پوشش‌های نانومتری و کاربرد آنها در موتور خودرو

کاهش ذخائر سوختی فسیلی، رقابت‌های اقتصادی و مسائل زیست‌محیطی، ما را به سمت ساخت موتورهایی با کارایی بالاتر می‌برد. روش‌های مختلفی برای رسیدن به این هدف وجود دارد. با افزایش دمای کاری داخل موتور و خنک نگه داشتن جدار بیرونی آن، مصرف سوخت به شکل چشم‌گیری کاهش می‌یابد. توجه به این نکته ضروری است که مواد به‌کار گرفته شده باید از مقاومت در برابر تغییر شکل ناشی از حرارت اکسید در دمای بالا و خزش و موارد دیگر برخوردار باشند.
روش دیگری که به کاهش مصرف سوخت می‌انجامد، استفاده از مواد سبک برای کاهش نیرو، کاهش اتلاف حرارت از طریق سیستم اگزوز و کاهش اصطکاک است. کاهش وزن موتور یکی از کلیدی‌‌ترین عوامل در کاهش مصرف سوخت است.
بیشترین کوشش سازندگان برای کاهش مصرف سوخت و آلودگی، استفاده از مواد سبک برای کاهش وزن خودرو است. اغلب سازندگان به جایگزینی بلوک سیلندرهای چدنی با چگالی ۸/۷ گرم بر سانتی‌متر مکعب با بلوک سیلندرهای آلومینیم/ سیلسیم با چگالی ۷۹/۲ گرم بر سانتی‌متر مکعب روی آورده‌اند. در این مورد، اغلب از آلیاژهای پایه آلومینیم و کامپوزیت‌های زمینه فلزی مانند A۳۶۰AL, A۳۹۰AL, A۳۵۶AL, A۳۱۹AL استفاده می‌شود، گرچه استفاده مستقیم از این آلیاژها در سیلندر، به دلیل مقاومت پایین در برابر خوردگی و جوش خوردگی موضعی بین سطوح آن، ممکن نیست. به همین دلیل، با توجه به مقاومت بالاتر چدن‌ها در برابر خوردگی، می‌توان از بوش سیلندرهای چدنی استفاده کرد که منجر به بزرگ شدن ابعاد سیلندر و سنگین شدن آن می‌شود.
● نقش پوشش‌ها در افزایش کارایی موتور
بعلاوه، اصطکاک‌های مکانیکی، مورد دیگری است که به توجه بیشتر نیاز دارد. سیستم پیستون، اصلی‌ترین تولیدکننده اصطکاک در موتور است.
سهم عمده مصرف سوخت از طریق تخریب سیلندر و ضعیف بودن سیستم آب‌بندی پیستون و رینگ پیستون به وجود می‌آید. زمانی که آلومینیم تحت تنش‌های سطحی قرار می‌گیرد، سایش نرم آن به سایش سخت تبدیل می‌شود، اما هنگامی که از ذرات تقویت‌کننده استفاده کنیم، این انتقال تا زمان رسیدن تنش به آستانه بحرانی، صورت نمی‌گیرد که لازمه آن شرایط زیر است:
۱) زمانی که احتراق شروع می‌شود و روغن‌کاری روی سطوح کامل انجام نشده
۲) تخریب سیلندر
با توجه به مطالب ارائه شده، برای بهبود خواص مربوط به سایش آلیاژهای آلومینیم و سیلندرهای ساخته شده با آن، از تکنیک‌های متعددی استفاده می‌کنیم. این تکنیک‌ها می‌توانند پوشش‌های جدید کامپوزیتی و یا پوشش‌هایی یکپارچه را داخل سیلندر ایجاد کنند. تعدادی از روش‌های مرسوم عبارتند از: پوشش‌های پلاسما اسپری (APS)ا۲، پوشش‌های (HVOF)ا۳ و غیره.
