پوشش های جدید روان کننده جامد
- مقدمه
از اوایل سال 1980، امکان قرار دادن گستره وسیعی از پوشش های سخت مقاوم در برابر فرسایش بر روی بسترهای[1] فولاد با تکنیک های مختلف PVD فراهم شده است. این پوشش ها عمدتاً نیترید[2]، کرباید[3] و کربونیتریدهای[4] فلزات انتقالی[5] هستند و شامل TiN، TiCN، TiA1N و CrN می شوند. موفقیت اینها ثابت شده است و به طور گسترده ای برای بهبود کارایی ابزارهای برش و شکل دهی استفاده شده اند. اکنون، درصد بالایی از تمامی ابزارهای برش به طور معمول پوشش دهی شده اند و میزان موفقیت را می توان با این واقعیت سنجید که اینک ابزارهای پوشش دهی شده برای ماشین کاری[6] با سرعت بالای فولادهای دای[7] خیلی سخت بدون هیچ گونه روان کننده یا خنک کننده ای مورد استفاده قرار می گیرند. اینها در ایجاد محافظت برای اجزای کلی فرسایشی مانند چرخ دنده ها و قطعات موتور کمتر موفق هستند.
اگرچه این پوشش ها سخت هستند و می توانند از شروع جوش[8] و جوشکاری سرد[9] جلوگیری کنند، اما روان کننده های جامد نیستند. آنها اصطکاک کمی ندارند و هیچ گونه محافظتی برای سطح مخالف[10] ایجاد نمی کنند. در واقع، این پوشش ها بسیار سخت هستند و اگر سطح پوشش دهی شده یا پوشش، زبر باشد آنها می توانند باعث ساییدگی[11] و تسریع فرسایش سطح مخالف شوند. اگر پوشش توسط چسبندگی شکست بخورد، سپس منبعی از ذرات ساینده درون مکانیزم می گردد.
تاکنون، هیچ پوشش روان کننده جامدی که برای بهبود کارایی تریبولوژیکی محدوده وسیعی از کاربردها مناسب باشد، وجود نداشته است.
پوشش های MoS2 با تعدادی از روش ها مانند سوزاندن و اتصال رزین[12] اعمال شده اند، اما این روش ها به خاطر خواص چسبندگی و فرسایشی ضعیف، کاربرد را محدود می سازند. MoS2 همچنین با اسپاتر[13] RF قرار داده شده تا روان کنندگی موفقیت آمیزی برای یاتاقان های فاصله[14] ایجاد شود، اما این پوشش ها نرم هستند و چسبندگی ضعیفی دارند و البته به طور کلی برای استفاده در محیط های[15] خاکی و مرطوب نامناسب هستند.
پوشش های فلزی نرم به عنوان روان کننده های جامد برای فاصله و کاربردهای خاص دیگر استفاده شده اند اما این ها مجدداً خواص فرسایشی ضعیفی دارند و نمی توانند برای محافظت فرسایشی کلی در نظر گرفته شوند.
پوشش های کربن شبه-الماس[16] (DLC) سخت هستند و اصطکاک کمتری از پوشش های سخت نیتریدی دارند و استفاده از آنها برای حفاظت از برخی اجزای مکانیکی که به نسبت سبک بارگذاری شده اند، آغاز شده است، اما کاربرد آنها با توجه به مدت زمانی که از گزارش اولین پوشش DLC می گذرد و همچنین میزان تلاشی که برای توسعه آنها صرف شده است، کاملاً کم است.
واژه ی DLC گستره وسیعی از پوشش های کربنی مختلف را پوشش می دهد. پوشش های DLC حقیقی[17] بسیار سخت هستند و تنش های درونی بالایی دارند، تمایل به شکنندگی دارند و چسبندگی ضعیفی دارند و برای کاربردهای با بارگذاری بالا مناسب هستند. برای کاهش تنش های درونی، فلزات متفاوتی اضافه شده اند. پوشش های Me: C کمتر شکننده اند و همچنین بسیار نرم ترند. آنها می توانند با چسبندگی عالی نشانده شوند و می توانند در بارگذاری های نسبتاً بالا استفاده شوند. ضریب اصطکاک پایین و معمولاً 0.15 است و خواص فرسایشی خوب هستند. در هر حال، این پوشش ها روان کننده های جامد حقیقی نیستند از آن جهت که یک فیلم انتقالی[18] کارآمد را روی سطح مخالف ایجاد نمی کنند.
