مقدمه

امروزه با توسعه صنعت در زمینه های گوناگون، تحقیقات در علم مهندسی مواد ابعاد وسیعتری یافته است .اخیراً تولید پوشش های مختلف به منظور بدست آوردن خواص گوناگون نظیر پایداری شیمیایی، مقاومت به خوردگی، مقاومت سایشی و… شدت بیشتری به خود گرفته است. یکی از چالشهای رایج سیستم های تریبولوژیکی صنعتی مدرن طراحی و تولید موادی است که دارای نرخ سایش کم و ضریب اصطکاک پایین در یک دامنه وسیع از محیط های کاری می باشد. کاربردهای صنعتی با شرایط کاری که با زمان در حال تغییر هستند در ابتدا شامل صنایع هوا و فضا بوده اما علاوه بر این شامل صنایع دیگری مانند ابزار سازی، شکل دهیمواد، صنایع اتومبیل سازی، صنایع نظامی و صنایع نیروی هسته ای نیز هستند. استفاده از روانکارهای جامدتنها جایگزین قابل قبول برای کاهش اصطکاک در بسیاری از محیط های کاری سخت است، به ویژه آنهایی که در برگیرنده دماهای بالای ˚C053 هستند که در آن میزان روانکارهای مایع تحت این شرایط به سرعت کاهش می یابند. پر کاربردترین روانکارهای جامد درصنعت گرافیت ، نیترید بور و 2MoS هستند. این مواد روانکارهای مؤثری هستند زیرا ساختار لایه لایه ای دارند که به آسانی برش می خورند و منجر به کاهش ضریب اصطکاک می شوند. اشکال استفاده از روانکارهای جامد به عنوان لایه های یکپارچه این است که آنها نرم هستند و درنتیجه مقاومت سایشی لازم را ندارند [7] . علاوه براین ، هیچ روانکار جامد تک فازی وجود ندارد که یک ضریب اصطکاک پایین را در یک دامنۀ وسیع از شرایط محیطی از خود نشان دهد. به عنوان مثال، گرافیت یک روانکار مناسب درهوای مربوط یا خشک است امادرخلا نتایج رضایت بخشی را ارائه نمیدهد. در مقابل ،MoSروانکار مورد انتخاب برای کاربردهایی است که نیازمند محیط های خشک یا خلأ است اما در هوای مرطوب بهشدت غیر قابل استفاده می شود. برای جبران نقاط ضعف روانکارهای یکپارچه، مواد جدیدی طراحی شده اندکه فازهای با سختی و استحکام زیاد را با ترکیبی از فازهای روانکار جامد ترکیب می کند تا نرخ سایش وضریب اصطکاک را در دامنۀ وسیعی از شرایط کاری کاهش دهند [1]. هدف در این کار ، ارائه یک بررسی ازتحقیقات انجام شده برروی رفتار تریبولوژیکی پوشش ها در دماهای بالا می باشد .

