مقدمه

امروزه با توسعه صنعت در زمینه هاي گوناگون، تحقیقات در علم مهندسی مواد ابعاد وسیعتري یافته است .اخیراً تولید پوشش هاي مختلف به منظور بدست آوردن خواص گوناگون نظیر پایداري شیمیایی، مقاومت به خوردگی، مقاومت سایشی و… شدت بیشتري به خود گرفته است. یکی از چالشهاي رایج سیستم هاي تریبولوژیکی صنعتی مدرن طراحی و تولید موادي است که داراي نرخ سایش کم و ضریب اصطکاك پایین در یک دامنه وسیع از محیط هاي کاري می باشد. کاربردهاي صنعتی با شرایط کاري که با زمان در حال تغییر هستند در ابتدا شامل صنایع هوا و فضا بوده اما علاوه بر این شامل صنایع دیگري مانند ابزار سازي، شکل دهیمواد، صنایع اتومبیل سازي، صنایع نظامی و صنایع نیروي هسته اي نیز هستند. استفاده از روانکارهاي جامدتنها جایگزین قابل قبول براي کاهش اصطکاك در بسیاري از محیط هاي کاري سخت است، به ویژه آنهایی که در برگیرنده دماهاي بالاي ˚C053 هستند که در آن میزان روانکارهاي مایع تحت این شرایط به سرعت کاهش می یابند. پر کاربردترین روانکارهاي جامد درصنعت گرافیت ، نیترید بور و 2MoS هستند. این مواد روانکارهاي مؤثري هستند زیرا ساختار لایه لایه اي دارند که به آسانی برش می خورند و منجر به کاهش ضریب اصطکاك می شوند. اشکال استفاده از روانکارهاي جامد به عنوان لایه هاي یکپارچه این است که آنها نرم هستند و درنتیجه مقاومت سایشی لازم را ندارند [7] . علاوه براین ، هیچ روانکار جامد تک فازي وجود ندارد که یک ضریب اصطکاك پایین را در یک دامنۀ وسیع از شرایط محیطی از خود نشان دهد. به عنوان مثال، گرافیت یک روانکار مناسب درهواي مربوط یا خشک است امادرخلا نتایج رضایت بخشی را ارائه نمیدهد. در مقابل ،MoSروانکار مورد انتخاب براي کاربردهایی است که نیازمند محیط هاي خشک یا خلأ است اما در هواي مرطوب بهشدت غیر قابل استفاده می شود. براي جبران نقاط ضعف روانکارهاي یکپارچه، مواد جدیدي طراحی شده اندکه فازهاي با سختی و استحکام زیاد را با ترکیبی از فازهاي روانکار جامد ترکیب می کند تا نرخ سایش وضریب اصطکاك را در دامنۀ وسیعی از شرایط کاري کاهش دهند [1]. هدف در این کار ، ارائه یک بررسی ازتحقیقات انجام شده برروي رفتار تریبولوژیکی پوشش ها در دماهاي 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 هاي گوناگون، تحقیقات در علم مهندسی مواد ابعاد وسیعتري یافته است .اخیراً تولید پوشش هاي مختلف به منظور بدست آوردن خواص گوناگون نظیر پایداري شیمیایی، مقاومت به خوردگی، مقاومت سایشی و… شدت بیشتري به خود گرفته است. یکی از چالشهاي رایج سیستم هاي تریبولوژیکی صنعتی مدرن طراحی و تولید موادي است که داراي نرخ سایش کم و ضریب اصطکاك پایین در یک دامنه وسیع از محیط هاي کاري می باشد. کاربردهاي صنعتی با شرایط کاري که با زمان در حال تغییر هستند در ابتدا شامل صنایع هوا و فضا بوده اما علاوه بر این شامل صنایع دیگري مانند ابزار سازي، شکل دهی مواد، صنایع اتومبیل سازي، صنایع نظامی و صنایع نیروي هسته اي نیز هستند. استفاده از روانکارهاي جامد تنها جایگزین قابل قبول براي کاهش اصطکاك در بسیاري از محیط هاي کاري سخت است، به ویژه آنهایی که در برگیرنده دماهاي بالاي ˚C053 هستند که در آن میزان روانکارهاي مایع تحت این شرایط به سرعت کاهش می یابند. پر کاربردترین روانکارهاي جامد درصنعت گرافیت ، نیترید بور و 2MoS هستند. این مواد روانکارهاي مؤثري هستند زیرا ساختار لایه لایه اي دارند که به آسانی برش می خورند و منجر به کاهش ضریب اصطکاك می شوند. اشکال استفاده از روانکارهاي جامد به عنوان لایه هاي یکپارچه این است که آنها نرم هستند و در نتیجه مقاومت سایشی لازم را ندارند [7] . علاوه براین ، هیچ روانکار جامد تک فازي وجود ندارد که یک ضریب اصطکاك پایین را در یک دامنۀ وسیع از شرایط محیطی از خود نشان دهد. به عنوان مثال، گرافیت یک روانکار مناسب درهواي مربوط یا خشک است امادرخلا نتایج رضایت بخشی را ارائه نمیدهد. در مقابل ،MoS روانکار مورد انتخاب براي کاربردهایی است که نیازمند محیط هاي خشک یا خلأ است اما در هواي مرطوب به شدت غیر قابل استفاده می شود. براي جبران نقاط ضعف روانکارهاي یکپارچه، مواد جدیدي طراحی شده اند که فازهاي با سختی و استحکام زیاد را با ترکیبی از فازهاي روانکار جامد ترکیب می کند تا نرخ سایش و ضریب اصطکاك را در دامنۀ وسیعی از شرایط کاري کاهش دهند [1]. هدف در این کار ، ارائه یک بررسی از تحقیقات انجام شده برروي رفتار تریبولوژیکی پوشش ها در دماهاي بالا می باشد .