برای ایجاد حفاظت فرسایشی بهینه برای مکانیزم های سایشی[19]، استفاده از یک پوشش روان کننده جامد حقیقی با اصطکاک پایین و توانایی حفاظت از سطح مخالف و ایجاد یک فیلم انتقالی با اصطکاک پایین روی سطح مخالف، ضروری است.
دی سولفید مولیبدن و گرافیت، مواد مشبک با لایه های شش ضلعی[20]، این ویژگی ها را دارند اما هر دو نرم هستند. همانطور که در بالا بیان شد، پوشش های MoS2 اسپاتر شده با RF طی سالیان بسیاری برای پوشش دهی یاتاقان ها برای کاربردهای هوافضا استفاده شده اند اما آنها برای بیشتر کاربردهای زمینی مناسب نیستند چنانچه خواص تریبولوژیکی ضعیفی در جوهای مرطوب دارند. چون چسبندگی ضعیف و فیلم ها نرم هستند و مقاومت فرسایشی پایینی نتیجه می شود، آنها برای کاربردهای با بارگذاری بالا مناسب نیستند.
اخیراً، دو پوشش جدید ایجاد شده که یکی روی دی سولفید مولیبدن و دیگری بر پایه کربن (گرافیت) است. ثابت شده است که ممکن است بتوان این پوشش ها را با حفظ ویژگی های اصطکاکی بسیار پایین اما همچنین ترکیب آنها با سختی بالا نشاند. پوشش ها چسبندگی بالایی دارند که به طور نرمال با دانسیته بالای جریان یونی سیستم آبکاری یون اسپاتر مگنترون همراه است. سختی بالا و اصطکاک پایین، سرعت های فرسایش بسیار پایین را به دست می دهد و خواص مکانیکی پوشش ها همراه با چسبندگی خوب منجر به ظرفیت تحمل بار بسیار بالا می شود. همچنین پوشش های بر پایه ی MoS2 خواص مطلوب خود را در جوهای مرطوب حفظ می کنند و این برای کاربردهای زمینی مناسب است. تصور می شود که این پوشش های جدید خواص ایده آلی برای محدوده وسیعی از کاربردها دارند. این مقاله ایجاد این پوشش ها را شرح می دهد، روش های قرارگیری آنها را بتفصیل بیان می کند و شامل شرح مختصری از ویژگی های پوشش ها با یکدیگر با بعضی از نتایج از یک برنامه جامع آزمون تریبولوژیکی می شود. مطالعات ساختاری گنجانده شده اند و رابطه بین ساختار پوشش و خواص مکانیکی و تریبولوژیکی مورد بحث قرار گرفته است. در نهایت تعداد از کاربردهای موجود به طور مختصر شرح داده شده اند و برخی نتایج اولیه همراه با تعدادی از کاربردهای جدید آورده شده است.
- ایجاد پوشش
هر دو پوشش در یک سیستم آبکاری یون[21] اسپاتر[22] مگنترون[23] UDP پوشش Teer نشانده شده بودند.
در ابتدا، MoS2 با اسپاترینگ DC از نشانگاه[24] MoS2 نشانده شده بود. این امر، پوششی را با ساختار چسبیده متراکم[25] ایجاد کرد، که کاملاً برخلاف پوشش ستونی[26] سست[27] معمول اسپاتر RF بود. آزمون های اولیه نشان داد که همچنین خواص تریبولوژیکی بسیار برتر از پوشش های RF بودند و این پوشش های دی سولفید مولیبدن اولیه برای بهبود کارایی ابزارهای برش استفاده شده اند.