  عنوان مطلب 

  • چکیده
برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

  • فصل اول : مقدمه

مقدمه
امروزه با توسعه صنعت در زمینه های گوناگون، تحقیقات در علم مهندسی مواد ابعاد وسیعتری یافته است .اخیراً تولید پوشش های مختلف به منظور بدست آوردن خواص گوناگون نظیر پایداری شیمیایی، مقاومت به خوردگی، مقاومت سایشی و… شدت بیشتری به خود گرفته است. یکی از چالشهای رایج سیستم های تریبولوژیکی صنعتی مدرن طراحی و تولید موادی است که دارای نرخ سایش کم و ضریب اصطکاک پایین در یک دامنه وسیع از محیط های کاری می باشد. کاربردهای صنعتی با شرایط کاری که با زمان در حال تغییر هستند در ابتدا شامل صنایع هوا و فضا بوده اما علاوه بر این شامل صنایع دیگری مانند ابزار سازی، شکل دهی مواد، صنایع اتومبیل سازی، صنایع نظامی و صنایع نیروی هسته ای نیز هستند. استفاده از روانکارهای جامد تنها جایگزین قابل قبول برای کاهش اصطکاک در بسیاری از محیط های کاری سخت است، به ویژه آنهایی که در برگیرنده دماهای بالای ˚C053 هستند که در آن میزان روانکارهای مایع تحت این شرایط به سرعت کاهش می یابند. پر کاربردترین روانکارهای جامد درصنعت گرافیت ، نیترید بور و 2MoS هستند. این مواد روانکارهای مؤثری هستند زیرا ساختار لایه لایه ای دارند که به آسانی برش می خورند و منجر به کاهش ضریب اصطکاک می شوند. اشکال استفاده از روانکارهای جامد به عنوان لایه های یکپارچه این است که آنها نرم هستند و در نتیجه مقاومت سایشی لازم را ندارند [7] . علاوه براین ، هیچ روانکار جامد تک فازی وجود ندارد که یک ضریب اصطکاک پایین را در یک دامنۀ وسیع از شرایط محیطی از خود نشان دهد. به عنوان مثال، گرافیت یک روانکار مناسب درهوای مربوط یا خشک است امادرخلا نتایج رضایت بخشی را ارائه نمیدهد. در مقابل ،MoS روانکار مورد انتخاب برای کاربردهایی است که نیازمند محیط های خشک یا خلأ است اما در هوای مرطوب به شدت غیر قابل استفاده می شود. برای جبران نقاط ضعف روانکارهای یکپارچه، مواد جدیدی طراحی شده اند که فازهای با سختی و استحکام زیاد را با ترکیبی از فازهای روانکار جامد ترکیب می کند تا نرخ سایش و ضریب اصطکاک را در دامنۀ وسیعی از شرایط کاری کاهش دهند [1]. هدف در این کار ، ارائه یک بررسی از تحقیقات انجام شده برروی رفتار تریبولوژیکی پوشش ها در دماهای بالا می باشد .

1

  • فصل دوم : مطالعات تئوری

تمامی سطوح زبر بوده و به واسطه پستی ها و بلندی ها مشخص می شوند. زبری را می توان نامنظمی های بافت سطح تعریف کرد که عمدتًاً ناشی از عملکرد نامنظم برخی از فرآیندهای تولید همچون سایش و براده برداری می باشد. دامنه بین پیک ودره چنین ناهمواری هایی به عملیات براده برداری و تمام کاری بستگی دارد که به طور تصادفی توزیع شده است. مقطع زیر سطح را می توان با استفاده از میکروسکوپ نشان داد [1].
زبری سطح را به واسطه پارامترهای آماری مشخص می سازیم. مشخصه های ارتفاع عموماً به وسیلۀ پارامترهایی همچون میانگین زبری (Ra)، عدد زبری (Rq)، میانگین حداکثر ارتفاع (Rtm)، ارتفاع 01 نقطه ای (Rz) و فاکتور های دیگر تعریف می شوند. در مهندسی یکی از معمول ترین پارامتر هایی که مورد استفاده قرار می گیرد زبری متوسط می باشد. مکانیزم تماس، به تماس بالاترین و پایین ترین نقاط سطوح مقابل هم مربوط میشود. هرچه این سطوح دارای پستی و بندی های بیشتری باشند تعداد تماس های آنان نیز بیشتر بوده و انرژی بیشتری به منظور عبور از این ناهمگنی ها لازم است، که این امر موجب ایجاد اصطکاک بیشتری می شود. با این وجود ، در کاربردهای مهندسی زبری سطح در مورد اجزاء ، بسیار مهم میباشد زیرا این امر توانایی سطح را به منظور پشتیبانی از فشار وارده مشخص می سازد. در مقادیر بالا و بسیار پایین Rq، تنها فشارهای کم تأیید می شود در حالی که مقادیر Rq، امکان بارهای بیشتری را فراهم می نماید [1]. درصورتی که سطوح به مقدار زیادی زبر باشند امکان سایش زیاد وجود خواهد داشت و در صورتی که سطوح خیلی صاف باشند، حتی در فشار بارهای کم نیز سطح بلافاصله خراب می شود [1].
2-1-2- تأثیر سختی سطح بر اصطکاک لغزشی
همانطور که در بالا عنوان شد تماس واقعی بین سطوح به زبری سطح و سختی بستگی دارد که به تغییرات در اصطکاک مربوط می شود. سختی این مواد در طی لغزش به طور مستقیم بر روی سایش خراشان تأثیر گذار است. پس از سایش اولیه ، سایش خراشان منجر به تولید ذرات سخت تر و درشت تری به واسطۀ مواد حاصل از سایش می شود [1].
سختی مواد موجب مقاومت در برابر سایش خراشان می شود. مشخص شده است که مواد سخت نسبت به مواد نرم نرخ سایش خراشان کمتری دارند. سختی حاصل شده در فلزات مختلف ، متمایز بوده بنابراین فلزات مختلف با سختی مقاومت در برابر سایش خراشان مقاومت متفاوتی نشان می دهند. مقاومت سایشی معموًلاً به عنوان تقابل نرخ سایش و مقاومت سایشی نسبی ناشی از تقابل نرخ سایش تقسیم شده به واسطۀ نرخ سایش متقابل در یک ماده کنترل کننده بیان می شود. بهتر آن است که از موادی استفاده کرد که دارای حداقل یا حداکثر سایش خراشان باشند [1].