1

  • فصل دوم : مطالعات تئوري

تمامی سطوح زبر بوده و به واسطه پستی ها و بلندي ها مشخص می شوند. زبري را می توان نامنظمی هاي بافت سطح تعریف کرد که عمدتًاً ناشی از عملکرد نامنظم برخی از فرآیندهاي تولید همچون سایش و براده برداري می باشد. دامنه بین پیک ودره چنین ناهمواري هایی به عملیات براده برداري و تمام کاري بستگی دارد که به طور تصادفی توزیع شده است. مقطع زیر سطح را می توان با استفاده از میکروسکوپ نشان داد [1].
زبري سطح را به واسطه پارامترهاي آماري مشخص می سازیم. مشخصه هاي ارتفاع عموماً به وسیلۀ پارامترهایی همچون میانگین زبري (Ra)، عدد زبري (Rq)، میانگین حداکثر ارتفاع (Rtm)، ارتفاع 01 نقطه اي (Rz) و فاکتور هاي دیگر تعریف می شوند. در مهندسی یکی از معمول ترین پارامتر هایی که مورد استفاده قرار می گیرد زبري متوسط می باشد. مکانیزم تماس، به تماس بالاترین و پایین ترین نقاط سطوح مقابل هم مربوط میشود. هرچه این سطوح داراي پستی و بندي هاي بیشتري باشند تعداد تماس هاي آنان نیز بیشتر بوده و انرژي بیشتري به منظور عبور از این ناهمگنی ها لازم است، که این امر موجب ایجاد اصطکاك بیشتري می شود. با این وجود ، در کاربردهاي مهندسی زبري 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 فشارهاي کم تأیید می شود در حالی که مقادیر Rq، امکان بارهاي بیشتري را فراهم می نماید [1]. درصورتی که سطوح به مقدار زیادي زبر باشند امکان سایش زیاد وجود خواهد داشت و در صورتی که سطوح خیلی صاف باشند، حتی در فشار بارهاي کم نیز سطح بلافاصله خراب می شود [1].
2-1-2- تأثیر سختی سطح بر اصطکاك لغزشی
همانطور که در بالا عنوان شد تماس واقعی بین سطوح به زبري سطح و سختی بستگی دارد که به تغییرات در اصطکاك مربوط می شود. سختی این مواد در طی لغزش به طور مستقیم بر روي سایش خراشان تأثیر گذار است. پس از سایش اولیه ، سایش خراشان منجر به تولید ذرات سخت تر و درشت تري 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 کمتري 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 موادي استفاده کرد که داراي حداقل یا حداکثر سایش خراشان باشند [1].

    • تأثیرات کیفیت سطح بر تریبولوژي     2
      • توپوگرافی سطحی                 3
      • تاثیر سختی سطح بر اصطکاك لغزشی 3
      • تاثیر جفت هاي مواد مختلف بر اصطکاك لغزشی         4
      • تاثیر دما برروي اصطکاك لغزشی   4
    • عملیات سطحی و تاثیر آن بر رفتار تریبولوژیکی                     5

                        221 نیتریدینگ گازي                                                                         6

                        222 نیتریدینگ پلاسما                                                                       7

                        322کربونیتریدینگ                                                                            8

                        224فرآیندهاي CVD و PVD            ا                                                    8

                        225 فرآیند پوشش الکترولس                                                                9

