کاربردهای نانوپوشش های سخت و مقاوم در صنعت حمل و نقل ریلی

از آنجا که فناوری نانو، یک رویکرد جدید به همه علوم و فنون می­باشد، این فناوری کاربردهای گسترده­ای در صنعت حمل و نقل یافته است. امروزه صنعت حمل و نقل ریلی به ویژه راه­آهن به عنوان یک وسیله ارتباطی جذاب مورد توجه می­باشد. از این­رو این نوشتار صرفا به کاربردهای «فناوری نانوپوشش در صنعت حمل و نقل ریلی» معطوف شده است. به­عنوان مثال ابزارآلات مورد استفاده در تعمیر چرخ­ها، ریل­ها، محورها و تقاطع­های ریلی مورد استفاده در صنعت حمل و نقل ریلی به شدت نیازمند فناوری نانوپوشش ­هاست.

بیش از یکصد سال است که از عملیات سطحی و استحکام­بخشی موضعی سطح، به عنوان راهکاری عملی برای بهبود عملکرد و افزایش عمر قطعات استفاده می­شود. در دو دهه اخیر با ظهور فناوری­های نوین، فرایندهای سنتی گذشته یا با این فناوری تکمیل و اصلاح شده و یا اینکه جایگزین مناسبی برای آنها معرفی شده است. برای مثال مضرات زیست محیطی در فرآیند آبکاری کروم سخت، تنها یکی از این عیوب است. ضمن اینکه بهبود خواص سطحی حاصل از روش­های نوین بسیار بیشتر از فرآیندهای سنتی است.

حفظ، نگهداری و تعمیرات تجهیزات در صنایع بزرگ مانند صنعت حمل و نقل ریلی در برابر سایش، فرسایش، خوردگی و مقاومت به ضربه از موارد مهم می­باشد. در سال­های اخیر با گسترش فناوری نانو، شرکت­های بزرگ دنیا سعی در استفاده از این فناوری در بخش­های مختلف صنعت حمل و نقل ریلی داشته اند.

• یکی از چالش­های مهم تجهیزات صنعت حمل و نقل ریلی

عواملی مانند اصطکاک، سایش و فشار بالای کاری و شرایط محیطی در موتورها و گیربکس­ها موجب ایجاد فشار و حرارت بر روی سطوح قطعات می­شود که در نتیجه آن، سطوح قطعات دچار تخریب می­شوند. از این­رو برای حل این چالش، طراحان با استفاده از «مهندسی سطح»[1] و اعمال فرایندهای پوشش­دهی مانند نیتروژن­دهی، آبکاری کروم سخت و فرایند PVD و PACVD توانسته­ اند درصد تخریب قطعات را کاهش دهند ولی به­دلیل حساسیت تجهیزات این صنعت و لزوم افزایش راندمان قطعات در سه دهه اخیر، فناوری نانوپوشش به کمک حل این موضوع آمده است. در فناوری نانوپوشش به­دلیل ماهیت نانویی بودن پوشش، خواص متفاوت و منحصر به فردی به قطعه خواهد بخشید. افزایش فوق­العاده سختی تا محدوده 50 گیگا پاسکال، ضریب اصطکاک 01/0 از جمله این خواص می­باشد تا در نهایت یک ساختار سطحی هموار بر روی قطعات ایجاد گردد تا موجب بالا رفتن عمرکاری، بازدهی و توان بالاتر در قطعات ­شود. برای آشنایی بیشتر با نانوپوشش­ها، در ادامه تعریف و سپس انواع آنها از لحاظ ساختاری آورده شده است.

• انواع نانوپوشش­های سخت و مقاوم

نانوپوشش­ها به دسته­ای از روکش­ها اطلاق می­شود که دارای دو ویژگی زیر باشد:

• در یکی از اجزای آن (ساختار یا اجزای سازنده) دارای ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر باشد.
• نسبت به حالت متداول دارای خواص ویژه و منحصر به فردی باشد. مانند خواص مطلوب مقاوم به سایش، فرسایش و خوردگی

برای آشنایی بیشتر برخی از پوشش­های مرسوم سنتی و نانوپوشش ها آورده شده است:

دسته بندی انواع پوشش های مرسوم و نانو پوشش­های سخت و مقاوم

	جزء نانو	شماتیک	روش های پوشش دهی	خواص
پوشش متداول	بدون جزء نانومتری		آبکاری HVOF VPS	بهبود خواص عملکردی نسبت به قطعه پایه
نانوساختار کردن	ساختار سازنده نانومتری		آبکاری نانو PVD  و PACVD EB-PVD و ESD	افزایش مقاومت به خوردگی افزایش پایداری حرارتی افزایش مقاومت به سایش
نانوکامپوزیت کردن	پراکنده شدن نانوذرات		آبکاری نانو Nano-HVOF PVD  و PACVD	افزایش سختی سطح افزایش مقاوم به سایش و فرسایش
نانو لایه کردن	پوشش با ضخامت نانومتری		PVD PACVD	افزایش چقرمگی شکست کاهش ضریب اصطکاک بهبود مقاومت به سایش
فرآیند دو مرحله­ای	یکی از موارد فوق + لایه نیتریده شده		Plasma nitriding + PVD  یا PACVD	افزایش عملکرد مکانیکی قطعه افزایش چسبندگی پوشش

 

 

• برخی کاربردهای مهم تجاری­شده نانوپوشش­ها در صنعت حمل و نقل ریلی

4-1- اعمال پوشش بر روی اجزای موتورهای دیزلی

در موتورهای دیزلی ساخته شده توسط شرکت ABB از فناوری نانوپوشش بهره گرفته شده است. به­دلیل شرایط­کاری موتورها (اصطکاک، سایش و خراش بالا) اکثر اجزای این موتور از جمله توربین­، کمپرسور، یاتاقان­ها و غیره برای بهبود خواص سطحی پوشش­دهی می­شوند. برای این منظور، شرکت­های قدرتمند در حوزه نانوپوشش به نام شرکت­های اورلیکون بالزرز ، هازر، آکری به کمک این شرکت آمده­اند. یکی از راه­های برآوردن کردن مقررات سخت­گیرانه و بهبود عملکرد موتورها، استفاده از پوشش­های PVD و PACVD بر روی اجزای موتورهاست. با بهره­گیری از نانوپوشش­ها بر روی اجزای موتورها می­توان به خواص خود روان­کاری، مقاومت به سایش بالا، افزایش عمر و عملکرد موتور و اجزای آن در اثر کاهش اصطکاک و سایش، افزایش سرعت چرخش، و کاهش تولید و انتشار گاز CO₂ دست یافت.

در موتورهای دیزلی، تقریباً 15%-10% از انرژی بدلیل اصطکاک هدر می­رود. از این­رو پوشش DLC لایه­نشانی شده بر روی قطعات valve train موجب کاهش 40% ضریب اصطکاک می­شود که در نتیجه مصرف سوخت کاهش می­یابد و میزان گاز CO₂ 2-1% کاهش خواهد یافت. از این­رو ترکیبی از سختی، چقرمگی و سهولت در به کارگیری این پوشش­ها در محیط­های خشن موتورها، آن­ها را برای این کاربردها مناسب کرده است. برخی از قطعات پوشش­دهی شده عبارتند از:

چرخ دنده­ها	موتورهای احتراق	کمپرسورها	بلبرینگ­ها
پمپ­ها و موتورهای هیدرولیک	زنجیرهای محرک	قفسه دنده	چرخ دنده جناحی
اکسل عقب	دیفرانسیل	شفت­های یونیورسال	wrist pins
تزریق دیزل توربو	پین­های پیستون	یاتاقان­های لغزشی	یاتاقان­های چرخشی
رینگ­های پیستون	قطعات valve train	tappet	valve lifters

 

کاربردهای نانوپوشش­ها در اجزای موتور های دیزلی

قطعه اصلی	اجزای قطعه	نانو پوشش مورد استفاده
Dissel injection	Pressurization pump	Me-DLC
	Valve	DLC
	Injection	CrN
Cam shaft	Cam shaft	Me-DLC
	Follower	DLC
	Tappet	CrN, a-C
Piston	Upper piston ring	CrN, DLC/Me-DLC
	Piston pin	DLC/Me-DLC
Crankshaft	Journal bearing	AlSn alloy AlPbSi alloy

شرکت miba به صورت تخصصی بر روی پوشش­های قطعات دچار سایش مانند یاتاقان، بلبرینگ و رولبرینگ فعالیت نموده است.