    • تأثیرات کیفیت سطح بر تریبولوژی     2
      • توپوگرافی سطحی                 3
      • تاثیر سختی سطح بر اصطکاک لغزشی 3
      • تاثیر جفت های مواد مختلف بر اصطکاک لغزشی         4
      • تاثیر دما برروی اصطکاک لغزشی   4
    • عملیات سطحی و تاثیر آن بر رفتار تریبولوژیکی                     5

                        221 نیتریدینگ گازی                                                                         6

                        222 نیتریدینگ پلاسما                                                                       7

                        322کربونیتریدینگ                                                                            8

                        224فرآیندهای CVD و PVD            ا                                                    8

                        225 فرآیند پوشش الکترولس                                                                9

2

فصل سوم: پوشش های مقاوم به سایش و رفتار تریبولوژیکی آنها در دمای بالا

برای بهبود خواص تریبولوژیکی رینگ های پیستون در دمای بالا مواد خودروانکار جامد گوناگونی روی پوشش رینگ های پیستون قرار داده شدند. بیجرک دریافت که ضریب اصطکاک در ناحیه سایش حاوی تمرکز یا غلظت بالای اکسیژن پایین تر است، و معتقد شد که اکسیداسیون سطح فولاد به اصطکاک کمتر و سایش خفیف منجر می شود [2]. لودما نیز در مورد خودروانکاری اکسید بدین باور رسید که به علت داکتیل و نرم بودن، اکسیدها می توانند خود را با زیرلایه های تغییر شکل پلاستیکی یافته تطبیق دهند. با توجه به خاصیت خودروانکاری اکسید آهن در دمای بالا ایده ای جدید مبنی بر قراردادن مستقیم اکسید آهن 4Fe3O در پوشش های پیستون سنتی شکل گرفت تا رفتارهای سایشی پوشش ها در دمای بالا بهبود پیدا کنند [3].
3-1-1- ضرایب اصطکاک و نرخ های سایش
ضرایب اصطکاک زوج های سایشی در دماهای متفاوت در جدول1 آورده شده است. این نشان می دهد برای زوج سایشی 9988-CrN، ضریب اصطکاک با افزایش دما از ˚C52 به ˚C006 تقریبا بدون تغییر بود و در دمای بالاتر به آرامی شروع به کاهش نمود. نتایج مشابهی با زوج سایشی 9989-CrN بدست آمد. ابتدا ضریب اصطکاک تنها کمی با افزایش دما در محدوده دمایی پایین کاهش یافت، سپس به طور مشهود در دمای بالاتر کم شد و نهایتا در ˚C008 برابر 54/0- 53/0 بود. در مقایسه با زوج سایشی9988-CrN، ضریب اصطکاک زوج
9989-CrN کوچکتر بود [2].
ریزساختار های سطح سایش یافته زوج9988-CrN در شکل1 نشان داده می شوند. در سطح سایش یافته نمونه های 9988، منطقه ساییده شدهA و منطقه چسبنده B وجود داشت که نتایج تحلیل EDS منطقه A با مقدار بالاتر CoCrMo را نسبت به منطقه B نشان می دهد .
شکل( b)1 ریزساختار زوج سایشی نمونه CrN و شکل2 نتایج تحلیل EDS برای منطقه های A و B در شکل (b)1 است و نشان داده می شود که محتویات N و Cr در منطقه A خیلی بالا بودند (شکل(a)2) و تقریبا شبیه به ترکیب اصلی نمونه CrN بودند. برعکس منطقه A، منطقه B دارای مقدار بالاتر CoCrMo و میزان پایینتری از N و Cr بود، و مشخص شد که مقدار منطقه B در شکل( b)1 تقریباً مشابه منطقه B در شکل (a)1 می باشد. این نتایج نشان داد که منطقه B در نمونه CrN ماده منتقل شده از نمونه 9988 بود [2].
3-1-3- تحلیل ریزساختار و بحث زوج سایشی 9989-CrN
ریزساختار سطوح در 9989 سایش یافته در شکل 3 نشان داده شده است و حاکی از آن است که مقدار زیادی فازهای انسدادی سفید در ریز ساختار توزیع شده اند. نتایج تحلیل EDS (شکل 4) نشان داد که ترکیب منطقه B دارای مقدار زیادی Mo و O بود با مقدار کمتری از Fe در مقایسه با منطقه A . بنابر این نتیجه گرفته شد که فازهای جرمی سفید B احتمالاً مرکب از Mo و اکسیداسیون آن است [2].