● نقش پوشش‌‌ها در افزایش کارایی موتور
در مورد موتور خودرو، با حذف نیاز سیلندر به بوش، در کنار کاهش ابعاد پیستون به‌طور مستقیم، حدود ۱ کیلوگرم کاهش وزن خواهیم داشت. این در حالی است که ابعاد کلی موتور نیز کاهش می‌یابد. کاهش حتی ۱ کیلوگرم از وزن خودرو، تأثیر زیادی در مصرف سوخت خواهد داشت. برای نمونه، در یک خودرو با وزن تقریبی ۱۱۰۰ کیلوگرم اگر کاهش وزنی حدود ۱۱۰ کیلوگرم داشته باشیم، در حدود ۷ درصد کاهش مصرف سوخت خواهیم داشت.
کاهش وزن خودرو، عامل مهمی در افزایش عمر موتور است. تکنولوژی‌ها و مواد جدید ما را در رسیدن به این هدف، یاری می‌کنند. با استفاده از مواد نانو، به اهداف بزرگتری خواهیم رسید. در سال‌های اخیر رویکرد زیادی به مواد نانومتری شده و این به دلیل خواص برجسته آنها در مقایسه با مواد میکرونی است.
چگالی عیوب در مواد نانو، بسیار زیاد است، اما به اندازه مواد «آمورف» نیست. مطابق شکل زیر و رابطه Hall- Petch (سختی برای مواد پلی کریستال با قطر میانگین) d و Hd(سختی تک کریستال، Ho+kd-۱/۲) با کاهش اندازه دانه، سختی و شارش تنش افزایش می‌یابد. هر چند در مواردی که اندازه دانه بسیار کوچک است (حدود ۱۰۰ نانومتر) مکانیزم تغییر شکل از لغزش نابجایی به لغزش مرز دانه تغییر می‌کند که در هر دو مورد، با افزایش پلاسیته روبه‌رو خواهیم بود.
اگر اندازه دانه باز هم کوچکتر شود، تقریباً به سمت آمورنی شدن می‌رود و مواد، رفتار Visco- Elastic از خود نشان می‌دهند. این ویژگی‌ها ما را به خواص ماکزیمم سختی، شارش، تنش، چقرمگی، انعطاف‌پذیری عایق حرارتی (چون هدایت مواد نانومتری بسیار کمتر از مواد فلزی معمول مانند AL با فنون‌های پراکنده و دارای چگالی عیوب بالاست) می‌رساند.
● تولید پوشش‌های نانوساختاری
اسپری حرارتی پوشش‌های نانوساختاری، باعث پیدایش روشی متحول کننده به منظور بهره‌گیری از خواص مکانیکی و فیزیکی مواد نانوساختاری (مثل سختی، قدرت و مقاومت در برابر خوردگی) می‌شود. در حالتی که اندازه دانه‌های یک ماده در مقیاس اتمی باشد، تعداد اتم‌های موجود در مرزهای دانه، در مقیاس با تعداد اتم‌های درون دانه، بسیار بالاست. به این ترتیب، با افزایش سطح ویژه مرز دانه‌ها میزان ناخالصی بر واحد مرز دانه‌ها، در مقیاس با موادی که دارای همان مقدار ناخالصی بوده اما دانه‌های درشت‌تری دارند، کاهش می‌یابد. این خالص‌سازی مرز دانه‌ها و البته به مورفولوژی خوردگی یکسان‌تر و مقاومت به خوردگی درون دانه‌ای بالاتر، نسبت به مواد دانه درشت است.
نتایج تحقیقات نشان می‌دهند که این دانه‌ها نه تنها ذاتاً پایداری حرارتی دارند (هوانگ و همکاران، ۱۹۹۶) بلکه حرکت موضعی آنها بسیار پایین است. این امر موجب سختی بسیار بالا و در برخی موارد سفتی بسیار بالا در این مواد می‌شود. دیگر مزیت ابعاد نانومتری دانه‌ها در روکش‌ها، کاهش تنش پسماند در روکش است که ساخت پوشش‌هایی با ضخامت چهار برابر مقدار قابل دسترس در مواد معمولی را امکان‌پذیر می‌سازد.
