مجموعه سوپاپ، رینگ پیستون، دریچه‌ها و غیره در موتور خودروها به‌دلیل سایش، خوردگی و زبری سطح بالا ازجمله چالش‌های مطرح در این حوزه هستند که بیشترین توجه را برای بهبود ویژگی‌های سطحی به خود جلب کرده است. از اینرو برای حل این چالش‌ها، طراحان با استفاده از «مهندسی سطح» و اعمال فرآیندهای پوششدهی مانند نیتروژن‌دهی، پلاسما اسپری، آبکاری کروم سخت و فرآیندهای PVD و PACVD توانسته‌اند، درصد تخریب قطعه را کاهش داده و کیفیت سطحی آنها را کاهش دهند. در «مهندسی سطح» با اعمال فرآیندهایی و با ایجاد روکشی از موادی بسیار سخت بر تجهیزات (بسته به روش مورد استفاده با ضخامت قابل کنترل بین ۱ تا ۱۰۰ میکرومتر)، امکان افزایش سختی و مقاومت قطعات در برابر سایش و خوردگی وجود خواهد داشت. به‌دلیل حساسیت تجهیزات این صنعت و لزوم افزایش کارآیی قطعات در ۳۰ سال گذشته، فناوری نانوپوشش به کمک حل این موضوع آمده است. فناوری نانوپوشش به‌دلیل ماهیت نانویی بودن پوشش‌ها، ویژگی‌های متفاوت و منحصربه‌فردی به قطعه می‌بخشد. افزایش فوق‌العاده سختی تا محدوده ۵۰ گیگاپاسکال، ضریب سایش 0/5، کاهش زبری سطح، بهبود مقاومت به سایش و خوردگی از جمله این ویژگی‌ها هستند تا درنهایت یک ساختار سطحی هموار بر روی قطعه ایجاد شود تا موجب بالا رفتن عمرکاری، بازدهی و توان بالاتر در آنها شود
نانوپوشش‌های سخت و مقاوم
نانوپوشش‌ها به دسته‌ای از روکش‌ها اطلاق می‌شود که دارای ۲ ویژگی زیر باشد:
• در یکی از اجزای آن (ساختار یا اجزای سازنده) دارای ابعاد بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد.
• نسبت به حالت متداول دارای ویژگی‌های ویژه و منحصربه‌فردی باشد. مانند ویژگی‌های مطلوب مقاوم به سایش، فرسایش و خوردگی.
دسته‌بنـدی پوشش‌های مرسـوم
فناوری
نانوپوشش به دلیل نیازهای صنعتی دستخوش تغییرات شده، به‌طوری که تاکنون
پوشش‌های نسل‌های مختلف توسعه یافته‌اند. در زیر به این پوشش‌ها اشاره شده
است.
• نسل اول: پوشش دوجزیی TiN، TiC، CrN و ZrN
• نسل دوم: پوشش‌های ۳ جزیی مانند پوشش‌های TiCN، TiAlN، TiSiN و AlCrN
• نسل سوم: پوشش‌های چندلایه و ابرشبکه‌ای مانند پوشش‌های TiN/VN و TiN/TiAlN
• نسل چهارم: پوشش‌های نانوکامپوزیتی مانند پوشش TiAlSiN
• نسل پنجم: پوشش‌های DLC با ضریب سایش در حدود ۰/۰۵
• نسل ششم: پوشش‌های هیبریدی، ترکیبی از دو نسل مختلف (Triple & Quad coat).
در
دهه‌های گذشته صنعت خودروسازی به‌طور قابل توجهی در بعد منطقه‌ای و جهانی
در حال رشد است. از اینرو تولید خودروی با کیفیت برای هر نشان تجاری حائز
اهمیت است تا بتواند در بازار جهانی با همتایان خود رقابت کند. نکته قابل
توجه برای کاربرد فناوری نانو در صنعت خودرو، سهم بیش از ۴۰درصدی برای
نانوپوشش‌ها می‌باشد. نانو پوشش‌ها ازجمله مواردی هستند که در اهداف و
برنامه‌ریزی‌های کلان خودروسازان در جهان بر روی آنها تمرکز شده است.
