up
Search      menu
صنعت و مکانیک :: مقاله نانومتر PDF
QR code - نانومتر

نانومتر

پوشش هاي نانومتري و کاربرد آنها در موتور خودرو

کاهش ذخائر سوختي فسيلي، رقابت هاي اقتصادي و مسائل زيست محيطي، ما را به سمت ساخت موتورهايي با کارايي بالاتر مي برد. روش هاي مختلفي براي رسيدن به اين هدف وجود دارد. با افزايش دماي کاري داخل موتور و خنک نگه داشتن جدار بيروني آن، مصرف سوخت به شکل چشم گيري کاهش مي يابد. توجه به اين نکته ضروري است که مواد به کار گرفته شده بايد از مقاومت در برابر تغيير شکل ناشي از حرارت اکسيد در دماي بالا و خزش و موارد ديگر برخوردار باشند.
روش ديگري که به کاهش مصرف سوخت مي انجامد، استفاده از مواد سبک براي کاهش نيرو، کاهش اتلاف حرارت از طريق سيستم اگزوز و کاهش اصطکاک است. کاهش وزن موتور يکي از کليدي ترين عوامل در کاهش مصرف سوخت است.
بيشترين کوشش سازندگان براي کاهش مصرف سوخت و آلودگي، استفاده از مواد سبک براي کاهش وزن خودرو است. اغلب سازندگان به جايگزيني بلوک سيلندرهاي چدني با چگالي ۸ ۷ گرم بر سانتي متر مکعب با بلوک سيلندرهاي آلومينيم سيلسيم با چگالي ۷۹ ۲ گرم بر سانتي متر مکعب روي آورده اند. در اين مورد، اغلب از آلياژهاي پايه آلومينيم و کامپوزيت هاي زمينه فلزي مانند A۳۶۰AL, A۳۹۰AL, A۳۵۶AL, A۳۱۹AL استفاده مي شود، گرچه استفاده مستقيم از اين آلياژها در سيلندر، به دليل مقاومت پايين در برابر خوردگي و جوش خوردگي موضعي بين سطوح آن، ممکن نيست. به همين دليل، با توجه به مقاومت بالاتر چدن ها در برابر خوردگي، مي توان از بوش سيلندرهاي چدني استفاده کرد که منجر به بزرگ شدن ابعاد سيلندر و سنگين شدن آن مي شود.
● نقش پوشش ها در افزايش کارايي موتور
بعلاوه، اصطکاک هاي مکانيکي، مورد ديگري است که به توجه بيشتر نياز دارد. سيستم پيستون، اصلي ترين توليدکننده اصطکاک در موتور است.
سهم عمده مصرف سوخت از طريق تخريب سيلندر و ضعيف بودن سيستم آب بندي پيستون و رينگ پيستون به وجود مي آيد. زماني که آلومينيم تحت تنش هاي سطحي قرار مي گيرد، سايش نرم آن به سايش سخت تبديل مي شود، اما هنگامي که از ذرات تقويت کننده استفاده کنيم، اين انتقال تا زمان رسيدن تنش به آستانه بحراني، صورت نمي گيرد که لازمه آن شرايط زير است:
۱) زماني که احتراق شروع مي شود و روغن کاري روي سطوح کامل انجام نشده
۲) تخريب سيلندر
با توجه به مطالب ارائه شده، براي بهبود خواص مربوط به سايش آلياژهاي آلومينيم و سيلندرهاي ساخته شده با آن، از تکنيک هاي متعددي استفاده مي کنيم. اين تکنيک ها مي توانند پوشش هاي جديد کامپوزيتي و يا پوشش هايي يکپارچه را داخل سيلندر ايجاد کنند. تعدادي از روش هاي مرسوم عبارتند از: پوشش هاي پلاسما اسپري (APS)ا۲، پوشش هاي (HVOF)ا۳ و غيره.