مقایسه بین خواص پوشش‌های نانوساختاری و انواع معمولی، میزان سختی میکروی انواع نانو ساختاری را بسته به ترکیب گاز و روش تولید، بین ۱۶ تا ۶۳ درصد بیشتر از انواع معمولی نشان داده است.
● خواص مطلوب پوشش موتور
پوشش‌ها، بویژه پوشش‌های نانومتری، می‌توانند به افزایش کارایی و عمر قطعات موتور خودرو کمک کنند.
● پوشش با روانکاری مناسب
اصطکاک یکی از مهم‌ترین عوامل در کاهش عمر موتور خودروست. در کنار اصطکاک مکانیکی که در موتورهای درونسوز وجود دارد. در این موتورها، عامل اصلی اصطکاک سوپاپ، سیستم پیستون، میل‌لنگ و یاتاقان‌هاست. عوامل مکانیکی به‌طور میانگین ۱۰ تا ۱۵ درصد اصطکاک را به وجود می‌آورند. سیستم پیستون به تنهایی ۵۰ تا ۶۵ درصد از اصطکاک را به وجود می‌آورد. سیستم سوپاپ نیز حدود ۱۰ تا ۲۰ درصد اصطکاک تولید می‌کند. پس به منظور افزایش کارایی، افزایش طول عمر قطعات موتور و کاهش مصرف سوخت، مجبور به کاهش اصطکاک هستیم. در ارتباط با این موضوع، می‌توان از پوشش‌هایی مانند graphite- Ni, Ni- Mo- MoS۲ Ni-BN و غیره استفاده کرد.
● مقاومت در برابر خوردگی
اجزای موتور، تحت شرایط سخت محیطی قرار دارند. دمای بالا، سوخت و محصول احتراق با اتمسفر مخلوط شده و شوک‌های حرارتی نیز به عوامل خوردگی اضافه می‌شوند. موتور دیزلی و درونسوز (IC)ا۵ منجر به تولید اسید سولفوریک.. و اسید فرمیک تحت شرایط معینی مثلاً هوای سرد می‌شود. پوشش‌هایی با پایه Mo/Cr، پوشش‌های مناسبی برای مقاومت در برابر خوردگی در دماهای بالا هستند.
● خواص تریپولوژی
پوشش باید از خواص مربوط به سایش و بر هم خراشیدگی۶ حداقل در حد پوشش‌های چدنی برخوردار باشد تا بتواند جایگزین آن شود. ذرات سرامیکی مانند FeO, SiC, Al۲O۳ می‌توانند خواص مربوط به سطح مانند سختی، استحکام فشاری، مقاومت به سایش و خراشیدگی را بهبود بخشد.
بر هم خراشیدگی به عنوان مهم‌ترین عامل تریبولوژی سطح، در زمانی مطرح می‌شود که لایه‌های روان کار شکسته می‌شوند (از بین می‌روند). پوشش باید مقاومت بسیار خوبی از لحاظ شوک‌های حرارتی و مکانیکی از خود نشان دهد.
● قابلیت honing
بعد از پوشش دیواره‌های سیلندر، از honing برای رسیدن به توپوگرافی مناسب، استفاده می‌شود. به همین وسیله، می‌توان تعداد زیادی حفره ایجاد کرد که به عنوان منبع تغذیه روغن عمل کند. این کار منجر به کاهش اصلاح روغن‌کاری هیدرودینامیک شده و باعث کاهش تنش رینگ پیستون می‌شود. honing به دو دلیل به روش‌های دیگر که برای آماده‌سازی سطح استفاده می‌شود، ارجحیت دارد. اول اینکه honing توپوگرافی مناسبی برای نگه داشتن مقاومت روانکارها در میکرو حفرات ایجاد می‌کند و برخلاف سنگ زدن و ماشینکاری، باعث بسته شدن حفرات در پی آن محبوس شدن روغن نمی‌شود. دوم اینکه ذرات خارجی حاصل از عملیات honing داخل حفرات قرار می‌گیرند و تأثیر کمتری بر ویژگی‌های سایش دارند. عموماً زبری سطح بعد از عملیات honing برای بهبود خواص سایشی کمتر از ۲/۰ میکرومتر خواهد بود. پوشش‌های مورد استفاده باید پاسخگوی عملیات honing باشند.
