إضافات مقاومة التآكل تحت الضغط الشديد تمامًا. استخدم يواكيم وفرانز وآخرون في ألمانيا تقنية الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) لإعداد أغشية WC/C التي أظهرت خصائص ممتازة في مقاومة التعب، أعلى من خصائص زيوت التشحيم التي تحتوي على إضافات EP، وهي نتيجة تُتيح أيضًا إمكانية استبدال الإضافات الضارة بالطلاءات. أظهر إي. لوغشايدر وآخرون من معهد علوم المواد، الجامعة التقنية في آخن، ألمانيا، بتمويل من DFG (هيئة البحوث الألمانية)، زيادة كبيرة في مقاومة التعب. بعد ترسيب الأغشية المناسبة على فولاذ 100Cr6 باستخدام تقنية الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD). إضافةً إلى ذلك، بدأت شركة جنرال موتورز الأمريكية في ترسيب غشاء سطح تروس سياراتها من طراز VolvoS80Turbo لتحسين مقاومة تآكل التعب؛ كما أطلقت شركة Timken الشهيرة غشاء سطح تروس ES200؛ وظهرت العلامة التجارية المسجلة MAXIT لطلاء التروس في ألمانيا؛ كما تتوفر طلاءات تروس تحمل العلامتين التجاريتين المسجلتين Graphit-iC وDymon-iC على التوالي في المملكة المتحدة.
باعتبارها جزءًا أساسيًا من ناقل الحركة الميكانيكي، تلعب التروس دورًا هامًا في الصناعة، لذا تُعد دراسة استخدام المواد الخزفية على التروس أمرًا بالغ الأهمية من الناحية العملية. حاليًا، تشمل المواد الخزفية الهندسية المستخدمة في التروس بشكل رئيسي ما يلي:
1. طبقة طلاء TiN
1، القصدير
طبقة سيراميك TiN المطلية بالأيونات هي واحدة من أكثر الطلاءات المعدلة للسطح استخدامًا على نطاق واسع مع صلابة عالية وقوة التصاق عالية ومعامل احتكاك منخفض ومقاومة جيدة للتآكل وما إلى ذلك. وقد تم استخدامها على نطاق واسع في مختلف المجالات، وخاصة في صناعة الأدوات والقوالب. والسبب الرئيسي الذي يؤثر على تطبيق الطلاء السيراميكي على التروس هو مشكلة الترابط بين الطلاء السيراميكي والركيزة. ونظرًا لأن ظروف العمل والعوامل المؤثرة على التروس أكثر تعقيدًا بكثير من تلك الخاصة بالأدوات والقوالب، فإن تطبيق طلاء TiN واحد على معالجة سطح التروس محدود للغاية. وعلى الرغم من أن الطلاء السيراميكي يتميز بمزايا الصلابة العالية ومعامل الاحتكاك المنخفض ومقاومة التآكل، إلا أنه هش ويصعب الحصول على طلاء أكثر سمكًا، لذلك يحتاج إلى ركيزة عالية الصلابة وعالية القوة لدعم الطلاء من أجل لعب خصائصه. لذلك، يستخدم الطلاء السيراميكي في الغالب لأسطح الكربيد والفولاذ عالي السرعة. مادة التروس ناعمة مقارنةً بالمادة الخزفية، والفرق كبير بين طبيعة الطبقة السفلية والطلاء، لذا فإنّ تماسك الطلاء مع الطبقة السفلية ضعيف، والطلاء غير كافٍ لدعمه، مما يجعل الطلاء سهل التساقط أثناء الاستخدام. لا يقتصر الأمر على عدم الاستفادة من مزايا الطلاء الخزفي، بل إنّ جزيئات الطلاء الخزفي المتساقطة تُسبب تآكلًا كاشطًا للترس، مما يُسرّع من فقدانه للتآكل. الحل الحالي هو استخدام تقنية معالجة أسطح المواد المركبة لتحسين الترابط بين السيراميك والطبقة السفلية. تشير تقنية معالجة أسطح المواد المركبة إلى الجمع بين طلاء الترسيب البخاري الفيزيائي وعمليات أو طلاءات معالجة الأسطح الأخرى، باستخدام سطحين/طبقتين فرعيتين منفصلتين لتعديل سطح مادة الركيزة، والحصول على خصائص ميكانيكية مركبة لا يمكن تحقيقها من خلال عملية معالجة سطحية واحدة. يُعدّ طلاء TiN المركب المُترسب بواسطة النترتة الأيونية وPVD من أكثر أنواع الطلاءات المركبة بحثًا. يتميز كل من ركيزة النترتة البلازمية وطلاء TiN السيراميكي المركب بترابط قوي، كما أن مقاومة التآكل تتحسن بشكل ملحوظ.