● نقش پوشش ها در افزايش کارايي موتور
در مورد موتور خودرو، با حذف نياز سيلندر به بوش، در کنار کاهش ابعاد پيستون به طور مستقيم، حدود ۱ کيلوگرم کاهش وزن خواهيم داشت. اين در حالي است که ابعاد کلي موتور نيز کاهش مي يابد. کاهش حتي ۱ کيلوگرم از وزن خودرو، تأثير زيادي در مصرف سوخت خواهد داشت. براي نمونه، در يک خودرو با وزن تقريبي ۱۱۰۰ کيلوگرم اگر کاهش وزني حدود ۱۱۰ کيلوگرم داشته باشيم، در حدود ۷ درصد کاهش مصرف سوخت خواهيم داشت.
کاهش وزن خودرو، عامل مهمي در افزايش عمر موتور است. تکنولوژي ها و مواد جديد ما را در رسيدن به اين هدف، ياري مي کنند. با استفاده از مواد نانو، به اهداف بزرگتري خواهيم رسيد. در سال هاي اخير رويکرد زيادي به مواد نانومتري شده و اين به دليل خواص برجسته آنها در مقايسه با مواد ميکروني است.
چگالي عيوب در مواد نانو، بسيار زياد است، اما به اندازه مواد «آمورف» نيست. مطابق شکل زير و رابطه Hall- Petch (سختي براي مواد پلي کريستال با قطر ميانگين) d و Hd(سختي تک کريستال، Ho+kd-۱ ۲) با کاهش اندازه دانه، سختي و شارش تنش افزايش مي يابد. هر چند در مواردي که اندازه دانه بسيار کوچک است (حدود ۱۰۰ نانومتر) مکانيزم تغيير شکل از لغزش نابجايي به لغزش مرز دانه تغيير مي کند که در هر دو مورد، با افزايش پلاسيته روبه رو خواهيم بود.
اگر اندازه دانه باز هم کوچکتر شود، تقريباً به سمت آمورني شدن مي رود و مواد، رفتار Visco- Elastic از خود نشان مي دهند. اين ويژگي ها ما را به خواص ماکزيمم سختي، شارش، تنش، چقرمگي، انعطاف پذيري عايق حرارتي (چون هدايت مواد نانومتري بسيار کمتر از مواد فلزي معمول مانند AL با فنون هاي پراکنده و داراي چگالي عيوب بالاست) مي رساند.
● توليد پوشش هاي نانوساختاري
اسپري حرارتي پوشش هاي نانوساختاري، باعث پيدايش روشي متحول کننده به منظور بهره گيري از خواص مکانيکي و فيزيکي مواد نانوساختاري (مثل سختي، قدرت و مقاومت در برابر خوردگي) مي شود. در حالتي که اندازه دانه هاي يک ماده در مقياس اتمي باشد، تعداد اتم هاي موجود در مرزهاي دانه، در مقياس با تعداد اتم هاي درون دانه، بسيار بالاست. به اين ترتيب، با افزايش سطح ويژه مرز دانه ها ميزان ناخالصي بر واحد مرز دانه ها، در مقياس با موادي که داراي همان مقدار ناخالصي بوده اما دانه هاي درشت تري دارند، کاهش مي يابد. اين خالص سازي مرز دانه ها و البته به مورفولوژي خوردگي يکسان تر و مقاومت به خوردگي درون دانه اي بالاتر، نسبت به مواد دانه درشت است.
نتايج تحقيقات نشان مي دهند که اين دانه ها نه تنها ذاتاً پايداري حرارتي دارند (هوانگ و همکاران، ۱۹۹۶) بلکه حرکت موضعي آنها بسيار پايين است. اين امر موجب سختي بسيار بالا و در برخي موارد سفتي بسيار بالا در اين مواد مي شود. ديگر مزيت ابعاد نانومتري دانه ها در روکش ها، کاهش تنش پسماند در روکش است که ساخت پوشش هايي با ضخامت چهار برابر مقدار قابل دسترس در مواد معمولي را امکان پذير مي سازد.
مقايسه بين خواص پوشش هاي نانوساختاري و انواع معمولي، ميزان سختي ميکروي انواع نانو ساختاري را بسته به ترکيب گاز و روش توليد، بين ۱۶ تا ۶۳ درصد بيشتر از انواع معمولي نشان داده است.