موضوع دیگر، ضخامت پوشش است که باید به‌گونه‌ای انتخاب شود که پس از عملیات honing، ضخامت بجامانده کافی باشد. این پوشش باید به اندازه کافی چسبنده بوده و همچنین در برابر عملیات سطحی نهایی آسیب‌پذیر (شکاف، شکستگی، پوسته پوسته شدن) نباشد. پوشش در کنار پایداری بالا، یکدستی مناسب و سازگاری با عملیات honing، باید ضخامتی حدود ۱۰۰ تا ۱۵۰ میکرومتر داشته باشد تا در مقایسه با بوش سیلندرهای چدنی رایج ۲۰ تا ۳۰ درصد بعد از عملیات honing، اصطکاک را کاهش دهد. به علت ویژگی‌های تریبولوژی پوشش‌های پلاسمایی، طول عمر موتور بیشتر شده و این امر از طریق کاهش مصرف سوخت، کاهش میزان آلایندگی را در پی خواهد داشت. گزارش‌های ارائه شده حکایت از آن دارند که پلاسما اسپری کردن FeO/Fe خوب پوشش‌های فولاد ضدزنگ، تا ۴۰ درصد از سایش سیلندر و رینگ پیستون می‌کاهد.
● انتقال حرارت
تا آنجا که می‌توان، باید انتقال حرارت از بلوک سیلندر را پایین نگه داشت چون باعث اتلاف حرارت می‌شود. پوشش‌ها باید دارای هدایت حرارتی کمی بوده و همانند عایق حرارتی برای محفظه سوخت عمل کرده و از انتقال حرارت از طریق آلومینیم و سوپر آلیاژهای آن جلوگیری کند. به همین منظور، پوشش‌های مقاوم در برابر حرارت (TBC)ا۷ توسعه یافتند.
مطالعات انجام شده در مورد موتورهای درونسوز، موتورهای دیزلی و موتور جت‌ها نشان داده است که با پوشش‌دهی سطوح خارجی دیواره سیلندرها تا حدود ۲ میلی‌متر از لایه‌های عایق اکسیدی حدوداً ۶ درصد کاهش اتلاف حرارت خواهیم داشت، حال اگر این پوشش، داخل سیلندر اعمال شود، گرادیان حرارتی برای انتقال حرارت کمتر می‌شود و در نتیجه، اتلاف حرارت نیز بیشتر کاهش می‌یابد.
● وابستگی شدید پوشش به روغن
برای روغن‌کاری بهتر و کاهش اصطکاک، بهتر است موتور در نظامی هیدرولیکی کار کند زیرا شکسته شدن لایه‌های روغن، اغلب زمینه‌ساز کار در شرایط بحرانی (فلز روی فلز) می‌شود.
ضریب اصطکاک در این حالت، در مقایسه با زمانی که سیستم در نظامی هیدرودینامیکی کار می‌کند، بسیار بالاست. هم‌خوانی وابستگی پوشش با روغن، امری ضروری است. روغن‌ها می‌توانند مطابق خاصیت موئینگی از بافت‌های حاصل از عملیات honing بالا رفته و خود را تعمیر کنند. لذا سیستم به نظامی هیدرودینامیکی باز می‌گردد (استحکام شکست روغن‌های روانکار برای موتورهای درونسوز ۱.۵-۵Gpa می‌باشد).
