روشهای پوشانی سطح
با توجه به افزایش نرخ تولید و کارآیی تجهیزات، پدیدههایی مانند سایش و خوردگی اجزا مختلف ماشین آلات و سازهها نیز بطور قابل ملاحظهای رشد یافته است. این موضوع باعث توسعه روشهای سطح پوشانی شده است تا مقاومت قطعات را نسبت به سایش و خوردگی افزایش دهد. همچنین با این روشها میتوان بسیاری از قطعات فرسوده رابازسازی نمود و از هزینه تامین قطعات نو کاست. ایجاد لایههای سطحی روی قطعات میتواند به منظورهای متفاوتی صورت گیرد از جمله میتوان به این موارد اشاره کرد.
- افزایش مقاومت به سایش
- افزایش مقاومت به خوردگی
- بهبود خواص سطحی
- بهبود هدایت حرارتی یا عایق حرارتی
- هدایت یا عایق الکتریکی
- بهبود ظاهر قطعه
- ترمیم و بازسازی قطعات
فرآیند سطح پوشانی ترمومکانیکی (پاشش حرارتی)
در سالهای اخیر فرآیندهای ترمومکانیکی در ساخت قطعات یا بازسازی آنها کاربرد زیادی یافته است. این توسعه روز افزون کاربرد، به دلیل زیر است.
- در پاشش حرارتی امکان ترکیب مواد گوناگونی بصورت لایه و سطح پایه وجود دارد.
- بدلیل انعطاف پذیری فرآیند پاشش حرارتی امکان ترمیم بسیاری از قطعات وجود دارد. در مقایسه با سایر روشهای ترمیم، پاشش حرارتی دارای هزینه کمتر و زمان توقف کوتاهتری است.
- قطعه پوشش شده با این روش حرارت میبیند در نتیجه دچار تغییر میکروساختار و پیچیدگی کمتری میشوند. البته روشهایی که با عملیات حرارتی تکمیلی همراه بوده، استثنا هستند.
- کاربرد این روش به ابعاد قطعه بستگی ندارد.
- حتی قطعات پیچیده را میتوان با رعایت شرایط خاص پوشش داد.
- بسته به نوع پوشش و فرآیند میتوان به ضخامتهای مختلف دست ۳۰ μmm یافت.
- روش، مواد و تکنولوژی مورد استفاده در سالهای اخیر توسعه قابل توجهی یافته است.
- بدلیل شرایط خاص فرآیند پاشش حرارتی، پوششهای ایجاد شده با این روش رفتار متفاوتی نسبت به مواد مترکام از خود نشان میدهند.
معایب پاشش حرارتی
- تخلخل میکرونی لایه پوشش
- استحکام اتصال محدود لایه پوشش
- حساسیت پوشش نسبت به فشار لبهها، خمش و ضربه
- محدودیتهای موجود ناشی از ابعاد هندسی مانند هنگامی که سطح داخلی لولههایی با قطر کم پوشش میشوند
اصول فرآیند پاشش حرارتی
پاشش حرارتی شامل فرآیندهایی میشود که در آنها ذرات ریز مذاب یا گداخته روی سطح آماده شده یک قطعه پاشیده میشوند. سطوح پایه گداخته نمیشود. در اثر انرژی حرارتی و جنبشی ذرات، این ذرات به سطح فلز و ذرات بعدی متصل میشوند. مکانیزم اصلی اتصال قفل شدن فیزیکی ذرات و سطح در یکدیگر است. مکانیزمهای دیگری که در اتصال دخیل هستند شامل موارد زیر است.
- جوش خوردگی سطوح
- فرآیندهای شیمیایی و متالورژیکی (نفوذ ، ترآیب و تشکیل فازهای جدید)
- چسبندگی فیزیکی و شیمیایی
بدین ترتیب لایهها پشت سر هم پوشش داده میشوند و یک ساختار لایهای ایجاد میکنند.
آماده سازی سطوح قطعات جهت پاشش
از ملزومات فرآیند پاشش جهت ایجاد پوششی با چسبندگی خوب، آماده سازی سطوح قطعات است. آماده سازی شامل مراحل زیر است.
تمیز کاری سطح
سطح باید از پوسته، اسید، زنگ، چربی، رنگ و سایر آلودگیهای ممکن پاکسازی شود. بدین منظور باید از مواد حلال، بخار یا امواج فراصوت استفاده شود.