● خواص مطلوب پوشش موتور
پوشش ها، بويژه پوشش هاي نانومتري، مي توانند به افزايش کارايي و عمر قطعات موتور خودرو کمک کنند.
● پوشش با روانکاري مناسب
اصطکاک يکي از مهم ترين عوامل در کاهش عمر موتور خودروست. در کنار اصطکاک مکانيکي که در موتورهاي درونسوز وجود دارد. در اين موتورها، عامل اصلي اصطکاک سوپاپ، سيستم پيستون، ميل لنگ و ياتاقان هاست. عوامل مکانيکي به طور ميانگين ۱۰ تا ۱۵ درصد اصطکاک را به وجود مي آورند. سيستم پيستون به تنهايي ۵۰ تا ۶۵ درصد از اصطکاک را به وجود مي آورد. سيستم سوپاپ نيز حدود ۱۰ تا ۲۰ درصد اصطکاک توليد مي کند. پس به منظور افزايش کارايي، افزايش طول عمر قطعات موتور و کاهش مصرف سوخت، مجبور به کاهش اصطکاک هستيم. در ارتباط با اين موضوع، مي توان از پوشش هايي مانند graphite- Ni, Ni- Mo- MoS۲ Ni-BN و غيره استفاده کرد.
● مقاومت در برابر خوردگي
اجزاي موتور، تحت شرايط سخت محيطي قرار دارند. دماي بالا، سوخت و محصول احتراق با اتمسفر مخلوط شده و شوک هاي حرارتي نيز به عوامل خوردگي اضافه مي شوند. موتور ديزلي و درونسوز (IC)ا۵ منجر به توليد اسيد سولفوريک.. و اسيد فرميک تحت شرايط معيني مثلاً هواي سرد مي شود. پوشش هايي با پايه Mo Cr، پوشش هاي مناسبي براي مقاومت در برابر خوردگي در دماهاي بالا هستند.
● خواص تريپولوژي
پوشش بايد از خواص مربوط به سايش و بر هم خراشيدگي۶ حداقل در حد پوشش هاي چدني برخوردار باشد تا بتواند جايگزين آن شود. ذرات سراميکي مانند FeO, SiC, Al۲O۳ مي توانند خواص مربوط به سطح مانند سختي، استحکام فشاري، مقاومت به سايش و خراشيدگي را بهبود بخشد.
بر هم خراشيدگي به عنوان مهم ترين عامل تريبولوژي سطح، در زماني مطرح مي شود که لايه هاي روان کار شکسته مي شوند (از بين مي روند). پوشش بايد مقاومت بسيار خوبي از لحاظ شوک هاي حرارتي و مکانيکي از خود نشان دهد.
● قابليت honing
بعد از پوشش ديواره هاي سيلندر، از honing براي رسيدن به توپوگرافي مناسب، استفاده مي شود. به همين وسيله، مي توان تعداد زيادي حفره ايجاد کرد که به عنوان منبع تغذيه روغن عمل کند. اين کار منجر به کاهش اصلاح روغن کاري هيدروديناميک شده و باعث کاهش تنش رينگ پيستون مي شود. honing به دو دليل به روش هاي ديگر که براي آماده سازي سطح استفاده مي شود، ارجحيت دارد. اول اينکه honing توپوگرافي مناسبي براي نگه داشتن مقاومت روانکارها در ميکرو حفرات ايجاد مي کند و برخلاف سنگ زدن و ماشينکاري، باعث بسته شدن حفرات در پي آن محبوس شدن روغن نمي شود. دوم اينکه ذرات خارجي حاصل از عمليات honing داخل حفرات قرار مي گيرند و تأثير کمتري بر ويژگي هاي سايش دارند. عموماً زبري سطح بعد از عمليات honing براي بهبود خواص سايشي کمتر از ۲ ۰ ميکرومتر خواهد بود. پوشش هاي مورد استفاده بايد پاسخگوي عمليات honing باشند.