کاربردهای تجاری شده نانوپوشش‌ها در صنعت خودرو
امروز با توجه به
پیشرفت چشمگیر فناوری نانوپوشش‌ها در کشور امید است تا بتوان با بهره‌گیری
از این فناوری مشکلات موجود در روبه‌رویی با پدیده‌های مخرب خوردگی، سایش،
فرسایش و همچنین چالش‌های فنی موجود در صنایع خودرو را تا حد زیادی برطرف
کرد.بدون شک در حوزه فناوری نانوپوشش‌ها، صنعت خودرو جزو مهم‌ترین و
تاثیرگذارترین بخش‌هاست. استفاده از فناوری نانوپوشش‌ها به‌عنوان یک فناوری
جدید برای بهبود کیفیت و افزایش عمرکاری محصولات، باعث کاهش هزینه‌ها،
افزایش رقابت‌پذیری و همچنین افزایش درآمد این صنایع خواهد شد. علت اصلی به
کارگیری نانوپوشش‌های سخت و مقاوم، سود اقتصادی بالا، افزایش عمرکاری و
زیست‌سازگاری است. نانوپوشش‌ها دارای ویژگی‌هایی همچون نبود چسبندگی و ضریب
سایش پایین هستند و از اینرو برای پوششدهی قالب‌های تزریق پلاستیک و
قالب‌های استمپ فلزات در تولید اجزای تزئینی داخلی و خارجی خودروها بسیار
مناسب می‌باشند. همچنین ابزارهای برشی روکش‌کاری شده با انواع نانوپوشش‌های
سخت و مقاوم، افزایش عمری بین ۳ تا ۶ برابر را از خود نشان میدهند. از
موارد مهم مدنظر خودروسازان، عملکرد موتور، طراحی ظاهری، کاهش مصرف سوخت،
زیست سازگاری و بهینه‌سازی اقتصادی خودروهاست. مهندسی سطح برای افزایش
کارآیی موارد فوق به کار گرفته می‌شود. اجزای نیرومحرکه خودرو شرکت
اورلیکون بالرز به‌عنوان یک شرکت شناخته شده در حوزه پوششدهی، انواع
پوشش‌ها نانوساختار را برای کاربردهای مختلف توسعه داده است. این شرکت برای
کاهش مصرف سوخت، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و افزایش توان موتور اقدام
به استفاده از فناوری‌های جدید مانند نانوپوشش در خودروها کرده است. این
شرکت با تمرکز بر پوششدهی قطعات داخلی در حال سایش، پیستون‌ها، میله‌های
متصل‌کننده، میل‌لنگ، مجموعه سوپاپ، پمپ روغن و دیگر اجزا باعث بهبود در
عملکرد موتورهای تولیدی خود می‌شود. برای مثال پوشش DLC به شکل گسترده در
میل بادامک‌ها و تایپیت‌ها مورد بهره‌برداری قرار گرفته است. یکی از قطعات
زیرسایش در موتور، رینگ‌های پیستون‌ها می‌باشند و از اینرو پوشش‌های مقاوم
به سایش متنوعی برای بهبود عملکرد آنها استفاده می‌شود. پوشش‌های آبکاری،
پوشش‌های PVD و فرآیند نیتروژن‌دهی برای لایه‌نشانی رینگ‌های فولادی پیستون
برای بهبود مقاومت به سایش آنها مورد استفاده قرار می‌گیرند. پوشش DLC در
میان پوشش‌ها بهترین عملکرد را از خود نشان می‌دهد و در مقایسه با پوشش‌های
دیگر برای لایه‌نشانی قطر خارجی رینگ‌ها مناسب می‌باشد. نتایج مطالعات
انجام گرفته شده نشان داده که پوشش‌های نانوساختار PVD-CrN و PVD-WC/C
مقاومت به سایش بالاتری از رینگ‌های نیتروژن‌دهی شده و آبکاری شده دارند.
با استفاده از نانوپوشش‌های CrN و WC/C در مقایسه با آبکاری کروم و
نیتروژن‌دهی میزان توان مصرفی ۲۰-۹درصد کاهش می‌یابد.
بهبود ویژگی‌های سطحی دیفرانسیل، چرخ دنده و گیربکس با نانو پوشش ها
عملکرد
دیفرانسیل‌ها در خودروهای سواری در اثر سایش به‌ویژه در هنگام شروع حرکت
دچار اختلال می‌شود. گیربکس محور عقب کامیون‌ها از نوع گیربکس مخروطی
مارپیچی از سوی کارشناسان اورلیکون بالزر به روش PVD با نانوپوشش WC/C
لایه‌نشانی می‌شوند که بسته به دمای محیط کاری (دمای روغن) باعث کاهش kW
۱/۵-۱ در توان مصرفی می‌شود. روغنکاری همیشه برای محافظت از چرخدنده مارپیچ
که زیرتنش شدید، سایش بالا می‌باشد کافی نیست.کاهش توان مصرفی با
لایه‌نشانی گیربکس محور عقب با استفاده از نانوپوشش.