1131 رفتار تریبولوژیکی پوشش های کامپوزیتی فلز-سرامیک در دمای بالا     11

                       311 ضرایب اصطکاک و نرخ های سایش                                                    11

                       312 تحلیل ریزساختار و بحث زوج سایشی 9988-CrN                          ا          12

                       313 تحلیل ریزساختار و بحث زوج سایشی 9989-CrN                    ا                12

                  32 رفتار تریبولوژیکی پوشش های پایه Ni-Crدر دماهای بالا                                  16

                       321 خواص مکانیکی و تریبولوژیکی آلیاژها                                                 16

                        322 مکانیزم سایش                                                                           17

                  33 رفتار تریبولوژیکی پوشش های پایه نیتریدی در دمای بالا                                 20

                        331 پوشش های نانوکامپوزیت سازگار                                                      22

                       332 پوشش های بافته شده نانو و میکرو                                                   26

                        333 سازگاری با چرخه گرمایی                                                             30

                       334 سازگاری با استفاده از مواد بر پایه نانوتیوب                                          31

                       335 مشاهده پدیده روانکار جامد با روش های درجا                                       32

                 34 پوشش TiN فولادهای ابزار                                                                    33

                       341 فرآیندهای پوشش TiN                                    ا                              34

                       342 ریزساختار و خواص مکانیکی پوشش های TiN           ا                            37

                       343 پیشرفت های جدید در پوشش TiN           ا                                        40

                   35 رفتار تریبولوژیکی پوشش هایTiN در دمای حدود ˚C005           ا                     43

                       351 اصطکاک و سایش در برابر گلوله های فولادی 100Cr6 در دمای اتاق              44

                       352 اصطکاک و سایش در برابر گلوله های 3Al2O در حدود دمای ˚C005    ا          48

                  36 رفتار تریبولوژیکی TiN،TiCN و CrN در دمای بالا                                         52

                       361رفتار سایشی واصطکاکی پوشش ها در برابر گلوله 100Cr6       ا                    53

                      362 توصیف سایش و اصطکاک در برابر گلوله از جنس 4Si3N    ا                        55

                37 اثر مس روی رفتار سایشی پوشش های CrN در دماهای مختلف                          58

                       371 رفتار سایشی پوشش ها                                                                 60

                        372 بررسی های رامان                                                                      62

                38 رفتار تریبولوژیکی پوشش های CrN در دماهای حدود ˚C005                     ا        64

                       381سایش و اصطکاک در برابر گلوله 100Cr6                 ا                             67

                       382سایش و اصطکاک در برابر گلوله 4Si3N               ا                                76

                       383سایش و اصطکاک در برابر گلوله 3Al2O         ا                                      69