موضوع ديگر، ضخامت پوشش است که بايد به گونه اي انتخاب شود که پس از عمليات honing، ضخامت بجامانده کافي باشد. اين پوشش بايد به اندازه کافي چسبنده بوده و همچنين در برابر عمليات سطحي نهايي آسيب پذير (شکاف، شکستگي، پوسته پوسته شدن) نباشد. پوشش در کنار پايداري بالا، يکدستي مناسب و سازگاري با عمليات honing، بايد ضخامتي حدود ۱۰۰ تا ۱۵۰ ميکرومتر داشته باشد تا در مقايسه با بوش سيلندرهاي چدني رايج ۲۰ تا ۳۰ درصد بعد از عمليات honing، اصطکاک را کاهش دهد. به علت ويژگي هاي تريبولوژي پوشش هاي پلاسمايي، طول عمر موتور بيشتر شده و اين امر از طريق کاهش مصرف سوخت، کاهش ميزان آلايندگي را در پي خواهد داشت. گزارش هاي ارائه شده حکايت از آن دارند که پلاسما اسپري کردن FeO Fe خوب پوشش هاي فولاد ضدزنگ، تا ۴۰ درصد از سايش سيلندر و رينگ پيستون مي کاهد.
● انتقال حرارت
تا آنجا که مي توان، بايد انتقال حرارت از بلوک سيلندر را پايين نگه داشت چون باعث اتلاف حرارت مي شود. پوشش ها بايد داراي هدايت حرارتي کمي بوده و همانند عايق حرارتي براي محفظه سوخت عمل کرده و از انتقال حرارت از طريق آلومينيم و سوپر آلياژهاي آن جلوگيري کند. به همين منظور، پوشش هاي مقاوم در برابر حرارت (TBC)ا۷ توسعه يافتند.
مطالعات انجام شده در مورد موتورهاي درونسوز، موتورهاي ديزلي و موتور جت ها نشان داده است که با پوشش دهي سطوح خارجي ديواره سيلندرها تا حدود ۲ ميلي متر از لايه هاي عايق اکسيدي حدوداً ۶ درصد کاهش اتلاف حرارت خواهيم داشت، حال اگر اين پوشش، داخل سيلندر اعمال شود، گراديان حرارتي براي انتقال حرارت کمتر مي شود و در نتيجه، اتلاف حرارت نيز بيشتر کاهش مي يابد.
● وابستگي شديد پوشش به روغن
براي روغن کاري بهتر و کاهش اصطکاک، بهتر است موتور در نظامي هيدروليکي کار کند زيرا شکسته شدن لايه هاي روغن، اغلب زمينه ساز کار در شرايط بحراني (فلز روي فلز) مي شود.
ضريب اصطکاک در اين حالت، در مقايسه با زماني که سيستم در نظامي هيدروديناميکي کار مي کند، بسيار بالاست. هم خواني وابستگي پوشش با روغن، امري ضروري است. روغن ها مي توانند مطابق خاصيت موئينگي از بافت هاي حاصل از عمليات honing بالا رفته و خود را تعمير کنند. لذا سيستم به نظامي هيدروديناميکي باز مي گردد (استحکام شکست روغن هاي روانکار براي موتورهاي درونسوز ۱.۵-۵Gpa مي باشد).
● چسبندگي پوشش با پايه و ضخامت آن
پوشش بايد از چسبندگي مناسبي با پايه برخوردار باشد تا بتواند در برابر شوک هاي حرارتي موجود در موتور، مقاومت کند. باندهاي استحکام از روش هاي پلاسما اسپري، HVOF و Magnetron Sputtering به وجود مي آيد و به شدت به زبري سطح بستگي دارد (Ra,Rz). بيشترين ضخامت پوشش به ضريب انبساط حرارت و خواص مکانيکي پوشش بستگي دارد. اگر انبساط حرارت پوشش با پايه، اختلاف زيادي داشته باشد و يا الاسيته و داکتيليته پوشش بسيار کمتر باشد. پوشش هاي ضخيم نمي توانند چسبندگي مناسبي با پايه ايجاد کنند. از سوي ديگر، پس از عمليات honing ضخامت پوششي که باقي مي ماند، بين ۱۰۰ تا ۱۸۰ ميکرومتر است که عيوب ريخته گري فلز پايه را نيز مي پوشاند.