دریافته شد که بخار آب باقی مانده در محفظه پوشش باعث کاهش خواص پوششی می شود. در ابتدا، یک هدف تیتانیوم استفاده شده بود تا در قالب گیرنده برای کاهش فشار بخار آب در محفظه عمل کند و سپس در قالب پیشرفت طبیعی، پوشش ها با یک میان لایه تیتانیوم برای بهبود چسبندگی قرار داده شدند و در تلاش برای بهبود خواص مکانیکی و تریبولوژیکی، مقدار کمی از تیتانیوم همراه با MoS2 نشانده شد.
فرآیند نهایی شامل سه نشانگاه دی سولفید مولیبدن و یک نشانگاه تیانیوم می شود. یک لایه چسبندگی[28] نازک از تیتانیوم در ابتدا نشانده شده و سپس زیرلایه ها چرخانده شده اند تا از جلوی هر کدام از نشانگاه ها عبور کنند تا پوششی شامل ترکیبی از MoS2 و تیتانیوم نشانده شود. پوشش در قالب MoSTTM ثبت شد و یک پتنت اعطا شد. نیروهای[29] روی نشانگاه های تیتانیوم و MoS2 انتخاب شده اند تا یک پوشش با مقدار تیتانیوم حدوداً 15% بدهند. مقدار فلز پوشش در تعیین خواص بسیار حساس است. ضخامت پوشش معمولاً 1 میکرومتر است. فرآیند و پوشش ها به طور کامل در جای دیگر شرح داده شده اند.
توسعه ی پوشش های بر پایه ی کربن، روشی مشابه با MoSTTM را دنبال می کند. در ابتدا، پوشش های کربن با اسپاترینگ DC نشانده شده بودند. دریافته شد که این پوشش ها خواص تریبولوژیکی خیلی خوبی دارند اما هم نشانی[30] Cr، سختی و ظرفیت تحمل بار را افزایش داد و این به عنوان روش استاندارد به تصویب رسید.
سه نشانگاه کربن و یک نشانگاه کروم استفاده شده بودند. یک لایه چسبنده کروم در ابتدا نشانده شده بود و سپس زیرلایه ها چرخیده شده بودند تا از جلوی هر یک از اهداف به ترتیب عبور کنند. قدرت انتخاب شده برای اهداف کربن و کروم طوری بود که پوششی با حدود 20% کروم بدهد. ضخامت پوشش معمولاً 2.5 میکرومتر بود. پوشش در قالب Graphit-iCTM ثبت شده است و برای یک پتنت اقدام شده است. جزئیات فرآیند و خواص پوشش از قبل منتشر شده اند.
- ساختارها وخواص پوشش
MoST سختی بین 1000 تا 2000 VHN را بسته به مقدار تیتانیوم داراست. در ابتدا، تصور می شد که روش نشاندن باعث تشکیل ساختار چندلایه یا ابرشبکه[31] می شود و این علت سختی بالاست. در هرحال، اکنون نشان داده شده است که هیچ ساختار چندلایه ای وجود ندارد. در طول نشاندن پوشش نمایش داده شده در شکل 1a، نشانگاه اسپاتر تیانیوم در پایان دنباله خاموش شده بود، بنابراین لایه های نهایی شامل MoS2 خالص بودند. ورق های MoS2 (002) را می توان به وضوح در سطح پوشش مشاهده کرد اما جایی که هم نشانی اتفاق می افتد هیچ ساختار بلوری ای را نمی توان شناسایی کرد. همچنین، امکان شناسایی هیچ تیتانیوم عنصری ای در پوشش حتی در قالب لایه ها یا ذرات منفرد وجود ندارد. تمامی شواهد نشان می دهد که تیتانیوم در محلول درون شبکه دی سولفید مولیبدن موجود است و فرض شده است که کرنش ایجاد شده در شبکه عامل سختی بالا می باشد.
ساختار بی نظم است یا شامل بلورهای[32] خیلی کوچک می شود. چسبندگی استثنایی است و ایجاد هر گونه شکست در آزمون چسبندگی خراش استاندارد[33] تا بارگذاری 140 نیوتون غیر ممکن است. این شکل عالی حتما تحت تأثیر کاهش تنش برشی در طول تست خراش به علت اصطکاک پایین قرار گرفته است.
