تقنية طلاء التروس

تُستخدم تقنية الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) منذ سنوات عديدة كتقنية حديثة لتعديل الأسطح، وخاصةً تقنية الطلاء الأيوني الفراغي التي شهدت تطورًا كبيرًا في السنوات الأخيرة، وتُستخدم الآن على نطاق واسع في معالجة الأدوات والقوالب وحلقات المكابس والتروس وغيرها من المكونات. تُسهم التروس المطلية بتقنية الطلاء الأيوني الفراغي في خفض معامل الاحتكاك بشكل ملحوظ، وتحسين مقاومتها للتآكل، فضلاً عن مقاومتها للتآكل الكيميائي، مما جعلها محط اهتمام وبحث مكثف في مجال تقنيات تقوية أسطح التروس.

تُصنع التروس عادةً من مواد شائعة، أهمها الفولاذ المطروق، والفولاذ المصبوب، والحديد الزهر، والمعادن غير الحديدية (النحاس والألومنيوم)، والبلاستيك. وتشمل أنواع الفولاذ الشائعة: فولاذ 45، و35SiMn، و40Cr، و40CrNi، و40MnB، و38CrMoAl. أما الفولاذ منخفض الكربون، فيُستخدم بشكل أساسي في فولاذ 20Cr، و20CrMnTi، و20MnB، و20CrMnTo. يُستخدم الفولاذ المطروق على نطاق أوسع في صناعة التروس نظرًا لأدائه المتميز، بينما يُستخدم الفولاذ المصبوب عادةً في تصنيع التروس ذات الأقطار الأكبر من 400 مم والهياكل المعقدة. تتميز تروس الحديد الزهر بمقاومتها للالتصاق والتنقر، ولكنها تفتقر إلى مقاومة الصدمات والتآكل. وهي مناسبة بشكل أساسي للعمل المستقر، حيث لا تتطلب قدرة عالية، أو سرعات منخفضة، أو أحجامًا كبيرة، أو أشكالًا معقدة. كما يمكنها العمل في ظروف نقص التشحيم، مما يجعلها مناسبة لأنظمة النقل المفتوحة. تُستخدم المعادن غير الحديدية الشائعة، مثل برونز القصدير، وبرونز الألومنيوم والحديد، وسبائك الألومنيوم المصبوبة، في صناعة التوربينات والتروس، إلا أن خصائص الانزلاق ومقاومة الاحتكاك فيها ضعيفة، مما يجعلها مناسبة فقط للتروس ذات الأحمال الخفيفة والمتوسطة والسرعات المنخفضة. وتُستخدم التروس المصنوعة من مواد غير معدنية بشكل أساسي في بعض المجالات ذات المتطلبات الخاصة، مثل التشحيم الخالي من الزيت والموثوقية العالية، وفي مجالات أخرى تتطلب بيئة منخفضة التلوث، كالأجهزة المنزلية، والمعدات الطبية، وآلات تصنيع الأغذية، وآلات النسيج.

مواد طلاء التروس

تُعدّ المواد الخزفية الهندسية مواد واعدة للغاية، تتميز بقوة وصلابة عاليتين، ومقاومة ممتازة للحرارة، وانخفاض التوصيل الحراري والتمدد الحراري، ومقاومة عالية للتآكل والأكسدة. وقد أظهرت العديد من الدراسات أن المواد الخزفية تتمتع بطبيعتها بمقاومة عالية للحرارة، كما أنها تُقلل من تآكل المعادن. لذا، فإن استخدام المواد الخزفية بدلاً من المواد المعدنية في تصنيع الأجزاء المقاومة للتآكل يُحسّن من عمر الأجزاء الاحتكاكية، ويُلبي بعض المتطلبات الصارمة الأخرى، مثل متطلبات المواد المقاومة للحرارة العالية والتآكل الشديد، بالإضافة إلى متطلبات تعدد الوظائف. وتُستخدم المواد الخزفية الهندسية حاليًا في تصنيع أجزاء مقاومة للحرارة في المحركات، وأجزاء مقاومة للتآكل في أنظمة النقل الميكانيكية، وأجزاء مقاومة للتآكل في المعدات الكيميائية، وأجزاء مانعة للتسرب، مما يُشير إلى آفاق واسعة لتطبيقاتها.