                 39مقایسه رفتار تریبولوژیکی پوشش های TiN و VN در دماهای متفاوت                     70

                       391 رفتار تریبولوژیکی پوشش ها                                                            70

                        392 بررسی های سطحی                                                                    74

                 301 رفتار تریبولوژیکی لایه های سخت در دماهای بالا                                         77

                     3011 مقاومت سایشی سیستم زیرلایه -لایه نازک در دمای اتاق                          77

       3012 مقاومت سایشی سیستم زیرلایه-لایه نازک در دماهای مختلف                    79

مقایسه کلی و جمع بندی                                                                               82

            مراجع                                                                                                       84

فهرست جدول ها

        31 ارتباط بین ضریب اصطکاک و دمای آزمایش                                                       11

         32نرخ سایش زوج های سایشی                                                                        12

         33– تاثیر گرافیت و 2MoS بر خواص فیزیکی و مکانیکی آلیاژهای پایهNi-Cr               ا         16

        34 ضریب اصطکاک و نرخ سایش دو نمونه در دمای اتاق ،˚C002 و ˚C006            ا            17

         35 نامگذاری زیرلایه های 2MoS و Ag، ترکیبات و ضریب اصطکاک Mo2N/ MoS2/Ag   ا        26

       36 افزایش چسبندگی به وسیله بمباران یونی زیرلایه در طی پوشش دهی بدست آمد            39

        37 ترکیب شیمیایی، ضخامت، ضریب خراشیدگیو چسبندگی تعیین شده برای پوششهای TiN

ا          44

        38 پارامترهای به کاربرده شده برای رسوب پوشش های CrN و CrN-Cu                    ا       60

فهرست شکل ها

31 تصویر SEM از ریزساختار زوج سایشی CrN (b) ،9988 (a) .9988-CrN.        ا                  13

32 نتایج آنالیز EDS نمونه CrN در شکل(a) .1(b) منطقه b) ،A) منطقه B.           ا               13

33 تصویر SEM از ریزساختار سطح سایش یافته نمونه9989. (a) بزرگنمایی پایین ،  (b)بزرگنمایی بالا .              41

34 نتایج آنالیز EDS سطح سایش یافته نمونه 9989. (a) منطقه b) ،A) منطقه B.         ا          14

35 تصویر SEM از ریزساختارهای سطح سایش یافته a) .CrN) بزرگنمایی پایین( ،b) 51 بزرگنمایی بالا   .

36 نتایج آنالیز EDS سطح سایش یافته CrN در شکل5 .(a) توده سفید( ،b) ماتریس .              15

38 تصویر شماتیک سه نمونه از جدیدترین پوشش های سازگار( ،a) نانوکامپوزیت( ،b)بافته   شده( ،c) برپایه نانوتیوب .                 22

39 تصویر شماتیک پوشش نانوکامپوزیت سازگار Ysz /Au /MoS/DL.                       ا          23

301تغییر ضریب اصطکاک در آزمایشهای لغزش پوشش TiCN بافته شده لیزری با لایه  3Sb2O/گرافیت/2MoS در برابر گلوله فولادی .          28

311ضریب اصطکاک پوشش های TiAlN+Mo/ MoS2/Ag که طی آزمایش های لغزش در دمای بالا در برابر 4Si3Nثبت شدند.         29

321 (a)تصویر نوری( ،b) تصویر c) ،SEM) داده میکرو رامان برای پوشش هایTiAlN+Mo/ MoS2/Ag بعد از آزمایش اصطکاکی در ˚C075.               ا          30

331 اساس سیستم تبخیر چندقوسی برای پوشش TiN.                           ا                     35

341 اساس روش کاتدپرانی واکنشی برای پوشش TiN.                        ا                            36

351 نمودار نفوذ فرورونده ویکرز به عنوان تابعی از سختی زیرلایه.                                        38

361 تغییر Lc با برای پوشش های 2µmTiN رسوب کرده روی فولادابزار M2در  محدوده ای از ولتاژهای بایاس .