2

فصل سوم: پوشش هاي مقاوم به سایش و رفتار تریبولوژیکی آنها در دماي بالا

براي بهبود خواص تریبولوژیکی رینگ هاي پیستون در دماي بالا مواد خودروانکار جامد گوناگونی روي پوشش رینگ هاي پیستون قرار داده شدند. بیجرك دریافت که ضریب اصطکاك در ناحیه سایش حاوي تمرکز یا غلظت بالاي اکسیژن پایین تر است، و معتقد شد که اکسیداسیون سطح فولاد به اصطکاك کمتر و سایش خفیف منجر می شود [2]. لودما نیز در مورد خودروانکاري اکسید بدین باور رسید که به علت داکتیل و نرم بودن، اکسیدها می توانند خود را با زیرلایه هاي تغییر شکل پلاستیکی یافته تطبیق دهند. با توجه به خاصیت خودروانکاري اکسید آهن در دماي بالا ایده اي جدید مبنی بر قراردادن مستقیم اکسید آهن 4Fe3O در پوشش هاي پیستون سنتی شکل گرفت تا رفتارهاي سایشی پوشش ها در دماي بالا بهبود پیدا کنند [3].
3-1-1- ضرایب اصطکاك و نرخ هاي سایش
ضرایب اصطکاك زوج هاي سایشی در دماهاي متفاوت در جدول1 آورده شده است. این نشان می دهد براي زوج سایشی 9988-CrN، ضریب اصطکاك با افزایش دما از ˚C52 به ˚C006 تقریبا بدون تغییر بود و در دماي بالاتر به آرامی شروع به کاهش نمود. نتایج مشابهی با زوج سایشی 9989-CrN بدست آمد. ابتدا ضریب اصطکاك تنها کمی با افزایش دما در محدوده دمایی پایین کاهش یافت، سپس به طور مشهود در دماي بالاتر کم شد و نهایتا در ˚C008 برابر 54/0- 53/0 بود. در مقایسه با زوج سایشی9988-CrN، ضریب اصطکاك زوج
9989-CrN کوچکتر بود [2].
ریزساختار هاي سطح سایش یافته زوج9988-CrN در شکل1 نشان داده می شوند. در سطح سایش یافته نمونه هاي 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 براي منطقه هاي 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 داراي مقدار بالاتر CoCrMo و میزان پایینتري 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 زیادي فازهاي انسدادي سفید در ریز ساختار توزیع شده اند. نتایج تحلیل EDS (شکل 4) نشان داد که ترکیب منطقه B داراي مقدار زیادي Mo و O بود با مقدار کمتري از Fe در مقایسه با منطقه A . بنابر این نتیجه گرفته شد که فازهاي جرمی سفید B احتمالاً مرکب از Mo و اکسیداسیون آن است [2].

1131 رفتار تریبولوژیکی پوشش هاي کامپوزیتی فلز-سرامیک در دماي بالا     11

                       311 ضرایب اصطکاك و نرخ هاي 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 هاي پایه Ni-Crدر دماهاي بالا                                  16

                       321 خواص مکانیکی و تریبولوژیکی آلیاژها                                                 16

                        322 مکانیزم سایش                                                                           17

                  33 رفتار تریبولوژیکی پوشش هاي پایه نیتریدي در دماي بالا                                 20

                        331 پوشش هاي نانوکامپوزیت سازگار                                                      22

                       332 پوشش هاي بافته شده نانو و میکرو                                                   26

                        333 سازگاري با چرخه گرمایی                                                             30

                       334 سازگاري با استفاده از مواد بر پایه نانوتیوب                                          31

                       335 مشاهده پدیده روانکار جامد با روش هاي درجا                                       32

                 34 پوشش TiN فولادهاي ابزار                                                                    33

                       341 فرآیندهاي پوشش TiN                                    ا                              34

                       342 ریزساختار و خواص مکانیکی پوشش هاي TiN           ا                            37

                       343 پیشرفت هاي جدید در پوشش TiN           ا                                        40

                   35 رفتار تریبولوژیکی پوشش هايTiN در دماي حدود ˚C005           ا                     43

                       351 اصطکاك و سایش در برابر گلوله هاي فولادي 100Cr6 در دماي اتاق              44

                       352 اصطکاك و سایش در برابر گلوله هاي 3Al2O در حدود دماي ˚C005    ا          48

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

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

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

                37 اثر مس روي رفتار سایشی پوشش هاي CrN در دماهاي مختلف                          58

                       371 رفتار سایشی پوشش ها                                                                 60

                        372 بررسی هاي رامان                                                                      62

                38 رفتار تریبولوژیکی پوشش هاي CrN در دماهاي حدود ˚C005                     ا        64

                       381سایش و اصطکاك در برابر گلوله 100Cr6                 ا                             67

                       382سایش و اصطکاك در برابر گلوله 4Si3N               ا                                76

                       383سایش و اصطکاك در برابر گلوله 3Al2O         ا                                      69

                 39مقایسه رفتار تریبولوژیکی پوشش هاي TiN و VN در دماهاي متفاوت                     70

                       391 رفتار تریبولوژیکی پوشش ها                                                            70

                        392 بررسی هاي سطحی                                                                    74