زبر سازی سطح
سطح باید توسط روشهای خاصی زبر شود مانند بلاست با ذرات کهنی.
اعمال لایههای میانی
در مواردی که ضریب انبساط فلز پایه و پوشش تفاوت زیادی دارد جهت افزایش استحکام و قدرت چسبندگی پوشش از لایههای میانی استفاده میشود. مواد مورد استفاده بعنوان لایههای میانی نیکل -آلومینیوم، نیکل -آرم و مولیبدن است. پس از آماده سازی به دلیل اسید شدن سریع سطح ایجاد شده باید پاشش سریعاً انجام شود.
فرآیند پاشش حرارتی
فرآیندهای پاشش بر اساس موارد زیر دسته بندی می شوند.
- شکل ماده پاششی (سیم، پودر، مفتول و فلز مذاب)
- هدف کاربردی (ضد خوردگی، ضد سایش)
- نوع اجرا (نیمه ماشینی، تمام ماشینی و اتوماتیک)
- نوع انرژی مصرفی (شعله، الکتریسیته، پلالاسما، لیزر)
جهت ایجاد پوششهای پاششی تمامی فرآیندها به دو نوع انرژی نیاز دارند.
- انرژی حرارتی
- انرژی جنبشی
مقدار انرژی توسط انتخاب نوع روش (انرژی مصرفی) تعیین میشود. انرژی حرارتی جهت گداختن و ذوب ذرات مورد نیاز است. انرژی جنبشی از سرعت حرآت ذرات محاسبه میشود و در دانسیته پوشش و استحکام چسبندگی آن تاثیر دارد. انرژی جنبشی در فرآیندهای مختلف متفاوت است و به نوع ماده پاششی و ابعاد ذرات بستگی دارد. بدلیل سطوح انرژی مختلفی که در یک فرآیند قابل دستیابی است، هر یک از فرآیندهای پاشش دارای محدوده کاربری خاصی است.
پاشش اکسی استیلن با سیم
در این حالت سیم تغذیه توسط شعله بطور مداوم ذوب شده و همراه شعله روی سطح قطعه پاشیده میشود. این روش به دلیل ایجاد پوشش با کیفیت مناسب بسیار متداول است. در صنایع اتومبیل سالانه صدها تن مولیبدن به این روش روی قطعات مانند رینگ پیستون پوشش داده میشود.
پاشش شعلهای پودر
در این روش پودر توسط گاز سوختی به درون نازل پاشیده میشود. ذرات پودر در اثر انبساط ناشی از سوخت ترکیبی استیلن – کاسیژن شتاب میگیرند. در این حین ذرات در اثر انرژی حرارتی سوخت ذوب یا گداخته میشوند. جهت جلوگیری از به هم ریختگی در تغذیه پودر میتوان از لرزانندههای الکتریکی در محفظه پودر استفاده کرد. بازده این دستگاه نسبت به نوع معمول سیمی بیشتر و مقدار اسپاتر آن کمتر است. اما در مقایسه با نوع سیمی، از این روش نمیتوان در تمامی جهات استفاده کرد. ساختار پوشش ایجاد شده مشابه روش سیمی است. جهت افزایش استحکام چسبندگی و کاهش تخلخل پوشش موادی مانند بور و سیلیس به پودر اضافه میشود و دمای پوشش توسط شعله اکسی اتیلن به ۱۱۴۰- ۱۰۲۰ رساند، میشود.
پاشش شعلهای پلاستیک
این روش با روشهای دیگر پاشش متفاوت است چرا که مواد پلاستیکی را نمی توان بطور مستقیم در معرض شعله قرار داد. نازل مورد استفاده در این روش دارای یک خروجی پودر در وسط و دو خروجی دور خروجی اول است. خروجی داخلی جهت هوا یا گاز خنثی و خروجی بیرونی جهت شعله کاسی استیلن استفاده میشود. در نتیجه ذوب پلاستیک در اثر هوای گرم اطراف آن صورت میگیرد نه در اثر تماس مستقیم شعله.