تولي الدول المتقدمة مثل ألمانيا واليابان والولايات المتحدة والمملكة المتحدة وغيرها من الدول أهمية كبيرة لتطوير وتطبيق مواد السيراميك الهندسية، وتستثمر الكثير من المال والقوى العاملة لتطوير نظرية وتكنولوجيا معالجة السيراميك الهندسي. أطلقت ألمانيا برنامجًا يُسمى "SFB442"، يهدف إلى استخدام تقنية الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) لتصنيع طبقة رقيقة مناسبة على سطح الأجزاء، كبديل لوسائط التشحيم التي قد تكون ضارة بالبيئة وجسم الإنسان. استخدم بي دبليو جولد وآخرون في ألمانيا تمويلًا من برنامج SFB442 لتطبيق تقنية PVD لترسيب طبقات رقيقة على سطح محامل التدحرج، ووجدوا أن أداء مقاومة التآكل لهذه المحامل قد تحسن بشكل ملحوظ، وأن الطبقات المترسبة على السطح يمكن أن تحل تمامًا محل وظيفة إضافات مقاومة التآكل تحت الضغط الشديد. كما استخدم يواكيم وفرانز وآخرون في ألمانيا تقنية PVD لتحضير طبقات من كربيد التنجستن/الكربون (WC/C) أظهرت خصائص ممتازة لمقاومة الإجهاد، تفوق خصائص مواد التشحيم التي تحتوي على إضافات الضغط الشديد، وهي نتيجة تُشير إلى إمكانية استبدال الإضافات الضارة بالطلاءات. وأظهر إي. لوغشايدر وآخرون من معهد علوم المواد في جامعة آخن التقنية بألمانيا، بتمويل من مؤسسة الأبحاث الألمانية (DFG)، زيادة كبيرة في مقاومة الإجهاد بعد الترسيب. تُستخدم تقنية الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) لطلاء أغشية مناسبة على فولاذ 100Cr6. بالإضافة إلى ذلك، بدأت شركة جنرال موتورز الأمريكية في استخدام أغشية الترسيب السطحي في تروس سيارتها فولفو S80 Turbo لتحسين مقاومة التآكل الناتج عن الإجهاد؛ وأطلقت شركة تيمكين الشهيرة غشاء ES200 لطلاء التروس؛ وظهرت العلامة التجارية المسجلة MAXIT لطلاء التروس في ألمانيا؛ كما تتوفر العلامات التجارية المسجلة Graphit-iC وDymon-iC لطلاء التروس في المملكة المتحدة.

تُعدّ التروس من أهم قطع الغيار في أنظمة النقل الميكانيكية، ولها دورٌ بالغ الأهمية في الصناعة، لذا فإن دراسة استخدام المواد الخزفية في تصنيعها ذات أهمية عملية كبيرة. وتشمل أنواع الخزف الهندسي المستخدمة حاليًا في تصنيع التروس ما يلي:

1- طبقة طلاء TiN
1- قصدير التيتانيوم

تُعدّ طبقة السيراميك المطلية بأيونات التيتانيوم (TiN) من أكثر الطلاءات المُعدّلة للأسطح استخدامًا، لما تتميز به من صلابة عالية، وقوة تماسك عالية، ومعامل احتكاك منخفض، ومقاومة جيدة للتآكل، وغيرها. وقد شاع استخدامها في مجالات متنوعة، لا سيما في صناعة الأدوات والقوالب. ويُعدّ ضعف التماسك بين طبقة السيراميك والركيزة السبب الرئيسي الذي يُعيق تطبيقها على التروس. ونظرًا لأن ظروف تشغيل التروس وعواملها المؤثرة أكثر تعقيدًا بكثير من تلك الخاصة بالأدوات والقوالب، فإن تطبيق طبقة واحدة من TiN على معالجة سطح التروس محدود للغاية. فعلى الرغم من مزايا طبقة السيراميك من حيث الصلابة العالية، ومعامل الاحتكاك المنخفض، ومقاومة التآكل، إلا أنها هشة ويصعب الحصول على طبقة سميكة منها، لذا فهي تحتاج إلى ركيزة ذات صلابة وقوة عاليتين لدعمها وإبراز خصائصها. لذلك، تُستخدم طبقة السيراميك في الغالب على أسطح الكربيد والفولاذ عالي السرعة. مادة التروس لينة مقارنةً بالمادة الخزفية، والاختلاف بين طبيعة الركيزة والطلاء كبير، مما يؤدي إلى ضعف التماسك بينهما، وعدم كفاية دعم الطلاء، ما يجعله عرضةً للتساقط أثناء الاستخدام. هذا لا يُفقد الطلاء الخزفي مزاياه فحسب، بل إن جزيئاته المتساقطة تُسبب تآكلًا كاشطًا للتروس، مُسرّعةً من فقدانها. الحل الحالي هو استخدام تقنية المعالجة السطحية المركبة لتحسين الترابط بين الخزف والركيزة. تُشير هذه التقنية إلى دمج طلاء الترسيب الفيزيائي للبخار مع عمليات أو طلاءات أخرى للمعالجة السطحية، باستخدام سطحين/طبقتين فرعيتين منفصلتين لتعديل سطح مادة الركيزة والحصول على خصائص ميكانيكية مركبة لا يُمكن تحقيقها بعملية معالجة سطحية واحدة. يُعد طلاء TiN المركب المُرسب بتقنية النترجة الأيونية والترسيب الفيزيائي للبخار من أكثر الطلاءات المركبة بحثًا. يتميز هذا الطلاء برابطة قوية بين ركيزة النترجة البلازمية وطلاء TiN الخزفي المركب، ما يُحسّن مقاومة التآكل بشكل ملحوظ.

يبلغ سمك طبقة نيتريد التيتانيوم (TiN) الأمثل لتحقيق مقاومة ممتازة للتآكل وتماسك قوي مع قاعدة الفيلم حوالي 3-4 ميكرومتر. إذا كان سمك الطبقة أقل من 2 ميكرومتر، فلن تتحسن مقاومة التآكل بشكل ملحوظ. أما إذا كان سمكها أكثر من 5 ميكرومتر، فسيضعف التماسك مع قاعدة الفيلم.

2- طلاء متعدد الطبقات ومتعدد المكونات من نيتريد التيتانيوم

مع التوسع التدريجي في استخدام طلاءات نيتريد التيتانيوم (TiN)، تتزايد الأبحاث حول كيفية تحسينها وتعزيز خصائصها. في السنوات الأخيرة، تم تطوير طلاءات متعددة المكونات والطبقات بالاعتماد على طلاءات نيتريد التيتانيوم الثنائية، مثل Ti-CN وTi-CNB وTi-Al-N وTi-BN و(Tix,Cr1-x)N وTiN/Al2O3، وغيرها. بإضافة عناصر مثل الألومنيوم والسيليكون إلى طلاءات نيتريد التيتانيوم، يمكن تحسين مقاومتها للأكسدة عند درجات الحرارة العالية وصلابتها، بينما إضافة عناصر مثل البورون تُحسّن صلابتها وقوة تماسكها.

نظراً لتعقيد التركيب متعدد المكونات، توجد العديد من الخلافات في هذه الدراسة. ففي دراسة الطلاءات متعددة المكونات (Tix,Cr1-x)N، ثمة جدل كبير حول نتائج البحث. يعتقد البعض أن هذه الطلاءات تعتمد على TiN، وأن الكروم لا يوجد إلا في صورة محلول صلب بديل ضمن مصفوفة TiN النقطية، وليس كطور CrN منفصل. بينما تُظهر دراسات أخرى أن عدد ذرات الكروم التي تحل محل ذرات التيتانيوم مباشرةً في هذه الطلاءات محدود، وأن الكروم المتبقي يوجد في الحالة المفردة أو يشكل مركبات مع النيتروجين. وتُظهر النتائج التجريبية أن إضافة الكروم إلى الطلاء تُقلل من حجم الجسيمات السطحية وتزيد من صلابته، حيث تصل صلابة الطلاء إلى أعلى قيمة لها عندما تصل النسبة المئوية الكتلية للكروم إلى 31%، ولكن في الوقت نفسه، يصل الإجهاد الداخلي للطلاء إلى أقصى قيمة له أيضاً.