آزمون های جوی نشان می دهند که ضریب اصطکاک به بارگذاری بستگی دارد اما معمولاً در بالاترین بارگذاری استفاده شده 0.02 است (فشار تماسی حدود 3.5 گیگاپاسکال است). حداکثر ضریب اصطکاک در پایین ترین بارگذاری ثبت شده و حدود 0.08 است. اصطکاک همچنین به رطوبت بستگی دارد اما هنوز در رطوبت بالا، پایین است. ضریب فرسایش حدود 10-17m3/Nm است و مجدداً این سرعت فرسایش که بطور قابل توجه پایین است در رطوبت بالا بدست آمده است (زیر را برای شرایط آزمون معمولی بنگرید).
Graphit-iC سختی حدود 1500 VHN دارد. همانند MoST، در ابتدا تصور می شد که پوشش چندلایه است اما بعداً دریافته شده که میکروگراف های الکترونی انتقالی[34] که چندلایه ها را نشان می دهند (شکل 1ب) از بخش پوشش نزدیک به زیرلایه و در جایی که ترکیب کرومیوم از میان لایه ی Cr خالص کاهش می یافت اما هنوز بالا بود، بدست آمده بود. اخیراً دریافته شده که در بخش پوشش با 20% Cr یا کمتر، هیچ چندلایه یا خوشه ای[35] از Cr وجود ندارد. اگر کرومیوم شامل نشود، پوشش ها سخت ترند اما شکننده تر هستند و ظرفیت تحمل بار کمتری دارند.
پوشش ها هادی الکتریکی هستند و ساختار بی نظم است یا شامل بلورهای بسیار کوچک می شود. مقدار قابل توجهی از الماس در پوشش شناسایی نشده و تمامی شواهد نشان می دهد که اتصال تقریباً بطور کامل sp2 است. خواص تریبولوژیکی مشابه با گرافیت هستند و تصور می شود که ساختار گرافیتی است و سختی بالا ممکن است به علت بعضی اتصالات عرضی بین صفحات گرافیت باشد.
ضریب اصطکاک به بارگذاری بستگی دارد و پایین ترین ضریب اصطکاک، معمولاً 0.07، در بالاترین بارگذاری (فشار تماسی حدود 3.5 گیگاپاسکال) ایجاد می شود. ضریب فرسایشی برای مالش خشک[36] حدود 10-17m3/Nm است.
در زیر آب ضریب اصطکاک حدود 0.04 است و فرسایش بسیار کم است چنانکه قابل اندازه گیری نیست (جزئیات بیشتر در زیر آورده شده است).
فرسایش تحت نیتروژن خشک ضعیف است و بنظر می رسد که مقدار کمی از بخار آب برای خواص فرسایشی خوب ضروری است که در بسیاری از تحقیقات گرافیت یافت می شود.
4. ساختار و مکانیسم ها
ابتدا با در نظر گرفتن پوشش دی سولفید مولیبدن نشانده شده با اسپاترینگ مگنترون[37] نامتعادل با استفاده از چینش میدان بسته[38]، این ساختار در تضاد با ساختارهای ستونی سست تولید شده با اسپاترینگ RF، متراکم و بهم پیوسته است. این ساختار متراکم به خاطر دانسیته بالای جریان یونی در ویژگی پایه زیرلایه پایین از روش اسپاترینگ میدان بسته است.
شرایط نشاندن مشابه، عامل ساختار منسجم متراکم پوشش Graphit-iC هستند.