 

 

تاثیر استفاده از نانوپوشش بر روی عمر بلبرینگ ها (شرکت بالزرز)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4-2-اعمال پوشش بر روی ابزارآلات مورد استفاده در این صنعت

شرکت­های Mitsubishi و Korloy  از تامین­کنندگان بزرگ ابزارآلات ماشین­کاری جداکننده ریل، ریل­های متقاطع، اتصالات ریل­ها، چرخ­ها و غیره، دائما در حال کار بر روی استفاده از فن­آوری های مدرن در ابزارهای ماشین کاری تولیدی خود می­باشند.

لازم به ذکر است مطالب فنی ارائه شده در زیر مربوط به ابزارهای برشی است که در آن بخش از قطعه جهت تعمیر و بهبود خواص سطحی استفاده می­گردد.

1. چرخ

بخش داخلی: پوشش­دهی ابزار های ماشین کاری در این قطعات به روش CVD برای کاربردهای مقاوم به شکست به خصوص برای ماشین­کاری فولاد فورج شده بسیار کارآمد بوده و سبب افزایش عمرکاری ابزار می شود.

بخش بالایی: ایجاد نانوپوشش برروی الماسه های ماشین کاری، موجب افزایش مقاومت به شکست ابزار شده، همچنین باعث بهبود کیفیت ماشین­کاری فولاد فورج شده و افزایش عمرکاری ابزارآلات ماشین کاری و چرخ می­شود.

 

 

 

 

بخش آج چرخ: پوشش­دهی به روش  CVD بر روی ابزارهای ماشین کاری و پرداخت، موجب افزایش مقاومت به شکست زیرلایه شده، همچنین باعث بهبود کیفیت سطح ماشین­کاری فولاد فورج شده و افزایش عمرکاری ابزارآلات می­شود.

دریل­کاری: دریل­های نانوپوشش دار، ترکیب مناسب برای کنترل تراشه ها و ایجاد مقاومت برشی کم برای اجرای ماشین­کاری کارآمد در قطعات صنعت راه آهن است.

 

 

2. محور

این محور از جنس فولاد کربنی بوده و توسط ابزارهای نانوپوشش دار ماشین کاری و پرداخت شده است. مقاومت به شکست بالا، حصول پایداری بالا در هنگام چرخش شفت محور اغلب در بخش­هایی که در مواجهه با پدیده سایش است، از نتایج مثبت استفاده از نانوپوشش هاست.

 

 

 

3. ریل

الماسه­های نوع SPS که در ابزار برش برای تعمیر ریل مورد استفاده قرار می­گیرند دارای 128 دندانه می­باشند. همچنین  الماسه­های نوع SPEW و LPE که نوعی دیگری از ابزار برش برای تعمیر ریل است دارای 198دندانه می­باشد. نکته مشترک در این ابزار پوشش­دهی این ابزارها با نانوپوشش­های سخت و مقاوم است.

مقاومت به سایش الماسه­ها در ابزارهای برش و تعمیر و نگهداری ریل، محور و چرخ­ها به وسیله پوشش­های آن­ها با بهره­گیری از فناوری نانوپوشش­ها فراهم می­شود. در نتیجه عمرکاری ابزارها و همچنین کیفیت سطحی قطعات پس از ماشین کاری افزایش خواهد یافت.

 

Rail contour milling: به صورت گسترده با نانو پوشش­های PVD و الماسه­های کاربیدی افزایش عمرابزارآلات ماشین­کاری rail contours  را فراهم می­سازند.   این قطعه از جنس فولاد کرین بالا است.

بخش کناری Rail milling در این بخش از الماسه­های نانوپوشش دار با دقت بالا برای افزایش بازدهی و دقت ماشین­کاری ریل­های مشترک و تقاطع­ها استفاده می­شود.

 

 

 

 

4-3-پوشش­های تزئینی مورد استفاده در صنعت حمل و نقل ریلی

پوشش­های سخت به صورت گسترده برای اهداف تزئینی بر روی سطوح و فراهم کردن خواص ظاهری با کیفیت بالا مورد استفاده قرار گرفته است. در سال­های اخیر تقاضاهای زیادی جهت جایگزینی آبکاری به دلیل آلودگی­های زیست محیطی وجود داشته است.  با توجه به تقاضای موجود برای ایجاد پوشش­های تزئینی بر روی پلاستیک­ها، ابتدا باید یک لایه پوشش آبکاری جهت افزایش چسبندگی ایجاد کرد سپس پوشش تزئینی مورد نظر را لایه­نشانی کرد. با توجه به مسئله مطرح شده شرکت هازر توانسته است با لایه­نشانی پوشش DLC بدون استفاده از یک لایه میانی برای افزایش چسبندگی، آن­ها را بر روی پلاستیک­ها اعمال نماید.