حرکت‌های برشی و
نیروی بین چرخدنده و حلزونی برای روغنکاری بسیار دشوار است، به همین دلیل
این گیربکس‌ها برای جلوگیری از خراشیده شدن، از جنس برنج ساخته می‌شوند.
پوشش‌های کربنی می‌تواند عمرکاری، دوام و عملکرد چرخدنده‌های حلزونی را
بهبود دهند. برای مثال لایه‌نشانی حلزونی‌های فولادی با پوشش BALIITI C
باعث کاهش میزان سایش در حلزونی و چرخدنده برنجی می‌شود.
۱. افزایش مقاومت به سایش بلبرینگ‌های مورد استفاده در خودرو
بلبرینگ‌های
غلتکی استوانه‌ای از دیگر قطعات زیرسایش در خودرو می‌باشند که با استفاده
از نانوپوشش‌های WC/C ویژگی‌های تریبولوژیکی آنها افزایش پیدا می‌کند.
همانگونه که ملاحظه می‌شود عمرکاری بلبرینگ با پوشش DLC، به بیش از ۱۵۰
برابر افزایش می‌یابد.
۲. پوششدهی اجزای جعبه دنده خودرو
پوشش پاشش
حرارتی را به عنوان یک روش استاندارد برای پوششدهی رینگ‌های همزمانگر،
دیسک‌های کلاج و دوشاخه گیربکس پیشنهاد می‌کنند. به‌دلیل سرعت، راحتی در
عوض کردن دنده و غیره در حدود ۵۰درصد خودروهای جهان دارای جعبه‌دنده دستی
می‌باشند. به روش PVD می‌توان پوشش‌های کربن سخت را برای حلقه‌های همزمانگر
استفاده کرد که باعث افزایش عملکرد و عمرکاری آنها می‌شود.
۳. پوششدهی قطعات زیرسایش شدید
پوشش‌های
DLC و پوشش‌های فلزات نیتریدی برای لایه‌نشانی اجزای موتور که زیربار شدید
هستند مانند بادامک، انگشتی، دریچه‌ها و میله‌های متصل کننده، مورد
استفاده قرار می‌گیرند. دریچه‌های زیربار (مانند دریچه‌های اگزوز) در این
ماشین‌ها، به دلیل لرزش، نیاز به پوشش‌های با چقرمگی بالا دارند (مانند
پوشش CrN). اجزای تیتانیومی خودرو در فرآیندهای ویژه با اکسیداسیون قرار
می‌گیرند و برای جلوگیری از این موضوع یک لایه ۲TiO با ضخامت µm ۱۵-۱۰ بر
روی این قطعات ایجاد می‌کنند.
کاربردهای تجاری شده نانوپوشش‌های تزئینی در صنعت خودرو
شرکت
سیلکوس (Silcos) با بهره‌گیری از روش PVD اقدام به ایجاد پوشش‌های تزئینی
بر روی اجزای خودرو می‌کند. این شرکت استانداردهایی ازجمله پولیش‌کاری سطحی
عالی، هم رنگ بودن پوشش با رنگ‌های اطراف قطعه، امکان پوششدهی قطعه در
دمای ۴۰- تا ۸۵+ درجه سانتیگراد و همچنین پایداری ابعادی مناسب را برای
حصول به یک پوشش تزئینی مناسب تعیین کرده است. همچنین شرکت آیون باند،
نانوپوشش تزئینی ویژه را برای خودروها و هواپیماها پیشنهاد می‌کند.
این
پوشش به سبب رنگ‌ها و طرح‌های مختلفی که دارد، کاربردهای مختلف یافته است.
از نانوپوشش‌هایی مانند TiN، DLC، AlTiN و سایر پوشش‌ها با توجه به رنگ
مورد نظر می‌توان در طراحی داخلی خودروها استفاده کرد.
نویسنده: محسن معصومی
منبع: هفته نامه صمت (صنعت، معدن و تجارت) www.smtnews.ir