تلاش های زیادی برای بهبود ویژگی های پوشش های دی سولفید مولیبدن با هم نشانی با فلزات صورت گرفته است. برای مثال مراجع 27 و 28 را بنگرید. این افزودن فلزات ویژگی های تریبولوژیکی پوشش را بهبود بخشیده اما نه در حدی که در اینجا گزارش شده است. دلیل اصلی برای این تفاوت ها به علت تفاوت ساختارهای پوشش هاست همانطور که با TEM نشان داده شد. روش های قبل همگی باعث ساختاری شامل ماتریس دی سولفید مولیبدن با جزایر کوچک[39] از اجزای فلزی یا چندلایه ها می شود. یک مطالعه دقیق TEM از ساختار MoST هیچ جزء فلزی ای را نشان نداده است و تصور می شود که تیتانیوم در محلول جامد درون MoS2 باشد. ممکن نیست که بتوان به طور مستقیم چینش دقیق را ثابت کرد اما تمامی شواهد نشان می دهد که همانطور که در شکل 7 نمایش داده شده، اتم های Ti بین صفحات S مجاور قرار گرفته اند. ممکن است که اعوجاج ناشی از اتم های Ti، عامل افزایش سختی و همچنین حضور اتم های Ti درون ساختار MoS2، عامل کاهش حسگری پوشش به بخار آب باشد.
زمانی که مقدار Ti در فیلم افزایش پیدا می کند سختی آن نیز به حداکثر مقدار حدود 2000 VHN در مقدار Ti حدود 18% می رسد. بالای این میزان، سطح حلالیت Ti بیش از حد است و چندلایه ها شکل گرفته اند. زمانیکه این اتفاق می افتد، خواص خوب تریبولوژیکی افت می کنند.
Graphit-iC هنوز به اندازه ی MoST تحلیل نشده است اما مشابه است و همانطور که در شکل 8 مشاهده می شود، هیچ ساختار بلوری و چندلایه های Cr یا رسوبی که قابل شناسایی باشد، ندارد.
Graphit-iC خالص نشانده شده بدون هیچ Crای سخت است. سطح سختی به پارامترهای نشاندن بستگی دارد و می تواند به اندازه ی 3500 VHN بالا باشد. یک تفاوت عمده بین Graphit-iC و MoST این است که زمانیکه فلز به Graphit-iC افزوده می شود، سختی کاهش می یابد همچنانکه افزایش فلز باعث افزایش سختی MoST می گردد.
زمانیکه مقدار Cr به بالای سطح بحرانی (که هنوز به درستی تعیین نشده است) می رسد، چندلایه ها تشکیل می شوند و خواص تریبولوژیکی ضعیف هستند.
دلیل سختی بسیار بالای پوشش خالص Graphit-iC هنوز درک نشده است. هیچ ساختار sp3 الماسی ای شناسایی نشده است و محتمل است که سختی مربوط به اتصالات عرضی بین صفحات شبه گرافیت[40] باشد. ممکن است که حضور Cr اتصالات عرضی را کاهش دهد.
گمانه زنی بر روی دلایل اصطکاک پایین این پوشش ها جالب است.
معمولاً فرض شده است که اصطکاک پایین MoS2 و گرافیت به علت اتصال ضعیف بین صفحات شبکه لایه ای باشد که استحکام برشی پایینی را نتیجه می دهد. در هرحال، هردوی MoST و Graphit-iC سختی بالایی دارند که با استحکام برشی پایین ناسازگار است. همچنین هر دو ماده بی نظم هستند و هیچ منطقه ای با صفحات مشبک بلورین موازی (002) یافت نشده است.
برخی کارهای منتشر نشده اخیر که از پراش الکترونی با بازتاب انرژی بالا[41] و همچنین TEM برش های عرضی درون پوشش و شامل سطح پوشش استفاده می کنند، نشان داده اند که زمانی که پوشش ها ساییده می شوند، برخی بازجهت گیری ها[42] و احتمالاً مقداری بلورینگی مجدد [43] برای پوشش رخ می دهد، بنابراین سطح پوشش ممکن است شامل یک ماده بلورین دیگر با چینش موازی صفحه پایه باشد. این لایه های سطحی اصلاح شده ممکن است بیشتر شبیه دی سولفید مولیبدن مرسوم و گرافیت رفتار کنند.
متناوباً، اگر حتی ماده استحکام برشی بالایی داشته باشد، اگر ماده سطحی چینش پایه داشته باشد سپس برهمکنش چسبناک با سطح مخالف ممکن است خیلی پایین باشد. همچنین نشان داده شده است که ضریب اصطکاک با بارگذاری کاهش می یابد که این مشخصه ی یک ماده الاستیک است و ممکن است که تغییر شکل پلاستیک بسیار کمی وجود داشته باشد و اتلاف انرژی کم باعث اصطکاک پایین شود.