هنگام پوشش آلياژهاي Al-Si (هم هيپو و هم هايپريوتکيک) با اين واقعيت روبه رو مي شويم که ساختار، از تحمل اين نوع به هم ريختگي برخوردار است و تغييري در ساختار آن به وجود نمي آيد. نکته قابل توجه قطر داخلي پيستون (۷۰ تا ۱۱۰ ميلي متر) است که براي پوشش دهي جدار داخلي آن، به ابزار ويژه اي نياز است. هنگام پوشش دهي با پوشش هايي که تحمل حرارتي زياد (TBC) دارند، مانند پوشش هاي اکسيدي مي توان از سوپر آلياژها و آلياژهاي نيکل براي بهبود خواص چسبندگي استفاده کرد.
● برطرف کردن نيازهاي کيفي
در موتورهاي احتراقي، سيلندر، رينگ پيستون و مواد روانکار، در يک سيستم تريبولوژيک، اثر متقابل بر هم دارند. مسئله مهمي که در صنعت خودرو وجود دارد، فقط يافتن پوشش مناسب براي پوشش دهي نيست بلکه قيمت نهايي محصول، عاملي مهم است.
ماشين پوشش دهي، بايد پاسخگوي نيازهاي کيفي سازنده موتور باشد. پوشش هاي ايجاد شده روي پيستون، بايد به گونه اي باشند که توليد اصطکاک نکنند. مثلاً، پيستون هاي بسيار سخت باعث خورده شدن بوش سيلندر مي شوند.
● پوشش براي موتور و ديگر قسمت هاي قدرتي آن
از روش الکتروپليتينگ Cr براي پوشش رينگ پيستون استفاده مي شود، گونه هاي مختلف پودرهاي پايه آهني حاوي V, Ti, Cu, Mo, Cr, Sn, Si, C و B و غيره اغلب براي پوشش دهي آلومينيم در موتورها استفاده مي شود. براي اين نوع پوشش ها مي توان از روش (APS) و مهندسي نيروي سطح (LSE)ا۸ استفاده کرد. از آنجا که موتورهاي ديزلي در معرض حمله مواد سولفور هستند، خوردگي در برابر اسيد سولفوريک براي پوشش هاي پايه فلزي حاوي آلومينات، Mo Cr که در اين نوع موتورها مورد استفاده قرار مي گيرند، اهميت ويژه اي دارد.
نيکل کروميم و کرميم کاربيد را مي توان ارزش هاي APS و HVOF پوشش دهي کرد. عموماً از پوشش کرميم اکسايد به روش پلاسما اسپري، بر روي موتورهاي ديزلي پرقدرت استفاده مي شود.
معمولاً از پوشش هاي مقاوم در برابر حرارت (TBC) مانند زيرکونيا و يا آلومينات تيتانيم، به منظور کاهش دماي کاري و افزايش دوام اجزاي تيغه ها توربين هاي گازي استفاده مي شود. پوشش هاي (TBC) مي توانند کارايي موتور را با افزايش دماي کاري و کاهش اتلاف حرارت اجزا، بالا ببرند.
از زيرکونيا، به علت پايين بودن هدايت حرارتي (Iw m۲kا~) و ضريب انبساط حرارتي بالا(CTE)ا۶mm c-ا۶x۱۰ همراه با کم بودن حساسيت هاي حرارتي و پايداري شيميايي زياد در دماهاي بالا، مي توان به عنوان پوشش استفاده کرد. در کنار تمام موارد ذکر شده، سراميک هايي مانند زيرکونيا، خواص سايش بسيار مناسبي از خود نشان مي دهند.
اليتريم تثبيت شده با زيرکونيا (YSZ)ا۹ هدايت حرارتي بسيار کمتري نسبت به سوپر آلياژهاي پايه نيکل دارد. از پوشش هاي YSZ به شکل بسيار گسترده اي براي پوشش دهي تاج پيستون استفاده مي کنند. در موتورهاي گازوئيلي کنوني، اغلب از مواد جامد روانکار استفاده مي شود که باعث کاهش اصطکاک و در پي آن کاهش سايش مي شوند. از پودرهايي فلزي که مي توانند مواد جامد و روانکار را در خود نگه دارند، مي توان در سيلندر استفاده کرد. در صنعت براي اين منظور از روش پلاسما اسپري استفاده مي شود؛ هر چند که کاهش ضريب اصطکاک با افزايش دماي نوارهاي جامد روانکار (SFL)ا۱۰ انجام مي پذيرد. از نتايج ديگري که استفاده از نوارهاي جامد روانکار در بر خواهد داشت، کاهش احتمال خوردگي توسط اسيد فورميک در هواي خيلي سرد به هنگام استفاده از سوخت هاي پايه متانول است.