السُمك الأمثل لطبقة غشاء TiN، ذات مقاومة ممتازة للتآكل وقوة التصاق جيدة، يتراوح بين 3 و4 ميكرومتر. إذا كان السُمك أقل من 2 ميكرومتر، فلن تتحسن مقاومة التآكل بشكل ملحوظ. أما إذا كان السُمك أكثر من 5 ميكرومتر، فسيقل التصاق جيد.
2. طلاء TiN متعدد الطبقات ومتعدد المكونات
مع الاستخدام التدريجي والواسع النطاق لطلاءات TiN، تتزايد الأبحاث حول كيفية تحسينها. في السنوات الأخيرة، طُوّرت طلاءات متعددة المكونات والطبقات بناءً على طلاءات TiN الثنائية، مثل Ti-CN، وTi-CNB، وTi-Al-N، وTi-BN، و(Tix,Cr1-x)N، وTiN/Al2O3، وغيرها. بإضافة عناصر مثل Al وSi إلى طلاءات TiN، يمكن تحسين مقاومة الطلاء للأكسدة في درجات الحرارة العالية وصلابته، بينما تُحسّن إضافة عناصر مثل B صلابة الطلاء وقوة التصاقه.
بسبب تعقيد التركيب متعدد المكونات، هناك العديد من الخلافات في هذه الدراسة. في دراسة الطلاءات متعددة المكونات (Tix، Cr1-x) N، هناك جدل كبير في نتائج البحث. يعتقد بعض الناس أن طلاءات (Tix، Cr1-x) N تعتمد على TiN، ويمكن أن يوجد Cr فقط في شكل محلول صلب بديل في مصفوفة نقاط TiN، ولكن ليس كطور CrN منفصل. تُظهر دراسات أخرى أن عدد ذرات Cr التي تحل محل ذرات Ti مباشرة في طلاءات (Tix، Cr1-x) N محدود، وأن Cr المتبقي موجود في الحالة المفردة أو يشكل مركبات مع N. تُظهر النتائج التجريبية أن إضافة Cr إلى الطلاء يقلل من حجم جسيم السطح ويزيد من الصلابة، وتصل صلابة الطلاء إلى أعلى قيمة لها عندما تصل النسبة المئوية لكتلة Cr إلى 31٪، ولكن يصل الإجهاد الداخلي للطلاء أيضًا إلى أقصى قيمة له.
3. طبقة طلاء أخرى
بالإضافة إلى طلاءات TiN المستخدمة بشكل شائع، يتم استخدام العديد من أنواع السيراميك الهندسي المختلفة لتقوية سطح التروس.
(1) درس ي. تيراوتشي وآخرون من اليابان مقاومة التآكل الاحتكاكي لتروس سيراميك كربيد أو نيتريد التيتانيوم المترسبة بطريقة الترسيب البخاري. كربنَت التروس وصقلت لتحقيق صلابة سطحية تبلغ حوالي HV720 وخشونة سطحية تبلغ 2.4 ميكرومتر قبل الطلاء، وحُضِّر الطلاء السيراميكي بواسطة الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) لكربيد التيتانيوم، والترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) لنتريد التيتانيوم، بسماكة غشاء سيراميكي تبلغ حوالي 2 ميكرومتر. ودُرِسَت خصائص التآكل الاحتكاكي في وجود الزيت والاحتكاك الجاف على التوالي. وُجِد أن مقاومة التآكل ومقاومة الخدش لملزمة التروس قد تحسنت بشكل ملحوظ بعد الطلاء بالسيراميك.
(2) تم تحضير طلاء مركب من Ni-P وTiN المطلي كيميائيًا، وذلك بتغطية Ni-P مسبقًا كطبقة انتقالية، ثم ترسيب TiN. أظهرت الدراسة أن صلابة سطح هذا الطلاء المركب قد تحسنت إلى حد ما، وأصبح أكثر التصاقًا بالركيزة، وأكثر مقاومة للتآكل.
(3) WC/C، B4C فيلم رقيق
استخدم م. موراكاوا وآخرون، من قسم الهندسة الميكانيكية في المعهد الياباني للتكنولوجيا، تقنية الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) لترسيب طبقة رقيقة من WC/C على سطح التروس، وكانت مدة خدمتها ثلاثة أضعاف مدة خدمة التروس العادية المُخمّدة والمُؤرضة في ظروف تزييت خالية من الزيت. كما استخدم فرانز جيه وآخرون تقنية الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) لترسيب طبقة رقيقة من WC/C وB4C على سطح تروس FEZ-A وFEZ-C، وأظهرت التجربة أن طلاء PVD قلل بشكل ملحوظ من احتكاك التروس، وجعلها أقل عرضة للالتصاق بالحرارة، وحسّن من قدرتها على تحمل الأحمال.