سه ماهیت کلی از شرایط مالش باید در نظر گرفته شود و ممکن است که خواص اصطکاکی مرتبط با مواد اصلاح شده در سطح باشند. کارها ادامه پیدا خواهد کرد تا برای توضیح این خواص تریبولوژیکی بسیار غیرمعمول تلاش شود.
5. کاربردها
هر دو پوشش های MoST و Graphit-iC هم اکنون با موفقیت برای گستره ی وسیعی از کاربردها استفاده می شوند. نتایج بسیاری در زمینه برش فلز، شکل گیری فلز، چرخ دنده ها، یاتاقان ها و کاربردهای خودرویی مختلف منتشر شده اند و تنها خلاصه ی مختصری در اینجا ارائه خواهد شد.
MoST برای حفاری خشک و ماشین کاری استفاده شده است و در بسیاری از موارد طول عمر بدست آمده با ابزارهای پوشانده شده با MoST که خشک کار می کنند از ابزارهای پوشانده شده با پوشش های سخت معمولی مانند TiN یا TiCN که با روان سازی معمولی کار می کنند، بالاتر است. در هرحال، استفاده اصلی کنونی از پوشش های MoST، دستیابی به بهبود در زمینه شکل گیری فلز می باشد. ابزارهای شکل گیری پوشانده شده با MoST، ابزارهای بهتری با پوشش های سخت معمولی بیشتر، اغلب با حاشیه ی بیشتر از 5x هستند.
نتایج مشابه برای ابزارهای پوشانده شده با Graphit-iC بدست آمده است اما اینها هنوز مانند ابزارهای پوشانده شده با MoST مورد استفاده گسترده قرار نگرفته اند. پوشش های Graphit-iC هم اکنون در مقیاس بزرگی مورد استفاده هستند تا حفاظت فرسایشی و روان کنندگی را در اجزای استفاده شده در سیستم های تزریق سوخت فراهم آورند. تست های ابتدایی که از پوشش های Graphit-iC روی اجزای مختلف اتومیبل که سنگین بارگذاری شده اند، استفاده می کنند، نشان می دهند که این پوشش ها پتانسیل بالایی دارند. سرعت فرسایش به کوچکی 10-19m3/Nm تحت شرایط روان کنندگی مرزی[44] ثبت شده است. این مهم ترین پیشرفت است و ممکن است که این نوع از کاربرد، زمینه ی توسعه ی سریع در آینده ی نزدیک باشد.
به نظر می رسد که Graphit-iC برای تعدادی از کاربردهای زیست پزشکی[45] دارای پتانسیل باشد. برای مثال، برون یابی نتایج آزمایشگاهی ساده نشان می دهد که مفصل ران CoCr پوشیده شده با Graphit-iC می تواند طول عمر بالاتر از 50 سال داشته باشد.
[1] substrates
[2] nitrides
[3] carbides
[4] carbo-nitrides
[5] Transition metals
[6] machining
[7] Die steels
[8] galling
[9] cold welding
[10] Opposing surface
[11] abrasion
[12] burnishing and resin bonding
[13] sputtering
[14] Space bearings
[15] atmosphere
[16] Diamond-like carbon
[17] true
[18] Transfer film
[19] rubbing
[20] Hexagonal layer lattice materials
[21] Ion plating
[22] sputter
[23] magnetron
[24] target
[25] Dense coherent structure
[26] columnar
[27] loose
[28] Adhesion layer
[29] powers
[30] Co-deposition
[31] Superlattice
[32] crystallites
[33] Standard scratch adhesion test
[34] Transmission electron micrographs
[35] cluster
[36] Dry rubbing
[37] Magnetron sputtering
[38] Closed field arrangement
[39] Small islands
[40] Graphite-like
[41] High energy reflection electron diffraction
[42] Re-orientation
[43] Re-crystallisation
[44] Lubrication conditions
[45] biomedical
مرجع
D.G. Teer, “New solid lubricant coatings”, Wear, 251 (2001) 1068-1074