3- طبقة طلاء أخرى

بالإضافة إلى طلاءات TiN الشائعة الاستخدام، يتم استخدام العديد من أنواع السيراميك الهندسي المختلفة لتقوية سطح التروس.

(1) درس ي. تيراوتشي وآخرون من اليابان مقاومة التآكل الاحتكاكي لتروس السيراميك المصنوعة من كربيد التيتانيوم أو نتريد التيتانيوم، والمُرَسَّبة بطريقة الترسيب البخاري. خضعت التروس لعملية الكربنة والتلميع لتحقيق صلابة سطحية تبلغ حوالي 720 HV وخشونة سطحية تبلغ 2.4 ميكرومتر قبل الطلاء. تم تحضير طبقات السيراميك باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) لكربيد التيتانيوم، والترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) لنتريد التيتانيوم، بسماكة طبقة سيراميكية تبلغ حوالي 2 ميكرومتر. دُرست خصائص التآكل الاحتكاكي في وجود الزيت وفي حالة الاحتكاك الجاف. ووجد أن مقاومة التآكل والخدش لملزمة التروس قد تحسنت بشكل ملحوظ بعد الطلاء بالسيراميك.

(2) تم تحضير طبقة مركبة من النيكل-فوسفور المطلي كيميائياً والتيتانيوم نيتريد عن طريق طلاء طبقة انتقالية من النيكل-فوسفور ثم ترسيب طبقة من التيتانيوم نيتريد. تُظهر الدراسة أن صلابة سطح هذه الطبقة المركبة قد تحسنت إلى حد ما، وأن الطبقة تلتصق بشكل أفضل بالركيزة وتتمتع بمقاومة أفضل للتآكل.

(3) WC/C، غشاء رقيق من B4C
استخدم م. موراكاوا وزملاؤه، من قسم الهندسة الميكانيكية في معهد اليابان للتكنولوجيا، تقنية الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) لترسيب طبقة رقيقة من كربيد التنجستن/الكربون (WC/C) على سطح التروس، وقد بلغ عمرها الافتراضي ثلاثة أضعاف عمر التروس التقليدية المُقساة والمطحونة في ظل ظروف التشحيم الخالية من الزيت. كما استخدم فرانز ج وزملاؤه تقنية الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) لترسيب طبقة رقيقة من كربيد التنجستن/الكربون (WC/C) وكربيد البورون (B4C) على سطح تروس FEZ-A وFEZ-C، وأظهرت التجربة أن طلاء الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) قلل بشكل ملحوظ من احتكاك التروس، وجعلها أقل عرضة للالتصاق الحراري أو الالتصاق، وحسّن من قدرتها على تحمل الأحمال.

(4) أغشية CrN
تتشابه أغشية CrN مع أغشية TiN في صلابتها العالية، كما أنها أكثر مقاومة للأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة، وتتمتع بمقاومة أفضل للتآكل، وإجهاد داخلي أقل، ومتانة أفضل نسبيًا. قام تشن لينغ وزملاؤه بتحضير غشاء مركب TiAlCrN/CrN مقاوم للتآكل، يتميز برابطة ممتازة على سطح الفولاذ عالي السرعة (HSS). كما اقترحوا نظرية تكديس الانخلاعات في الأغشية متعددة الطبقات، حيث أنه إذا كان فرق طاقة الانخلاعات بين طبقتين كبيرًا، يصعب على الانخلاعات الموجودة في إحدى الطبقات عبور سطحها البيني إلى الطبقة الأخرى، مما يؤدي إلى تكوين تكديس الانخلاعات عند السطح البيني، وبالتالي تقوية المادة. درس تشونغ بين وزملاؤه تأثير محتوى النيتروجين على البنية الطورية وخصائص التآكل الاحتكاكي لأغشية CrNx، وأظهرت الدراسة أن قمة حيود Cr2N (211) في الأغشية تضعف تدريجيًا، بينما تزداد قمة CrN (220) تدريجيًا مع زيادة محتوى N2، كما يقل عدد الجسيمات الكبيرة على سطح الغشاء تدريجيًا، ويصبح السطح أكثر استواءً. عندما كانت تهوية N2 25 مل/دقيقة (كان تيار قوس المصدر المستهدف 75 أمبير)، فإن طبقة CrN المترسبة تتمتع بجودة سطح جيدة وصلابة جيدة ومقاومة ممتازة للتآكل عندما تكون تهوية N2 25 مل/دقيقة (تيار قوس المصدر المستهدف 75 أمبير، والضغط السلبي 100 فولت).