پاشش شعلهای با سرعت بالا
در این روش گاز سوختی با فشار بالا و به صورت مداوم در محفظه تورچ میسوزد و پودر در راستای محور مرکزی محفظه وارد میشود. استفاده از فشار بالا و نوع محفظه، باعث افزایش قابل توجه شتاب ذرات میشود و تولید پوششهایی ضخیم با چسبندگی عالی و تخلخل کم میشود. فشار گاز سوختی ۷- ۳ بار است. بنابراین تنها از گازهای مقاوم به فشار مانند پروپان، اتیلن، هیدروژن و پروپیلن میتوان استفاده کرد. علاوه بر مسائل اقتصادی باید تاثیر گاز بر ماده پوشش نیز در انتخاب گاز مد نظر قرار گیرد.
پوششهای تولید شده به روش پاشش شعلهای با سرعت بالا دارای خواص زیر هستند.
- تخلخل کم، مناسب برای خوردگی تنشی در مقایسه با پوششهای تولیدی روشهای دیگر
- کاهش سطح پوشش و هزینه عملیات تک میلی
- تبدیل کاربیدها به مواد ترکیبی در اثر گاز گرم
- اسپری تمامی مواد را میتوان
پاشش با نازل انفجاری
در این روش جهت ایجاد انرژی جنبشی مناسب از انفجارهای کنترل شده استفاده میشود. نازل مورد استفاده بصورت لولهای بلند است که درون آن مخلوط گاز اکسیژن – استیلن قرار دارد و مواد پودری به آن اضافه میشود و انفجار در اثر جرقه الکتریکی تشکیل میشود. انرژی ناشی از انفجار باعث ذوب شدن و شتاب گرفتن ذرات میشود.
پاشش قوسی
در این روش از الکتریسیته به عنوان منبع انرژی استفاده میشود. سیم و یا مفتول لولهای شکل از جنس ماده پوشش توسط ایجاد قوس ذوب شده و توسط گاز اتمیزه کننده (مانند هوای فشرده) پاشیده شده و به سطح قطعه میچسبد. قوس الکتریکی بین دو سیم تغذیه و در اثر تماس ایجاد میشود. خواص پوششهای ایجاد شده به دلیل تفاوت در رفتار مواد در آند وکاتد و تفاوت اندازه ذرات ایجاد شده غیر همسان است.
پاشش پلاسما
در این روش مواد پودری توسط پلاسما ذوب شده و با انرژی جنبشی زیادبه سطح قطعه پاشیده میشوند. پلاسما توسط ایجاد قوس در گاز آرگون، هلیم، نیتروژن، هیدروژن یا ترکیبی از آنها ایجاد میشود. در این حالت قوس بین یک الکترود مرکزی تنگستن و نازل خنک شونده با آب ایجاد میشود. در ناحیه قوس گاز یونیزه شده و با سرعت بالا به سمت قطعه کار از نازل خارج میشود. ذرات توسط گاز پلاسما همزمان ذوب شده و به سمت قطعه شتاب میگیرند. پاشش پلاسما میتواند در محیط اتمسفر عادی، در گاز محافظ مانند آرگون یا در خلا اجرا شود. همچنین با استفاده از نازلهای خاص میتوان به پلاسما با سرعت بالا دست یافت. بیشتر مصارف این روش در صنایع هوا فضا و بیومتریال است.
پاشش لیزری
در این روش مواد پودری توسط یک نازل مناسب در یک پرتو لیزری قرار میگیرند. پرتو لیزری مواد پودری را همزمان با یک قسمت کوچک از سطح فلز پایه ذوب میکند و مواد پاششی با فلز پایه پیوند متالورژیکی ایجاد میکنند. جهت محافظت از حوضچه مذاب از گاز محافظ استفاده میشود. به دلیل دقت بالای لیزر میتوان با این روش دقیقاً نقاط مورد نظر از سطح قطعه را پوشش داد. موارد مصرف این خاصیت در پوشش جزئی قالبهای برش و ابزار برش است.
مزایای روش پاشش حرارتی در مقایسه با سایر روشها
- امکان پوششدهی انواع مواد شامل فلزات و آلیاژها، سرامیکها، سرمتها و. . .
- امکان پاشش مواد بر روی زیرلایههای با جنسهای مختلف
- امکان تولید پوششهای چندلایه
- سرعت تولید بالا و افزایش صرفه اقتصادی
- امکان تولید پوشش با ضخامت بالا (بین ۰/۱ تا ۱ میلیمتر و در برخی موارد تا ۱ میلیمتر)
- کاهش میزان آلودگیهای زیست محیطی