● چسبندگی پوشش با پایه و ضخامت آن
پوشش باید از چسبندگی مناسبی با پایه برخوردار باشد تا بتواند در برابر شوک‌های حرارتی موجود در موتور، مقاومت کند. باندهای استحکام از روش‌های پلاسما اسپری، HVOF و Magnetron Sputtering به وجود می‌آید و به شدت به زبری سطح بستگی دارد (Ra,Rz). بیشترین ضخامت پوشش به ضریب انبساط حرارت و خواص مکانیکی پوشش بستگی دارد. اگر انبساط حرارت پوشش با پایه، اختلاف زیادی داشته باشد و یا الاسیته و داکتیلیته پوشش بسیار کمتر باشد. پوشش‌های ضخیم نمی‌توانند چسبندگی مناسبی با پایه ایجاد کنند. از سوی دیگر، پس از عملیات honing ضخامت پوششی که باقی می‌ماند، بین ۱۰۰ تا ۱۸۰ میکرومتر است که عیوب ریخته‌گری فلز پایه را نیز می‌پوشاند.
هنگام پوشش آلیاژهای Al-Si (هم هیپو و هم هایپریوتکیک) با این واقعیت روبه‌رو می‌شویم که ساختار، از تحمل این نوع به هم ریختگی برخوردار است و تغییری در ساختار آن به وجود نمی‌آید. نکته قابل توجه قطر داخلی پیستون (۷۰ تا ۱۱۰ میلی‌متر) است که برای پوشش‌دهی جدار داخلی آن، به ابزار ویژه‌ای نیاز است. هنگام پوشش‌دهی با پوشش‌هایی که تحمل حرارتی زیاد (TBC) دارند، مانند پوشش‌های اکسیدی می‌توان از سوپر آلیاژها و آلیاژهای نیکل برای بهبود خواص چسبندگی استفاده کرد.
● برطرف کردن نیازهای کیفی
در موتورهای احتراقی، سیلندر، رینگ پیستون و مواد روانکار، در یک سیستم تریبولوژیک، اثر متقابل بر هم دارند. مسئله مهمی که در صنعت خودرو وجود دارد، فقط یافتن پوشش مناسب برای پوشش‌دهی نیست بلکه قیمت نهایی محصول، عاملی مهم است.
ماشین پوشش‌دهی، باید پاسخگوی نیازهای کیفی سازنده موتور باشد. پوشش‌های ایجاد شده روی پیستون، باید به گونه‌ای باشند که تولید اصطکاک نکنند. مثلاً، پیستون‌های بسیار سخت باعث خورده شدن بوش سیلندر می‌شوند.
● پوشش برای موتور و دیگر قسمت‌های قدرتی آن
از روش الکتروپلیتینگ Cr برای پوشش رینگ پیستون استفاده می‌شود، گونه‌های مختلف پودرهای پایه آهنی حاوی V, Ti, Cu, Mo, Cr, Sn, Si, C و B و غیره اغلب برای پوشش‌دهی آلومینیم در موتورها استفاده می‌شود. برای این نوع پوشش‌ها می‌توان از روش (APS) و مهندسی نیروی سطح (LSE)ا۸ استفاده کرد. از آنجا که موتورهای دیزلی در معرض حمله مواد سولفور هستند، خوردگی در برابر اسید سولفوریک برای پوشش‌های پایه فلزی حاوی آلومینات، Mo/Cr که در این نوع موتورها مورد استفاده قرار می‌گیرند، اهمیت ویژه‌ای دارد.
نیکل کرومیم و کرمیم کاربید را می‌توان ارزش‌های APS و HVOF پوشش‌دهی کرد. عموماً از پوشش کرمیم اکساید به روش پلاسما اسپری، بر روی موتورهای دیزلی پرقدرت استفاده می‌شود.
معمولاً از پوشش‌های مقاوم در برابر حرارت (TBC) مانند زیرکونیا و یا آلومینات تیتانیم، به منظور کاهش دمای کاری و افزایش دوام اجزای تیغه‌ها توربین‌های گازی استفاده می‌شود. پوشش‌های (TBC) می‌توانند کارایی موتور را با افزایش دمای کاری و کاهش اتلاف حرارت اجزا، بالا ببرند.