نوارهاي جامد روانکار عاري از نيکل، معمولاً حاوي فلوئوريدهايي مانند CaF۲ و BaF۲ هستند که مي توانند در کنار کاهش به پايداري ضريب اصطکاک پوشش Cr۲O۳ بينجامند. اين امر، بيشتر خواص تريبولوژي پوشش Cr۲O۳ را به منظور استفاده در موتور بهبود مي بخشد. فولاد ضدرنگ و نيکل که مي توانند بورون نيتريد (BN) هگزاگونال را در خود نگه دارند و يا از آهن و اکسيد آن در مواردي خاص در آن استفاده کرد، کاربردهاي زيادي در صنعت خودرو دارند. هنگامي که کاهش هزينه ها مد نظر باشد، سيستم Fe-FeO بسيار مناسب است.
مطالعه درخصوص روانکارهاي جامد گرافيتي، نشان مي دهد که اين نوع روانکارها بر هم خراشيدگي تحت نيروهاي معمولي را بهبود مي بخشند. اين در حالي است که اين روانکارها تحت نيروهاي زياد، مقاومت مناسبي از خود نشان نمي دهند. معمولاً از پوشش هاي کرم براي بهبود خواص سايش رينگ پيستون استفاده مي شود. استفاده از پوشش هاي سرمت به روش HVOF پتانسيل هاي بالايي را براي جايگزيني آبکاري کرم از خود نشان مي دهد. جايگاه استفاده از پوشش هاي NiCr Cr۳O۲ و NiCrMo Cr۳O۲ در موتورهاي پرقدرت ديزلي است. سرمت ها پوشش هاي جديدي هستند که در صنايع هواپيمايي کاربردهاي زيادي دارند.
کربن هاي آمورف يا کربن هاي شبيه به الماس (DLC)ا۱۱ موادي با کاربردهاي تريبولوژيکي براي سختي هاي بالا و مقاومت در برابر سايش و اصطکاک کم هستند. از DLCها مي توان به عنوان پوشش هاي محافظ براي رينگ پيستون استفاده کرد که کاهش اصطکاک و در پي آن کاهش مصرف سوخت را در بر خواهند داشت. اين نوع پوشش ها علاوه بر افزايش طول عمر قطعات، اطمينان خوبي در موتور ايجاد مي کنند.

اين مقاله از كشف يك پديده خبر مي دهد كه - يك لوله نانومتري معلق در محلول كلوئيدي به هنگام مجاورت با ديواره، بر اثر نيروهايي كه منشأ آنتروپيك دارند، اب ...

چاپ UV نسبت به چاپ افست معمولي به همان نسبت که گرانتر است مزاياي فراوانتري دارد. ورود به چاپ UV در درجه اول يک تصميم استراتژيک است که براي شخص اين امک ...

● ماده اوليه امروزه همه مي دانند که ماده اوليه پردازنده ها همچون ديگر مدارات مجتمع الکترونيکي، سيليکون است. در واقع سيليکون همان ماده سازنده شيشه است ...

پوشاندن يک جسم با يک لايه نازک از يک فلز با کمک يک سلول الکتروليتي آبکاري ناميده مي شود. جسمي که روکش فلزي روي آن ايجاد مي شود بايد رساناي جريان برق ب ...

فيبرنوري يکي از محيط هاي انتقال داده با سرعت بالا است. امروزه از فيبر نوري در موارد متفاوتي نظير: شبکه هاي تلفن شهري و بين شهري، شبکه هاي رايانه اي و ...

دانلود نسخه PDF - نانومتر