              39

371 ضرایب اصطکاک پوشش1TiNدر برابر گلوله فولادی 100Cr6 در دمای اتاق با استفاده  از بار10 N و شعاع مسیر سایش( mm (b) ,3mm(a5.ا                         45

381 تصویر سه بعدی نوری مسیر سایش1TiN بعداز آزمایش گلوله روی دیسک در برابر  100Cr6 در دمای اتاق.           46

391تصویر SEM مسیر سایش1TiNبعداز آزمایش گلوله روی دیسک در برابر 100Cr6 دردمای اتاق .             47

302 وابستگی سایش گلوله بر مسافت مرحله آب بندی در طی آزمایش گلوله روی دیسک   گلوله در 100Cr6 در برابر پوشش1TiN در دمای اتاق .          48

312 ضرایب اصطکاک TiN 2 در برابر گلوله 3Al2O با استفاده از بار a) ،10 N) دمای اتاق ،    .300 ˚C(b)        49

322 تصویر سه بعدی نوری مسیر سایش TiN2بعداز آزمایش گلوله روی دیسک در برابر   3Al2O در دمای اتاق .            50

332 وابستگی ضرایب اصطکاک حالت پایدار و ضرایب سایشی بر دمای آزمایش در طی  آزمایش گلوله روی دیسک پوششTiN2 در برابرگلوله 3Al2O.ا              51

342 تصویر سه بعدی نوری مسیر سایش TiN2بعداز آزمایش گلوله روی دیسک در برابر3Al2Oدر دمای اتاق.              51

352نمودارهای اصطکاک( TiN(b) ,TiCN(aو( CrN(cبا لغزش در برابر گلوله 100Cr6.        ا       53

362 اثر دما بر نرخ سایش پوشش، گلوله 100Cr6.    ا                                                    55

372 تغییر ضریب اصطکاک با دما برای گلوله سرامیکی( TiN(b) ,TiCN(aو(CrN(c.       ا           56

 392 رفتار پوشش های CrN و CrN-Cuبر حسب ضریب اصطکاک، تعداد سیکل ودماهای   .50˚C (b )وRT (a)

          61

303 نمایشگر طیف های رامان( Cr-N-O (a رسوب کرده( ،b)ذرات روی پوششCrN-2Cu  بعد از آزمایش سایش در c) ،100˚C) ذرات روی پوششCrN-2Cu بعد از آزمایش سایش در ˚C05 و( d) ذرات روی پوششCrN-2Cu بعد از آزمایش سایش در دمای اتاق.                 62

313 جزئیات الگوهای XRD پوشش CrN در دماهای مختلف.الگوی کامل ثبت شده برای˚C004 (بالا سمت چپ).           65

323 سختی وFWHMپیک پراش Cr(111) and β-Cr2N(111) به عنوان تابعی از دمای  66آنیل .        66

333نمودارهای اصطکاکCrN حاصل از لغزش در برابر 4Si3N در دمای اتاق،˚C 002 و   .400˚Cا            68

343 نمودارهای اصطکاک CrNحاصل از لغزش در برابر 3Al2O در دمای اتاق،˚C 002 و.400˚Cا             69

353 اصطکاک و نرخ سایش پوشش به عنوان تابعی از دما، در برابر گلوله 3Al2O.     ا                69

363 ضریب اصطکاک وابسته به دما برای پوشش های VN و TiN.               ا                      71

373 پروفیل های دوبعدی مسیرهای سایش پوشش های( TiN (a و( VN (b بعد از   آزمایش های گلوله روی دیسک در برابر آلومینا دمای اتاق،˚C004 و ˚C006.    ا        72

 383 پروفیل های سه بعدی مسیرهای سایش پوشش های( TiN (a و( VN (b بعد از   آزمایش های گلوله روی دیسک در برابر آلومینا در ˚C006.ا                   73

393 الگوهای XRD پوشش های( TiN (a و( VN (b بعد از آزمایش اصطکاکی دمای بالا در     حدود ˚C007.ا          75

304 طیف های رامان پوشش های( TiN (a و( VN (b بعد از آزمایش اصطکاکی دمای بالاS: سطح و WT: مسیرسایش .                77

 

 



مقطع کارشناسی ارشد

بلافاصاله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

 

فایل pdf همراه با فایل word

قیمت35000تومان