از زیرکونیا، به علت پایین بودن هدایت حرارتی (Iw/m۲kا~) و ضریب انبساط حرارتی بالا(CTE)ا۶mm/c-ا۶x۱۰ همراه با کم بودن حساسیت‌های حرارتی و پایداری شیمیایی زیاد در دماهای بالا، می‌توان به عنوان پوشش استفاده کرد. در کنار تمام موارد ذکر شده، سرامیک‌هایی مانند زیرکونیا، خواص سایش بسیار مناسبی از خود نشان می‌دهند.
الیتریم تثبیت شده با زیرکونیا (YSZ)ا۹ هدایت حرارتی بسیار کمتری نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیکل دارد. از پوشش‌های YSZ به شکل بسیار گسترده‌ای برای پوشش‌دهی تاج پیستون استفاده می‌کنند. در موتورهای گازوئیلی کنونی، اغلب از مواد جامد روانکار استفاده می‌شود که باعث کاهش اصطکاک و در پی آن کاهش سایش می‌شوند. از پودرهایی فلزی که می‌توانند مواد جامد و روانکار را در خود نگه دارند، می‌توان در سیلندر استفاده کرد. در صنعت برای این منظور از روش پلاسما اسپری استفاده می‌شود؛ هر چند که کاهش ضریب اصطکاک با افزایش دمای نوارهای جامد روانکار (SFL)ا۱۰ انجام می‌پذیرد. از نتایج دیگری که استفاده از نوارهای جامد روانکار در بر خواهد داشت، کاهش احتمال خوردگی توسط اسید فورمیک در هوای خیلی سرد به هنگام استفاده از سوخت‌های پایه متانول است.
نوارهای جامد روانکار عاری از نیکل، معمولاً حاوی فلوئوریدهایی مانند CaF۲ و BaF۲ هستند که می‌توانند در کنار کاهش به پایداری ضریب اصطکاک پوشش Cr۲O۳ بینجامند. این امر، بیشتر خواص تریبولوژی پوشش Cr۲O۳ را به منظور استفاده در موتور بهبود می‌بخشد. فولاد ضدرنگ و نیکل که می‌توانند بورون نیترید (BN) هگزاگونال را در خود نگه دارند و یا از آهن و اکسید آن در مواردی خاص در آن استفاده کرد، کاربردهای زیادی در صنعت خودرو دارند. هنگامی که کاهش هزینه‌ها مد نظر باشد، سیستم Fe-FeO بسیار مناسب است.
مطالعه درخصوص روانکارهای جامد گرافیتی، نشان می‌دهد که این نوع روانکارها بر هم خراشیدگی تحت نیروهای معمولی را بهبود می‌بخشند. این در حالی است که این روانکارها تحت نیروهای زیاد، مقاومت مناسبی از خود نشان نمی‌دهند. معمولاً از پوشش‌های کرم برای بهبود خواص سایش رینگ پیستون استفاده می‌شود. استفاده از پوشش‌های سرمت به روش HVOF پتانسیل‌های بالایی را برای جایگزینی آبکاری کرم از خود نشان می‌دهد. جایگاه استفاده از پوشش‌های NiCr/Cr۳O۲ و NiCrMo/Cr۳O۲ در موتورهای پرقدرت دیزلی است. سرمت‌ها پوشش‌های جدیدی هستند که در صنایع هواپیمایی کاربردهای زیادی دارند.
کربن‌های آمورف یا کربن‌های شبیه به الماس (DLC)ا۱۱ موادی با کاربردهای تریبولوژیکی برای سختی‌های بالا و مقاومت در برابر سایش و اصطکاک کم هستند. از DLCها می‌توان به عنوان پوشش‌های محافظ برای رینگ پیستون استفاده کرد که کاهش اصطکاک و در پی آن کاهش مصرف سوخت را در بر خواهند داشت. این نوع پوشش‌ها علاوه بر افزایش طول عمر قطعات، اطمینان خوبی در موتور ایجاد می‌کنند.

اکبر آجامی
http://www.ajcar.blogfa.com