                 301 رفتار تریبولوژیکی لایه هاي سخت در دماهاي بالا                                         77

                     3011 مقاومت سایشی سیستم زیرلایه -لایه نازك در دماي اتاق                          77

       3012 مقاومت سایشی سیستم زیرلایه-لایه نازك در دماهاي مختلف                    79

مقایسه کلی و جمع بندي                                                                               82

            مراجع                                                                                                       84

فهرست جدول ها

        31 ارتباط بین ضریب اصطکاك و دماي آزمایش                                                       11

         32نرخ سایش زوج هاي سایشی                                                                        12

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

        34 ضریب اصطکاك و نرخ سایش دو نمونه در دماي اتاق ،˚C002 و ˚C006            ا            17

         35 نامگذاري زیرلایه هاي 2MoS و Ag، ترکیبات و ضریب اصطکاك 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 براي پوششهاي TiN

ا          44

        38 پارامترهاي به کاربرده شده براي رسوب پوشش هاي 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 ریزساختارهاي 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 هاي سازگار( ،a) نانوکامپوزیت( ،b)بافته   شده( ،c) برپایه نانوتیوب .                 22

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

301تغییر ضریب اصطکاك در آزمایشهاي لغزش پوشش TiCN بافته شده لیزري با لایه  3Sb2O/گرافیت/2MoS در برابر گلوله فولادي .          28

311ضریب اصطکاك پوشش هاي TiAlN+Mo/ MoS2/Ag که طی آزمایش هاي لغزش در دماي بالا در برابر 4Si3Nثبت شدند.         29

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

331 اساس سیستم تبخیر چندقوسی براي پوشش TiN.                           ا                     35

341 اساس روش کاتدپرانی واکنشی براي پوشش TiN.                        ا                            36

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

361 تغییر Lc با براي پوشش هاي 2µmTiN رسوب کرده روي فولادابزار M2در  محدوده اي از ولتاژهاي بایاس .

              39

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

381 تصویر سه بعدي نوري مسیر سایش1TiN بعداز آزمایش گلوله روي دیسک در برابر  100Cr6 در دماي اتاق.           46

391تصویر SEM مسیر سایش1TiNبعداز آزمایش گلوله روي دیسک در برابر 100Cr6 دردماي اتاق .             47

302 وابستگی سایش گلوله بر مسافت مرحله آب بندي در طی آزمایش گلوله روي دیسک   گلوله در 100Cr6 در برابر پوشش1TiN در دماي اتاق .          48

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

322 تصویر سه بعدي نوري مسیر سایش TiN2بعداز آزمایش گلوله روي دیسک در برابر   3Al2O در دماي اتاق .            50

332 وابستگی ضرایب اصطکاك حالت پایدار و ضرایب سایشی بر دماي آزمایش در طی  آزمایش گلوله روي دیسک پوششTiN2 در برابرگلوله 3Al2O.ا              51

342 تصویر سه بعدي نوري مسیر سایش TiN2بعداز آزمایش گلوله روي دیسک در برابر3Al2Oدر دماي اتاق.              51

352نمودارهاي اصطکاك( 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 اصطکاك با دما براي گلوله سرامیکی( TiN(b) ,TiCN(aو(CrN(c.       ا           56

 392 رفتار پوشش هاي CrN و CrN-Cuبر حسب ضریب اصطکاك، تعداد سیکل ودماهاي   .50˚C (b )وRT (a)

          61

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

313 جزئیات الگوهاي XRD پوشش CrN در دماهاي مختلف.الگوي کامل ثبت شده براي˚C004 (بالا سمت چپ).           65

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

333نمودارهاي اصطکاكCrN حاصل از لغزش در برابر 4Si3N در دماي اتاق،˚C 002 و   .400˚Cا            68

343 نمودارهاي اصطکاك CrNحاصل از لغزش در برابر 3Al2O در دماي اتاق،˚C 002 و.400˚Cا             69

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

363 ضریب اصطکاك وابسته به دما براي پوشش هاي VN و TiN.               ا                      71

373 پروفیل هاي دوبعدي مسیرهاي سایش پوشش هاي( TiN (a و( VN (b بعد از   آزمایش هاي گلوله روي دیسک در برابر آلومینا دماي اتاق،˚C004 و ˚C006.    ا        72

 383 پروفیل هاي سه بعدي مسیرهاي سایش پوشش هاي( TiN (a و( VN (b بعد از   آزمایش هاي گلوله روي دیسک در برابر آلومینا در ˚C006.ا                   73

393 الگوهاي XRD پوشش هاي( TiN (a و( VN (b بعد از آزمایش اصطکاکی دماي بالا در     حدود ˚C007.ا          75

304 طیف هاي رامان پوشش هاي( TiN (a و( VN (b بعد از آزمایش اصطکاکی دماي 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