(5) فيلم فائق الصلابة
الفيلم فائق الصلابة هو فيلم صلب ذو صلابة تزيد عن 40 جيجا باسكال، يتميز بمقاومة ممتازة للتآكل، ومقاومة عالية للحرارة، ومعامل احتكاك منخفض، ومعامل تمدد حراري منخفض، ويتكون أساسًا من فيلم الماس غير المتبلور وفيلم الكربون والنيتروجين. يتميز فيلم الماس غير المتبلور بخصائص غير متبلورة، حيث لا يمتلك بنية منتظمة طويلة المدى، ويحتوي على عدد كبير من الروابط رباعية الأوجه من نوع CC، ولذلك يُطلق عليه أيضًا اسم فيلم الكربون غير المتبلور رباعي الأوجه. أما الطلاء الشبيه بالماس (DLC)، وهو نوع من أفلام الكربون غير المتبلور، فيمتلك العديد 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 أسطح التروس بأفلام شبيهة بالماس يمكن أن يطيل عمرها الافتراضي بمقدار ستة أضعاف، ويُحسّن بشكل ملحوظ مقاومتها للإجهاد. تتميز أغشية الكربون والنيتروجين، والمعروفة أيضًا باسم أغشية الكربون والنيتروجين غير المتبلورة، ببنية بلورية مشابهة لمركبات β-Si3N4 التساهمية، وتُعرف أيضًا باسم β-C3N4. وقد أجرى ليو وكوهين وآخرون حسابات نظرية دقيقة باستخدام حسابات نطاق الجهد الزائف من مبدأ الطبيعة الأولى، وأكدوا أن β-C3N4 يتمتع بطاقة ربط كبيرة، وبنية ميكانيكية مستقرة، ويمكن أن توجد فيه حالة شبه مستقرة واحدة على الأقل، وأن معامل مرونته يُضاهي معامل مرونة الماس، مما يمنحه خصائص جيدة، ويمكنه تحسين صلابة السطح ومقاومة التآكل للمادة بشكل فعال، وتقليل معامل الاحتكاك.

(6) طبقة طلاء أخرى مقاومة للتآكل مصنوعة من سبيكة
تم تجربة بعض الطلاءات المقاومة للتآكل المصنوعة من السبائك لتطبيقها على التروس، فعلى سبيل المثال، يُعد ترسيب طبقة من سبيكة النيكل-الفوسفور-الكوبالت على سطح أسنان تروس الفولاذ 45# طبقةً سبيكةً تُحسّن بنية الحبيبات فائقة الدقة، مما يُطيل عمرها الافتراضي بمقدار 1.144 إلى 1.533 مرة. كما دُرست إمكانية تطبيق طبقة من معدن النحاس وطلاء من سبيكة النيكل-التنغستن على سطح أسنان تروس الحديد الزهر المصنوعة من سبيكة النحاس-الكروم-الفوسفور لتحسين قوتها؛ بينما طُبقت طبقة من سبيكة النيكل-التنغستن وطلاء من سبيكة النيكل-الكوبالت على سطح أسنان تروس الحديد الزهر HT250 لتحسين مقاومتها للتآكل بمقدار 4 إلى 6 مرات مقارنةً بالتروس غير المطلية.