تکنولوژی ePD شرکت ارلیکون بالزرز تعدادی زیادی از خواص برای پوشش­ها را نسبت به رنگ­های متداول انتخابی پیشنهاد می­کند که می­توان به انعطاف­پذیری رنگ، سازگاری با محیط زیست، مقاومت به خوردگی، ویژگی­های ایمنی، شفافیت نور، Capacitive sensing، تنوع در به کارگیری انواع زیرلایه ها، طراحی برای شب/روز و شفافیت را اشاره کرد. شرکت آیون­باند[2] دارای یک طیف گسترده ای از رنگ های استاندارد در سراسر طیف فلزات می­توان ایجاد نماید. با این حال، طراحان شرکت های بزرگ ممکن است یک نوع رنگ ویژه را درخواست کنند.

خلاصه مدیریتی گزارش

در سال­های اخیر با توجه به پیشرفت چشمگیر فناوری نانوپوشش­ها در کشور امید است تا بتوان با بهره­گیری از این فناوری مشکلات موجود در مواجهه با سایش، فرسایش و ضربه در صنعت حمل و نقل ریلی را مرتفع کرد. در این گزارش سعی شد تا با نگاهی به فناوری نانوپوشش، بتوان مشکلات تجهیزات صنعت حمل و نقل ریلی در حوزه سایش، فرسایش و خوردگی را مرور نمود و برای آنها راهکار ارایه داد.

در این رهگذر کارگروه صنعت و بازار ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، «مرکز توسعه نانوپوشش» را تاسیس نموده است. هدف این مرکز حل مشکلات صنعت در حوزه سایش، فرسایش و خوردگی با تاکید بر توان فناوری داخلی می باشد. لذا برای دستیابی به این مهم سازندگان تجهیزات لایه­نشانی و مراکز خدمات فناوری را گرد هم آورده است تا بتواند از طریق حمایت­های مالی و معنوی خود مسیر رسوخ فناوری نانوپوشش در صنایع کشور را هر چه بیشتر تسهیل نماید.

معرفی مرکز توسعه نانوپوشش

مرکز توسعه نانوپوشش یکی از زیر مجموعه­ های کارگروه صنعت و بازار ستاد ویژه توسعه فناوری نانو در سال ۱۳۹۲ با هدف رسوخ فناوری نانوپوشش­ ها در صنایع و شرکت­های متقاضی و همچنین هدایت و حمایت شرکت­ های فناور در حوزه نانوپوشش تشکیل شد. در حال حاضر این مرکز با ارائه خدماتی همچون مشاوره و عارضه­ یابی، مهندسی، تحقیق و توسعه، آموزش تخصصی و حمایت­ های مالی ویژه در صدد بهره­ مندی صنایع و شرکت­ های متقاضی از  این فناوری می­ باشد. اهداف مهم این مرکز به قرار ذیل است:

• آشنایی صنایع با پتانسیل­ های بالقوه و بالفعل فناوری نانوپوشش
• ارائه خدمات فنی، مشاوره­ای، تحقیق و توسعه ای به صنایع
• حل مشکلات صنعتی موجود با تکیه بر توانمندی فناوری
• رسوخ، بکارگیری و توسعه فناوری نانوپوشش در صنایع
• کمک به فناوران جهت عرضه فناوری به صنعت
• بازارسازی و بازار یابی فناوری نانوپوشش
• کمک به افزایش بهره ­وری صنایع از طریق بکارگیری فناوری نانوپوشش
• رصد آخرین تحولات جهانی در حوزه پژوهشی و صنعتی فناوری نانوپوشش

صنایع علاقمند به آشنایی با خدمات این مرکز و نیز بهره­مندی از آن می­توانند به وب­سایت مرکز توسعه نانوپوشش ایران به نشانی www.NanoCoating.ir مراجعه نمایند.

[1] – در «مهندسی سطح» با اعمال فرایندهایی و با ایجاد روکشی از موادی بسیار سخت بر تجهیزات (بسته به روش مورد استفاده با ضخامت قابل کنترل بین 1 نانومتر تا 100 میکرومتر)، امکان افزایش سختی و مقاومت قطعات در برابر سایش و خوردگی وجود خواهد داشت.

[2] Ionbond

 

————————————————–

تهیه و تنظیم:

• مرکز توسعه نانوپوشش گروه صنعت و بازار با همکاری بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================