(4) أفلام CrN
تُشبه أغشية CrN أغشية TiN من حيث صلابتها العالية، ومقاومتها للأكسدة في درجات الحرارة العالية مقارنةً بأغشية TiN، ومقاومتها للتآكل، وإجهادها الداخلي المنخفض، ومتانتها النسبية. حضّر تشين لينغ وآخرون غشاءً مركبًا مقاومًا للتآكل من TiAlCrN/CrN، يتميز بترابط غشاء ممتاز على سطح الفولاذ عالي السرعة (HSS)، واقترحوا أيضًا نظرية تكديس الخلع للأغشية متعددة الطبقات، فإذا كان فرق طاقة الخلع بين طبقتين كبيرًا، يصعب على الخلع الذي يحدث في إحدى الطبقتين عبور واجهتها إلى الطبقة الأخرى، مما يُشكّل تكديس الخلع عند الواجهة ويلعب دورًا في تقوية المادة. درس تشونغ بين وآخرون تأثير محتوى النيتروجين على بنية الطور وخصائص التآكل الاحتكاكي لأغشية CrNx، وأظهرت الدراسة أن ذروة حيود Cr2N (211) في الأغشية تضعف تدريجيًا، بينما تزداد ذروة CrN (220) تدريجيًا مع زيادة محتوى N2، وأن الجسيمات الكبيرة على سطح الغشاء تتناقص تدريجيًا، ويميل السطح إلى التسطح. عندما تكون تهوية N2 25 مل/دقيقة (تيار قوس المصدر المستهدف 75 أمبير، الضغط السلبي 100 فولت)، فإن فيلم CrN المترسب يتمتع بجودة سطح جيدة وصلابة جيدة ومقاومة ممتازة للتآكل عندما تكون تهوية N2 25 مل/دقيقة (تيار قوس المصدر المستهدف 75 أمبير، الضغط السلبي 100 فولت).
(5) فيلم فائق الصلابة
الفيلم فائق الصلابة هو فيلم صلب ذو صلابة أكبر من 40 جيجا باسكال، ومقاومة ممتازة للتآكل، ومقاومة عالية لدرجات الحرارة العالية، ومعامل احتكاك ومعامل تمدد حراري منخفضين، وهو بشكل رئيسي فيلم الماس غير المتبلور وفيلم CN. تتميز أفلام الماس غير المتبلور بخصائص غير متبلورة، ولا توجد بنية منظمة طويلة المدى، وتحتوي على عدد كبير من روابط رباعية السطوح CC، لذلك تُسمى أيضًا أفلام الكربون غير المتبلور رباعي السطوح. كنوع من فيلم الكربون غير المتبلور، يتميز الطلاء الشبيه بالماس (DLC) بالعديد من الخصائص الممتازة المشابهة للماس، مثل الموصلية الحرارية العالية، والصلابة العالية، ومعامل المرونة العالي، ومعامل التمدد الحراري المنخفض، والاستقرار الكيميائي الجيد، ومقاومة التآكل الجيدة، ومعامل الاحتكاك المنخفض. وقد ثبت أن طلاء الأفلام الشبيهة بالماس على أسطح التروس يمكن أن يطيل عمر الخدمة بمقدار 6 مرات ويحسن بشكل كبير مقاومة التعب. تتميز أغشية CN، المعروفة أيضًا باسم أغشية الكربون والنيتروجين غير المتبلورة، ببنية بلورية مشابهة لمركبات β-Si3N4 التساهمية، وتُعرف أيضًا باسم β-C3N4. أجرى ليو وكوهين وآخرون حسابات نظرية دقيقة باستخدام حسابات نطاق الجهد الكاذب من مبدأ الطبيعة الأولى، وأكدوا أن β-C3N4 يتمتع بطاقة ربط عالية، وبنية ميكانيكية مستقرة، ويمكن أن توجد حالة شبه مستقرة واحدة على الأقل، وأن معامل مرونته يُضاهي الماس، مع خصائص جيدة، مما يُحسّن بشكل فعال صلابة السطح ومقاومة التآكل للمادة، ويُقلل معامل الاحتكاك.
(6) طبقة طلاء مقاومة للتآكل من سبيكة أخرى
جُرِّبت أيضًا بعض طلاءات السبائك المقاومة للتآكل على التروس، على سبيل المثال، يُرسَّب طبقة من سبيكة Ni-P-Co على سطح أسنان تروس فولاذية مقاس 45#، وهي طبقة سبيكة تُمكِّن من تنظيم حبيبات دقيق للغاية، مما يُطيل عمرها الافتراضي من 1.144 إلى 1.533 مرة. كما دُرِسَ أن طبقة معدن النحاس وطلاء سبيكة Ni-W يُطبَّقان على سطح أسنان تروس الحديد الزهر المصنوعة من سبيكة Cu-Cr-P لتحسين متانتها؛ بينما يُطبَّق طلاء سبيكة Ni-W وNi-Co على سطح أسنان تروس الحديد الزهر HT250 لتحسين مقاومة التآكل بمقدار 4 إلى 6 مرات مقارنةً بالتروس غير المطلية.
وقت النشر: ٧ نوفمبر ٢٠٢٢